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Patent Searching and Data


Title:
EXHAUST TRACT FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/086161
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an exhaust tract (12) for an internal combustion engine (2), having at least one first exhaust gas purification element (16) and a second exhaust gas purification element (20) arranged downstream of the first exhaust gas purification element (16). During the operation of the internal combustion engine (2), the exhaust gases (26) of the internal combustion engine flow through the two exhaust gas purification elements (16, 20). The exhaust tract (12) additionally has a bypass line (28a; 28b) which allows at least some of the exhaust gases (26) to pass by the first exhaust gas purification element (16).

Inventors:
PITTNER, Otto Adrian (Haydnstr. 22, Remseck, 71686, DE)
BECKER, Carsten (Erwin-Bahnmueller-Str. 11, Kernen I.R., 71394, DE)
Application Number:
EP2018/074540
Publication Date:
May 09, 2019
Filing Date:
September 12, 2018
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
F01N3/20; F01N3/021; F01N3/035; F01N3/10; F01N5/00; F01N9/00; F01N13/00; F02B37/00
Domestic Patent References:
WO2015130211A12015-09-03
Foreign References:
EP2075050A22009-07-01
EP2808512A12014-12-03
DE202013100648U12013-03-05
US20080120966A12008-05-29
EP1554474B12006-08-23
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Claims:
Patentansprüche

1. Abgasstrang (12) für einen Verbrennungsmotor (2), wobei in dem Abgasstrang (12) wenigstens ein erstes Abgasreinigungselement (16) und stromabwärts des ersten Abgasreinigungselements (16) ein zweites

Abgasreinigungselement (20) angeordnet sind, und wobei die beiden Abgasreinigungselemente (16, 20) beim Betrieb des Verbrennungsmotors (2) von dessen Abgasen (26) durchströmt werden; wobei der Abgasstrang (12) eine Umgehungsleitung (28a; 28b) aufweist, die es ermöglicht, wenigstens einen Teil der Abgase (26) an dem ersten Abgasreinigungselement (16) vorbeizuführen.

2. Abgasstrang (12) nach Anspruch 1, wobei in der Umgehungsleitung (28a;

28b) ein schaltbares Ventil (30) angeordnet ist, dass es ermöglicht, die Umgehungsleitung (28a; 28b) wahlweise zu öffnen und zu schließen.

3. Abgasstrang (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich wenigstens ein Abschnitt (29) der Umgehungsleitung (28b) durch wenigstens einen Teilbereich des ersten Abgasreinigungselements (16) erstreckt, wobei der Teilbereich des ersten Abgasreinigungselements (16), durch den sich wenigstens ein Abschnitt (29) der Umgehungsleitung (28b) erstreckt, insbesondere als luftdurchlässige Matte ausgebildet ist.

4. Abgasstrang (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in dem Abgasstrang (12) eine Turbine (9) angeordnet ist und wobei die Umgehungsleitung (28a; 28b) so ausgebildet ist, dass sie es ermöglicht, wenigstens einen Teil der Abgase (26) an der Turbine (9) vorbeizuführen.

5. Abgasstrang (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Abgasreinigungselement (16) ein Katalysator, insbesondere ein DOC- Katalysator ist, und/oder wobei das zweite Abgasreinigungselement (20) ein S CR- Katalysator ist, wobei der SCR-Katalysator insbesondere als

Durchflusssubstrat ausgebildet ist.

6. Abgasstrang (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten Abgasreinigungselement (16) und dem zweiten Abgas- reinigungselement (20) eine Einspritzvorrichtung (24) zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels (26) in den Abgasstrang (12) ausgebildet ist.

7. Abgasstrang (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei stromabwärts des zweiten Abgasreinigungselements (20) ein drittes Abgasreinigungselement (22), insbesondere ein beschichteter Partikelfilter, angeordnet ist, wobei der beschichtete Partikelfilter insbesondere als Wandflusssubstrat ausgebildet ist.

8. Abgasstrang (12) nach Anspruch 7, wobei stromabwärts des dritten Abgasreinigungselements (22) ein viertes Abgasreinigungselement (36) angeordnet ist, wobei das vierte Abgasreinigungselement (36) insbesondere einen S CR- Katalysator (30) und/oder einen NH3-Schlupfkatalysator (32) umfasst.

9. Abgasstrang (12) nach Anspruch 8, wobei zwischen dem dritten Abgasreinigungselement (22) und dem vierten Abgasreinigungselement (36) eine Einspritzvorrichtung (34) zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels (26) in den Abgasstrang (12) ausgebildet ist.

10. Verfahren des Betreibens eines Verbrennungsmotors (2), der mit einem

Abgasstrang (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche gekoppelt ist, wobei das Verfahren umfasst: in einem ersten Betriebsmodus einen Teil der von dem Verbrennungsmotor (2) erzeugten Abgase (26) an dem ersten Abgasreinigungselement (16) vorbei zu führen; und in einem zweiten Betriebsmodus sämtliche von dem Verbrennungsmotor (2) erzeugten Abgase (26) durch das erste Abgasreinigungselement (16) führen, wobei das Verfahren insbesondere umfasst, den Verbrennungsmotor (2) nach dem Start im ersten Betriebsmodus zu betreiben und nach einer vorgegebenen Zeitspanne und/oder dem Erreichen einer vorgegebenen Abgastemperatur in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten.

Description:
Beschreibung Titel

Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor und Verfahren des Betreibens eines Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren des Betreibens eines Verbrennungsmotors, der mit einem erfindungsgemäßen Abgasstrang gekoppelt ist.

Stand der Technik

Die Nachbereitung der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere von dieselbetriebenen Verbrennungsmotoren, erfordert eine Abgasreinigungsanlage mit katalytischen Komponenten, welche die Konvertierung der gasförmigen Schadstoffe, die in den Abgasen enthalten sind, in gesundheitlich unbedenkliche Komponenten ermöglichen. Eine typische Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor umfasst einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC), einen SCR-Katalysator und einen Dieselpartikelfilter (DPF), insbesondere einen beschichteten Dieselpartikelfilter (SDPF).

EP 1 554 474 Bl offenbart eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung der Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung und/oder mit Kraftstoffdirekteinspritzung, mit wenigstens einem in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Oxidationskatalysator und mit wenigstens einer hinter dem Oxidationskatalysator angeordneten Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion der Abgase. Zur Zuführung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom der Brennkraftmaschine ist eine Zuführeinrichtung vorgesehen, die in den wenigstens einen Oxidationskatalysator integriert ist.

Die katalytische Reduktion von Stickoxiden im SCR-Katalysator erfordert eine gewisse Mindesttemperatur, die insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors nicht sofort erreicht wird, so dass die Abgase unmittelbar nach einem Kaltstart nicht optimal gereinigt werden. . .

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, das Kaltstartverhalten der Abgasreinigung zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Verbrennungsmotor mit Selbstzündung (Dieselmotor) und/oder mit Kraftstoffdirekteinspritzung, wenigstens ein erstes Abgasreinigungselement und ein stromabwärts des ersten Abgasreinigungselements angeordnetes zweites Abgasreinigungselement. Die beiden Abgasreinigungselemente werden im Betrieb des Verbrennungsmotors von dessen Abgasen durchströmt. Der Abgasstrang weist darüber hinaus eine Umgehungsleitung auf, die es ermöglicht, wenigstens einen Teil der Abgase an dem ersten Abgasreinigungselement vorbeizuführen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen auch ein Verfahren des Betreibens eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren umfasst, in einem ersten Betriebsmodus einen Teil der von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgase an dem ersten Abgasreinigungselement vorbei zu führen und in einem zweiten Betriebsmodus sämtliche von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgase durch das erste Abgasreinigungselement zu führen.

Dabei umfasst das Verfahren insbesondere, den Verbrennungsmotor nach dem Start im ersten Betriebsmodus zu betreiben und nach einer vorgegebenen Zeitspanne und/oder dem Erreichen einer vorgegebenen Abgastemperatur in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten.

Dadurch, dass im ersten Betriebsmodus wenigstens ein Teil der Abgase an dem ersten Abgasreinigungselement, d.h. an dessen thermischer Masse, vorbei geführt wird, erreichen die Abgase das zweite Abgasreinigungselement mit einer höheren Temperatur, als wenn sämtliche Abgase durch das erste Abgasreinigungselement geführt werden.

Das zweite Abgasreinigungselement, das bei höheren Temperaturen einen besseren Wirkungsgrad aufweist, kann daher effizienter betrieben werden. Dies gilt insbesondere unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors, wenn die Komponenten der Abgasreinigungsanlage ihre jeweilige Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben. In einer Ausführungsform ist in der Umgehungsleitung ein schaltbares Ventil angeordnet, das es ermöglicht, einen Abgasstrom durch die Umgehungsleitung wahlweise zuzulassen oder zu blockieren. Auf diese Weise kann die Umgehungsleitung geschlossen werden, um die Abgase vollständig durch das erste Abgasreinigungselement zu führen, sobald die Komponenten der

Abgasreinigungsanlage ihre Betriebstemperatur erreicht haben.

In einer Ausführungsform erstreckt sich wenigstens ein Abschnitt der Umgehungsleitung durch wenigstens einen Teilbereich des ersten Abgasreinigungselements. Der Teilbereich des ersten Abgasreinigungselements, durch den sich die Umgehungsleitung erstreckt, kann insbesondere als luftdurchlässige Matte ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Umgehungsleitung in die Abgasreinigungsanlage geführt werden, ohne seitlich aus der Abgasreinigungsanlage hinauszuragen und den Bauraum der Abgasreinigungsanlage zu vergrößern. Darüber hinaus wird in solch einem Aufbau Wärme, die von der Umgehungsleitung abgegeben wird, von dem ersten Abgasreinigungselement aufgenommen und verbleibt so in der Abgasreinigungsanlage.

In einer alternativen Ausführungsform wird die Umgehungsleitung stromabwärts des ersten Abgasreinigungselements in die Abgasreinigungsanlage geführt. In diesem Fall kann als erstes Abgasreinigungselement ein Standardelement verwendet werden, welches insbesondere den gesamten Querschnitt der Abgasreinigungsanlage einnehmen kann.

In einer Ausführungsform ist in dem Abgasstrang zusätzlich eine Turbine eines Turboladers angeordnet und die Umgehungsleitung ist so ausgebildet, dass sie es ermöglicht, wenigstens einen Teil der Abgase an der Turbine vorbeizuführen. Auf diese Weise kann auch die thermische Masse der Turbine umgangen und die Effizienz der Abgasreinigung noch weiter gesteigert werden.

In einer Ausführungsform ist das erste Abgasreinigungselement ein Katalysator, insbesondere ein DOC- Katalysator, der ausgebildet ist, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe aus den Abgasen zu entfernen.

In einer Ausführungsform ist das zweite Abgasreinigungselement ein SCR- Katalysator. S CR- Katalysatoren weisen bei höheren Temperaturen einen besseren Wirkungsgrad auf als bei niedrigen Temperaturen. Der Wirkungsgrad eines S CR- Katalysators kann daher durch eine erfindungsgemäße Umgehungsleitung, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, deutlich gesteigert werden. Der S CR- Katalysator kann insbesondere als Durchflusssubstrat ausgebildet sein.

In einer Ausführungsform ist zwischen dem ersten Abgasreinigungselement und dem zweiten Abgasreinigungselement eine Einspritzvorrichtung vorgesehen, die zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels in den Abgasstrang ausgebildet ist. Stromabwärts der Einspritzvorrichtung kann zusätzlich wenigstens ein Mischelement vorgesehen sein, um das eingespritzte Reduktionsmittel noch besser mit den durch die Abgasreinigungsanlage strömenden Abgasen zu vermischen.

Das fluide Reduktionsmittel reagiert im folgenden S CR- Katalysator mit den in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden.

In einer Ausführungsform ist stromabwärts des zweiten Abgasreinigungselements ein drittes Abgasreinigungselement, insbesondere ein (SCR-)beschichtetes Partikelfilter, angeordnet. Auch SCR-beschichtete Partikelfilter weisen bei höheren Temperaturen einen besseren Wirkungsgrad als bei niedrigen

Temperaturen auf, so dass auch die Effizienz eines solchen Partikelfilters durch eine erfindungsgemäße Umgehungsleitung merklich gesteigert werden kann. Ein beschichtetes Partikelfilter kann insbesondere als hochporöses Wandflusssubstrat ausgebildet sein.

In einer Ausführungsform ist stromabwärts des dritten Abgasreinigungselements ein viertes Abgasreinigungselement angeordnet. Das vierte Abgasreinigungselement kann insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden bei höheren Temperaturen ausgebildet sein und einen S CR- Katalysator und/oder einen N H3- Schlupfkatalysator umfassen.

Zwischen dem dritten Abgasreinigungselement und dem vierten Abgasreinigungselement kann eine zusätzliche Einspritzvorrichtung vorgesehen sein, die zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels in den Abgasstrang ausgebildet ist. Das fluide Reduktionsmittel reagiert im folgenden SCR- Katalysator mit den in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden. Zwischen der Einspritzvorrichtung und dem S CR- Katalysator kann zusätzlich wenigstens ein Mischelement vorgesehen sein, um das eingespritzte Reduktionsmittel noch besser mit den durch den Abgasstrang strömenden Abgasen zu vermischen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasstrang, der mit einer Abgasreinigungsanlage und mit einer Umgehungsleitung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist.

Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasstrang, der mit einer Abgasreinigungsanlage und mit einer Umgehungsleitung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist.

Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors 2 mit einem Abgasstrang 12, in dem eine Abgasreinigungsanlage 14a angeordnet ist.

Durch eine Luftzufuhrleitung 4 wird dem Verbrennungsmotor 2 Frischluft 6 zugeführt. Falls ein (optionaler) Turbolader 8 vorhanden ist, wird der Druck der zugeführten Frischluft 6 durch eine in der Luftzufuhrleitung 4 angeordnete Kompressionsturbine 7 des Turboladers 8 erhöht.

Die beim Betrieb des Verbrennungsmotors 2 erzeugten Verbrennungsgase (Abgase) 26 werden in einem Abgaskrümmer 10 zusammengeführt und durch den Abgasstrang 12 der Abgasreinigungsanlage 14a zugeführt.

Die Abgasreinigungsanlage 14a umfasst in Strömungsrichtung der Abgase 26 (in der Darstellung der Fig. 1 von links nach rechts" ein erstes Abgasreinigungselement 16, insbesondere einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC), eine Mischstrecke 18, in der den Abgasen 26 durch eine Einspritzdüse 24 fluides

Reduktionsmittel 25, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, zugeführt und mit den Abgasen 26 vermischt wird, ein zweites Abgasreinigungselement 20, insbesondere einen S CR- Katalysator, sowie ein drittes Abgasreinigungselement 22, dass insbesondere als, ggf. SCR-beschichteter, Dieselpartikelfilter ausge- . .

bildet sein kann. In der Mischstrecke 18 kann zusätzlich wenigstens ein in der Figur 1 nicht gezeigtes Mischelement vorgesehen sein, das ausgebildet ist, das eingespritzte Reduktionsmittel 25 noch besser mit den durch die Abgasreinigungsanlage 14a strömenden Abgasen 26 zu vermischen.

Falls, wie in der Figur 1 gezeigt, ein Turbolader 8 vorhanden ist, befindet sich eine Antriebsturbine 9 des Turboladers 8 zwischen dem Abgaskrümmer 10 und der Abgasreinigungsanlage 14a. Die Antriebsturbine 9 wird von den durch den Abgasstrang 12 strömenden Abgasen 26 angetrieben, um die in der Luftzufuhrleitung 4 angeordnete Kompressionsturbine 7 des Turboladers 8 anzutreiben.

Eine Umgehungsleitung ("Bypass") 28a zweigt stromaufwärts der Abgasreinigungsanlage 14a und gegebenenfalls stromaufwärts der Antriebsturbine 9 des Turboladers 8 von dem Abgasstrang 12 ab. Die Umgehungsleitung 28a ermöglicht es, wenigstens einen Teil der von dem Verbrennungsmotor 2 abgegebenen Abgase 26 an dem ersten Abgasreinigungselement 16 und gegebenenfalls der Antriebsturbine 9 des Turboladers 8 vorbei direkt in die Mischstrecke 18 der Abgasreinigungsanlage 14a zu führen.

Auf diese Weise gelangen insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 2, wenn das erste Abgasreinigungselement 16 und ggf. die Antriebsturbine 9 des Turboladers 8 ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben, heiße Abgase 26, die ihre Wärmeenergie nicht an die Antriebsturbine 9 und/oder das erste Abgasreinigungselement 16 abgegeben haben, in die

Mischstrecke 18.

Dadurch kann das auf die Mischstrecke 18 folgende zweite Abgasreinigungselement 20, beispielsweise ein S CR- Katalysator, auch direkt nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 2 mit hohen Temperaturen und daher einer hohen Effizienz betrieben werden.

In der Umgehungsleitung 28a ist ein schaltbares Ventil 30 vorgesehen, das geschlossen werden kann, wenn die Abgasanlage 14a und ggf. der Turbolader 8 ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Wenn das schaltbare Ventil 30 geschlossen ist, strömen die Abgase 26 vollständig durch die Antriebsturbine 9 des Turboladers 8 und das erste Abgasreinigungselement 16. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb des Turboladers 8 sowie eine vollständige Abgasreinigung unter Einbeziehung des ersten Abgasreinigungselements 16. Das zweite Abgasreinigungselement 20 kann insbesondere als Durchfluss- Substrat ausgebildet sein. Das dritte Abgasreinigungselement 22 kann insbesondere als Wandfluss-Substrat ausgebildet sein.

In dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist stromabwärts des dritten Abgasreinigungselements ein optionales viertes Abgasreinigungselement 36 angeordnet. Das vierte Abgasreinigungselement 36 kann insbesondere einen SCR- Katalysator 30 und/oder einen Nhb-Schlupfkatalysator 32 umfassen und insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden bei hohen Betriebstemperaturen ausgebildet sein.

Zwischen dem dritten Abgasreinigungselement 22 und dem vierten Abgasreinigungselement 36 kann eine zusätzliche Einspritzvorrichtung 34 vorgesehen sein, die zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels 26 in den Abgasstrang 12 ausgebildet ist.

Nachdem passieren der Abgasreinigungsanlage 14a verlassen die Abgase 26 den Abgasstrang 12 in einem gereinigten Zustand.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage 14b. Die Komponenten der Abgasreinigungsanlage 14b, die den in der Figur 1 gezeigten Komponenten entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut im Detail beschrieben.

Im zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Abschnitt 29, insbesondere ein misch- streckenseitiges Ende 29, der Umgehungsleitung 28b parallel zur Längsrichtung des Abgasstranges 12 durch das erste Abgasreinigungselement 16 geführt.

Das erste Abgasreinigungselement 16 kann insbesondere als gasdurchlässige Matte ausgebildet sein, in dem das mischstreckenseitige Ende 29 der Umgehungsleitung 28b gelagert ist.

Auf diese Weise kann die Umgehungsleitung 28b in die Abgasreinigungsanlage 14b geführt werden, ohne das Bauteile seitlich aus der Abgasreinigungsanlage 14b hinausragen und den Bauraum der Abgasreinigungsanlage 14b vergrößern. Darüber hinaus wird in diesem Ausführungsbeispiel Wärme, die im misch- streckenseitigen Ende 29 der Umgehungsleitung 28b von den Abgasen 26 abge- geben wird, vom ersten Abgasreinigungselement 16 aufgenommen und verbleibt so in der Abgasreinigungsanlage 14b.

Die Wärmeverluste können so noch weiter minimiert werden, so dass die Betriebstemperatur der Abgasreinigungsanlage 14b nach einem Kaltstart des

Verbrennungsmotors 2 noch schneller erreicht werden kann.