DE19927246A1 - Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Es wird ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeuges beschrieben, welches insbesondere für Diesel- oder Magermotoren einsetzbar ist, mit zumindest jeweils in einem Abgasstrang (5) angeordneten ersten Katalysator (2) und NOx-Speicher (7), wobei vor dem NOx-Speicher (7) zumindest ein Wärmeübertrager (3; 8) im Abgasstrang (5) angeordnet ist, welcher erfindungsgemäß als Kreuzstromwärmetauscher (3; 8) für ein im Kreuzstrom mit einem Kühlfluid wärmetauschendes Abgasfluid ausgebildet ist, so daß ein solcher Wärmestrom (W1, W2) abgeführt wird, daß eine maximale Temperatur des NOx-Speichers (7) nicht überschritten wird. DOLLAR A Insgesamt erlaubt die vorliegende Erfindung eine einfache und effektive Einhaltung eines vorgegebenen Temperaturbereichs temperaturempfindlicher Komponenten in einem Abgassystem wie die eines NOx-Speichers (7), wobei zugleich die Qualität der Abgasreinigung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen sichergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Verbrennungskraftma­ schine eines Kraftfahrzeuges, insbesondere für Diesel- oder Magermotoren, mit zumindest jeweils einem in einem Abgasstrang angeordneten ersten Katalysator und NOx-Speicher, welcher auch als NOx-Adsorber bezeichnet wird, wobei vor dem NOx-Speicher zumindest ein Wärmeübertrager im Abgasstrang angeordnet ist.

Ein zunehmendes Umweltbewußtsein und eine dieses Umweltbewußtsein reflektieren­ de strenger werdende Abgasgesetzgebung erfordern eine noch stärkere Reduzierung von Abgaskomponenten, welche im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine enthalten und als schädlich eingestuft sind. Üblicherweise wird in gegenwärtigen Kraftfahrzeugen ein Dreiwege-Katalysator eingesetzt, mittels welchem Kohlenmonoxid (CO), unver­ brannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffoxide (NOx) in unschädliche Bestand­ teile umgesetzt werden.

In der EP 0 298 240 B1 ist beschrieben, daß bei den bekannten Abgaskatalysatoranla­ gen über die Ermittlung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas mittels einer Sauerstoff- Sonde, über die Ermittlung des Temperaturprofils am Katalysator und über die Ermitt­ lung der bei der katalytischen Reaktion freiwerdenden Wärmemenge auf das Abgasver­ halten der Verbrennungskraftmaschine geschlossen werden kann.

Beim Betrieb und vor allem während der Kaltstartphase fallen bei einer Verbrennungs­ kraftmaschine Schadstoffe an. Daher ist es erforderlich, Katalysatoren im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine vorzusehen. Dies ist beispielsweise aus der EP 0 628 134 B1 bekannt. Des weiteren ist aus der EP 0 485 179 bekannt, Adsorber zur Spei­ cherung von während der Kaltstartphase anfallenden unverbrannten Kohlenwasser­ stoffen zu verwenden, die bei betriebsbereitem nachgeschaltetem Katalysator wieder abgegeben werden.

Bei stationären Verbrennungskraftmaschinen gilt in Deutschland die sogenannte TA- Luft. Die Verringerung der Stickoxidemissionen aus dem Abgas von Verbrennungs­ kraftmaschinen wird bei stationären Anlagen häufig mittels Harnstoff realisiert.

Bei Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge ist dies zur Zeit nur schwer mög­ lich, und zwar unter anderem wegen des dafür mitzuführenden Tanks und wegen des­ sen Gewichts. Insbesondere bei Nutzfahrzeugen ist es bekannt, eine Abgasrückführung mit rückgekühlten Abgasen durchzuführen. Auch ist es bekannt, durch Wassereinsprit­ zung die NOx-Emissionen zu reduzieren. Desweiteren ist es bekannt, die NOx- Emissionen dadurch zu verringern, daß diese zunächst in einem NOx-Speicher zwi­ schengespeichert werden, aus welchem diese dann durch gezielte Reaktionen mit un­ verbrannten Kohlenwasserstoffen zu Stickstoff reduziert werden, d. h. daß dadurch den NOx-Bestandteilen der Sauerstoff entzogen wird.

Der normale Betriebstemperaturbereich, innerhalb dessen derartige NOx-Speicher zu­ verlässig arbeiten, liegt gegenwärtig bei etwa 150°C bis 550°C, wobei eine Erhöhung der oberen Temperatur auf z. B. 700°C durch neue Beschichtungen angestrebt wird. Oberhalb einer Maximaltemperatur, gegenwärtig von etwa 800°C, werden NOx- Speicher geschädigt, so daß solche Temperaturen in jedem Falle zu vermieden sind.

Derartige NOx-Speicher sind im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges in der Regel hinter einem ersten Katalysator angeordnet. Die im ersten Katalysator ablaufende Reaktion, insbesondere der Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff, ist exotherm, so daß bei der im Katalysator stattfindenden Reinigung des Abgases dem Abgas ein Wärmestrom zuge­ führt wird. Da der NOx-Speicher erst bei einer Temperatur von ca. 150°C seine mini­ male Betriebstemperatur erreicht, ist es wünschenswert, vor allen Dingen im Hinblick auf das Kaltstartverhalten eines derartigen Abgasreinigungssystems, den NOx-Speicher so dicht wie möglich hinter dem ersten Katalysator anzuordnen.

Demgegenüber werden im Vollastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei der im ersten Katalysator stattfindenden exothermen Reaktion Abgastemperaturen nach dem Katalysator erreicht, welche im Bereich von oder über 1.000°C liegen können. Bei diesen Vollastbedingungen ist es daher wünschenswert, den NOx-Speicher möglichst weit hinter dem ersten Katalysator anzuordnen, um zu gewährleisten, daß die Tempe­ ratur des NOx-Speichers auch unter diesen Vollastbedingungen nicht über ca. 800°C steigt.

Zur Lösung dieser sich widersprechenden Bedingungen ist aus der DE 197 46 658 A1 (= WO 99/20876) bereits ein Verfahren und ein Abgassystem zur Regelung der Tempe­ ratur eines NOx-Speichers zum Reinigen eines Abgasstromes einer Verbrennungs­ kraftmaschine bekannt, welches insbesondere für Diesel- oder Magermotoren einsetz­ bar ist und bei welchem aus dem Abgasstrom in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine vor dem in dem Abgasstrang vorgesehenen NOx-Speicher ein solcher Wärmestrom mittels eines Wärmeübertragers abgeführt wird, daß eine ma­ ximale Temperatur des NOx-Speichers nicht überschritten und insbesondere ein vor­ gebbarer Temperaturbereich eingehalten wird. Bevorzugt ist der Wärmeübertrager als Gegenstromwärmeübertrager ausgebildet, insbesondere als doppelwandiges Rohr, wel­ ches in seinem Inneren von Abgas und in der durch die Doppelwand gebildeten Hülle von einem Kühlfluid durchströmt ist (sog. Rohrbündelwärmetauscher). Alternativ oder kumulativ ist der Wärmeübertrager ein als Rippenrohr ausgebildetes Stück des Ab­ gasstranges, welches von einem Kühlfluid umströmt ist (sog. Rippenwärmetauscher).

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgassystem mit einer verbesserten, insbesondere höheren und kostengünstigeren, Kühlleistung anzuge­ ben, um eine thermisch bedingte Schädigung eines im Abgassystem angeordneten NOx-Speichers, insbesondere eine frühzeitige Alterung der Beschichtung, zu vermei­ den. Insbesondere soll das Temperaturfeld des NOx-Speichers von etwa 150°C bis etwa 550°C eingehalten werden können. Darüber hinaus soll bei Diesel- und Mager­ motoren im Abgas vorhandene Stoffe wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlen­ monoxid und Stickoxide während aller Lastbedingungen der Verbrennungskraftmaschi­ ne möglichst weitgehend entfernt und eine rasche Betriebsbereitschaft nach dem Kalt­ start gewährleistet sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Abgassystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, insbesondere für Diesel- oder Magermotoren, mit zumindest je­ weils einem in einem Abgasstrang angeordneten ersten Katalysator und NOx- Speicher, wobei vor dem NOx-Speicher zumindest ein Wärmeübertrager im Ab­ gasstrang angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, daß der Wärmeübertrager als ein wie beispielsweise in der DE 195 07 315 A1 beschriebener Kreuzstromwärme­ tauscher für ein im Kreuzstrom mit einem Kühlfluid wärmetauschendes Abgasfluid ausgebildet ist, so daß in vorteilhafter Weise ein Wärmestrom, vorzugsweise in Ab­ hängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, ab­ führbar und das Temperaturfeld des NOx-Speichers von 150°C bis 550°C einhaltbar ist.

Gegenüber den in der DE 197 46 658 A1 (= WO 99/20876) vorgeschlagenen Rohr­ bündel- und Rippenwärmetauschern zur Vermeidung einer thermisch bedingten Schädi­ gung des im Abgassystem angeordneten NOx-Speichers weisen vorliegend erfindungs­ gemäß verwendete Kreuzstromwärmetauscher für zwei im Kreuzstrom tauschende Fluide mit kreuzweise geschichteten Lagen strukturierter, insbesondere gewellter Ble­ che, die eine Vielzahl durchströmbarer Kanäle bilden und zwischen denen glatte Bleche angeordnet sind wenigsten die nachstehenden Vorteile eines hohen ΔT, einer kleinen Masse, eines kleinen Δp, eines geringen Platzbedarfes und einer kleinen Wärmesenke auf.

Bevorzugt sind der NOx-Speicher zwischen dem ersten Katalysator und einem zweiten Katalysator und der Kreuzstromwärmetauscher vor dem ersten Katalysator oder zwi­ schen dem ersten Katalysator und dem NOx-Speicher angeordnet. Somit wird aus dem Abgasstrom vor oder nach einem ersten Katalysator zumindest ein Teil der im Ab­ gasstrom enthaltenen Wärmeenergie als Wärmestrom abgeführt. Der Anteil der Ener­ gie, welcher als Wärmestrom vor dem NOx-Speicher abgeführt wird, richtet sich dabei nach den Temperaturgrenzen von ca. 150°C bis 550°C der üblichen Funktion bzw. der maximalen Temperatur von 800°C des NOx-Speichers. Insbesondere mittels des zwi­ schen dem ersten Katalysator und dem NOx-Speicher angeordneten Kreuzstromwär­ metauschers kann vermieden werden, daß der NOx-Speicher eine über die Grenztem­ peratur von ca. 800°C hinausgehende thermische Belastung erfährt.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Abgasstrom zwei­ stufig abgeführt. Das zweistufige Abführen des Wärmestromes kann dabei durch zwei unmittelbar hintereinander vor dem NOx-Speicher angeordnete Kreuzstromwärmetau­ scher oder durch jeweils einen Kreuzstromwärmetauscher vor dem ersten Katalysator und zwischen dem ersten Katalysator und dem NOx-Speicher erfolgen. Insbesondere bei Abführen eines Wärmestroms unmittelbar hinter der Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise bei hoher Last der Verbrennungskraftmaschine die Austrittstempe­ ratur des Abgases auch hinter dem ersten Katalysator, welcher vor dem NOx-Speicher angeordnet ist, zielgerichtet abgesenkt werden. Insgesamt kann in vorteilhafter Weise durch die Zweistufigkeit das Abführen eines Wärmestroms aus dem Abgas vor dem NOx-Speicher flexibler durchgeführt werden. Die Flexibilität ist etwas geringer, wenn lediglich ein Kreuzstromwärmetauscher vor dem NOx-Speicher zwischen der Verbren­ nungskraftmaschine und dem ersten Katalysator angeordnet ist. In jedem Falle einer solchen Konfiguration kann die Temperatur des ersten Katalysators jedoch so reduziert werden, daß der NOx-Speicher thermisch nicht überlastet wird, d. h. seine Temperatur unterhalb von 800°C gehalten wird. Dabei können jedoch unter Umständen, insbeson­ dere bei höherer Last der Verbrennungskraftmaschine, nicht mehr alle unverbrannten Kohlenwasserstoffe ausreichend oxidiert werden, so daß es erforderlich sein kann, ei­ nen entsprechend wirksamen weiteren Dreiwege-Katalysator in Strömungsrichtung hinter dem NOx-Speicher vorzusehen. Sowohl der erste Katalysator als auch der zweite Katalysator können jeweils als Dreiwege-Katalysatoren ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, daß der NOx-Speicher und der zweite Katalysator in einer Ein­ heit integriert sind. Dies läßt sich beispielsweise dadurch realisieren, daß der NOx- Speicher eine Dreiwege-Beschichtung aufweist. In einem solchen Fall adsorbiert der NOx-Speicher einerseits NOx und wirkt andererseits als Oxidationskatalysator, wobei adsorbiertes NOx direkt mit Kohlenwasserstoffen umgesetzt wird.

Vorzugsweise liegt der durch den Kreuzstromwärmetauscher abzuführende Wärme­ strom im Bereich von etwa 5 kW bis etwa 50 kW.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die für eine Durchströmung des Ab­ gasfluides vorgesehenen Kanäle des Kreuzstromwärmetauschers im wesentlichen in Strömungsrichtung des Abgases im Abgasstrang angeordnet.

Zur Verbesserung des Wärmeaustausches wird eine Schräganströmung des Abgases auf der Abgaseintrittsseite des Kreuzstromwärmetauschers vorgeschlagen, d. h. vor­ zugsweise sind die für eine Durchströmung des Abgasfluides vorgesehenen Kanäle des Kreuzstromwärmetauschers in einem Winkel zur Strömungsrichtung des Abgases, vor­ zugsweise unter einem Winkel von 45°, im Abgasstrang angeordnet.

Vorzugsweise ist das Kühlfluid Luft, welches unter Normalbedingungen des Verbren­ nungsmotors durch die dafür vorgesehenen Kanäle des Kreuzstromwärmetauschers im wesentlichen zwangsfrei strömt. Luft als Kühlfluid weist beispielsweise gegenüber Was­ ser insbesondere den Vorteil auf, daß gegebenenfalls geringfügig austretendes Abgas herstellungsbedingter und/oder betriebsdauerbedingter Undichtigkeiten im Kreuz­ stromwärmetauscher in der Regel unkritisch sind.

Eine für Normalbedingungen ausreichende Wärmeabfuhr kann allein schon dadurch erreicht werden, wenn die für eine Durchströmung der Luft vorgesehenen Kanäle des Kreuzstromwärmetauschers im wesentlichen in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges im Abgasstrang angeordnet sind.

Jedoch wird insbesondere zur Erzielung einer möglichst homogenen Temperaturver­ teilung, also zur Vermeidung sogenannter "hot-spots" vorgeschlagen, daß die für eine Durchströmung der Luft vorgesehenen Kanäle des Kreuzstromwärmetauschers in einem Winkel zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges, vorzugsweise unter einem Winkel von 45°, im Abgasstrang angeordnet sind.

Für beide Fälle ist von Vorteil, den Kreuzstromwärmetauscher an einer Position mit maximalem Fahrtwind im Abgasstrang anzuordnen.

Für Voll- und Extremlastbedingungen (z. B. Bergfahrt mit Hänger) wird vorgeschlagen, daß Luft als Zwangsströmung durch die entsprechenden Kanäle des Kreuzstromwär­ metauscher strömt.

Zur Erzeugung der Zwangsströmung kann beispielsweise ein Gebläse vorgesehen sein, welches vorzugsweise ähnlich wie bei einem Kühlsystem für Verbrennungskraftmaschi­ nen lastabhängig anspringt.

Bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader wird im allgemeinen ohnehin überschüssige Luft aus dem Turbolader abgeblasen. Alternativ oder kumulativ kann daher diese Luft besonders vorteilhaft zur Zwangskühlung des Abgases im Ab­ gasstrang eingesetzt werden.

Zur weiteren Verbesserung des Wärmetransportes zwischen den Kanälen wird vorge­ schlagen, daß der Kreuzstromwärmetauscher eine Zelldichte von wenigstens 50 bis 200 cells per square inch aufweist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfin­ dung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen detailliert erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Abgassystems gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Abgassystems gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist in prinzipieller Darstellung ein Abgassystem gemäß der Erfindung darge­ stellt. Von der Verbrennungskraftmaschine 1 gelangt das Abgas in einen Abgasstrang 5, in welcher ein ersten Katalysator 2 und ein zweiter Katalysator 6 angeordnet sind. Zwi­ schen beiden Katalysatoren 2, 6 ist ein NOx-Speicher 4 angeordnet. Zwischen dem ersten Katalysator 2 und dem NOx-Speicher 4 ist ein Kreuzstromwärmetauscher 3 im Abgasstrang 5 angeordnet. Bei dem von der Verbrennungskraftmaschine 1 über den Abgasstrang 5 zu dem ersten Katalysator 2 gelangenden Abgas findet, nachdem der erste Katalysator 2 seine Betriebstemperatur erreicht hat, was beispielsweise durch eine zusätzlich angebrachte (nicht dargestellte) Heizeinrichtung erfolgen kann, in einer exo­ thermen Reaktion die Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe sowie von Kohlen­ monoxid statt. Durch die in dem ersten Katalysator 2 ablaufende exotherme Reaktion wird dem Abgastrom Energie zugeführt, so daß dessen Temperatur ansteigt. Bei hoher Last der Verbrennungskraftmaschine treten am stromabwärtigen Ausgang des ersten Katalysators 2 Betriebstemperaturen von ca. 1.000°C oder mehr auf. Da die maximale Temperatur des Abgasfluids nach dem ersten Katalysator 2 bei ca. 800°C liegt, würde ein im Abgasstrang 5 nachgeordneter NOx-Speicher 4 mit einem Arbeitstemperaturbe­ reich von ca. 150°C bis ca. 550°C durch eine derartig hohe Temperatur frühzeitig zerstört oder mangelhaft funktionieren mit der Folge, daß der Abgasstrom nicht von dem umweltschädlichen NOx befreit werden könnte. Aus diesem Grunde ist zwischen dem ersten Katalysator 2 und dem NOx-Speicher 4 der Kreuzstromwärmetauscher 3 vorgesehen, mittels welchem insbesondere bei hoher Last der Verbrennungskraftma­ schine 1 eine lastabhängige Abfuhr des durch einen Pfeil symbolisch dargestellten Wärmestromes W realisierbar ist. Grundsätzlich kann ein Wärmeübertrager auch schon vor dem ersten Katalysator 2 liegen, sofern dies für das Kaltstartverhalten keine Nach­ teile bringt.

Je nach im ersten Katalysator 2 durch die exotherme Reaktion freigesetzter und im Abgasstrom enthaltener Wärmeenergie und damit je nach Temperatur des den ersten Katalysator 2 verlassenden Abgasstromes erfolgt vorzugsweise eine geregelte Abfuhr des Wärmestromes W, damit gewährleistet ist, daß die Temperatur des NOx-Speichers im gewünschten Bereich bleibt. Da bei entsprechend hohen Betriebstemperaturen der erste Katalysator 2 bereits mit einem relativ hohen Prozentsatz die im Abgasstrom ent­ haltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe sowie das darin enthaltene Kohlenmonoxid oxidiert, liegen in der Regel nicht mehr ausreichende Mengen an unverbrannten Koh­ lenwasserstoffen vor zur Reaktion mit dem in dem NOx-Speicher 4 gespeicherten NOx. Daher ist es, und zwar je nach Betriebsbedingungen, erforderlich, in Intervallen zusätzlich unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrang 5 vor dem NOx- Speicher 4 einzuspritzen. Um zu gewährleisten, daß bei allen Betriebsbedingungen eine möglichst vollständige Reinigung des Abgases erfolgt, ist hinter dem NOx-Speicher 4 noch ein zweiter Katalysator 6 vorgesehen, welcher auch die zusätzlich eingebrachten unverbrannten Kohlenwasserstoffe oxidiert und damit ein im wesentlichen gereinigtes Abgas liefert.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Abgaskatalysatoranlage gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dieser Abgaskatalysatoranlage wird der Abgasstrom von der Verbrennungkrafimaschine 1 in die Abgasleitung 5 geleitet, in welcher zwei Kreuz­ stromwärmetauscher 3, 8, ein erster Katalysator 2 und ein mit einer Dreiwege- Katalysator-Beschichtung versehener NOx-Speicher 7 angeordnet sind. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist wiederum ein erster Kreuzstromwärmetau­ scher 3 zwischen dem Katalysator 2 und dem NOx-Speicher 7 angeordnet. Mit diesem Kreuzstromwärmetauscher 3 ist es möglich, entsprechend der jeweiligen Betriebslast bzw. dem jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskrattmaschine 1 einen definier­ ten Wärmestrom W2 aus dem Abgasstrom abzuführen. Zusätzlich ist zwischen der Verbrennungskrafimaschine 1 und dem Katalysator 2 ein weiterer Kreuzstromwärme­ tauscher 8 vorgesehen, mittels welchem ein zusätzlicher Wärmestrom W1 aus dem Abgasstrom abführbar ist. Das führt jedoch dazu, das die Eingangstemperatur des Ka­ talysators 2 zurückgeht, wodurch ggf auch die dort ablaufende exotherme Reaktion verlangsamt wird. Dadurch ist dessen Temperatur am Austritt aus dem Katalysator 2 geringer als im Fall des Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Bei einem Betriebsfall, bei welchem beide Kreuzstromwärmetauscher 3, 8 in Betrieb sind, ist daher der im Kreuz­ stromwärmetauscher 3 abzuführende Wärmestrom W2 geringer als bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1. In jedem Fall dienen die Wärmetauscher 3, 8 der Reduzie­ rung der maximalen Temperatur des Abgasstromes beim Eintritt in den NOx-Speicher 7, um zu gewährleisten, daß dessen vorgebbarer Temperaturbereich eingehalten wird. Natürlich ist auch eine kombinierte Verwendung eines Kreuzstromwärmetauschers und eines Rohrbündel- und/oder Rippenwärmetauschern im Abgasstrang 5 denkbar, insbe­ sondere wenn man die aus dem Abgasstrom entnommene Wärmeenergie im Fahrzeug für Heizzwecke oder ähnliches einsetzten will.

Da bei reduzierter exothermer Reaktion im Katalysator 2 unverbrannte Kohlenwasser­ stoffe unter Umständen nicht vollständig mit im NOx-Speicher 7 gespeichertem NOx reagieren und den NOx-Speicher 7 unverbrannt verlassen können, ist der NOx- Speicher 7 als eine integrale Einheit mit einer Dreiwege-Katalysator-Beschichtung ver­ sehen. Diese Dreiwege-Katalysator-Beschichtung wirkt wie ein Hauptkatalysator 6 gemäß Fig. 1, jedoch mit dem Vorteil, daß weniger separate Teile der Abgasreini­ gungsanlage erforderlich sind.

Bei Vorsehen von zwei Kreuzstromwärmetauschern 3, 8 ist die Flexibilität bzgl. der Anpassung des abzuführenden Wärmestroms entsprechend des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu einem Ausführungsbeispiel mit nur einem Kreuzstromwärmetauscher 3 gemäß Fig. 1 deutlich verbessert.

Wie in Fig. 2 angedeutet, kann der Abgasstrang 5 auch einen Abgasturbolader 9 hinter der Verbrennungskraftmaschine 1 enthalten. Das Abgas treibt diesen Turbolader 9 an, so daß dort Umgebungsluft komprimiert und durch einen Pfeil gekennzeichnet zur Ver­ brennungskraftmaschine 1 geführt wird. Überschüssige Luft wird dabei üblicherweise abgeblasen, so daß diese erfindungsgemäß vorteilhafterweise, ebenfalls durch einen Pfeil gekennzeichnet, zur Zwangskühlung des Abgases im Abgasstranges 5, beispiels­ weise im Kreuzstrom im zusätzlichen Kreuzstromwärmetauscher 8, genutzt werden kann. Alternativ oder kumulativ kann, wie gleichfalls in Fig. 2 schematisch gezeigt, zur Erzeugung einer Zwangsströmung auch ein Gebläse 10 vorgesehen sein.

Beide zuvor beschriebene Ausführungsbeispiele dienen dem Reinigen eines Abgasstro­ mes einer Verbrennungskraftmaschine 1. Dabei wird in Abhängigkeit vom Betriebszu­ stand der Verbrennungskraftmaschine 1 aus dem Abgasstrom vor einem NOx-Speicher 4, 7 ein Wärmestrom mittels wenigstens einem Kreuzstromwärmetauscher 3, 8 abge­ führt. Dabei ist der wenigstens eine Kreuzstromwärmetauscher 3, 8 vor allen Dingen während der Kaltstartphase nicht in Betrieb, um so ein rasches Erreichen der Betrieb­ stemperatur des NOx-Speichers 4, 7 in Höhe von mindestens ca. 150°C zu unterstüt­ zen. Je stärker bei ansteigender Last der Verbrennungskraftmaschine 1 die exotherme Reaktion des im Abgasstrang 5 angeordneten ersten Katalysators 2 wirksam wird, des­ to stärker wird die Kühlleistung des zum Abführen des Wärmestroms erforderlichen Kreuzstromwärmetauschers 3, 8 vor dem NOx-Speicher 4, 7, so daß zuverlässig wäh­ rend des gesamten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 1 gewährleistet wird, daß die Temperatur des NOx-Speichers 4, 7 insbesondere 800°C nicht übersteigt und/oder sich in einem vorgebbaren Temperaturbereich befindet. Die Verwendung wenigstens eines Kreuzstromwärmetauschers 3, 8 im Abgassystem einer Verbrennungskraftma­ schine 1 dient somit der Betriebssicherheit oder auch der Erhöhung der Lebensdauer des NOx-Speichers 4, 7. Damit wird über den gesamten Lastbereich der Verbren­ nungskraftmaschine 1 ein zuverlässiges Reinigen des Abgasstromes realisiert. Generell kann der Kreuzstromwärmetauscher 3, 8 so gestaltet sein, daß er allein aufgrund seiner Bauart bei niedrigen Temperaturen wenig Wärme abführt und bei hohen Temperaturen viel Wärme. Insbesondere können trichterförmige, gegebenenfalls variierbare, Leitble­ che an der Einlaßseite für das Kühlfluid des Kreuzstromwämetauschers 3, 8 vorgesehen sein. Möglich ist aber auch, die Wärmeabfuhr durch zusätzliche Maßnahmen zu steuern oder zu regeln (z. B. eine im wesentlichen Wärmestrahlung basierende Wärmeabfuhr).

Beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist zudem gemein, daß der Wär­ mestrom vorzugsweise in Abhängigkeit von der Last der Verbrennungskraftmaschine 1 geregelt abgeführt wird. Als Regelgröße dient dabei der Temperaturbereich des NOx- Speichers 4, 7, in welchem dieser nicht nur zuverlässig NOx adsorbiert sondern auch schadensfrei arbeitet, d. h. thermisch nicht überlastet wird. Die Regelung der abzufüh­ renden Wärmemenge im Betriebstemperaturbereich des NOx-Speichers 4, 7 von ca. 150°C bis ca. 550°C kann dabei in an sich bekannter Weise durch Ermittlung der jewei­ ligen Betriebstemperatur mittels entsprechender, nicht dargestellter, Thermoelemente geregelt werden, auf deren Basis beispielsweise die Menge an Kühlfluid geregelt wird, mittels welchem der Wärmestrom abgeführt wird. In jedem Fall soll die Überschreitung der Maximaltemperatur von 800°C durch Erhöhung der Wärmeabfuhr vermieden werden.

Unabhängig von der im späteren Betrieb erfolgenden Regelung der Temperatur des NOx-Speichers 4, 7, wird darüber hinaus vorzugsweise die Verbrennungskraftmaschine 1 beim Kaltstart so lange bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Lamda ≦ 1 betrieben, bis der NOx-Speicher 4, 7 seine minimale Betriebstemperatur von ca. 150°C erreicht hat. Indem nämlich die Verbrennungskraftmaschine 1 im fetten, zumindest jedoch im stöchiometrischen Betriebsbereich betrieben wird, werden im Abgas ausreichend un­ verbrannte Kohlenwasserstoffe vorhanden sein, welche der raschen Erhöhung der Be­ triebstemperatur des dem NOx-Speicher vorgeschalteten ersten Katalysators 2 dienen. Durch das rasche Hochfahren der Betriebstemperatur des ersten Katalysators 2 wird wiederum die Betriebstemperatur des NOx-Speichers 4, 7 von zumindest ca. 150°C relativ rasch erreicht. Vorzugsweise speichert der NOx-Speicher 4, 7 NOx und oxidiert unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Bei typischen Anwendungen ist der NOx-Speicher 4, 7 durch kurzzeitige Zugaben von Kohlenwasserstoffen in das Abgas regenerierbar. Das bedeutet, daß das gespeicherte NOx durch im NOx-Speicher stattfindende Oxidation unverbrannter Kohlenwasser­ stoffe als Sauerstofflieferant dient und somit aus dem NOx-Speicher 4, 7 Stickstoff, Wasser und CO₂ austreten. Nachdem auf diese Weise das NOx aus dem NOx-Speicher 4, 7 "ausgetrieben" worden ist, weist der NOx-Speicher 4, 7 wieder seine ursprüngliche Adsorbtionskapazität für im Abgas von der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeführtes NOx auf. Damit eine zur Regeneration vorgesehene Menge an Kohlenwasserstoffen auch den NOx-Speicher 4, 7 erreicht ist es günstig, wenn der erste Katalysator 2 nur eine geringe Speicherfähigkeit für Sauerstoff aufweist, damit nicht schon dort die Koh­ lenwasserstoffe oxidiert und damit quasi verschwendet werden.

Insgesamt erlaubt die vorliegende Erfindung eine einfache und effektive Einhaltung eines vorgegebenen Temperaturbereichs temperaturempfindlicher Komponenten in einem Abgassystem wie die eines NOx-Speichers 4, 7, wobei zugleich die Qualität der Abgasreinigung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen sichergestellt ist.

Bezugszeichenliste

1

Verbrennungskraftmaschine

2

Erster Katalysator

3

Kreuzstromwärmetauscher

4

NOx-Speicher

5

Abgasstrang

6

Zweiter Katalysator

7

NOx-Speicher mit katalytisch aktiver Beschichtung

8

zusätzlicher Kreuzstromwärmetauscher

9

Abgasturbolader

10

Gebläse
W Wärmestrom
W1 erster Wärmestrom
W2 zweiter Wärmestrom

Claims (14)

1. Abgassystem für eine Verbrennungskraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeu­ ges, insbesondere für Diesel- oder Magermotoren, mit zumindest jeweils einem in einem Abgasstrang (5) angeordneten ersten Katalysator (2) und NOx-Speicher (4; 7), wobei vor dem NOx-Speicher (4; 7) zumindest ein Wärmeübertrager (3; 8) im Abgasstrang (5) angeordnet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (3; 8) als Kreuzstromwärmetau­ scher (3; 8) für ein im Kreuzstrom mit einem Kühlfluid wärmetauschendes Abgasfluid ausgebildet ist.

2. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx- Speicher (4; 7) zwischen dem ersten Katalysator (2) und einem zweiten Kataly­ sator (6) und der Kreuzstromwärmetauscher (3) vor dem ersten Katalysator (2) oder zwischen dem ersten Katalysator (2) und dem NOx-Speicher (4; 7) angeordnet ist.

3. Abgassystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Kreuzstromwärmetauscher (8) zwischen dem ersten Katalysator (2) und dem NOx-Speicher (4; 7) angeordnet ist.

4. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuzstromwärmetauscher (3; 8) eine Kühlleistung von etwa 5 kW bis etwa 50 kW aufweist.

5. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine Durchströmung des Abgasfluides vorgesehenen Kanäle des Kreuz­ stromwärmetauschers (3; 8) im wesentlichen in Strömungsrichtung des Abga­ ses im Abgasstrang (5) angeordnet sind.

6. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine Durchströmung des Abgasfluides vorgesehenen Kanäle des Kreuz­ stromwärmetauschers (3; 8) in einem Winkel zur Strömungsrichtung des Abga­ ses, vorzugsweise unter einem Winkel von 45°, im Abgasstrang (5) angeordnet sind.

7. Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid Luft ist.

8. Abgassystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine Durchströmung der Luft vorgesehenen Kanäle des Kreuzstromwärmetau­ schers (3; 8) im wesentlichen in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges im Ab­ gasstrang (8) angeordnet sind.

9. Abgassystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine Durchströmung der Luft vorgesehenen Kanäle des Kreuzstromwärmetau­ schers (3; 8) in einem Winkel zur Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges, vorzugs­ weise unter einem Winkel von 45°, im Abgasstrang (5) angeordnet sind.

10. Abgassystem nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuzstromwärmetauscher (3; 8) an einer Position mit maximalem Fahrtwind im Abgasstrang (5) angeordnet ist.

11. Abgassystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Luft als Zwangsströmung durch den Kreuzstromwärmetauscher (3; 8) strömt.

12. Abgassystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Zwangsströmung ein Gebläse (10) vorgesehen ist.

13. Abgassystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß abge­ blasene Luft eines der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeordneten Abgastur­ boladers (9) durch den Kreuzstromwärmetauscher (3; 8) strömt.

14. Abgassystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreuzstromwärmetauscher (3; 8) eine Zelldichte von 50 bis 200 cells per square inch ausweist.