DE102018120195A1

DE102018120195A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102018120195A1
Application number: DE102018120195.8A
Authority: DE
Inventors: Aiko Mork; Christian Klüting; Christian Heimermann; Marcel Wiegel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-08-20
Filing date: 2018-08-20
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10) mit einer Abgasanlage (20). Die Abgasanlage (20) weist einen Abgaskanal (22) auf, in welchem mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) angeordnet ist. Dabei ist der Abgaskomponente (24, 26, 28) eine Vorrichtung (30) zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts (A_S) im Abgaskanal (22) vorgeschaltet oder nachgeschaltet. Es ist vorgesehen, dass der Strömungsquerschnitt (A_S) bei niedrigen Temperaturen in der Abgasanlage (20) verringert wird, sodass einzelne Bereiche (52) der Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) gezielt angeströmt werden, um den Wärmeeintrag in diesen Bereich (52) der Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) zu erhöhen und die Aufheizung dieses Bereichs (52) insbesondere nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors (10) zu beschleunigen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak sicherheitstechnisch bedenklich ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung durch Aufspaltung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
Die Einhaltung zukünftiger Abgasnormen erfordert auch bei niedriger Motortemperatur, beispielweise unmittelbar nach einem Kaltstart hohe Konvertierungsraten der Abgasnachbehandlung. Die Betriebstemperatur des Oxidationskatalysators oder des SCR-Katalysators wird in der Kaltstartphase nicht erreicht, sodass unverbrannter Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) nicht konvertiert werden können. Zudem ist auch eine Auskühlung der Abgasnachbehandlungskomponenten im Fahrbetrieb kritisch, da die Katalysatoren im Niedriglast-Bereich auf eine Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur auskühlen können und die Konvertierung von Schadstoffen zumindest eingeschränkt ist.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Lastpunkt des Verbrennungsmotors zu verschieben, um ein Aufheizen der Katalysatoren zu beschleunigen. Ferner ist bekannt, den Einspritzzeitpunkt oder den Zündzeitpunkt in Richtung spät zu verschieben, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Darüber hinaus sind elektrische Heizelemente und Abgasbrenner bekannt, um die Katalysatoren aufzuheizen. Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass bei innermotorischen Maßnahmen der Wirkungsgrad abnimmt und bei externen Heizmaßnahmen zusätzlich Energie verbraucht wird, sodass in jedem Fall der Energiebedarf steigt. Dies führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und somit steigenden CO2-Emissionen.
Aus der DE 40 14 398 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt, bei welchem die Leitschaufeln des Abgasturboladers verstellt werden, um den Abgasgegendruck zu erhöhen und somit das Aufheizen eines stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers angeordneten Katalysator zu beschleunigen.
Aus der DE 195 00 472 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei in einer Startphase des Verbrennungsmotors eine Staudruckklappe im Abgaskanal geschlossen wird, um den Abgasgegendruck zu erhöhen und somit das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten zu begünstigen.
Die WO 03 / 014 542 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Emissionsminderung und Kraftstoffeinsparung bei einem Verbrennungsmotor. Dabei ist vorgesehen, in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors dem Abgas ein sauerstoffreiches Gas aus einem Gasspeicher zuzuführen, um die Emissionen abzusenken.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors zu verbessern und insbesondere die Konvertierungsleistung in der Kaltstartphase weiter zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasanlage mit einem Abgaskanal, in welchem mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist, gelöst. Dabei ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts der in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal ersten Abgasnachbehandlungskomponente oder unmittelbar stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente eine Vorrichtung zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts des Abgaskanals angeordnet. Durch eine solche Vorrichtung kann der aktive Querschnitt des Abgaskanals vor oder hinter der Abgasnachbehandlungskomponente verkleinert werden. Somit werden nur bestimmte Bereiche der Abgasnachbehandlungskomponente gezielt angeströmt. Dabei steigt die Strömungsgeschwindigkeit im Abgasstrom durch die Querschnittsverkleinerung bei konstantem Volumenstrom und einer verringerten Querschnittsfläche. Dieser Effekt hat einen erhöhten Wärmeeintrag im partiell durchströmten Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente zur Folge. Zudem reduziert sich die thermisch aufzuheizende Masse, wodurch die aufzuheizende Wärmekapazität verringert wird. Die für die Schadstoff-Konvertierung notwendige Temperatur kann somit durch das schneller strömende Abgas frühzeitiger erreicht werden. Als Abgasnachbehandlungskomponenten kommen in diesem Zusammenhang Katalysatoren, insbesondere Oxidationskatalysatoren, Drei-Wege-Katalysatoren und SCR-Katalysatoren, sowie Partikelfilter, insbesondere Partikelfilter mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung, zum Einsatz. Die Vorrichtung zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts kann insbesondere eine Sperre, einen Öffner, einen Bypass oder einen S-Schlag umfassen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Abgasanlage einen Abgasturbolader mit einer Turbine umfasst, wobei die Vorrichtung zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist. Da der Abgasstrom durch die Turbine des Abgasturboladers stark durchgemischt wird, ist es vorteilhaft, die Vorrichtung zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts stromabwärts der Turbine und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente anzuordnen, um gezielt die Anströmung der Abgasnachbehandlungskomponente zu beeinflussen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts eine Öffnung, vorzugsweise eine zentrische Öffnung, aufweist, durch welche bei geschlossener Vorrichtung ein innerer Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente angeströmt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts eine Lochblende umfasst. Durch die gestufte Verstell-Möglichkeit der Lochblende, insbesondere einer Irisblende, kann der Durchmesser des Abgaskanals vor der ersten Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere vor einem Oxidationskatalysator, verringert werden. Die Blende umfasst mehrere sichelförmige Metallklappen, welche an ihrer breitesten oder äußersten Stelle drehbar gelagert sind. Diese Klappen werden bei einer Ansteuerung der Vorrichtung verschoben und verschließen somit gleichmäßig den Querschnitt des Abgaskanals. Ein entsprechender Aktuator zur Ansteuerung ist vorzugsweise außerhalb des Abgaskanals positioniert. Vorteilhaft an dieser Ausführungsvariante ist die stufenlose Verstellmöglichkeit des Öffnungsquerschnitts. Die Technik der Irisblende ermöglicht in Abhängigkeit vom vorhandenen Bauraum in radialer Richtung eine (fast) vollständige Öffnung des Querschnitts. Die Abgasströmung ist somit im geöffneten Zustand fast ungestört. Im geschlossenen Zustand der Lochblende wird die Abgasströmung durch die Blende nur in geringem Maße geführt, wodurch der Staudruck im Abgaskanal stromaufwärts der Blende ansteigt. Dies kann das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponente zusätzlich begünstigen. Durch die variable Öffnungsgeometrie kann der Öffnungsquerschnitt bei Erreichen der Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungskomponente kontinuierlich geöffnet werden, wodurch das Aktivieren zusätzlicher Bereiche der Abgasnachbehandlungskomponente und das Durchwärmen begünstigt wird.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Vorrichtung zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts eine Klappe oder einen Schieber umfasst. Durch eine Klappe oder einen Schieber kann der Strömungsquerschnitt auf einfache Art und Weise zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand umgeschaltet werden. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Abgasklappe mit einem rund ausgeführten Metallkörper, welcher im geschlossenen Zustand des Abgaskanals partiell verschließt. Dabei ist eine, vorzugsweise zentrische, Öffnung vorgesehen, durch welche das Abgas des Verbrennungsmotors bei geschlossener Klappe strömt. Somit wird gezielt ein Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente angeströmt, welcher sich entsprechend schnell nach einem Kaltstart oder einer Schwachlastphase des Verbrennungsmotors auf seine Betriebstemperatur erwärmt. Die Klappe kann sowohl einteilig als auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführt werden. Eine Abgasklappe ist vorzugsweise stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet, kann aber auch stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet sein. Die Klappensteuerung kann mechanisch oder elektromechanisch erfolgen und ermöglicht das Öffnen und Schließen der Abgasklappe im Abgaskanal.
Die Abgasklappe kann alternativ auch als Drehklappe ausgeführt werden, wobei die Drehklappe im geschlossenen Zustand einen äußeren Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente abdeckt und ein Durchströmen eines inneren Bereichs der Abgasnachbehandlungskomponente ermöglicht. Dabei werden bevorzugt mehrere nebeneinander angeordnete Flügel der Drehklappe mittels Drehstreben verstellt. Die zentral angeordnete Öffnung ermöglicht dabei stets eine Durchströmung der Drehklappe. Durch das Öffnen der Flügelklappen ist eine fast vollständige Freigabe des Öffnungsquerschnitts möglich, wodurch im geöffneten Zustand der Strömungswiderstand gering gehalten werden kann.
Ferner kann die Abgasklappe alternativ als Längsklappe, also im geschlossenen Zustand parallel zum Abgasstrom, ausgeführt sein. Durch eine Längsklappe kann gezielt einer Aufweitung des Abgasstroms im Eingangsbereich der Abgasnachbehandlungskomponente entgegengewirkt werden, sodass in der geschlossenen Stellung gezielt der innere Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente angeströmt wird. Alternativ kann die Abgasklappe als gebogene Abgasklappe, vorzugsweise als zwei oder vier gebogene Abgasklappen, ausgeführt sein. Dabei werden die mechanischen Klappen im Inneren der Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet und sind konvex ausgeführt. Die Lagerung der gebogenen Abgasklappen ist jeweils an der Erweiterungsstelle der Abgasnachbehandlungskomponente vorgesehen. Die gebogene Form der Abgasklappen ermöglicht dem Abgasstrom in allen Stellungen der Abgasklappen ein strömungsgünstiges Durchströmen der Abgasnachbehandlungskomponente.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Schieber umfasst. Der Schieber kann sowohl als Absperrschieber senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases als auch als Längsschieber parallel zur Strömungsrichtung des Abgases ausgebildet sein. Ein senkrecht zur Abgasstromrichtung verschiebbarer Absperrschieber verringert den Öffnungsquerschnitt der Abgasnachbehandlungskomponente. Dabei wird eine Platte, vorzugsweise eine Metallplatte, mit einer zentrischen Öffnung vorzugsweise senkrecht zur Mittelachse der Abgasnachbehandlungskomponente in den Abgaskanal eingeschoben. Die Platte ist an einer Stelle gelagert und wird durch einen Endanschlag in der Bewegung begrenzt.
Alternativ ist ein Längsschieber vorgesehen, welcher den äußeren Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente verschließt. Dabei ist der Absperrschieber vorzugsweise zylindrisch, wird über einen Aktuator gesteuert und parallel zur Mittelachse der Abgasnachbehandlungskomponente in den Abgaskanal eingeschoben. Der Aktuator befindet sich hinter oder vor dem Abgaskanal. Im geöffneten Betriebszustand wird der komplette Querschnitt der Abgasnachbehandlungskomponente freigegeben. Somit kann sich kein Staudruck einstellen. Zudem ist die Auslegung des Sperrschiebers auch im geschlossenen Betriebszustand strömungsgünstig.
Alternativ kann die Vorrichtung variable verstellbare Leitschaufeln umfassen, durch welche der Abgasstrom bei einem Verdrehen der Leitschaufeln auf einen inneren Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente gerichtet und dieser Bereich gezielt angeströmt wird. Die variablen Leitschaufeln ermöglichen einen Verschluss des Abgaskanals radial zum Mechanismus. Die Ausführung kann in unterschiedlichen Formaten realisiert werden, beispielsweise durch einen Verstellring.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts ein Versperrungselement umfasst, mit welchem ein Auslass der Abgasnachbehandlungskomponente derart versperrt wird, dass sich ein S-förmiger Abgaspfad durch die Abgasnachbehandlungskomponente einstellt. Dadurch kann die Abgaslauflänge durch die Abgasnachbehandlungskomponente verlängert werden, wodurch bei gleichem Abgasvolumen mehr Wärme vom Abgas auf die Abgasnachbehandlungskomponente übertragen werden kann. Bevorzugt sind zwei S-förmige Abgaspfade, welche vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer Mittelachse der Abgasnachbehandlungskomponente verlaufen.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgaskanal einen Bypass aufweist, wobei der Bypass einen gegenüber dem Strömungsquerschnitt des Abgaskanals verringerten Querschnitt aufweist. Durch den Bypass und eine entsprechende Vorrichtung zur Veränderung des Strömungsquerschnitts, insbesondere durch eine Abgasklappe, kann der Abgasstrom vom Abgaskanal in den Bypass umgeleitet werden.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist ein innerer Bypass vorgesehen. Dabei wird bei dicht geschlossener Abgasklappe das Abgas durch den Bypass geleitet. Dieser Bypass ist so positioniert, dass ein bestimmter Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente gezielt angeströmt wird. Vorteilhaft ist die strömungsgünstige Anordnung beider Bereiche der Abgasnachbehandlungskomponente. Alternativ ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein äußerer Bypass vorgesehen. Dabei ist eine dreiteilige Ausführung der Abgasnachbehandlungskomponente vorgesehen. Diese weist zwei Abgasklappen und einen außen liegenden Bypass auf. Dabei ist eine Abgasklappe stromaufwärts und die zweite Abgasklappe stromabwärts des Körpers der Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet. Diese Abgasklappen schließen zwei Bereiche der Abgasnachbehandlungskomponente im geschlossenen Betriebszustand vom Abgasstrom ab. In diesem Betriebszustand durchströmt das Abgas nur bestimmte Bereiche der Abgasnachbehandlungskomponente und wird durch den inneren Aufbau umgelenkt. Dadurch erhöht sich die Abgaslauflänge und somit die Wärmeübertragung vom Abgas auf die Abgasnachbehandlungskomponente. Eine äußere Bypassführung leitet den Abgasstrom schließlich aus der Abgasnachbehandlungskomponente hinaus. Im geöffneten Betriebszustand werden beide Abgasklappen geöffnet und ermöglichen somit, dass der Körper der Abgasnachbehandlungskomponente im Wesentlichen ungestört durchströmt wird und ein strömungsgünstiger Verlauf durch alle Bereiche der Abgasnachbehandlungskomponente möglich ist. Der Bypass wird in diesem Fall nicht oder nur in sehr begrenztem Maße durchströmt. Bei einer begrenzten Durchströmung des Bypasses ist im Bypass oder stromabwärts einer Einleitstelle des Bypasses in den Abgaskanal eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente vorgesehen, um eine entsprechende Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in dem Bypass ein elektrisch beheizbarer Katalysator angeordnet ist. Durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator im Bypass ergibt sich deutlich mehr Flexibilität in der Abgasführung durch die Abgasanlage. Der Abgaskanal kann durch eine Abgasklappe verschlossen werden. Der Strömungsweg des Abgases führt im geschlossenen Zustand der Abgasklappe durch den Bypass in einen kompakt ausgeführten zusätzlichen Katalysator. Durch die kleine Bauweise und den geringen Querschnitt wird die Geschwindigkeit des Abgases erhöht. Somit ist eine schnelle Erwärmung des zusätzlichen Katalysators möglich. Die Temperatur der Abgaskomponente im Abgaskanal bleibt dabei im Wesentlichen unverändert, jedoch gewährleistet der zusätzliche Katalysator in dieser Phase eine Konvertierung der Schadstoffe, sodass die Endrohremissionen sinken.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, wobei eine Temperatur in der Abgasanlage ermittelt wird und der Strömungsquerschnitt in der Abgasanlage reduziert wird, wenn die ermittelte Temperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren können die Emissionen in einer Kaltstart- oder Schwachlastphase des Verbrennungsmotors, in welcher eine Konvertierung der gasförmigen Schadstoffe durch die Katalysatoren aufgrund der mangelnden Temperatur nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, verringert werden. Somit können die Endrohremissionen insgesamt reduziert werden. Besonders bevorzugt ist die Anwendung dieses Verfahrens bei kleinen Abgasmassenströmen, bei denen eine Aufheizung der Abgasnachbehandlungskomponenten ansonsten besonders lange dauert. Die dazu benötigten Informationen können aus dem Motorsteuergerät gewonnen werden. Insbesondere kann hier auch ein weiterer Schwellenwert für einen Abgasmassenstrom hinterlegt werden, unterhalb dessen das Verfahren angewendet wird.
In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgaskanal einen Bypass aufweist, in welchem ein elektrisch beheizbarer Katalysator angeordnet ist, wobei der elektrisch beheizbare Katalysator beheizt wird, wenn die Temperatur in der Abgasanlage unterhalb der Schwellentemperatur liegt. Besonders effizient können die Endrohremissionen dadurch reduziert werden, dass in einer Betriebsphase, in welcher die Katalysatoren im Abgaskanal noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben, ein zusätzlicher Katalysator für die Konvertierung zumindest eines Teils dieser Schadstoffe sorgt. Durch einen engen Querschnitt des Bypass, einen kleinvolumigen und elektrisch beheizbaren Katalysator in diesem Bypass erreicht der zusätzliche Katalysator besonders schnell seine Betriebstemperatur. Somit können schädliche Abgaskomponenten wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid besonders schnell und effizient in unschädliche Abgaskomponenten wie Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf konvertiert werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind in den unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem mit einer Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
13 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems, wobei der Abgaskanal einen Bypass mit einem gegenüber dem Abgaskanal verringerten Querschnitt aufweist.
14 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems, wobei der Abgaskanal einen Bypass mit einem gegenüber dem Abgaskanal verringerten Querschnitt aufweist.
15 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
16 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur temporären Verringerung des Querschnitts des Abgaskanals;
17 ein Ausschnitt einer Abgasanlage eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems; und
18 ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen Ausschnitt einer Abgasanlage eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einer Abgasanlage 20. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein direkteinspritzender Dieselmotor und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Abgaskrümmer 14 mit einer Abgasanlage 20 verbunden
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 eine Turbine 18 eines Abgasturboladers 16 angeordnet ist. Der Abgasturbolader 16 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 36 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 18 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 18 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 18 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 24, 26, 28 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 18, wie in 18 dargestellt, als erste Abgasnachbehandlungskomponente ein Oxidationskatalysator 82 oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet. Dem Oxidationskatalysator 82 oder dem NOx-Speicherkatalysator folgt in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 als zweite Abgasnachbehandlungskomponente 26 ein Partikelfilter 84, welcher mit oder ohne eine/r Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) ausgeführt sein kann. Stromabwärts des Partikelfilters 84 ist als dritte Abgasnachbehandlungskomponente 28 ein SCR-Katalysator 86 angeordnet. Stromabwärts der Turbine 18 des Abgasturboladers 16 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts A_S des Abgaskanals 22 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner ein Steuergerät 80 auf, mit welchem Motorparameter, wie beispielsweise die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10, gesteuert werden. Das Steuergerät 80 ist ferner mit der Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts des Abgaskanals 22 verbunden, um diese Vorrichtung 30 entsprechend zu verstellen.
In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Die Vorrichtung 30 ist als Lochblende oder Irisblende 32 ausgeführt, mit welcher der Abgaskanal 22 partiell versperrt werden kann. Dabei weist die Irisblende 32 eine zentrische Öffnung 34 auf, welche durch einen nicht dargestellten Aktuator vergrößert werden kann. In 2a ist die Irisblende 32 in einem geschlossenen Betriebszustand dargestellt. Dadurch wird ein Abgasstrom 50 des Verbrennungsmotors 10 auf einen inneren Bereich 52 des Abgaskanals 22 konzentriert und durchströmt die nachfolgende Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 in ihrem inneren Bereich 52, während der äußere Bereich 54 in diesem Betriebszustand nicht vom Abgas des Verbrennungsmotor 10 durchströmt wird. Dadurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich, wodurch die Aufheizung dieses inneren Bereichs 52 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 beschleunigt wird. Ferner wird der Wärmeverlust durch Konvektion reduziert, da der innere Bereich 52 nicht unmittelbar vom Fahrtwind oder durch Spritzwasser gekühlt wird. Ferner kann zwischen dem inneren Bereich 52 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 und dem äußeren Bereich 54 eine horizontale Strömungsbegrenzung 92 ausgebildet sein, um einen Gasaustausch senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgasstroms 50 zu reduzieren oder zu eliminieren. Die Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist vorzugsweise als ein Katalysator 82, 86, insbesondere als ein Oxidationskatalysator 82 ausgeführt. In 2b ist die Lochblende 32 in einer geöffneten Stellung dargestellt. Dabei kann der Abgasstrom 50 frei durch alle Bereiche 52, 54 der Abgasnachbehandlungskomponente strömen, sodass das maximale Volumen zur Konvertierung von Schadstoffen zur Verfügung steht und der Abgasgegendruck minimiert wird. In einer alternativen Ausführungsform kann auch nur die in Strömungsrichtung erste Abgasnachbehandlungskomponente 24 durch die Irisblende 32 entsprechend in einem inneren Bereich 52 oder in beiden Bereichen 52, 54 angeströmt werden, während die nachfolgenden Abgasnachbehandlungskomponenten 26, 28 stets in allen Bereichen angeströmt werden.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in 2 ist die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel als Abgasklappe 36 mit einer zentrischen Öffnung 34 ausgeführt. Die Abgasklappe 36 reduziert im geschlossenen Betriebszustand (3a) den Querschnitt des Abgaskanal 22 und gibt den Querschnitt im geöffneten Betriebszustand (3b) weitestgehend frei. Dabei ist der Abgaskanal 22 im Bereich der Abgasklappe 36 vorzugsweise rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgeführt. Ferner kann an dem Abgaskanal 22 eine Tasche vorgesehen sein, um die Abgasklappe 36 im ausgeschwenkten Betriebszustand aufzunehmen und vor Beschädigungen oder Verschmutzungen zu schützen. Vorzugsweise ist diese Tasche fluiddicht mit dem Abgaskanal 22 verbunden, um eine unerwünschte Abgasleckage zu vermeiden.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in 2 oder 3 dargestellt, ist die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel als zweiteilige Abgasklappe 36, 38 mit einer zentrischen Öffnung 34 ausgeführt. Dabei sind die beiden Abgasklappen 36, 38 an der Wand des Abgaskanals 22 befestigt und schwenken in die gleiche Richtung. In 4a ist der geschlossene und in 4b der geöffnete Betriebszustand dieser Vorrichtung 30 dargestellt. Bevorzugt ist dabei, wenn beide Abgasklappen 36, 38 außerhalb des Abgaskanals 22 miteinander verbunden sind, sodass beide Abgasklappen 36, 38 mit einem gemeinsamen Aktuator betätigt werden können. Ferner weist der Abgaskanal 22 auch in diesem Ausführungsbeispiel im Bereich der Abgasklappen 36, 38 vorzugsweise einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt auf, um eine Abdichtung zwischen den Abgasklappen 36, 38 und dem Abgaskanal 22 zu verbessern. Dabei ist die Form der Abgasklappen 36, 38 im Wesentlichen an die Kontur des Abgaskanals 22 angepasst, um im geschlossenen Betriebszustand eine bestmögliche Abdichtung zu erreichen, ohne den Abgaskanal 22 im geöffneten Betriebszustand unnötig zu versperren. Dabei kann die Form der Abgasklappen 36, 38 auch entsprechend der Schwenkrichtung der Abgasklappen gewählt werden. Ferner können im Bereich der Abgasklappen 36, 38 am Abgaskanal 22 Taschen vorgesehen sein, um die Abgasklappen 36, 38 im geöffneten Betriebszustand aufzunehmen und den Strömungswiderstand in diesem Betriebszustand zu minimieren.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt, ist die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel als Drehklappe 40 mit einer zentrischen Öffnung 34 ausgeführt. Die Drehklappe 40 weist eine Mehrzahl von Drehelementen 41 und verstellbaren Flügeln 43 auf, mit welchen der Abgaskanal 22 geöffnet und verschlossen werden kann. Dabei ist eine mechanische Kopplung der Drehelemente 41 oder Flügel 43 günstig, um die Anzahl der Aktuatoren zu begrenzen.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt, ist die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel als Absperrschieber 42 mit einer zentrischen Öffnung 34 ausgeführt, welcher in den Abgaskanal 22 eingeschwenkt wird.. Der Absperrschieber 42 weist einen Endanschlag auf, welcher die in den Abgaskanal 22 eingeschwenkte und somit verschlossene Position (6a) begrenzt. In 6b ist die Vorrichtung in einem geöffneten Betriebszustand dargestellt. Dabei sorgt die horizontale Strömungsbegrenzung 92 an der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 für eine gezielte partielle Anströmung der mittleren Katalysatormatrix in der verschlossenen Position.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt, ist die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel als Sperrschieber 44, vorzugsweise als Längsschieber, ausgeführt. Der Sperrschieber 44 wird von einem Aktuator 78 parallel zur Mittelachse der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 verschoben. Wird der Sperrschieber 44 in den Abgaskanal 22 eingeschoben (7a), so blockiert der Körper des Sperrschiebers 44 im Einlassbereich der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 ein Aufweiten des Abgasstroms 50, sodass nur der innere Bereich 52 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 angeströmt wird. Wird der Sperrschieber 44 aus dem Abgaskanal 22 herausgezogen (7b) und die Vorrichtung 30 somit geöffnet, kann der Abgasstrom 50 das volle Volumen der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 durchströmen. Durch den Sperrschieber 44 können in der offenen Stellung die Strömungsverluste minimiert werden.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt, ist die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel als Verstellmechanismus mit verstellbaren Leitschaufeln 46 ausgeführt. Dabei wird der Abgasstrom 50, wie in 8a dargestellt, in einer ersten Betriebsstellung der Leitschaufeln 46 auf den inneren Bereich 52 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 gelenkt. In dem in 8b dargestellten geöffneten Betriebszustand bleibt der Abgasstrom 50 durch die Leitschaufeln 46 im Wesentlichen unbeeinflusst, sodass alle Bereiche 52, 54 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 vom Abgas des Verbrennungsmotors 10 durchströmt werden. Dabei ist die bevorzugte Drehachse der Leitschaufel 46 parallel zur Rohrwandung des Abgaskanals 22.
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt, umfasst die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel zwei Längsklappen 48, welche den Abgasstrom 50 in einem in 9a dargestellten ersten Betriebszustand auf den inneren Bereich 52 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 konzentrieren. Dabei sind die Längsklappen 48 parallel zur Strömungsrichtung des Abgasstroms 50 orientiert, sodass der Strömungswiderstand minimiert wird und ein Aufweiten des Abgasstroms 50 beim Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 verhindert wird. In 9b sind die Längsklappen 48 in einem zweiten Betriebszustand dargestellt, in welchem die Längsklappen den Abgasstrom 50 in alle Bereiche 52, 54 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 leiten und somit das Durchströmen des gesamten Volumens der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 begünstigen. Um eine bestmögliche Abdichtung im Bereich der Längsklappen 48 zu erzielen, ist ein rechteckiger, insbesondere quadratischer Querschnitt, des Abgaskanals 22 im Bereich der Längsklappen 48 bevorzugt. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Längsklappen 48 in ihrer Bewegung mechanisch gekoppelt sind, um beide Längsklappen 48 mit einem gemeinsamen Aktuator verstellen zu können.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in 9 dargestellt, umfasst die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von gebogenen Abgasklappen 60, 62, welche in den Abgasstrom 50 eingeschwenkt oder aus dem Abgasstrom 50 herausgeschwenkt werden können. Diese gebogenen Abgasklappen 60, 62 sind bei verengtem Strömungsquerschnitt besonders strömungsgünstig, sodass die Strömungsverluste im geschlossenen Betriebszustand reduziert werden können.
In 11 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Die Vorrichtung 30 umfasst eine Abgasklappe 64 mit einem Bypass 66. Dabei kann die Abgasklappe 64 einen Teilbereich des Abgaskanals 22 versperren, während der Bypass 66 stets geöffnet ist und ein Einströmen des Abgasstroms 50 in die Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 ermöglicht. In 11a ist die Abgasklappe 64 mit Bypass 66 in einem geschlossenen Betriebszustand dargestellt, wobei das Abgas ausschließlich durch den Bypass 66 in einen inneren Bereich 52 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 einströmt. In 11b ist die Abgasklappe 64 mit Bypass 66 in einem geöffneten Betriebszustand dargestellt, wobei der Abgasstrom 50 in alle Bereiche 52, 54 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 einströmen kann.
In 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt, weist die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel jeweils stromaufwärts des Körpers der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 eine Abgasklappe 36, 58 auf. Ferner ist ein externer Bypass 68 vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom 50 aus der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 bei geschlossenen Abgasklappen 36, 58 ausgeleitet wird (12a). Dabei stellt sich ein S-förmiger Abgaspfad 56 durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 ein. Der Bypass 68 kann einlassseitig eine weitere Abgasklappe 94 aufweisen, um den Bypass 68 zu öffnen oder zu verschließen. In 12b ist die Vorrichtung 30 in einem geöffneten Betriebszustand dargestellt, wobei der Bypass 68 einlassseitig verschlossen ist und der Abgasstrom 50 die Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26 28 ungestört durchströmen kann. Dabei können die Abgasklappen 36, 58 und 94 mechanisch miteinander gekoppelt werden. So ist die Abgasklappe 94 geöffnet, wenn die anderen beiden Abgasklappen 36, 58 geschlossen sind, um bei geschlossenem Abgaskanal 22 das Abgas durch den Bypass 68 zu leiten. Vorzugsweise ist bei verschlossenen Abgasklappen 36, 58 in dieser Ausführungsform der Strömungsquerschnitt Q_H in der Hauptströmungsrichtung kleiner als der Strömungsquerschnitt Q_R entgegen der Hauptströmungsrichtung, wodurch bei geöffneter Abgasklappe 94 eine besonders strömungsgünstige Einleitung des Abgasstroms in den Bypass 68 erreicht wird.
In 13 ist eine alternative Ausführungsform einer Abgasanlage 20 dargestellt. Dabei weist der Abgaskanal 22 stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 einen Bypass 68 auf, in welchem ein elektrisch beheizbarer Katalysator 70 angeordnet ist. Dabei ist in dem vom Bypass 68 überbrückten Abgaskanalsegment eine Abgasklappe 36 vorgesehen, mit welcher der Abgaskanal 22 verschlossen und wieder freigegeben werden kann. In 13a ist der Abgaskanal 22 verschlossen, sodass der Abgasstrom 50 des Verbrennungsmotors 10 durch den Bypass 68 und den elektrisch beheizbaren Katalysator 70 geleitet wird. Dabei weist der Bypass 68 im Vergleich zum Abgaskanal 22 einen kleineren Strömungsquerschnitt auf, sodass die Strömungsgeschwindigkeit bei gleichem Abgasvolumen im Bypass 68 höher ist als im Abgaskanal 22. Am elektrisch beheizbaren Katalysator 70 kann ein Temperatursensor 72 vorgesehen sein, mit welchem die Temperatur des Katalysators 70 und/oder die Abgastemperatur erfasst wird. Die Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Oxidationskatalysator 82 ausgeführt. Dabei wird der Abgasstrom 50 solange durch den Bypass 68 geleitet, bis der Oxidationskatalysator 82 im Abgaskanal 22 seine Betriebstemperatur erreicht hat. In 13b ist die Abgasanlage in einem zweiten Betriebszustand dargestellt. Dabei ist die Abgasklappe 36 geöffnet und der Abgasstrom 50 strömt durch den Abgaskanal 22 in alle Bereiche des Oxidationskatalysators 82 ein.
In 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Abgasanlage 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 13 ausgeführt wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Die Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel als SCR-Katalysator 86 ausgeführt. Zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist stromabwärts der Einleitung des Bypasses 68 in den Abgaskanal 22 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 86 ein Dosierventil 74 vorgesehen.
In 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt, umfasst die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel zwei Abgasschieber 76 mit Ausnehmungen. Dabei werden in einem in 15a dargestellten geschlossenen Betriebszustand entsprechende Bereiche des Körpers der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 abgedeckt, sodass sich zwei S-förmige Abgaspfade 56 durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 ausbilden. Der stromabwärts des Körpers angeordnete Abgasschieber 76 stellt dabei ein Versperrungselement 58 dar, welches eine Umlenkung des Abgasstroms 50 erzwingt. Ferner sind an dem Körper horizontale Strömungsbegrenzungen 92, vorzugsweise in Form von Röhren oder Blechen vorgesehen, welche einen Gasaustausch senkrecht zur Mittelachse der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 unterbinden. In 15b ist die Vorrichtung in einem geöffneten Betriebszustand dargestellt. Dabei erfolgt das Öffnen oder Schließen durch eine Rotation mindestens einer der Scheiben der Vorrichtung 30. Dabei können das Versperrungselement 58 und der Abgasschieber 76 mechanisch miteinander gekoppelt sein, um das Öffnen und Schließen zu synchronisieren.
In 16 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts im Abgaskanal 22 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau des Abgaskanalsegments wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargestellt, ist die Vorrichtung 30 in diesem Ausführungsbeispiel als Abgasschieber 76 in Form eines Becherschiebers ausgebildet. Der in 16 dargestellte Mechanismus ähnelt dem Verschluss eines Gewürzbechers. Der innere Bereich 52 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 ist in jeder Stellung des Abgasschiebers 76 geöffnet. Dieser wird auch im geschlossenen Zustand (16a) partiell durchströmt. Der Becher- beziehungsweise Drehkörper ermöglicht das Öffnen (16b) des äußeren Bereichs 54 der Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28. Dabei erfolgt ein Öffnen oder Schließen der Vorrichtung 30 durch ein Verdrehen des Drehkörpers.
In 17 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Abgasanlage 20 mit mehreren Abgasnachbehandlungskomponenten 24, 26, 28 dargestellt. Dabei sind in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 22 der Abgasanlage ein Oxidationskatalysator 82, stromabwärts des Oxidationskatalysators 82 ein Partikelfilter 84 und weiter stromabwärts ein SCR-Katalysator 86 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 84 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 86 sind ein erstes Dosierventil 74 und ein zweites Dosierventil 88 am Abgaskanal 22 angeordnet. Das erste Dosierventil 74 ermöglicht eine Eindosierung von Reduktionsmittel, welches in dem äußeren Bereich 54 des SCR-Katalysators 86 umgesetzt wird. Das zweite Dosierventil 88 ermöglicht die Eindosierung von Reduktionsmittel, welches in dem inneren Bereich 52 des SCR-Katalysators umgesetzt wird. Dabei ist dem Oxidationskatalysator 82 eine Vorrichtung 30 zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts des Abgaskanals 22 vorgeschaltet. In 17a ist die Abgasanlage 20 in einem ersten Betriebszustand, beispielsweise nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei wird der Abgasstrom 50 des Verbrennungsmotors 10 in diesem geschlossenen Betriebszustand der Vorrichtung 30 durch die inneren Bereiche 52 der Abgasnachbehandlungskomponenten 24, 26, 28 geführt. In 17b ist die Abgasanlage 20 bei einer geöffneten Vorrichtung 30 dargestellt. Dabei werden sämtliche Bereiche der Abgasnachbehandlungskomponenten 24, 26, 28 vom Abgasstrom 50 des Verbrennungsmotors 10 durchströmt.
In 18 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 17 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts des Partikelfilters 84 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 86 ein Abgasmischer 90 im Abgaskanal 22 vorgesehen. Dadurch erfolgt eine Vermischung des Abgasstroms 50 aus dem inneren Bereich 52 mit den äußeren Bereichen 54, sodass nur ein Dosierventil 74 zur Eindosierung von Reduktionsmittel notwendig ist, wobei das Reduktionsmittel durch den Abgasmischer 90 mit dem Abgasstrom vermischt wird und somit in allen Bereichen 52, 54 des SCR-Katalysators umgesetzt werden kann. Dabei zeigt 18a die Vorrichtung 30 in geschlossenem und 18b in geöffnetem Betriebszustand.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Abgaskrümmer
16: Abgasturbolader
18: Turbine
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: erste Abgasnachbehandlungskomponente
26: zweite Abgasnachbehandlungskomponente
28: dritte Abgasnachbehandlungskomponente
30: Mittel zur Veränderung des Strömungsquerschnitts
32: Irisblende
34: Öffnung
36: (erste) Klappe / erste Klappenhälfte
38: (zweite) Klappe / zweite Klappenhälfte
40: Drehklappe
41: Dreh-Element / Dreh-Segment
42: Absperrschieber
43: verstellbarer Flügel
44: Sperrschieber
46: Leitschaufeln
48: Längsklappe
50: Abgasstrom
52: innerer Bereich
54: äußerer Bereich
56: S-förmiger Abgaspfad
58: Versperrungselement
60: gekrümmte Klappe
62: gekrümmte Klappe
64: Klappe mit Bypass
66: Bypass
68: Bypass
70: elektrisch beheizbarer Katalysator
72: Temperatursensor
74: erstes Dosierventil
76: Abgasschieber mit Ausnehmungen
78: Aktuator
80: Steuergerät
82: Oxidationskatalysator
84: Partikelfilter
86: SCR-Katalysator
88: zweites Dosierventil
90: Abgasmischer
92: horizontale Strömungsbegrenzung
94: Abgasklappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4014398 A1 [0005]
DE 19500472 A1 [0006]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), umfassend eine Abgasanlage (20) mit einem Abgaskanal (22), in welchem mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts eines Abgaskrümmers (14) des Verbrennungsmotors (10) und stromaufwärts der in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal (22) ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) oder stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) eine Vorrichtung (30) zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts (A_S) des Abgaskanals (22) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage einen Abgasturbolader (16) umfasst, wobei die Vorrichtung (30) zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts stromabwärts einer Turbine (18) des Abgasturboladers (16) und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts eine Öffnung (34) aufweist, durch welche bei geschlossener Vorrichtung (30) ein innerer Bereich (52) der Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) von dem Abgas des Verbrennungsmotors (10) angeströmt wird.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts eine Irisblende (32) umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts eine Klappe (36, 38, 40, 48, 60, 62, 64) oder einen Schieber (44, 76) umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) zur temporären Veränderung des Strömungsquerschnitts ein Versperrungselement (58) umfasst, mit welchem ein Auslass der Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) derart versperrt wird, dass sich ein S-förmiger Abgaspfad (56) durch die Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) einstellt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungskomponenten (24, 26, 28) eine horizontale Strömungsbegrenzung (92) aufweist, welche einen Gasaustausch zwischen einem inneren Bereich (52) und einem äußeren Bereich (54) der Abgasnachbehandlungskomponente (24, 26, 28) einschränkt oder unterbindet.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskanal (22) einen Bypass (66, 68) aufweist, wobei der Bypass (66, 68) einen gegenüber dem Strömungsquerschnitt (A_S) des Abgaskanals (22) verringerten Querschnitt (A_B) aufweist, und wobei in dem Bypass (66, 68) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (70) angeordnet ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur in der Abgasanlage (20) ermittelt wird und der Strömungsquerschnitt in der Abgasanlage reduziert wird, wenn die ermittelte Temperatur unterhalb einer Schwellentemperatur (T_S) liegt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 9, wobei der Abgaskanal (22) einen Bypass (66, 68) aufweist, in welchem ein elektrisch beheizbarer Katalysator (70) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch beheizbare Katalysator (70) beheizt wird, wenn die Temperatur (T) in der Abgasanlage (20) unter der Schwellentemperatur (T_S) liegt.