Komponente eines Abgassystems und Verfahren zur Abgasnachbe ^¬ handlung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente eines Ab ^¬ gassystems und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung. Das Abgassystem ist insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine zugeordnet .

Bei modernen Verbrennungskraftmaschinen ist in allen Betriebspunkten eine wirksame Abgasbehandlung erforderlich. Insbesondere ist die Entfernung von Schadstoffen auch bei niedrigen Temperaturen und bereits kurz nach einem Starten der Verbrennungskraftmaschine sicherzustellen. Dabei sind zahl ^¬ reiche Vorrichtungen bekannt, die z. B. mittels Wärmetauschern eine Erhöhung einer Abgastemperatur bewirken können, so dass eine für die katalytische Umwandlung von Schadstoffen erforderliche Temperatur schneller erreicht wird. Ein Wärmetauscher kann auch zu der Rückgewinnung von Energie, nämlich aus der Wärme des Abgases, eingesetzt werden.

Gerade der Einsatz von Wärmetauschern erfordert jedoch bisher einen Platzbedarf, der z. B. in Kraftfahrzeugen nur mit er- heblichem konstruktivem Aufwand bereitgestellt werden kann. Zudem haben bekannte Wärmetauscher zum Teil Nachteile hinsichtlich eines effizienten Wärmeübergangs.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine Komponente eines Abgassystems bereit ^¬ zustellen, durch die Abgas erwärmt bzw. Energie aus dem Abgas zurückgewonnen kann und insbesondere auch Schadstoffe im Abgas reduziert bzw. umgesetzt werden kann. Weiter soll die Komponente platzsparend ausgeführt sein. Das Verfahren zur Abgasbehandlung soll einen effizienten Wärmeübergang und/oder eine effektive Abgasbehandlung ermöglichen. Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Komponente gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11. Weitere vorteilhafte Aus ^¬ gestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patent- ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausge ^¬ staltungen der Erfindung dargestellt werden.

Vorgeschlagen wird in diesem Zusammenhang eine Komponente eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Kom ^¬ ponente zumindest ein Gehäuse mit einen Einlass und einem Auslass für ein Abgas aufweist. In dem Gehäuse ist ein von Abgas ausgehend von dem Einlass entlang einer axialen Richtung und entlang eines ersten Strömungspfades durchströmbarer, ringförmiger Wärme- tauscher vorgesehen. Stromabwärts des Wärmetauschers ist zudem ein in radialer Richtung innerhalb des Wärmetauschers an ^¬ geordneter, von Abgas zumindest entlang einer radialen Richtung durchströmbarer, ringförmiger Katalysatorkörper so angeordnet ist, dass das Abgas stromabwärts des Katalysatorkörpers den Wärmetauscher entlang der radialen Richtung und entlang eines zweiten Strömungspfades durchströmt.

Der Wärmetauscher wird insbesondere von Wärmetauschermedien (Abgas, das entlang des jeweils anderen Strömungspfades strömt; Kühlmedium, z. B. Wasser, Öl, etc.) durchströmt. Insbesondere wird Wärme zwischen heißem Abgas und einem kühleren Wärmetauschermedium übertragen.

Die Komponente kann dazu bestimmt bzw. derart eingerichtet sein, dass in dem Wärmetauscher Wärme zwischen Abgasströmen (entlang des ersten Strömungspfades und entlang des zweiten Strö ^¬ mungspfades) übertragen wird. In diesem Fall kann z. B. das entlang des ersten Strömungspfades strömende Abgas durch das entlang des zweiten Strömungspfades strömende Abgas, welches bereits durch die exotherme Reaktion des Abgases mit den ka- talytisch wirkenden Bestandteilen des Katalysatorkörpers aufgeheizt ist, erwärmt werden. In diesem Fall weist der

Wärmetauscher insbesondere keine zusätzlichen Leitungen zur Aufnahme eines weiteren (zusätzlich zu den beschriebenen Abgasströmungen) Kühlmediums auf. Soweit hier zur Beschreibung der Form von Wärmetauscher und/oder Katalysatorkörper und/oder Abströmkanal auf den Begriff „ringförmig" zurückgegriffen wird, ist damit gemeint, dass der Wärmetauscher bzw. der Katalysatorkörper bzw. Abströmkanal zentral offen und um eine Zentrumsachse herum umlaufend bzw. umschließend ausgeführt ist. Der Querschnitt des Wärmetauschers und/oder Katalysatorkörpers und/oder Abströmkanal muss dabei nicht kreisrund sein, sondern kann neben kreisförmig auch nach Art eines geschlossenen Vielecks, eines Ovals oder dergleichen geformt bzw. aus Modulen zusammengesetzt sein.

Weiter wird vorgeschlagen, dass z. B. der Wärmetauscher elektrisch beheizbar aufgeführt ist. Insbesondere kann so entlang des ersten Strömungspfades strömendes Abgas erwärmt werden, damit in dem Katalysatorkörper eine katalytische Re- aktion erstmals einsetzt. Alternativ oder zusätzlich kann eine elektrische Heizung im Bereich des Katalysatorkörpers angeordnet sein, so dass zumindest lokal eine katalytische Reaktion mit dem entlang des zweiten Strömungspfades strömenden Abgases erreicht wird .

Die Anordnung eines in einer radialen Richtung durchströmbaren Katalysatorkörpers, der z. B. aus der DE 101 17 086 A bekannt ist, innerhalb eines Wärmetauschers ermöglicht eine platzsparende Konstruktion der Komponente. Weiter lässt sich so an der äußeren Umfangsfläche des radial durchströmbaren Katalysatorkörpers eine große Übertragungsfläche für die thermische Energie re ^¬ alisieren, die durch die katalytische Reaktion des Abgases bereitgestellt wird. Aufgrund des sich in radialer Richtung hin zur äußeren Umfangsflache erweiternden Strömungsquerschnitts kann der durch die Integration des Wärmetauschers bewirkte Druckverlust minimiert werden.

Die Temperatur des Abgases bei Eintritt in den Katalysatorkörper kann durch den Wärmetauscher gesteigert werden, so dass ein Betrieb des Abgassystems bei geringeren Abgastemperaturen möglich ist, sobald eine so genannte„light-off"-Temperatur (die Temperatur, bei der eine katalytische und exotherme Reaktion mit Bestandteilen des Abgases eintritt) einmal erreicht ist. Damit können Maßnahmen zur Steigerung der Temperatur des Abgases, z. B. motorische Maßnahmen, elektrisches Heizen, reduziert oder sogar eingespart werden.

Insbesondere umgibt ein ringförmiger Abströmkanal den Wärme ^¬ tauscher in der radialen Richtung außen, so dass das Abgas stromabwärts von dem zweiten Strömungspfad in den Abströmkanal eintritt und über einen Auslass das Gehäuse verlässt.

Insbesondere erstreckt sich das Gehäuse entlang der axialen Richtung zwischen dem an einer ersten Stirnseite des Gehäuses angeordnetem Einlass und dem an einer zweiten Stirnseite des Gehäuses angeordnetem Auslass.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist stromabwärts des ersten Strömungspfades eine Umlenkzone zur Umlenkung des Abgases in eine entgegengesetzte axiale Richtung angeordnet; wobei in der radialen Richtung innerhalb des Katalysatorkörpers ein sich in der axialen Richtung erstreckender zentraler Kanal angeordnet ist, in den das Abgas ausgehend von der Umlenkzone eintritt und von dem aus das Abgas in den Katalysatorkörper eintritt.

Bevorzugt ist stromaufwärts des ersten Strömungspfades oder in der Umlenkzone eine Zugabevorrichtung für ein (bevorzugt flüssiges) Reaktionsmedium angeordnet. Insbesondere ist die Zugabevorrichtung stromaufwärts und außerhalb des Gehäuses, z. B. in einer Abgasleitung, angeordnet.

Insbesondere ist die Zugabevorrichtung zur Zugabe eines Re- duktionsmittels , z. B. Harnstoff-Wasser-Lösung oder Kraftstoff, vorgesehen .

Insbesondere weist der Katalysatorkörper eine Vielzahl von Strömungskanälen zur Durchleitung des Abgases auf, wobei sich die Strömungskanäle zumindest entlang der radialen Richtung und der axialen Richtung erstrecken, insbesondere unter einem Winkel gegenüber den axialen Richtungen von mindestens 60° [Winkelgrad], bevorzugt mindestens 80°. Ggf. können sich die Strö ^¬ mungskanäle zusätzlich entlang einer Umfangsrichtung erstre- cken. Insbesondere werden so die Strömungskanäle innerhalb des Katalysatorkörpers verlängert, so dass eine Wahrscheinlichkeit der Kontaktierung von Schadstoffen des Abgases mit den kata- lytisch wirksamen Bestandteilen des Katalysatorkörpers erhöht wird .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen entlang des ersten Strömungspfades das Abgas kontaktierende Oberflächen des Wärmetauschers eine strukturierte und damit gegenüber einer ebenen Oberfläche vergrößerte Oberfläche auf. Eine strukturierte Oberfläche kann insbesondere durch eine gegenüber anderen

Bereichen der Komponente erhöhte Oberflächenrauigkeit und/ oder eine wellenförmige Oberfläche gebildet sein. Die Struktur hat die Eigenschaft, eine Vergrößerung einer Oberfläche gegenüber einer flachen/ebenen/glatten Oberfläche zu bewirken.

Insbesondere weisen entlang des zweiten Strömungspfades das Abgas kontaktierende Oberflächen des Wärmetauschers eine strukturierte und damit gegenüber einer ebenen Oberfläche vergrößerte Oberfläche auf. Die Ausführungen zu dem ersten Strömungspfad gelten hier gleichermaßen. Insbesondere wird der Wärmetauscher von einem Wärmetauschermedium (insbesondere einem weiteren, nicht das Abgas umfassenden Wärmetauschermedium) nur entlang der axialen Richtung durchströmt .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist zumindest eine der folgenden Komponenten stromabwärts des Katalysatorkörpers eine katalytische Beschichtung auf:

Oberflächen des Wärmetauschers entlang des zweiten

Strömungspfades ;

ringförmiger Abströmkanal, der den Wärmetauscher in der radialen Richtung außen umgibt, so dass das Abgas stromabwärts des zweiten Strömungspfades in den

Abströmkanal eintritt und über einen Auslass das Gehäuse verlässt .

Es wird weiter ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, wobei ein Abgas in den folgenden Schritten, insbesondere in der neu vorgeschlagenen Komponente, behandelt wird:

a. Eintritt des Abgases in einen Einlass eines Gehäuses einer Komponente eines Abgassystems;

b. Führung des Abgases entlang einer axialen Richtung und entlang eines ersten Strömungspfades durch einen ringförmigen Wärmetauscher;

c. Umlenkung des Abgases in einen zentralen Kanal, der in einer radialen Richtung innerhalb des Wärmetauschers angeordnet ist und sich entlang der axialen Richtung erstreckt; d. Umlenkung des Abgases aus dem zentralen Kanal in eine radiale Richtung;

e. Eintritt des Abgases in einen, zumindest entlang einer radialen Richtung durchströmbaren, ringförmigen Katalysatorkörper, so dass das Abgas stromabwärts des Kataly ^¬ satorkörpers den Wärmetauscher entlang der radialen Richtung und entlang eines zweiten Strömungspfades durchströmt . Insbesondere umgibt ein ringförmiger Abströmkanal den Wärme ^¬ tauscher in der radialen Richtung außen, wobei das Abgas in einem Schritt f. stromabwärts des zweiten Strömungspfades in den Abströmkanal und entlang der axialen Richtung hin zu einem Auslass des Gehäuses der Komponente geleitet wird.

Die Ausführungen zu der Komponente gelten gleichermaßen für das Verfahren und umgekehrt.

Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Verbrennungskraftmaschine sowie ein Abgassystem mit einer erfindungsgemäßen Komponente oder mit einer Komponente, in der das Abgas nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wird.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Dabei sind gleiche Bauteile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:

Fig. 1: ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Abgassystem und einer ersten Ausführungsvariante einer Komponente in einer Seitenansicht im Schnitt; und

Fig. 2: eine zweite Ausführungsvariante einer Komponente in einer Seitenansicht im Schnitt.

Fig. 1 zeigt Kraftfahrzeug 25 mit einer Verbrennungskraftma ^¬ schine 3 und einem Abgassystem 2 und einer ersten Ausführungsvariante einer Komponente 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. Ein Abgas 7 strömt ausgehend von einer Verbren ^¬ nungskraftmaschine 3 über einen Einlass 5 in das Gehäuse 4 der Komponente 1 ein. Die Komponente 1 weist das Gehäuse 4 mit einen Einlass 5 und einem Auslass 6 für das Abgas 7 auf. In dem Gehäuse 4 sind ein, von dem Abgas 7 ausgehend von dem Einlass 5 entlang einer axialen Richtung 8 und entlang eines ersten Strömungspfades 9 durchströmbarer, ringförmiger Wärmetauscher 10 und stromabwärts des Wärmetauschers 10 ein in einer radialen Richtung 11 innerhalb des Wärmetauschers 10 angeordneter, von dem Abgas 7 zumindest entlang einer radialen Richtung 11 durchströmbarer, ringförmiger Katalysatorkörper 12 angeordnet. Das Abgas 7 durchströmt stromabwärts des Katalysatorkörpers 12 den Wär ^¬ metauscher 10 entlang der radialen Richtung 11 und entlang eines zweiten Strömungspfades 13.

Die Temperatur des Abgases 7 bei Eintritt in den Katalysa ^¬ torkörper 12 kann durch den Wärmetauscher 10 gesteigert werden, so dass ein Betrieb des Abgassystems 2 bei geringeren Abgas- temperaturen möglich ist, sobald eine light-off Temperatur

(Temperatur, bei der eine katalytische und exotherme Reaktion mit Bestandteilen des Abgases 7 eintritt) einmal erreicht ist. Damit können Maßnahmen zur Steigerung der Temperatur des Abgases 7, z. B. motorische Maßnahmen, elektrisches Heizen, eingespart werden .

Ein ringförmiger Abströmkanal 14 umgibt den Wärmetauscher 10 in der radialen Richtung 11 außen, so dass das Abgas 7 stromabwärts von dem zweiten Strömungspfad 13 in den Abströmkanal 14 eintritt und über einen Auslass 6 das Gehäuse 4 verlässt.

Das Gehäuse 4 erstreckt sich entlang der axialen Richtung 8 zwischen dem, an einer ersten Stirnseite 15 des Gehäuses 4 angeordnetem Einlass 5 und dem, an einer zweiten Stirnseite 16 des Gehäuses 4 angeordnetem Auslass 6.

Stromabwärts des ersten Strömungspfades 9 ist eine Umlenkzone 17 zur Umlenkung des Abgases 7 in eine entgegengesetzte axiale Richtung 8 angeordnet; wobei in der radialen Richtung 11 innerhalb des Katalysatorkörpers 12 ein sich in der axialen Richtung 8 erstreckender zentraler Kanal 18 angeordnet ist, in den das Abgas 7 ausgehend von der Umlenkzone 17 eintritt und von dem aus das Abgas 7 in den Katalysatorkörper 12 eintritt. Der Katalysatorkörper 12 weist eine Vielzahl von Strömungskanälen 20 zur Durchleitung des Abgases 7 auf, wobei sich die Strömungskanäle 20 entlang der radialen Richtung 11 erstrecken. Oberflächen 21 des Wärmetauschers 10, die entlang des ersten Strömungspfades 9 das Abgas 7 kontaktieren, weisen eine strukturierte und damit gegenüber einer ebenen Oberfläche vergrößerte Oberfläche auf. Hier weist der Katalysatorkörper 12 eine katalytisch wirksame Beschichtung 23 zur Umwandlung der im Abgas 7 enthaltenen Schadstoffe auf.

In den Fig. 1 und 2 stellen die Pfeile die Durchströmungsrichtung des Abgases 7 dar. Das Abgas wird dabei in den folgenden Schritten behandelt. In einem Schritt a. tritt das Abgas 7 in den Einlass 5 des Gehäuses 4 der Komponente 1 des Abgassystems 2 ein. In Schritt b. wird das Abgas 7 entlang der axialen Richtung 8 und entlang des ersten Strömungspfades 9 durch den ringförmigen Wärmetauscher 10 geführt. In Schritt c. wird das Abgas 7 in den zentralen Kanal 18 umgelenkt, der in der radialen Richtung 11 innerhalb des Wärmetauschers 10 angeordnet ist und sich entlang der axialen Richtung 8 erstreckt. In Schritt d. wird das Abgas 7 aus dem zentralen Kanal 18 in die radiale Richtung 11 umgelenkt. In Schritt e. tritt das Abgas 7 in den, zumindest entlang der radialen Richtung 11 durchströmbaren, ringförmigen Katalysatorkörper 12, so dass das Abgas 7 stromabwärts des Katalysa ^¬ torkörpers 12 den Wärmetauscher 10 entlang der radialen Richtung 11 und entlang des zweiten Strömungspfades 13 durchströmt.

Ein ringförmiger Abströmkanal 14 umgibt den Wärmetauscher 10 in der radialen Richtung 11 außen, wobei das Abgas 7 in einem Schritt f. stromabwärts des zweiten Strömungspfades 13 in den

Abströmkanal 14 und entlang der axialen Richtung 8 hin zu dem Auslass 6 des Gehäuses 4 der Komponente 1 geleitet wird. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Komponente 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. Im Unterschied zu Fig. 1 weist die Komponente 1 in der Umlenkzone 17 eine Zugabevorrichtung 19 für ein Reaktionsmedium auf. Weiter erstrecken sich die Strömungskanäle 20 des Katalysatorkörpers 12 entlang der ra ^¬ dialen Richtung 11 und der axialen Richtung 8. Die Strömungskanäle erstrecken sich gegenüber der axialen Richtung 8 geneigt um einen Winkel 24. Auf die Ausführungen zu Fig. 1 wird Bezug genommen.