EP1861608A1 - Abgasanlage mit einer abgasbehandlungseinheit und einem wärmetauscher in einer abgasrückführleitung - Google Patents

Abgasanlage mit einer abgasbehandlungseinheit und einem wärmetauscher in einer abgasrückführleitung

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EP1861608A1
EP1861608A1 EP06723685A EP06723685A EP1861608A1 EP 1861608 A1 EP1861608 A1 EP 1861608A1 EP 06723685 A EP06723685 A EP 06723685A EP 06723685 A EP06723685 A EP 06723685A EP 1861608 A1 EP1861608 A1 EP 1861608A1
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EP
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exhaust gas
treatment unit
exhaust
heat exchanger
gas treatment
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Rolf BRÜCK
Andreas Scheeder
Peter Geskes
Ulrich Maucher
Jens Ruckwied
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Behr GmbH and Co KG
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    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger

Definitions

  • the subject matter of the present invention is an exhaust system for internal combustion engines with heat exchanger and exhaust gas treatment unit in an exhaust gas recirculation system.
  • Exhaust systems of internal combustion engines are often formed with heat exchangers, which are used in particular for a return of the exhaust gas into the air inlet region of the internal combustion engine for cooling the exhaust gas. Pollution of the heat exchanger due to pollutants present in the exhaust gas reduces its performance, so that when the heat exchanger is designed, it must basically be over-dimensioned in order to ensure over a longer period of time that the heat exchanger has at least the desired performance.
  • the object of the invention is to propose a system to be used in the exhaust gas recirculation line, comprising a heat exchanger and a catalyst, in which an effective reduction of the Pollution of the heat exchanger and at the same time the smallest possible volume of the heat exchanger and the catalyst is achieved.
  • the exhaust system according to the invention of an internal combustion engine which comprises an intake system and an exhaust outlet, wherein the exhaust outlet and intake system are connected via an exhaust gas recirculation line, in which an exhaust gas treatment unit and a heat exchanger are formed, wherein the heat exchanger has a first back pressure and the exhaust gas treatment unit has a second back pressure, is smaller than the first dynamic pressure, is characterized in that the exhaust gas treatment unit is formed in such a first distance in the direction of flow in front of the heat exchanger, that during operation, a gas flow entering the exhaust gas treatment unit is made uniform. This means, in particular, that the back pressure in the flow direction before the exhaust gas treatment unit is influenced by the first dynamic pressure of the heat exchanger. ⁇
  • a heat exchanger is to be understood here in particular also an exhaust gas cooler, with which the recirculated exhaust gas is cooled.
  • the internal combustion engine is in particular a diesel engine, for example a diesel engine of a motor vehicle (eg a passenger car, a truck, a motor-driven two-wheeler, boat or aircraft) or a stationary-use diesel engine.
  • a homogenization is in particular also understood as a broadening of the probability distribution of the applied velocities.
  • a heat exchanger which has a plurality of tubes through which the exhaust gas flows. These tubes are preferably flowed around by a coolant which flows through the housing of the heat exchanger and which is taken from a not shown cooling circuit of the internal combustion engine.
  • honeycomb bodies for example ceramic or metallic honeycomb bodies, or else wire knit bodies, bodies made of metal foam or the like.
  • Metallic honeycomb bodies can be constructed, in particular, from at least one at least partially structured metallic layer and optionally at least one substantially smooth layer, which is wound up or stacked and wound together. The twisted or wound layers form permeable cavities, which are bounded by the layers.
  • the layers are in particular made of a high temperature corrosion resistant material, such as Al or Cr steel.
  • the layers can be connected to one another, in particular materially bonded, such as, for example, by a high-temperature soldering process.
  • Both the essentially smooth layers and the at least partially structured layers can have microstructures, guide surfaces, perforations and / or perforations, at least in some areas, which serve for even better mixing of the gas flow.
  • the equalization of the gas flow before entering the exhaust gas treatment unit is advantageously carried out in that the exhaust gas treatment unit is formed relatively close to the heat exchanger. This leads to an equalization of the gas flow already in the exhaust gas treatment unit, so that here the conversion rate is improved because the cross section of the exhaust gas treatment unit is more uniformly exposed to exhaust gas.
  • the volume of the exhaust gas treatment unit can be reduced compared to a conventional structure at the same rate of conversion of pollutants in the exhaust gas. Due to the significantly more efficient conversion rate of the pollutants also reduces the pollution of the heat exchanger, so that it can be smaller in size compared to conventional heat exchangers.
  • honeycomb body which has a relatively small number of cells, for example less than 400 cpsi (cells per square inch), preferably less than 300 cpsi 200 cpsi and less, especially even 100 cpsi.
  • the first distance is selected such that the effect of the first dynamic pressure and the second dynamic pressure accumulate.
  • Cumulating means here in particular that the dynamic pressure applied in front of the exhaust-gas treatment unit is greater than the second dynamic pressure which the exhaust-gas treatment unit would have as such.
  • the back pressure before a component in a flow causes a kind of pressure cushion, which leads to a change in the flow.
  • the present invention causes instead of two areas with a pressure pad before the heat exchanger and the exhaust gas treatment unit, only a pressure pad before the exhaust gas treatment unit forms.
  • the cumulation of the dynamic pressures advantageously leads to the exhaust gas, before it flows into the exhaust gas treatment unit, having to overcome a back pressure which is greater than the second back pressure of the exhaust gas treatment unit.
  • the dynamic pressure is even significantly greater than the second dynamic pressure.
  • the increase of the back pressure causes a homogenization of the flow of the exhaust gas treatment unit and thus the gas flow through the exhaust gas treatment unit and heat exchanger.
  • a second distance of a gas inlet-side end face of the exhaust gas treatment unit from a gas inlet on the outlet side of the heat exchanger less than 60 mm, preferably less than 45 mm, more preferably less than 30 mm.
  • the expansion of the exhaust gas treatment unit in the flow direction is less than 100 mm, preferably less than 50 mm, particularly preferably 25 mm or less.
  • the exhaust gas treatment unit comprises a honeycomb body.
  • honeycomb bodies With a honeycomb body, an exhaust gas treatment unit can be created whose properties such as surface, back pressure, etc. can be set very accurately.
  • metallic or ceramic honeycomb bodies are suitable as honeycomb bodies.
  • honeycomb bodies can advantageously be used here, as described, for example, in DE 197 55 703 A1, WO 90/13736 A1 and WO 99/11911 A1. With respect to the attachment of the honeycomb body, these applications are fully incorporated by reference.
  • the first distance between the exhaust gas treatment unit and the Heat exchanger less than 15 mm, preferably less than 10 mm, more preferably less than 5 mm.
  • the heat exchanger and exhaust gas treatment unit in a common housing.
  • the exhaust gas treatment unit can be held in a corresponding bead of the housing by means of a Ausbörde- treatment or the like. It is also possible to fit the exhaust gas treatment unit flush on a front side of the heat exchanger.
  • the exhaust gas treatment unit comprises a catalytically active coating, in particular an oxidation catalyst coating.
  • the catalytically active coating comprises, for example, a ceramic washcoat which contains materials which catalyze the desired reactions, ie in particular reduce the reaction temperature of these reactions to such an extent that they run to a significant extent at the temperatures in the exhaust gas recirculation.
  • Suitable catalysts are in particular noble metals such as platinum, rhodium or the like.
  • the oxidation catalyst coating catalyzes, in particular, the oxidation of hydrocarbons, since these are responsible for fouling the heat exchanger.
  • the hydrocarbons form a sticky substance which condenses on the cold areas of the heat exchanger and which may further cause soot particles contained in the exhaust gas to adhere to the walls of the heat exchanger.
  • the exhaust gas treatment unit is in particular so designed det that the longest possible residence time and the largest possible surface available for the reaction is given.
  • the ratio of the first dynamic pressure to the second dynamic pressure is greater than 2, preferably greater than 10.
  • Fig. 1 shows schematically a first embodiment of an exhaust system according to the invention
  • FIG. 2 shows schematically a section of the first embodiment of an exhaust system according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic section of a second embodiment of an exhaust system according to the invention.
  • FIG. 4 schematically shows two probability distributions of the flow velocity.
  • 1 shows schematically a first exemplary embodiment of an exhaust system 1 according to the invention of a combustion engine 2.
  • the internal combustion engine 2 comprises an intake system 3 and an exhaust gas outlet 4, wherein the exhaust gas outlet 4 and intake system 3 are connected via an exhaust gas recirculation line 5, in which an exhaust gas treatment unit 6 and a Heat exchangers 7 are formed.
  • the heat exchanger 7 has a first dynamic pressure and the exhaust gas treatment unit 6 has a second dynamic pressure, which is smaller than the first dynamic pressure.
  • the usual flow direction of the exhaust gas was symbolized by corresponding arrows.
  • the amount of exhaust gas flowing through the exhaust gas recirculation line 5 can be regulated, for example, by corresponding valves not shown.
  • the exhaust gas recirculation line 5 can branch off on the exhaust side, both upstream and downstream of an exhaust gas turbocharger (not shown).
  • the exhaust gas treatment unit 6 is formed in such a first distance 8 upstream of the heat exchanger 7 in the flow direction, so that during operation, a gas flow 14 entering the exhaust gas treatment unit 6 is made uniform.
  • the first distance 8 is in this case in particular less than 15 mm, preferably less than 10 mm, particularly preferably less than 5 mm.
  • Heat exchanger 7 and exhaust gas treatment unit 6 are designed so that at this first distance 8 to accumulate the effects of the first dynamic pressure and the second dynamic pressure, so that the exhaust gas flowing into the exhaust gas treatment unit 6 must overcome a back pressure greater than the second back pressure of Exhaust gas treatment unit 6 as such. As explained above, this leads to an equalization of the gas flow 14, which flows into the exhaust gas treatment unit 6.
  • FIG. 2 schematically shows the detail of the exhaust gas recirculation line 5, which comprises the exhaust gas treatment unit 6 and the heat exchanger 7.
  • a second distance 9 between a gas inlet-side end face 10 of the heat exchanger 7 and a gas inlet-side end face 11 of the exhaust gas treatment unit 6 is selected according to the invention so that it is an equalization of the flow in the exhaust treatment unit 6 comes.
  • the second distance 9 is less than 60 mm, preferably less than 45 mm, particularly preferably less than 30 mm.
  • short honeycomb bodies may be used as the exhaust gas treatment unit 6, in particular an expansion 12 in the flow direction of about 20 to about 40 mm.
  • the first distance 8 is, for example, less than 15 mm, or even 5 mm or less.
  • the first distance 8 is selected so that the effect of the first dynamic pressure of the heat exchanger 7 and the second dynamic pressure of the exhaust gas treatment unit 6 accumulate, so that the exhaust gas flowing into the exhaust gas treatment unit 6 has to overcome a back pressure that is greater, preferably significantly larger than the second dynamic pressure of the exhaust gas treatment unit 6 is.
  • FIG. 3 schematically shows a section of a further exemplary embodiment of an exhaust system 1 according to the invention.
  • a cone 13 is formed in the exhaust gas recirculation line 5, which comprises the exhaust gas treatment unit 6 designed as honeycomb body 17 with here conical channels 18.
  • the cone 13 carries the gas flow 14 flowing through the exhaust gas recirculation line 5 to the heat exchanger 7.
  • the heat exchanger 7 comprises exhaust pipes 15 in a housing 16.
  • the gas flow 14 flows through the exhaust pipes 15, these being surrounded by a coolant in the housing 16 which forms part of the housing Cooling circuit of the internal combustion engine 2 is.
  • the first distance 8 between the heat exchanger 7 and the exhaust gas treatment unit 6 is erf ⁇ ndungshiel chosen so that during operation of a entering into the exhaust gas treatment unit 6 gas flow 14 is made uniform.
  • the second probability distribution 20 is the probability distribution in a system according to the invention. It therefore relates to an exhaust system 1 with a heat exchanger 7 and an exhaust gas treatment unit 6 in an exhaust gas recirculation line 5.
  • the second probability distribution 20 is wider, in particular has a greater width at half maximum height (fill width half maximum) than the first probability distribution 19. This is based on the homogenization of the flow according to the invention.
  • the exhaust system according to the invention advantageously allows the formation of a heat exchanger 7 and an exhaust gas treatment unit 6 such as a honeycomb body in the exhaust gas recirculation line 5, wherein both the heat exchanger 7 and the exhaust gas treatment unit 6 can be formed smaller than in the usual way. This saves considerable costs in the design of such systems.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Abgasanlage (1) einer Verbrennungskraftmaschine (2), die eine Ansauganlage (3) und einen Abgasausgang (4) umfasst, wobei Abgasausgang (4) und Ansauganlage (3) über eine Abgasrückführleitung (5) verbunden sind, in der eine Abgasbehandlungseinheit (6) und ein Wärmetauscher (7) ausgebildet sind, wobei der Wärmetauscher (7) einen ersten Staudruck und die Abgasbehandlungseinheit (6) einen zweiten Staudruck aufweist, der kleiner als der erste Staudruck ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgasbehandlungseinheit (6) in einem solchen ersten Abstand (8) in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher (7) ausgebildet ist, dass im Betrieb eine in die Abgasbehandlungseinheit (6) eintretende Gasströmung (14) vergleichmäßigt wird. Die erfindungsgemäße Abgasanlage erlaubt in vorteilhafter Weise die Ausbildung eines Wärmetauschers (7) und einer Abgasbehandlungseinheit (6) wie beispielsweise ein Wabenkörper in der Abgasrückführleitung (5), wobei sowohl der Wärmetauscher (7) als auch die Abgasbehandlungseinheit (6) kleiner als in üblicher Weise ausgebildet werden können. Dies spart erhebliche Kosten bei der Auslegung solcher Systeme.

Description

Abgasanlage mit einer Abgasbehandlungseinheit und einem Wärmetauscher in einer Abgasröckführleitung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasanlage für Verbrennungskraftmaschinen mit Wärmetauscher und Abgasbehandlungseinheit in einer Abgas- rückfuhrleirung.
Abgasanlagen von Verbrennungskraftmaschinen werden oftmals mit Wärmetau- schern ausgebildet, die insbesondere bei einer Rückführung des Abgases in den Lufteinlassbereich der Verbrennungskraftmaschine für eine Kühlung des Abgases eingesetzt werden. Eine Verschmutzung des Wärmetauschers durch im Abgas vorhandene Schadstoffe vermindert dessen Leistungsfähigkeit, so dass bei Auslegung des Wärmetauschers dieser im Grunde genommen überdimensioniert wer- den muss, um über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten, dass der Wärmetauscher zumindest die Soll-Leistungsfähigkeit aufweist.
Um die Verschmutzung des Wärmetauschers zu vermindern, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, vor dem Wärmetauscher einen Katalysator auszubilden, durch welchen zumindest langkettige Kohlenwasserstoffe entfernt werden, die zu klebrigen Ablagerungen im Wärmetauscher führen können. Solche Systeme weisen den Nachteil auf, dass entweder trotz Vorschaltung des Katalysators nur eine ungenügende Umsetzung des Abgases erfolgt und somit trotzdem eine Verschmutzung des Wärmetauschers vorliegt oder dass der Katalysator sehr groß dimensioniert werden muss, um die Verschmutzung des Wärmetauschers wirksam zu unterbinden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein in der Abgas- rückführleitung einzusetzendes System umfassend einen Wärmetauscher und ei- nen Katalysator vorzuschlagen, bei welchem eine wirksame Verminderung der Verschmutzung des Wärmetauschers und gleichzeitig ein möglichst kleines Bauvolumen des Wärmetauschers und des Katalysators erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des An- Spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Ansauganlage und einen Abgasausgang umfasst, wobei Abgasausgang und An- sauganlage über eine Abgasrückfuhrleitung verbunden sind, in der eine Abgasbehandlungseinheit und ein Wärmetauscher ausgebildet sind, wobei der Wärmetauscher einen ersten Staudruck und die Abgasbehandlungseinheit einen zweiten Staudruck aufweist, der kleiner als der erste Staudruck ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgasbehandlungseinheit in einem solchen ersten Abstand in Strö- mungsrichtung vor dem Wärmetauscher ausgebildet ist, dass im Betrieb eine in die Abgasbehandlungseinheit eintretende Gasströmung vergleichmäßigt wird. Das bedeutet insbesondere, dass der Staudruck in Strömungsrichtung vor der Abgasbehandlungseinheit durch den ersten Staudruck des Wärmetauschers beeinflusst wird. ■
Unter einem Wärmetauscher ist hier insbesondere auch ein Abgaskühler zu verstehen, mit dem das rückgeführte Abgas gekühlt wird. Die Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere ein Dieselmotor, beispielsweise ein Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs (z. B. eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens, eines motorbetriebenen Zweirades, Bootes oder Luftfahrzeugs) oder ein Dieselmotor in stationärer Anwendung. Unter einer Vergleichmäßigung wird insbesondere auch eine Verbreiterung der Wahrscheinlichkeitsverteilung der anliegenden Geschwindigkeiten verstanden.
Die Bauform des Wärmetauschers bedingt den erhöhten Staudruck im Vergleich zur Abgasbehandlungseinheit. Insbesondere ist ein Wärmetauscher vorteilhaft, welcher eine Mehrzahl von Rohren aufweist, durch die das Abgas strömt. Bevorzugt werden diese Rohre von einem Kühlmittel umströmt, welches das Gehäuse des Wärmetauschers durchströmt und welches einem nicht dargestellten Kühlkreislaufs der Verbrennungskraftmaschine entnommen ist. Als Abgasbehand- lungseinheiten eignen sich insbesondere Wabenkörper, beispielsweise keramische oder metallische Wabenkörper, oder auch Drahtgestrickkörper, Körper aus Metallschaum oder ähnliches. Metallische Wabenkörper können insbesondere aus mindestens einer zumindest teilweise strukturierten metallischen Lage und gegebenenfalls mindestens einer im wesentlichen glatten Lage, die miteinander aufge- wickelt oder gestapelt und verwunden werden, aufgebaut sein. Die miteinander verwundenen oder aufgewickelten Lagen bilden durchströmbare Hohlräume, die durch die Lagen begrenzt werden. Die Lagen sind insbesondere aus einem hoch- temperaturkorrosionsfesten Material, wie Al- oder Cr-Stahl ausgebildet. Die Lagen können miteinander verbunden sein, insbesondere stoffschlüssig, wie bei- spielsweise durch ein Hochtemperaturlötverfahren. Sowohl die im wesentlichen glatten Lagen als auch die zumindest teilweise strukturierten Lagen können zumindest in Teilbereichen Mikrostrukturen, Leitflächen, Durchbrechungen und/oder Perforationen aufweisen, die zu einer noch besseren Durchmischung der Gasströmung dienen.
Die Vergleichmäßigung der Gasströmung vor Eintreten in die Abgasbehandlungseinheit erfolgt in vorteilhafter Weise dadurch, dass die Abgasbehandlungseinheit relativ nahe vor dem Wärmetauscher ausgebildet wird. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung der Gasströmung bereits in der Abgasbehandlungseinheit, so dass hier die Umsetzungsrate verbessert wird, da der Querschnitt der Abgasbehandlungseinheit gleichmäßiger mit Abgas beaufschlagt wird. So kann das Volumen der Abgasbehandlungseinheit im Vergleich zu einem üblichen Aufbau bei gleicher Umsetzungsrate der Schadstoffe im Abgas reduziert werden. Durch die deutlich effizientere Umsetzungsrate der Schadstoffe sinkt auch die Verschmutzung des Wärmetauschers, so dass dieser im Vergleich zu konventionellen Wärmetauschern kleiner dimensioniert werden kann. Um eine Abgasbehancüungseinheit auszubilden, die einen nur geringen Staudruck aufweist, ist es möglich, einen Wabenkörper einzusetzen, der eine relativ geringe Zellenzahl, beispielsweise weniger als 400 cpsi (cells per square inch, Zellen pro Quadratzoll), bevorzugt weniger als 300 cpsi, besonders bevorzugt 200 cpsi und weniger, insbesondere sogar von 100 cpsi aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist der erste Abstand so gewählt, dass sich der Effekt des ersten Staudrucks und des zweiten Staudrucks kumulieren.
Unter Kumulieren wird hier insbesondere verstanden, dass der vor der Abgasbehandlungseinheit anliegende Staudruck größer ist als der zweite Staudruck, den die Abgasbehandlungseinheit als solche aufweisen würde. Der Staudruck vor ei- nem Bauteil in einer Strömung bewirkt eine Art Druckpolster, welches zu einer Veränderung der Strömung fuhrt. Im Extremfall bewirkt die vorliegende Erfindung, dass sich statt zweier Bereiche mit einem Druckpolster jeweils vor dem Wärmetauscher und der Abgasbehandlungseinheit, nur ein Druckpolster vor der Abgasbehandlungseinheit bildet.
Die Kumulation der Staudrücke führt in vorteilhafter Weise dazu, dass das Abgas vor Einströmen in die Abgasbehandlungseinheit einen Staudruck überwinden muss, der größer ist als der zweite Staudruck der Abgasbehandlungseinheit. Je nach Auslegung des Wärmetauschers und der Abgasbehandlungseinheit ist der Staudruck sogar deutlich größer als der zweite Staudruck. Die Vergrößerung des Staudrucks bewirkt eine Vergleichmäßigung der Beströmung der Abgasbehandlungseinheit und damit der Gasströmung durch Abgasbehandlungseinheit und Wärmetauscher.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt ein zweiter Abstand einer gaseintrittsseitigen Stirnseite der Abgasbehandlungseinheit von einer gasein- trittsseitigen Stirnseite des Wärmetauchers weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 45 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm.
Diese Werte haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere kommt es bei üblichen Betriebsbedingungen zu einer Kumulierung der Effekte des ersten und des zweiten Staudrucks kommen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage beträgt die Ausdehnung der Abgasbehandlungseinheit in Strömungsrich- tung weniger als 100 mm, bevorzugt weniger als 50 mm, besonders bevorzugt 25 mm oder weniger.
Aufgrund der sehr gleichmäßigen und effektiven Umsetzung der entsprechenden Stoffe im Abgas, insbesondere von Kohlenwasserstoffen, können relativ kleine Abgasbehandlungseinheiten verwendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage umfasst die Abgasbehandlungseinheit einen Wabenkörper.
Mit einem Wabenkörper kann eine Abgasbehandlungseinheit geschaffen werden, deren Eigenschaften wie Oberfläche, Staudruck, etc. sehr genau eingestellt werden können. Als Wabenkörper eignen sich insbesondere metallische oder keramische Wabenkörper. Insbesondere können hier in vorteilhafter Weise Wabenkörper eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der DE 197 55 703 Al, der WO 90/13736 Al und der WO 99/11911 Al beschrieben sind. In Bezug auf die Befestigung des Wabenkörpers wird auf diese Anmeldungen vollinhaltlich Bezug genommen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgas- anläge beträgt der erste Abstand zwischen der Abgasbehandlungseinheit und dem Wärmetauscher weniger als 15 mm, bevorzugt weniger als 10 mm, besonders bevorzugt weniger als 5 mm.
Insbesondere ist es auch vorteilhaft, Wärmetauscher und Abgasbehandlungsein- heit in einem gemeinsamen Gehäuse vorzusehen. Hierbei kann die Abgasbehandlungseinheit in einer entsprechenden Sicke des Gehäuses mittels einer Ausbörde- lung oder ähnlichem gehalten sein. Auch ist es möglich, die Abgasbehandlungseinheit bündig auf eine Stirnseite des Wärmetauschers aufzusetzen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage umfasst die Abgasbehandlungseinheit eine katalytisch aktive Beschich- tung, insbesondere eine Oxidationskatalysatorbeschichtung.
Die katalytisch aktive Beschichtung umfasst beispielsweise einen keramischen Washcoat, der Materialien enthält, die die gewünschten Reaktionen katalysieren, also insbesondere die Reaktionstemperatur dieser Reaktionen so weit herabsetzen, dass diese in nennenswertem Umfang bei den Temperaturen in der Abgasrück- führleirung ablaufen. Als Katalysatoren eignen sich insbesondere Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder ähnliches. Die Oxidationskatalysatorbeschichtung kataly- siert insbesondere die Oxidation von Kohlenwasserstoffen, da diese mit für das Verschmutzen des Wärmetauschers verantwortlich sind. Die Kohlenwasserstoffe bilden eine klebrige Substanz, die auf den kalten Bereichen des Wärmetauschers kondensiert und die weiterhin dazu führen kann, dass im Abgas enthaltene Russpartikel an den Wänden des Wärmetauschers ankleben. Die Oxidation von Koh- lenwasserstoffen führt also in besonders vorteilhafter Weise zu einer deutlichen Verringerung der Verschmutzung des Wärmetauschers. Insbesondere in Abgasanlagen von Dieselmotoren erfolgt aufgrund des relativ hohen Sauerstoffanteils im Abgas eine sehr weitgehende bis vollständige Oxidation der Kohlenwasserstoffe.
Um eine möglichst große Umsetzungseffektivität der Oxidation der Kohlenwasserstoffe zu erreichen, ist die Abgasbehandlungseinheit insbesondere so ausgebil- det, dass eine möglichst lange Verweilzeit und eine möglichst große zur Reaktion zur Verfügung stehende Oberfläche gegeben ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Äbgas- anläge ist das Verhältnis von erstem Staudruck zu zweitem Staudruck größer als 2, bevorzugt größer als 10.
Insbesondere bei diesen Staudruckverhältnissen, wenn also der Staudruck des Wärmetauschers als solchem um mehr als einen Faktor 2 oder sogar 10 größer ist als der Staudruck der Abgasbehandlungseinheit als solcher, kumulieren in besonders vorteilhafter Weise die Effekte des ersten Staudrucks des Wärmetauschers und des zweiten Staudrucks der Abgasbehandlungseinheit bereits bei ersten Abständen von 15 mm oder weniger.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass sie auf die dort gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele und Vorteile beschränkt wäre. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage;
Fig. 2 , schematisch einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasanlage;
Fig. 3 schematisch einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasanlage; und
Fig. 4 schematisch zwei Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Strömungsgeschwindigkeit. Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführangsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 einer Verbrennungskrafαnaschine 2. Die Verbrennungskraftma- schine 2 umfasst eine Ansauganlage 3 und einen Abgasausgang 4, wobei Abgasausgang 4 und Ansauganlage 3 über eine Abgasrückfuhrleitung 5 verbunden sind, in der eine Abgasbehandlungseinheit 6 und ein Wärmetauscher 7 ausgebildet sind. Der Wärmetauscher 7 weist einen ersten Staudruck und die Abgasbehandlungseinheit 6 einen zweiten Staudruck auf, der kleiner als der erste Staudruck ist. Die übliche Strömungsrichtung des Abgases wurde durch entsprechende Pfeile symbolisiert. Die Menge an Abgas, die durch die Abgasrückfuhrleitung 5 strömt, kann geregelt werden, beispielsweise durch nicht eingezeichnete entsprechende Ventile. Die Abgasrückfuhrleitung 5 kann abgasseitig sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts eines nicht gezeigten Abgasturboladers abzweigen.
Erfindungsgemäß ist die Abgasbehandlungseinheit 6 in einem solchen ersten Ab- stand 8 in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher 7 ausgebildet ist, so dass im Betrieb eine in die Abgasbehandlungseinheit 6 eintretende Gasströmung 14 vergleichmäßigt wird. Der erste Abstand 8 liegt hier insbesondere bei weniger als 15 mmä bevorzugt bei weniger als 10 mm, besonders bevorzugt bei weniger als 5 mm. Wärmetauscher 7 und Abgasbehandlungseinheit 6 sind so ausgeführt, dass es bei diesem ersten Abstand 8 zur Kumulation der Effekte des ersten Staudrucks und des zweiten Staudrucks kommt, so dass das in die Abgasbehandlungseinheit 6 einströmende Abgas einen Staudruck überwinden muss, der größer als der zweite Staudruck der Abgasbehandlungseinheit 6 als solche ist. Dies fuhrt wie oben dargelegt zu einer Vergleichmäßigung der Gasströmung 14, die in die Abgasbehand- lungseinheit 6 einströmt.
Fig. 2 zeigt schematisch den Ausschnitt der Abgasrückfuhrleitung 5, welcher die Abgasbehandlungseinheit 6 und den Wärmetauscher 7 umfasst. Ein zweiter Abstand 9 zwischen einer gaseintrittsseitigen Stirnseite 10 des Wärmetauschers 7 und einer gaseintrittsseitigen Stirnseite 11 der Abgasbehandlungseinheit 6 ist erfindungsgemäß so gewählt, dass es zu einer Vergleichmäßigung der Strömung in der Abgasbehandlungseinheit 6 kommt. Insbesondere beträgt der zweite Abstand 9 weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 45 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm. Als Abgasbehandlungseinheit 6 können insbesondere kurze Wabenkörper zum Einsatz kommen, insbesondere einer Ausdehnung 12 in Strömungs- richtung von etwa 20 bis etwa 40 mm. Der erste Abstand 8 beträgt beispielsweise weniger als 15mm, oder auch 5 mm oder weniger. Insbesondere ist der erste Abstand 8 so gewählt, dass sich der Effekt des ersten Staudrucks des Wärmetauschers 7 und des zweiten Staudrucks der Abgasbehandlungseinheit 6 kumulieren, so dass das Abgas, welches in die Abgasbehandlungseinheit 6 strömt, einen Stau- druck überwinden muss, der größer, bevorzugt deutlich größer als der zweite Staudruck der Abgasbehandlungseinheit 6 ist.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 1. Hier ist in der Abgasrückführleitung 5 ein Konus 13 ausgebildet, welcher die als Wabenkörper 17 mit hier konischen Kanälen 18 ausgeführte Abgasbehandlungseinheit 6 umfasst. Der Konus 13 führt das durch die Abgasrückführleitung 5 strömende Gasstrδmung 14 zum Wärmetauscher 7. Der Wärmetauscher 7 umfasst Abgasrohre 15 in einem Gehäuse 16. Die Gasströmung 14 strömt durch die Abgasrohre 15, wobei diese im Gehäuse 16 von einem Kühlmittel umströmt werden, welches Teil des Kühlkreislaufs der Verbrennungskraftmaschine 2 ist. Der erste Abstand 8 zwischen Wärmetauscher 7 und Abgasbehandlungseinheit 6 ist erfϊndungsgemäß so gewählt, dass im Betrieb eine in die Abgasbehandlungseinheit 6 eintretende Gasströmung 14 vergleichmäßigt wird.
Fig. 4 -zeigt schematisch eine erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 19 der Geschwindigkeit v und eine zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 20 der Geschwindigkeit v. Die erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 19 ergibt sich, wenn nur die Abgasbehandlungseinheit 6 mit Gas beströmt wird, also ohne das in Strömungs- richtung hinter dieser ein Wärmetauscher 7 ausgebildet ist. Aufgetragen ist für beide Verteilungen die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Geschwindigkeit im Gas vorliegt. Sowohl die Wahrscheinlichkeit als auch die Geschwindigkeit werden in relativen Einheiten angegeben. Die zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 20 ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung in einem erfindungsgemäßen System. Sie betrifft also eine Abgasanlage 1 mit einem Wärmetauscher 7 und einer Abgasbehandlungseinheit 6 in einer Abgasrückführleitung 5. Die zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 20 ist breiter, weist insbesondere eine größere Breite bei halber maximaler Höhe (füll width half maximum) auf als die erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 19. Dies beruht auf der erfindungsgemäßen Vergleichmäßigung der Strömung.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage erlaubt in vorteilhafter Weise die Ausbildung eines Wärmetauschers 7 und einer Abgasbehandlungseinheit 6 wie beispielsweise ein Wabenkörper in der Abgasrückführleitung 5, wobei sowohl der Wärmetauscher 7 als auch die Abgasbehandlungseinheit 6 kleiner als in üblicher Weise aus- gebildet werden können. Dies spart erhebliche Kosten bei der Auslegung solcher Systeme.
B ezugszeichenliste
I Abgasanlage 2 Verbrennungskraftmaschine
3 Ansauganlage
4 Abgasausgang
5 Abgasrückfuhrleitung
6 Abgasbehandlungseinheit 7 Wärmetauscher
8 erster Abstand
9 zweiter Abstand
10 gaseintrittsseitige Stirnseite des Wärmetauschers
I 1 gaseintrittsseitige Stirnseite der Abgasbehandlungseinheit 12 Ausdehnung
13 Konus
14 Gasströmung
15 Abgasrohr
16 Gehäuse 17 Wabenkörper
18 Kanal
19 erste Wahrscheinlichkeitsverteilung
20 zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung

Claims

Patentansprüche
1. Abgasanlage (1) einer Verbrennungskraftmaschine (2), die eine Ansaugan- läge (3) und einen Abgasausgang (4) umfasst, wobei Abgasausgang (4) und
Ansauganlage (3) über eine Abgasrückführleitung (5) verbunden sind, in der eine Abgasbehandlungseinheit (6) und ein Wärmetauscher (7) ausgebildet sind, wobei der Wärmetauscher (7) einen ersten Staudruck und die Abgasbehandlungseinheit (6) einen zweiten Staudruck aufweist, der kleiner als der erste Staudruck ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasbehandlungseinheit (6) in einem solchen ersten Abstand (8) in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher (7) ausgebildet ist, dass im Betrieb eine in die Abgasbehandlungseinheit (6) eintretende Gasströmung (14) vergleichmäßigt wird.
2. Abgasanlage (1) nach Anspruch 1, bei der der erste Abstand (8) so gewählt ist, dass sich der Effekt des ersten Staudrucks und des zweiten Staudrucks kumulieren.
3. Abgasanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein zweiter Abstand (9) einer gaseintrittsseitigen Stirnseite (11) der Abgasbehandlungseinheit (6) von einer gaseintrittsseitigen Stirnseite (10) des Wärmetauchers (7) weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 45 mm, besonders bevorzugt weniger als
30 mm beträgt.
4. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ausdehnung (12) der Abgasbehandlungseinheit (6) in Strömungsrichtung weniger als 100 mm beträgt, bevorzugt weniger als -50 mm, besonders bevorzugt 25 mm oder weniger.
5. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Abstand (8) zwischen der Abgasbehandlungseinheit (6) und dem Wär- metauscher (7) weniger als 15 mm, bevorzugt weniger als 10 mm, besonders bevorzugt weniger als 5 mm beträgt.
6. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abgasbehandlungseinheit (6) einen Wabenkörper (17) umfasst.
7. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Abgasbehandlungseinheit (6) eine katalytisch aktive Beschichtung, insbesondere eine Oxidationskatalysatorbeschichtung umfasst.
8. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verhältnis von erstem Staudruck zu zweitem Staudruck größer als 2, bevorzugt größer als 10, ist.
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