EP1882090A1 - Abgasanlage mit zwei abgasbehandlungseinheiten - Google Patents

Abgasanlage mit zwei abgasbehandlungseinheiten

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EP1882090A1
EP1882090A1 EP06723523A EP06723523A EP1882090A1 EP 1882090 A1 EP1882090 A1 EP 1882090A1 EP 06723523 A EP06723523 A EP 06723523A EP 06723523 A EP06723523 A EP 06723523A EP 1882090 A1 EP1882090 A1 EP 1882090A1
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EP
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treatment unit
exhaust
exhaust gas
gas treatment
dynamic pressure
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Rolf BRÜCK
Andreas Scheeder
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Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
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    • F01N3/206—Adding periodically or continuously substances to exhaust gases for promoting purification, e.g. catalytic material in liquid form, NOx reducing agents

Definitions

  • the subject matter of the present invention is an exhaust system for internal combustion engines with two exhaust gas treatment units.
  • exhaust emission limits are specified, which must be observed by motor vehicles or stationary internal combustion engines. Often these are relatively complex threshold systems, where, for example, not only one limit for one size but rather several limits must be met simultaneously. In order to comply with these limits, relatively complex exhaust gas reclamation operations are often required which require multiple combined exhaust gas purification components.
  • particulate filters require regeneration in which the soot particles collected by the filter are burned. This is done for example in the form of a continuous regeneration (CRT, continuous regeneration trap) with nitrogen dioxide (NO2). Since there is often not enough nitrogen dioxide in the exhaust gas flowing into the filter, it is known to provide an oxidation catalyst upstream of the particulate filter with which nitrogen monoxide (NO) is oxidized to nitrogen dioxide (NO 2).
  • CTR continuous regeneration trap
  • SCR selective catalytic reduction
  • NO x nitrogen oxides
  • reducing agents such as urea
  • the highest possible reaction rate in the second exhaust gas treatment component as a rule requires most efficient conversion in the first, first exhaust gas treatment component lying in the flow direction before the second exhaust gas treatment component.
  • the object of the invention is to propose an exhaust system with a first and a second exhaust treatment unit, in which the highest possible reaction rate in the second exhaust treatment component is achieved and at the same time the smallest possible volume of the exhaust gas treatment components is made possible.
  • the exhaust system of an internal combustion engine comprising a first exhaust treatment unit with a first dynamic pressure and a second exhaust treatment unit with a second dynamic pressure, wherein the first dynamic pressure is smaller than the second dynamic pressure, is characterized in that the first exhaust treatment unit at such a first distance In the flow direction upstream of the second exhaust gas treatment unit, a gas flow entering the first exhaust gas treatment unit is equalized in operation.
  • the back pressure in the flow direction before the exhaust gas treatment unit is influenced by the first dynamic pressure of the heat exchanger.
  • the internal combustion engine is in particular a diesel or gasoline engine, for example a diesel or Otto engine of a motor vehicle (for example a passenger car). car, a truck, a motorized two-wheeler, boat or aircraft) or a diesel or gasoline engine in stationary application.
  • a diesel or gasoline engine for example a diesel or Otto engine of a motor vehicle (for example a passenger car). car, a truck, a motorized two-wheeler, boat or aircraft) or a diesel or gasoline engine in stationary application.
  • honeycomb bodies for example ceramic or metallic honeycomb bodies, or else wire knit bodies, bodies made of metal foam or the like are suitable as exhaust gas treatment units.
  • Metallic honeycomb bodies may in particular be constructed from at least one at least partially structured metallic layer and optionally at least one substantially smooth layer, which are wound or stacked together and wound. 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 may be interconnected, in particular cohesively, such as by a Hochtemperaturlötmaschinen vide.
  • Both the substantially 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.
  • Under an exhaust gas treatment unit is understood in particular no heat exchanger.
  • the exhaust treatment units may also be formed in an exhaust gas recirculation line.
  • the equalization of the gas flow prior to entering the first exhaust gas treatment unit is advantageously carried out by forming the first exhaust gas treatment unit relatively close to the second exhaust gas treatment unit. This leads to an equalization of the gas flow already in the first exhaust gas treatment unit, so that here the conversion rate is improved because the cross section of the first exhaust gas treatment unit is more uniformly exposed to exhaust gas.
  • the volume of the first exhaust treatment unit can be reduced in comparison to a conventional structure at the same rate of conversion of the pollutants in the exhaust gas. Due to the much more efficient implementation rate of Pollutants also improves the conversion rate of the second exhaust gas purification unit, so that it may be smaller in size compared to conventional second exhaust gas purification units.
  • an exhaust treatment unit having a relatively high accumulation pressure may consist of a high-cell honeycomb body having, for example, a cell density of about 800 cpsi, 1000 cpsi or more.
  • the length of the cavities in a honeycomb body has an influence on the dynamic pressure, so that an exhaust gas treatment unit having a relatively small back pressure can be formed by a short honeycomb body and an exhaust gas treatment unit having a relatively large back pressure by a long honeycomb body.
  • the first distance is chosen such that the effect of the first dynamic pressure and the second dynamic pressure accumulate.
  • Cumulating means here in particular that the dynamic pressure present in front of the first exhaust gas treatment unit is greater than the first back pressure that the first exhaust gas treatment unit has as such, which therefore exists when only the first exhaust gas treatment unit is flown, without a second exhaust gas treatment unit being formed ,
  • the cumulation of the dynamic pressures advantageously leads to the exhaust gas, before it flows into the first exhaust gas treatment unit, having to overcome a back pressure which is greater than the first back pressure of the first exhaust gas treatment unit.
  • the dynamic pressure is even significantly greater than the first dynamic pressure.
  • the increase of the dynamic pressure causes a comparison Beist the flow of the first exhaust gas treatment unit and thus the gas flow through the first exhaust treatment unit and the second exhaust treatment unit.
  • a second distance of a gas inlet-side end face of the first exhaust gas treatment unit from a gas inlet-side end face of the second exhaust gas treatment unit is less than 60 mm, preferably less than 45 mm, particularly preferably less than 30 mm.
  • the expansion of the first exhaust gas treatment unit in the flow direction is less than 45 mm, preferably less than 35 mm, particularly preferably 25 mm or less.
  • the second exhaust treatment unit can also be chosen a smaller volume, for example, in the case that is designed as a second exhaust treatment unit, a particulate filter and the first exhaust treatment unit, an oxidation catalyst, the more uniform flow of the first exhaust treatment unit causes an improved supply of nitrogen dioxide and consequently a more uniform regeneration so that a smaller particulate filter volume is sufficient.
  • the first and / or the second exhaust gas treatment unit comprise at least one honeycomb body.
  • a honeycomb body can be used to create a first and / or second exhaust gas treatment unit whose properties, such as surface area, dynamic pressure, etc., can be very accurately predicted.
  • metallic or ceramic honeycomb bodies are suitable as honeycomb bodies.
  • particulate filter can be formed as a honeycomb body with at least partially porous channel walls and optionally channel terminations or corresponding baffles and openings.
  • the first distance between the first exhaust-gas treatment unit and the second exhaust-gas treatment unit is less than 15 mm, preferably less than 10 mm, particularly preferably less than 5 mm.
  • both exhaust gas treatment units in a common housing.
  • the exhaust treatment units may be held in corresponding beads of the housing by means of a flanging or the like.
  • the second exhaust gas treatment unit flush on a front side of the heat exchanger.
  • this can be achieved by providing perforations in the walls of the cavities in the last region, for example in the last 20% or 10% of the length of the first exhaust gas treatment unit.
  • the second exhaust gas treatment unit comprises a particle filter with alternately closed channels.
  • the duct walls it is also possible to allow the duct walls to end at different points in the region of the gas outlet-side end face of the first exhaust gas treatment unit or the gas inlet side end face of the second exhaust gas treatment unit, so that no smooth stimulus surface but a rugged face of the first and / or the second exhaust Treatment unit disfigured, which can also lead to cross flows, especially between adjacent channels.
  • At least the first exhaust gas treatment unit comprises a catalytically active 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 considerable extent at the temperatures in the exhaust gas recirculation line.
  • Suitable catalysts are in particular noble metals such as platinum, rhodium or the like.
  • An oxidation catalyst coating catalyzes in particular the oxidation of hydrocarbons (HC) or nitrogen oxides (NO x ).
  • the second exhaust gas treatment unit has a catalytically active coating.
  • the first exhaust treatment unit may comprise a hydrolysis catalyst, while the second exhaust treatment unit comprises an SCR catalyst.
  • the ratio of the first dynamic pressure to the second dynamic pressure is greater than 2, preferably greater than 10.
  • the second exhaust gas treatment unit comprises at least one of the following components:
  • All of these three possible second exhaust treatment units (a), (b) and (c) are components with a relatively high dynamic pressure.
  • An open particle filter is to be characterized in that a particle, in particular a soot particle, can in principle pass through it without being caught by a channel wall.
  • a closed particulate filter this is not possible, as this regularly alternately closed channels, so that in a subset channels the exhaust gas can only flow in, but not through a regular channel opening can leave the channel, but rather that the exhaust gas through the porous Walls of the filter must flow, whereby it enters another subset of channels, which in turn have no input-side free flow cross-section, but only one output-side free flow cross-section.
  • closed particulate filters in principle, it is not possible to break through a relatively large particle through the filter if it is intact, since the particle gets caught in the porous channel wall. In an open filter system this is possible in principle.
  • An open particle filter has porous regions in at least part of its walls.
  • the oxidation catalyst can be made smaller than when the distance between the two Abgasbehandmngshimen not selected according to the invention.
  • a closed P for example, a diesel particulate filter per se known type, as the second exhaust treatment unit and a honeycomb body is formed as the first exhaust gas treatment unit and the distance as small as possible, possibly even close to zero by applying the end face of the honeycomb body to the corresponding end of the particulate filter, is selected, it is advantageous to provide in the end region of the channel walls of the first exhaust treatment unit perforations and / or optionally baffles, which favor further mixing of the exhaust gas.
  • Another example is a high cell SCR coating honeycomb body second exhaust treatment unit, preceded by a low cell honeycomb body with a urea hydrolysis promoting coating.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment of an exhaust system according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows a detail of the embodiment of an exhaust system according to the invention
  • 3 shows a cross section of a honeycomb body; and 4 shows schematically probability distributions of flow velocities.
  • FIG. 1 shows schematically a Ausf ⁇ hrangsbeispiel example of an exhaust gas system 1 according to the invention of an internal combustion engine 2, which comprises a first exhaust treatment unit 3 and a second exhaust treatment unit 4.
  • the first exhaust treatment unit 3 shows schematically a Ausf ⁇ hrangsbeispiel example of an exhaust gas system 1 according to the invention of an internal combustion engine 2, which comprises a first exhaust treatment unit 3 and a second exhaust treatment unit 4.
  • the first exhaust treatment unit 3 shows schematically a Ausf ⁇ hrangsbeispiel example of an exhaust gas system 1 according to the invention of an internal combustion engine 2, which comprises a first exhaust treatment unit 3 and a second exhaust treatment unit 4.
  • I gas treatment unit 3 is formed as a closed particle filter with alternately closed channels, while the second exhaust treatment unit 4 as a honeycomb body with a catalytically active coating, which catalyzes the conversion of nitrogen monoxide to nitrogen dioxide, without the invention being limited thereto.
  • the particle filter can be formed as a ceramic voilextrudate or also correspondingly from metallic layers.
  • the first exhaust gas treatment unit 3 has a first hydrodynamic dynamic pressure, while the second exhaust gas treatment unit 4 has a second dynamic pressure, which is greater than the first dynamic pressure.
  • the first exhaust gas treatment unit 3 is formed at such a first distance 5 upstream of the second exhaust gas treatment unit 4, so that during operation, a gas flow 6 symbolized by an arrow is homogenized in the first exhaust gas treatment unit 3.
  • the first distance 5 is here in particular less than 15 mm, preferably less than 10 mm, particularly preferably less than 5 mm.
  • the first 3 and second exhaust treatment unit 4 are designed so that at this first distance 5 to accumulate the effects of the first back pressure and the second back pressure, so that the flowing into the first exhaust treatment unit 3 exhaust gas must overcome a dynamic pressure which is greater than that first back pressure of the first exhaust treatment unit 3 as such. As explained above, this leads to an equalization of the gas flow 6, which flows into the first exhaust gas treatment unit 3.
  • a second distance 7 between a gas inlet-side end face 8 of the first exhaust gas treatment unit 3 and a gas inlet-side end face 9 of the second exhaust treatment unit 4 is selected according to the invention so that it comes to a homogenization of the flow in the first exhaust gas treatment unit 3.
  • the second distance 7 is less than 60 mm, preferably less than 45 mm, particularly preferably less than 30 mm.
  • short honeycomb bodies may be used as the first exhaust gas treatment unit 4, in particular an expansion 10 in the flow direction of approximately 20 to approximately 40 mm.
  • the first distance 5 is for example less than 15 mm, or even 5 mm or less.
  • the first distance 5 is selected so that the effect of the first dynamic pressure of the first exhaust treatment unit 3 and the second dynamic pressure of the second exhaust treatment unit 4 accumulate, so that the exhaust gas flowing into the first exhaust treatment unit 3 has to overcome a dynamic pressure that is larger , Preferably significantly greater than the second back pressure of the first exhaust treatment unit 3 alone.
  • FIG. 3 schematically shows an example of a honeycomb body 11 in cross section, which may be configured as a first and / or second exhaust gas treatment unit 4.
  • This honeycomb body 11 comprises a honeycomb structure 12 in a jacket tube 13.
  • the honeycomb structure 12 has cavities 14 which can be wetted or even flowed through, which are formed by substantially smooth layers 15 and at least partially structured layers 16.
  • At least one at least partially structured layer 16 and optionally at least one substantially smooth layer 15 are wound up or stacked and wound one or more stacks in the same direction or in opposite directions.
  • Substantially smooth layers 15 may have microstructures whose amplitude is smaller than the patterning amplitude of the at least partially structured layer 16.
  • Layers 15, 16 are preferably metallic layers, in particular sheet metal layers and / or metallic fiber layers, which are in particular made of high-temperature-resistant and corrosion-resistant material, such as For example, Al or Cr steels can be produced.
  • the layers 15, 16 may have microstructures, perforations, apertures and / or baffles.
  • the second probability distribution 18 is the probability distribution in a system according to the invention. It therefore relates to an exhaust system 1 of a first exhaust gas treatment unit 3 and a second exhaust treatment unit 4.
  • the second probability distribution 18 is wider, in particular has a greater width at half maximum height (fill width half maximum) than the first probability distribution 17. This is based on the equalization of the flow according to the invention.
  • the exhaust system 1 advantageously allows the formation of systems with two exhaust treatment units 3, 4, which are arranged one behind the other in the flow direction. Due to the flow equalization, the first 3 and / or the second exhaust treatment unit 4 can be made smaller. This applies, for example, if the first exhaust gas treatment unit 3 is an oxidation catalytic converter and a second exhaust gas treatment unit 4 is a particle filter. By equalizing the flow in the first exhaust gas treatment unit 3, the conversion rate is increased, so that first 3 and / or second exhaust treatment unit 4 can be made smaller. This saves considerable costs in the design of such systems. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die erfindungsgemäße Abgasanlage (1) einer Verbrennungskraftmaschine (2) , umfassend eine erste Abgasbehandlungseinheit (3) mit einem ersten Staudruck und eine zweite Abgasbehandlungseinheit (4) mit einem zweiten Staudruck, wobei der erste Staudruck kleiner als der zweite Staudruck ist. Die erfindungsgemäße Abgasanlage (1) erlaubt in vorteilhafter Weise die Ausbildung von Systemen mit zwei Abgasbehandlungseinheiten (3, 4) , die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Durch die Strömungsvergleichmäßigung können die erste (3) und/oder die zweite Abgasbehandlungseinheit (4) kleiner ausgeführt werden. Dies gilt beispielsweise dann, wenn als erste Abgasbehandlungseinheit (3) ein Oxidationskatalysator und als zweite Abgasbehandlungseinheit (4) ein Partikelfilter ausgebildet ist. Durch die Vergleichmäßigung der Strömung in die erste Abgasbehandlungseinheit (3) wird die Umsetzungsrate erhöht, so dass erste (3) und/oder zweite Abgasbehandlungseinheit (4) kleiner ausgeführt werden können. Dies spart erhebliche Kosten bei der Auslegung solcher Systeme.

Description

Abgasanlage mit zwei Abgasbehandlungseinheiten
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasanlage für Verbrennungskraftmaschinen mit zwei Abgasbehandlungseinheiten.
In vielen Ländern sind Abgasgrenzwerte vorgegeben, die von Kraftfahrzeugen oder auch stationären Verbrennungskraftmaschinen einzuhalten sind. Oft sind dies relativ komplexe Grenzwertsysteme, bei denen beispielsweise nicht nur ein Grenzwert für eine Größe, sondern vielmehr mehrere Grenzwerte gleichzeitig eingehalten werden müssen. Um diese Grenzwerte einzuhalten, sind oft relativ komplexe Aufarbeitungsvorgänge des Abgases nötig, die mehrere kombinierte Abgasreinigungskomponenten erfordern.
Beispielsweise erfordern Partikelfilter eine Regeneration, in der die durch den Filter gesammelten Rußpartikel verbrannt werden. Dies erfolgt beispielsweise in Form einer kontinuierlichen Regeneration (CRT, continuous regeneration trap) mit Stickstoffdioxid (NO2). Da oft nicht genügend Stickstoffdioxid im Abgas, welches in den Filter einströmt, vorhanden ist, ist es bekannt, vor dem Partikelfilter einen Oxidationskatalysator vorzusehen, mit welchem Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert wird.
Ein anderes Beispiel ist die selektive katalytische Reduktion (SCR, selective cata- lytic reduction) von Stickoxiden (NOx), bei der die Zufuhr von Reduktionsmittel wie beispielsweise Harnstoff erforderlich ist. Dieser Harnstoff muss hydrolysiert werden, so dass oftmals in Strömungsrichtung vor einem SCR-Katalysator ein Hydrolysekatalysator ausgebildet ist.
So gibt es eine Vielzahl von Beispielen von Systemen, die zwei oder mehr verschiedene Abgasbehandlungseinheiten, die zusammenwirken, benötigt werden. Alle diese Systeme weisen also in Strömungsriclitung hintereinander liegende erste und zweite Abgasbehandlungseinheiten auf.
Bei all diesen Fällen erfordert im Regelfall eine möglichst hohe Reaktionsrate in der zweiten Abgasbehandlungskomponente eine möglichst effiziente Umsetzung in der ersten, in Strömungsrichtung vor der zweiten Abgasbehandlungskomponente, liegenden ersten Abgasbehandlungskomponente.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage mit einer ersten und einer zweiten Abgasbehandlungseinheit vorzuschlagen, bei der eine möglichst hohe Reaktionsrate in der zweiten Abgasbehandlungskomponente erreicht und gleichzeitig ein möglichst kleines Bauvolumen der Abgasbehandlungkomponenten ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, umfas- send eine erste Abgasbehandlungseinheit mit einem ersten Staudruck und eine zweite Abgasbehandlungseinheit mit einem zweiten Staudruck, wobei der erste Staudruck kleiner als der zweite Staudruck ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Abgasbehandlungseinheit in einem solchen ersten Abstand in Strömungsrichtung vor der zweiten Abgasbehandlungseinheit ausgebildet ist, dass im Be- trieb eine in die erste Abgasbehandlungsemheit eintretende Gasströmung vergleichmäßigt wird. Das bedeutet insbesondere, dass der Staudruck in Strömungsrichtung vor der Abgasbehandlungseinheit durch den ersten Staudruck des Wärmetauschers beeinflusst wird.
Die Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere ein Diesel- oder Ottomotor, beispielsweise ein Diesel- oder Ottomotor eines Kraftfahrzeugs (z. B. eines Perso- nenkraftwagens, eines Lastkraftwagens, eines motorbetriebenen Zweirades, Bootes oder Luftfahrzeugs) oder ein Diesel- oder Ottomotor in stationärer Anwendung.
Als Abgasbehandlungseinheiten 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 aufgewickelt 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 hochtemperaturkorrosionsfesten Material, wie Al- oder Cr- Stahl ausgebildet. Die Lagen können miteinander verbunden sein, insbesondere stoffschlüssig, wie beispielsweise 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 einer noch besseren Durchmi- schung der Gasströmung dienen. Unter einer Abgasbehandlungseinheit wird hier insbesondere kein Wärmetauscher verstanden. Die Abgasbehandlungseinheiten können auch in einer Abgasrückführleitung ausgebildet sein.
Die Vergleichmäßigung der Gasströmung vor Eintreten in die erste Abgasbehandlungseinheit erfolgt in vorteilhafter Weise dadurch, dass die erste Abgasbehand- lungseinheit relativ nahe vor der zweiten Abgasbehandlungseinheit ausgebildet wird. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung der Gasströmung bereits in der ersten Abgasbehandlungseinheit, so dass hier die Umsetzungsrate verbessert wird, da der Querschnitt der ersten Abgasbehandlungseinheit gleichmäßiger mit Abgas beaufschlagt wird. So kann das Volumen der ersten Abgasbehandlungseinheit im Vergleich zu einem üblichen Aufbau bei gleicher Umsetzungsrate der Schadstoffe im Abgas reduziert werden. Durch die deutlich effizientere Umsetzungsrate der Schadstoffe verbessert sich auch die Umsetzungsrate der zweiten Abgasreinigungseinheit, so dass diese im Vergleich zu konventionellen zweiten Abgasreinigungseinheiten unter Umständen kleiner dimensioniert werden kann.
Um eine Abgasbehandlungseinheit auszubilden, die einen nur geringen Staudruck aufweist, ist es möglich, einen Wabenkörper einzusetzen, der eine relativ geringe Zelldichte, beispielsweise weniger als 200 cpsi (cells per Square inch, Zellen pro Quadratzoll), bevorzugt weniger als 150 cpsi, besonders bevorzugt 100 cpsi und weniger, aufweist. Eine Abgasbehandlungseinheit mit einem relativ hohen Stau- druck kann beispielsweise in einem hochzelligen Wabenkörper bestehen, der beispielsweise eine Zelldichte von etwa 800 cpsi, 1000 cpsi oder mehr aufweist. Weiterhin hat die Länge der Hohlräume in einem Wabenkörper Einfiuss auf den Staudruck, so dass eine Abgasbehandlungseinheit mit einem relativ kleinen Staudruck durch einen kurzen Wabenkörper und eine Abgasbehandlungseinheit mit einem relativ großen Staudruck durch einen langen Wabenkörper ausgebildet werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfϊndungsgemäßen 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 ersten Abgasbehandlungseinheit anliegende Staudruck größer ist als der erste Staudruck, den die erste Abgasbehandlungseinheit als solche aufweist, der also dann vorliegt, wenn nur die erste Abgasbehandlungseinheit beströmt wird, ohne dass eine zweite Abgasbehandlungseinheit ausgebildet ist. Die Kumulation der Staudrücke führt in vorteilhafter Weise dazu, dass das Abgas vor Einströmen in die erste Abgasbe- handluήgseinheit einen Staudruck überwinden muss, der größer ist als der erste Staudruck der ersten Abgasbehandlungseinheit. Je nach Auslegung der ersten und der zweiten Abgasbehandlungseinheit ist der Staudruck sogar deutlich größer als der erste Staudruck. Die Vergrößerung des Staudrucks bewirkt eine Vergleichmä- ßigung der Beströmung der ersten Abgasbehandlungseinheit und damit der Gasströmung durch die erste Abgasbehandlungseinheit und die zweite Abgasbehandlungseinheit.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt ein zweiter Abstand einer gaseintrittsseitigen Stirnseite der ersten Abgasbehandlungseinheit von einer gaseintrittsseitigen Stirnseite der zweiten Abgasbehandlungseinheit 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 Abgas- anläge beträgt die Ausdehnung der ersten Abgasbehandlungseinheit in Strömungsrichtung weniger als 45 mm, bevorzugt weniger als 35 mm, besonders bevorzugt 25 mm oder weniger.
Aufgrund der sehr gleichmäßigen und effektiven Umsetzung der entsprechenden Stoffe im Abgas können relativ Ideine erste Abgasbehandlungseinheiten verwendet werden. Bei der zweiten Abgasbehandlungseinheit kann gleichfalls ein kleineres Volumen gewählt werden, da beispielsweise in dem Falle, dass als zweite Abgasbehandlungseinheit ein Partikelfilter und als erste Abgasbehandlungseinheit ein Oxidationskatalysator ausgebildet ist, die gleichmäßigere Durchströmung der ersten Abgasbehandlungseinheit eine verbesserte Versorgung mit Stickstoffdioxid und folglich eine gleichmäßigere Regeneration bewirkt, so dass ein kleineres Partikelfiltervolumen ausreichend ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgas- anläge umfassen die erste und/oder die zweite Abgasbehandlungseinheit mindestens einen Wabenkörper. Mit einem Wabenkörper kann eine erste und/oder zweite Abgasbehandlungsein- heit geschaffen werden, deren Eigenschaften wie Oberfläche, Staudruck, etc. sehr genau vorherbestimmt werden können. Als Wabenkörper eignen sich insbesonde- re metallische oder keramische Wabenkörper. Auch Partikelfilter können als Wabenkörper mit zumindest teilweise porösen Kanalwänden und gegebenenfalls Kanalabschlüssen oder entsprechenden Leitblechen und Durchbrechungen ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfihdungsgemäßen Abgasanlage beträgt der erste Abstand zwischen der ersten Abgasbehandlungseinheit und der zweiten Abgasbehandlungseinheit weniger als 15 mm, bevorzugt weniger als 10 mm, besonders bevorzugt weniger als 5 mm.
Insbesondere ist es auch vorteilhaft, beide Abgasbehandlungseinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse vorzusehen. Hierbei können die Abgasbehandlungseinheiten in entsprechenden Sicken des Gehäuses mittels einer Ausbördelung oder ähnlichem gehalten sein. Auch ist es möglich, die zweite Abgasbehandlungseinheit bündig auf eine Stirnseite des Wärmetauschers aufzusetzen. Hierbei kann es vor- teilhaft sein, insbesondere im letzten Bereich der ersten Abgasbehandlungseinheit dem Abgas die Möglichkeit zu geben, querzuströmen. Dies kann bei Wabenkörpern dadurch erreicht werden, dass im letzten Bereich, beispielsweise in den letzten 20% oder 10% der Länge der ersten Abgasbehandlungseinheit, Perforationen in den Wänden der Hohlräume vorzusehen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die zweite Abgasbehandlungseinheit einen Partikelfilter mit wechselweise geschlossenen Kanälen umfasst. Insbesondere ist es auch möglich, im Bereich der gasaustrittsseitigen Stirnseite der ersten Abgasbehandlungseinheit oder die gasein- trittsseitigen Stirnseite der zweiten Abgasbehandlungseinheit die Kanalwandungen an unterschiedlichen Punkten enden zu lassen, so dass keine glatte Stimflä- che, sondern eine zerklüftete Stirnfläche der ersten und/oder der zweiten Abgas- behandlungseinheit entstellt, die auch zu Querströmungen insbesondere zwischen benachbarten Kanälen fuhren kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgas- anläge umfasst zumindest die erste Abgasbehandlungseinheit eine katalytisch aktive Beschichtung.
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- führleitung ablaufen. Als Katalysatoren eignen sich insbesondere Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder ähnliches. Eine Oxidationskatalysatorbeschichtung katalysiert insbesondere die Oxidation von Kohlenwasserstoffen (HC) oder Stickoxiden (NOx). Weiterhin ist es gleichfalls erfindungsgemäß möglich, dass alternativ oder kumulativ die zweite Abgasbehandlungseinheit eine katalytisch aktive Beschichtung aufweist. Beispielsweise kann die erste Abgasbehandlungseinheit einen Hydrolysekatalysator umfassen, während die zweite Abgasbehandlungseinheit einen SCR-Katalysator umfasst.
Gemäß. einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist das Verhältnis von erstem Staudruck zu zweitem Staudruck größer als 2, bevorzugt größer als 10.
Insbesondere bei diesen Staudruckverhältnissen., wenn also der Staudruck der zweiten Abgasbehandlungseinheit um mehr als einen Faktor 2 oder sogar 10 größer ist als der Staudruck der ersten Abgasbehandlungseinheit, kumulieren in besonders vorteilhafter Weise die Effekte des ersten Staudrucks des Wärmetauschers und des zweiten Staudrucks der Abgasbehandlungseinheit bereits bei ersten Ab- ständen von 15 mm oder weniger. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage umfasst die zweite Abgasbehandlungseinheit mindestens eines der folgenden Bauteile:
(a) offener Partikelfilter; (b) geschlossener Partikelfilter; und (c) SCR-Katalysator.
Alle diese drei möglichen zweiten Abgasbehandlungseinheiten (a), (b) und (c) stellen Bauteile mit einem relativ hohen Staudruck dar.
Ein offener Partikelfϊlter ist dadurch zu charakterisieren, dass durch ihn ein Partikel, insbesondere ein Rußpartikel, grundsätzlich durchtreten kann, ohne von einer Kanalwand aufgefangen worden zu sein. Bei einem geschlossenen Partikelfilter ist dies nicht möglich, da dieser regelmäßig wechselweise verschlossene Kanäle aufweist, so dass also in eine Teilmenge Kanäle das Abgas nur hineinströmen kann, aber nicht durch eine reguläre Kanalöffnung wieder den Kanal verlassen kann, sondern dass vielmehr das Abgas durch die porösen Wände des Filters strömen muss, wodurch es in eine andere Teilmenge von Kanälen gelangt, die wiederum keinen eingangsseitigen freien Strömungsquerschnitt, sondern nur ei- nen ausgangsseitigen freien Strömungsquerschnitt aufweisen. Bei geschlossenen Partikelfiltern ist grundsätzlich das Durchbrechen eines relativ großen Partikels durch den Filter nicht möglich, wenn dieser intakt ist, da das Partikel in der porösen Kanalwand hängen bleibt. Bei einem offenen Filtersystem ist dies grundsätzlich möglich. Ein offener Partikelfϊlter weist zumindest in einem Teil seiner Wän- de poröse Bereiche auf.
Beispielsweise ist es möglich, einen offenen oder geschlossenen Partikelfilter als zweite Abgasbehandlungseinheit vorzusehen, welchem ein Oxidationskatalysator als erste Abgasbehandlungseinheit vorgeschaltet ist, so dass der Partikelfilter kon- tinuierlich regeneriert wird, in dem im Oxidationskatalysator Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert wird, welches zur Verbrennung der Rußpartikel ein- setzbar ist. Erfindungsgemäß kann der Oxidationskatalysator kleiner ausgebildet sein, als wenn der Abstand zwischen den beiden Abgasbehandmngseinheiten nicht erfindungsgemäß gewählt wird. Insbesondere dann, wenn ein geschlossener Partikelfϊlter, beispielsweise ein Dieselpartikelfilter an sich bekannter Bauart, als zweite Abgasbehandlungseinheit und ein Wabenkörper als erste Abgasbehandlungseinheit ausgebildet ist und der Abstand möglichst klein, gegebenenfalls sogar nahe null durch Anlegen der Stirnseite des Wabenkörpers an die entsprechende Stirnseite des Partikelfilter, gewählt wird, ist es vorteilhaft, im Endbereich der Kanalwandungen der ersten Abgasbehandlungseinheit Perforationen und/oder gegebenenfalls Leitbleche vorzusehen, die eine weitere Vermischung des Abgases begünstigen.
Ein weiteres Beispiel ist ein hochzelliger Wabenkörper mit SCR-Beschichtung als zweite Abgasbehandlungseinheit, der ein niederzelliger Wabenkörper mit einer die Hydrolyse von Harnstoff fördernder Beschichtung vorgeschaltet ist.
Es wird ausdrücklich daraufhingewiesen, dass es sich hier lediglich um Beispiele für Systeme mit hohem Staudruck handelt, wobei die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist. 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 Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage;
Fig. 2 schematisch einen Ausschnitt des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasanlage;
Fig. 3 schematisch im Querschnitt einen Wabenkörper; und Fig. 4 schematisch Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Strömungsgeschwindigkeiten.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausfαhrangsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ab- gasanlage 1 einer Verbrennungskraftmaschine 2, die eine erste Abgasbehandlungseinheit 3 und eine zweite Abgasbehandlungseinheit 4 umfasst. Die erste Ab-
I gasbehandlungseinheit 3 ist als geschlossener Partikelfilter mit wechselweise geschlossenen Kanälen ausgebildet, während die zweite Abgasbehandlungseinheit 4 als Wabenkörper mit einer katalytisch aktiven Beschichtung, die die Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid katalysiert, ausgebildet, ohne das die Erfindung hierauf beschränkt wäre. Der Partikelfilter kann als keramisches VoI- lextrudat oder auch entsprechend aus metallischen Lagen ausgebildet sein. Die erste Abgasbehandlungseinheit 3 weist einen ersten hydrodynamischen Staudruck auf, während die zweite Abgasbehandlungseinheit 4 einen zweiten Staudruck aufweist, der größer als der erste Staudruck ist.
Erfindungsgemäß ist die erste Abgasbehandlungseinheit 3 in einem solchen ersten Abstand 5 in Strömungsrichtung vor der zweiten Abgasbehandlungseinheit 4 ausgebildet, so dass im Betrieb eine in die erste Abgasbehandlungseinheit 3 eintre- tende durch einen Pfeil symbolisierte Gasströmung 6 vergleichmäßigt wird. Der erste Abstand 5 liegt hier insbesondere bei weniger als 15 mm, bevorzugt bei weniger als 10 mm, besonders bevorzugt bei weniger als 5 mm. Die erste 3 und zweite Abgasbehandlungseinheit 4 sind so ausgeführt, dass es bei diesem ersten Abstand 5 zur Kumulation der Effekte des ersten Staudrucks und des zweiten Staudrucks kommt, so dass das in die erste Abgasbehandlungseinheit 3 einströmende Abgas einen Staudruck überwinden muss, der größer als der erste Staudruck der ersten Abgasbehandlungseinheit 3 als solche ist. Dies führt wie oben dargelegt zu einer Vergleichmäßigung der Gasströmung 6, die in die erste Abgasbehandlungseinheit 3 einströmt. Fig. 2 zeigt schematisch den Ausschnitt der Abgasanlage 1, welcher die erste 3 und die zweite Abgasbehandlungseinheit 4 umfasst. Ein zweiter Abstand 7 zwischen einer gaseintrittsseitigen Stirnseite 8 der ersten Abgasbehandlungseinheit 3 und einer gaseintrittsseitigen Stirnseite 9 der zweiten Abgasbehandlungseinheit 4 ist erfindungsgemäß so gewählt, dass es zu einer Vergleichmäßigung der Strömung in der ersten Abgasbehandlungseinheit 3 kommt. Insbesondere beträgt der zweite Abstand 7 weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 45 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm. Als erste Abgasbehandlungseinheit 4 können insbesondere kurze Wabenkörper zum Einsatz kommen, insbesondere einer Ausdeh- nung 10 in Strömungsrichtung von etwa 20 bis etwa 40 mm. Der erste Abstand 5 beträgt beispielsweise weniger als 15mm, oder auch 5 mm oder weniger. Insbesondere ist der erste Abstand 5 so gewählt, dass sich der Effekt des ersten Staudrucks der ersten Abgasbehandlungseinheit 3 und des zweiten Staudrucks der zweiten Abgasbehandlungseinheit 4 kumulieren, so dass das Abgas, welches in die erste Abgasbehandlungseinheit 3 strömt, einen Staudruck überwinden muss, der größer, bevorzugt deutlich größer als der zweite Staudruck der ersten Abgasbehandlungseinheit 3 alleine ist.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel eines Wabenkörpers 11 im Querschnitt, wel- eher als erste 3 und/oder zweite Abgasbehandlungseinheit 4 ausgebildet sein kann. Dieser Wabenkörper 11 umfasst eine Wabenstruktur 12 in einem Mantelrohr 13. Die Wabenstruktur 12 weist für ein Fluid be- oder sogar durchströmbare Hohlräume 14 auf, die durch im wesentlichen glatte Lagen 15 und zumindest teilweise strukturierte Lagen 16 gebildet werden. Mindestens eine zumindest teilweise strukturierte Lage 16 und gegebenenfalls mindestens eine im wesentlichen glatte Lage 15 werden aufgewickelt oder gestapelt und einer oder mehrere Stapel gleich- oder gegensinnig verwunden. Im wesentlichen glatte Lagen 15 können Mikrostrukturen aufweisen, deren Amplitude kleiner als die Strukturierungsamplitude der zumindest teilweise strukturierten Lage 16 ist. Lagen 15, 16 sind bevorzugt metallische Lagen, insbesondere Blechlagen und/oder metallische Faserlagen, die insbesondere aus hochtemperaturfestem und korrosionsfestem Material wie bei- spielsweise Al- oder Cr-Stählen hergestellt sein können. Die Lagen 15, 16 können Mikrostrukturen, Perforationen, Durchbrechungen und/oder Leitbleche aufweisen.
Fig. 4 zeigt schematisch eine erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 17 der Ge- schwindigkeit v und eine zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 18 der Geschwindigkeit v. Die erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 17 ergibt sich, wenn nur die erste Abgasbehandlungseinheit 3 mit Gas beströmt wird, also ohne das in Strömungsrichtung hinter dieser eine zweite Abgasbehandlungseinheit 4 ausgebildet ist. Aufgetragen ist für beide Verteilungen die Wahrscheinlichkeit, dass eine be- stimmte Geschwindigkeit im Gas vorliegt. Sowohl die Wahrscheinlichkeit, als auch die Geschwindigkeit werden in relativen Einheiten angegeben. Die zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 18 ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung in einem erfindungsgemäßen System. Sie betrifft also eine Abgasanlage 1 einer ersten Abgasbehandlungseinheit 3 und einer zweiten Abgasbehandlungseinheit 4. Die zwei- te Wahrscheinlichkeitsverteilung 18 ist breiter, weist insbesondere eine größere Breite bei halber maximaler Höhe (füll width half maximum) auf als die erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 17. Dies beruht auf der erfindungsgemäßen Vergleichmäßigung der Strömung.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage 1 erlaubt in vorteilhafter Weise die Ausbildung von Systemen mit zwei Abgasbehandlungseinheiten 3, 4, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Durch die Strömungsvergleichmäßigung können die erste 3 und/oder die zweite Abgasbehandlungseinheit 4 kleiner ausgeführt werden. Dies gilt beispielsweise dann, wenn als erste Abgasbehandlungsein- heit 3 ein Oxidationskatalysator und als zweite Abgasbehandlungseinheit 4 ein Partikelfilter ausgebildet ist. Durch die Vergleichmäßigung der Strömung in die erste Abgasbehandlungseinheit 3 wird die Umsetzungsrate erhöht, so dass erste 3 und/oder zweite Abgasbehandlungseinheit 4 kleiner ausgeführt werden können. Dies spart erhebliche Kosten bei der Auslegung solcher Systeme. Bezugszeichenliste
I Abgasanlage 2 Verbrennungsmotor
3 erste Abgasbehandlungseinheit
4 zweite Abgasbehandlungseinheit
5 erster Abstand
6 Gasströmung 7 zweiter Abstand
8 gaseintrittsseitige Stirnseite der ersten Abgasbehandlungseinheit
9 gaseintritsseitige Stirnseite der zweiten Abgasbehandlungseinheit
10 Ausdehnung
I 1 Wabenkörper 12 Wabenstruktur
13 Mantelrohr
14 Hohlraum
15 im wesentlichen glatte Lage
16 zumindest teilweise strukturierte Lage

Claims

Patentansprüche
1. Abgasanlage (1) einer Verbrennungskraftmaschine (2), umfassend eine erste Abgasbehandlungseinheit (3) mit einem ersten Staudruck und eine zweite
Abgasbehandlungseinheit (4) mit einem zweiten Staudruck, wobei der erste Staudruck kleiner als der zweite Staudruck ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasbehandlungseinheit (3) in einem solchen ersten Abstand (5) in Strömungsrichtung vor der zweiten Abgasbehandlungseinheit (4) aus- gebildet ist, dass im Betrieb eine in die erste Abgasbehandlungseinheit (3) eintretende Gasströmung (6) vergleichmäßigt wird.
2. Abgasanlage (1) nach Anspruch 1, bei der der erste Abstand (5) so gewählt •ist, dass sich der Effekt des ersten Staudrucks und des zweiten Staudrucks kumulieren.
3. Abgasanlage (1) nach Ansprach 1 oder 2, bei der ein zweiter Abstand (7) einer gaseintrittsseitigen Stirnseite (8) der ersten Abgasbehandlungseinheit (3) von einer gaseintrittsseitigen Stirnseite (9) der zweiten Abgasbehand- lungseinheit (4) 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 (10) der ersten Abgasbehandlungseinheit (3) in Strömungsrich- tung weniger als 45 mm beträgt, bevorzugt weniger als 35 mm, besonders bevorzugt 25 mm oder weniger.
5. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Abstand (5) zwischen der ersten Abgasbehandlungseinheit (3) und der zweiten Abgasbehandlungseinheit (4) 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 erste (3) und/oder die zweite Abgasbehandlungseinheit (4) mindestens einen Wabenkörper (11) umfasst.
7. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest die erste Abgasbehandlungseinheit (3) eine katalytisch aktive Be- schichtung 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.
9. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Abgasbehandlungseinheit (4) mindestens eines der folgenden Bauteile umfasst:
(a) offener Partikelfilter;
(b) geschlossener Partikelfilter; und
(c) SCR-Katalysator.
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