EP1882090B1

EP1882090B1 - Abgasanlage mit zwei abgasbehandlungseinheiten

Info

Publication number: EP1882090B1
Application number: EP06723523A
Authority: EP
Inventors: Rolf BRÜCK; Andreas Scheeder
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: EP1882090A1; US20080008631A1; WO2006100003A1; US7597859B2; DE102005014265A1; JP2009530521A

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

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 catalytic reduction) von Stickoxiden (NO_X), 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 Strömungsrichtung 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.
Die DE 40 24 942 A1 offenbart einen monolithischen Wabenkörper, der in Strömungsrichtung hintereinander unterschiedliche Zelldichten aufweist, so dass das Anspringverhalten und die thermische Alterung beeinflusst werden kann.
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, umfassend 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 Betrieb eine in die erste Abgasbehandlungseinheit eintretende Gasströmung vergleichmäßigt wird. Das bedeutet insbesondere, dass der Staudruck in Strömungsrichtung vor der Abgasbehandlungseinheit durch den ersten Staudruck des Wärmetauschers beeinflusst wird.
Bei der erfindungsgemäßen 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, so dass sich der Effekt des ersten Standrucks der ersten Abgasbehandlungseinheit und des zweiten Staudrucks der zweiten Abgasbehandlungseinheit kumulieren, so dass das Abgas, welches in die erste Abgasbehandlungseinheit strömt, einen Staudruck überwinden muss, der gröber als der erste Staudruck der ersten Abgasbehandlungseinheit alleine ist.
Die Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere ein Diesel- oder Ottomotor, beispielsweise ein Diesel- oder Ottomotor eines Kraftfahrzeugs (z. B. eines Personenkraftwagens, 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 Durchmischung 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 Abgasbehandlungseinheit 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 Staudruck 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 Einfluss 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 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 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 Abgasbehandlurigseinheit 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-βigung 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 Abgasanlage beträgt die Ausdehnung der ersten Abgäsbehandlungseinheit 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 kleine 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 Abgasanlage umfassen die erste und/oder die zweite Abgasbehandlungseinheit mindestens einen Wabenkörper.
Mit einem Wabenkörper kann eine erste und/oder zweite Abgasbehandlungseinheit geschaffen werden, deren Eigenschaften wie Oberfläche, Standruck, etc. sehr genau vorherbestimmt werden können. Als Wabenkörper eignen sich insbesondere metallische oder keramische Wabenkürper. Auch Partikelfilter können als Wabenkörper mit zumindest teilweise porösen Kanalwänden und gegebenenfalls Kanalabschlüssen oder entsprechenden Leitblechen und Durchbrechungen ausgebildet sein.
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 ähnlichern gehalten sein. Auch ist es möglich, die zweite Abgasbehandlungseinheit bündig auf eine Stirnseite des Wärmetauschers aufzusetzen. Hierbei kann es vorteilhaft 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 gasaustrittseitigen Stirnseite der ersten Abgasbehandlungseinheit oder die gaseintrittsseitigen Stirnseite der zweiten Abgasbehandlungseinheit die Kanalwandungen an unterschiedlichen Punkten enden zu lassen, so dass keine glatte Stirnfläche, sondern eine zerklüftete Stirnfläche der ersten und/oder der zweiten Abgasbehandlungseinheit entsteht, die auch zu Querströmungen insbesondere zwischen benachbarten Kanälen führen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage 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 Abgasrückführleitung ablaufen. Als Katalysatoren eignen sich insbesondere Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder ähnliches. Eine Oxidationskatalysatorbeschichtung katalysiert insbesondere die Oxidation von Kohlenwasserstoffen (HC) oder Stickoxiden (NO_X). 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 Abständen 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 Partikelfilter 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 einen 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 Partikelfilter weist zumindest in einem Teil seiner Wände 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 kontinuierlich regeneriert wird, in dem im Oxidationskatalysator Stickstoffinonoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert wird, welches zur Verbrennung der Rußpartikel einsetzbar ist. Erfindungsgemäß kann der Oxidationskatalysator kleiner ausgebildet sein, als wenn der Abstand zwischen den beiden Abgasbehandlungseinheiten nicht erfindungsgemäß gewählt wird. Insbesondere dann, wenn ein geschlossener Partikelfilter, 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 darauf hingewiesen, 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 Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 einer Verbrennungskraftmaschine 2, die eine erste Abgasbehandlungseinheit 3 und eine zweite Abgasbehandlungseinheit 4 umfasst. Die erste Abgasbehandlungseinheit 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 Vollextrudat 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 eintretende 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 Ausdehnung 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 erste Staudruck der ersten Abgasbehandlungseinheit 3 alleine ist
Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel eines Wabenkörpers 11 im Querschnitt, welcher 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 beispielsweise 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 Geschwindigkeit 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 bestimmte 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 zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 18 ist breiter, weist insbesondere eine größere Breite bei halber maximaler Höhe (full 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 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.

Bezugszeichenliste

1: 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
11: Wabenkörper
12: Wabenstruktur
13: Mantelrohr
14: Hohlraum
15: im wesentlichen glatte Lage
16: zumindest teilweise strukturierte Lage

Claims

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) ausgebildet ist, dass im Betrieb eine in die erste Abgasbehandlungseinheit (3) eintretende Gasströmung (6) vergleichmäßigt wird, wobei der erste Abstand (5) zwischen der ersten Abgasbehandlungseinheit (3) und der zweiten Abgasbehandlungseinheit (4) weniger als 15 mm beträgt, so dass sich der Effekt des ersten Staudrucks und des zweiten Staudrucks kumulieren und das Abgas, welches in die erste Abgasbehandlungseinheit (3) strömt, einen Staudruck überwinden muss, der größer als der erste Staudruck der ersten Abgasbehandlungseinheit (3) alleine ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1, bei der ein zweiter Abstand (7) einer gaseintrittsseitigen Stirnseite (8) der ersten Abgasbehandlungseinheit (3) von einer gaseintrittsseitigen Stirnseite (9) der zweiten Abgasbehandlungseinheit (4) weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 45 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm beträgt.
Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ausdehnung (10) der ersten Abgasbehandlungseinheit (3) in Strömungsrichtung weniger als 45 mm beträgt, bevorzugt weniger als 35 mm, besonders bevorzugt 25 mm oder weniger.
Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste (3) und/oder die zweite Abgasbehandlungseinheit (4) mindestens einen Wabenkörper (11) umfasst.
Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest die erste Abgasbehandlungseinheit (3) eine katalytisch aktive Beschichtung umfasst.
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.
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.