Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasteilanlage für einen Verbrennungsmo- tor, aufweisend ein Katalysatorgehäuse mit einem Einlassabschnitt und mit ei- ner Einlassöffnung zum Einführen eines Abgasstroms bzw. Hauptabgasstroms in das Katalysatorgehäuse und aufweisend eine abgasstromfreie Zuführleitung für Sekundärgas, wobei die Zuführleitung endseitig ein Zuströmelement auf- weist, mittels dessen das Sekundärgas dem Abgasstrom zugeführt wird, wobei das Zuströmelement vorzugsweise unmittelbar stromauf des Katalysators bzw. stromauf des Katalysatorgehäuses platziert ist, wobei in der Zuführleitung stromauf des Zuströmelements ein Heizelement zum Erhitzen des sekundären Gases vorgesehen ist. Die Abgasteilanlage ist ein Teil einer Abgasanlage, die vom Krümmer bis zum Abgasend rohr reicht. Der Verbrennungsmotor kann Teil eines stationären Motors, eines Kraftfahrzeugs oder eines Schiffs sein.

Es ist bereits eine Abgasreinigungsanlage aus der EP 1 333 169 B1 bekannt. Diese beschreibt eine Zuführeinrichtung für Umgebungsluft, die über eine Lei- tung und ein im Gehäuse befindliches Ringrohr stromauf eines Partikelfilters zu- führbar ist.

Aus der US 8,991,157 B2 ist ein Brenner mit Fremd luftzufuhr bekannt zur Erhit- zung eines Abgasstroms zwecks Regenerierung eines stromab platzierten Par- tikelfilters.

Aus der US 10,174,567 B2 ist ein Plasma-Brenner mit Fremdluftzufuhr bekannt zur Erhitzung eines Abgasstroms zwecks Versorgung eines stromab platzierten S C R-Katalysato rs.

Aus der EP 1 333 169 B1 ist eine Abgasanlage für einen Dieselmotor bekannt mit einem Partikelfilter und einem stromauf angeordneten Oxidationskatalysator sowie einer steuerbaren Sekundärluftversorgungseinrichtung. Die Sekundärluft- versorgungseinrichtung weist ein perforiertes Ringrohr auf, welches in einem Einlassabschnitt des Gehäuses platziert ist. Aus der DE 39 19 343 A1 ist bekannt eine Abgasteilanlage für einen Verbren- nungsmotor, aufweisend ein Katalysatorgehäuse mit einem integralen Einlass- abschnitt und mit einer Einlassöffnung zum Einführen eines Abgasstroms. Die Einlassöffnung ist Teil einer Zuführleitung für Sekundärgas, wobei die Zuführlei- tung ein Heizelement zum Erhitzen des Sekundärgases aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasteilanlage für einen Ver- brennungsmotor derart auszubilden und anzuordnen, dass ein verbesserter Kaltstart und eine optimale Temperaturregelung des Katalysators ermöglicht wird. Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass dem Zuströmelement zumindest eine Zuströmöffnung am bzw. im Einlassabschnitt zugeordnet ist, über die das erhitzte Sekundärgas dem Abgasstrom zuführbar ist, wobei das Zuströmelement zusammen mit dem als Außengehäuse ausgebildeten Einlass- abschnitt einen Sammelraum begrenzt, von dem aus das Sekundärgas über die Zuströmöffnung in den abgasführenden Teil des Einlassabschnitts führbar ist, wobei jede Zuströmöffnung einen Öffnungsquerschnitt und eine Öffnungsachse aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass extern erhitztes Gas, insbesondere Um- gebungsluft zum Vorwärmen eines Katalysators bei Kaltstart eines Verbren- nungsmotors dem Katalysator zugeführt werden kann. Ferner kann nach dem Kaltstart im normalen Betrieb des Verbrennungsmotors die Temperatur des Ka- talysators geregelt werden. Das Heizelement ist separat vom Verbrennungsmo- tor. Es ist kein Teil des Verbrennungsmotors. Vielmehr kann es unabhängig vom Verbrennungsmotor betrieben werden. Das Heizelement kann aktiv gere- gelt werden und ist insofern ein- und ausschaltbar. Es kann auch derart gere- gelt werden, dass die Temperatur des Sekundärgases auf zumindest eine oder mehrere vorgegebene Temperaturen einstellbar ist. Das Heizelement kann in- sofern als extern angesehen werden, denn es ist kein Teil der Abgasanlage, da es von dem Sekundärgas und nicht von dem Abgas durchströmt wird. Über die Zuführleitung wird das erhitzte Sekundärgas von dem externen Heizelement durch die Umgebung zu dem Katalysatorgehäuse geführt. Das Heizelement ist dabei ein Teil einer Kalt-Start-Einheit, die Heißgas mit einer vorzugebenden Temperatur unabhängig von einer Abgastemperatur des Verbrennungsmotors dem Abgasstrom zuführt. Der Katalysator im Katalysatorgehäuse ist unmittelbar stromab dem Einlassabschnitt positioniert, um Wärmeverluste zu vermeiden. Das Heizelement kann als Brenner ausgebildet sein zum Erzeugen von Heiß- gas oder als elektrisches Heizelement zur Erzeugung von Heißluft. Das Heiß- gas ist zu unterscheiden von dem heißen bzw. zu erhitzenden Abgasstrom des Verbrennungsmotors. Die Zuführleitung und das Heizelement sind außerhalb der abgasführenden Elemente der Abgasteilanlage angeordnet und leiten das Abgas von dem Heizelement zu dem entsprechenden abgasführenden Element der Abgasteilanlage bzw. zu der entsprechenden Position des Zuströmele- ments. Bei dem Zuströmelement kann es sich auch um eine oder mehrere Zu- führdüsen handeln.

Das Zuströmelement kann auf den Einlassabschnitt aufgesetzt werden. Der so gebildete Sammelraum ist von außen sehr gut zugänglich. Zudem werden die im Inneren des Einlassabschnitts vorhandenen Strömungswege für das Motor- abgas nicht durch das Zuströmelement beansprucht bzw. verkleinert. Die jewei- lige Öffnungsachse ist vorzugsweise normal zur Oberfläche des Einlassab- schnitts bzw. normal zur Oberfläche der Vertiefungen ausgerichtet. Eine ange- stellte Ausrichtung der jeweiligen Öffnungsachse ist auch möglich. Der Sam- melraum stellt insoweit für das Sekundärgas einen Anström- und einen Ab- strömraum dar. Wenn der Einlassabschnitt einwand ig ist, weist das Außenge- häuse auch die Außenseite auf. Sollte der Einlassabschnitt luftspaltisoliert aus- gebildet, mithin doppelwandig sein oder in ein sonstiges Gehäuse integriert sein, ist die Außenseite ebenfalls die dem Abgas abgewandte Seite des Einlas- sabschnitts. Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Abgasanlage aufweisend eine Ab- gasteilanlage wie vorstehend definiert. Die Abgasanlage umfasst zusätzlich zumindest ein im Katalysatorgehäuse angeordneten Katalysator sowie endsei- tig entsprechende Abgasrohre zum Anschließen der so ausgebildeten Abgas- anlage an weitere Komponenten einer Abgasanlage. Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer vorste- hend genannten Abgasanlage, bei dem das Sekundärgas mittels des Heizele- ments erhitzt wird, so dass die Temperatur eines Katalysators reguliert wird. Der Katalysator wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der er effizient arbeitet. Bei einem Kaltstart kann mittels des Heizelements der Katalysator auf eine Be- triebstemperatur erhitzt werden. Nach dem Kaltstart im normalen Betrieb kann die Temperatur des Katalysators zu zumindest einem weiteren beliebigen Zeit- punkt auf eine gewünschte Temperatur reguliert werden.

Vorteilhaft kann es hierzu sein, wenn das Zuströmelement am Einlassabschnitt platziert ist und/oder wenn die Zuströmöffnung im Einlassabschnitt vorgesehen ist. Somit ist eine katalysatornahe Zuströmung des erhitzten Sekundärgases gewährleistet.

Es können auch mehrere Zuströmelemente an verschiedenen Positionen stromauf des jeweiligen Katalysatorgehäuses vorgesehen sein. Die mehreren Zuströmelemente können axial oder über den Umfang verteilt an den jeweiligen abgasführenden Elementen der Abgasteilanlage angeordnet sein. Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn alle Zuströmöffnungen den gleichen Öff- nungsquerschnitt aufweisen oder wenn zumindest ein erster Teil von 30 % bis 70 % der Zuströmöffnungen einen größeren Öffnungsquerschnitt aufweist als ein zweiter Teil von 70 % bis 30 % der Zuströmöffnungen. Die Zuströmöffnung kann jeweils ein Loch oder eine Ausnehmung sein, wobei das Loch insbeson- dere einen runden oder ovalen Öffnungsquerschnitt aufweisen kann. Die Zu- strömöffnungen können schaufei- bzw. leitelementfrei sein. Mit einer Variation des Öffnungsquerschnitts können die beim Einmischen entstehenden Strö- mungswege der Heißluft bzw. deren Verteilung im Abgas optimiert werden. Die mehreren Zuströmöffnungen bilden eine Perforation mit einem Perforations- muster wie beispielhaft nachstehend weiter definiert.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Einlassabschnitt mehrere Vertiefungen aufweist, wobei in jeder Vertiefung mindestens eine Zuströmöffnung vorgese- hen ist. Die Zuströmöffnung bzw. die Zuströmöffnungen verlaufen dabei vor- zugsweise in Umfangsrichtung U, mithin zirkumferenziell. Mit der Ausbildung von Vertiefungen kann der zur Verfügung stehende Sammelraum vergrößert werden. Verstopfungen der Löcher durch Ablagerungen von Ruß bzw. Parti- keln in den Löchern können die Funktionalität der Löcher und somit der Ab- gasteilanlage beeinträchtigen. Durch die Vertiefungen wird eine Verstopfung der Löcher vermieden. Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, wenn Öffnungsachsen benachbarter Zuströmöffnungen und/oder Öffnungsachsen in- nerhalb einer Vertiefung in einem Winkel a zueinander angestellt sind. Mit An- wendung eines Anstellwinkels können die beim Einmischen entstehenden Strömungswege der Heißluft bzw. deren Verteilung im Abgas optimiert werden. Die dabei entstehende Winkelebene kann radial zur Abgas- Hauptströmungsmittelachse ausgerichtet sein. Der Winkel α, mit α > 0 kann ab- hängig sein von der Querschnittsform der Vertiefung. Die Zuströmöffnungen sind in diesem Sinne leitelementfrei.

Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Winkel a folgende Bedingung erfüllt: 20° <= α <= 170° oder 70° α <= <= 90°. Mit einem solchen Winkelbereich kann je nach den vorhandenen Strömungsver- hältnissen oder den im Fokus stehenden Lastzuständen im Abgasstrom eine optimale Einströmung der Heißluft gewährleistet werden. Insofern wird das Se- kundärgas besonders gut mit dem Abgasstrom durchmischt.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn Öffnungsachsen benachbarter Zuströmöffnun- gen und/oder Öffnungsachsen innerhalb einer Vertiefung gegenüber einer Ab- gas-Hauptströmungsmittelachse in unterschiedlichen Winkeln g1, g2 angestellt sind, mit 70° <= y 1 <= 90° und 20° <= y 2 <= 40°. Mit einem solchen Winkelbe- reich kann je nach den vorhandenen Strömungsverhältnissen oder den im Fo- kus stehenden Lastzuständen im Abgasstrom eine optimale Einströmung der Heißluft gewährleistet werden. Damit ist eine Durchmischung des Sekundärga- ses mit dem Abgasstrom optimiert. Die Abgas-Hauptströmungsmittelachse ent- spricht dabei einer Mittelachse des Katalysatorgehäuseelements bzw. einer Mit- telachse des Einlasselements. Die Ausrichtung des einzumischenden Heiß- gasstroms kann dabei auch einen Richtungsanteil aufweisen, der entgegen dem Abgasstrom gerichtet sein kann. Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn mindestens zwei Reihen von Zuströmöff- nungen und/oder zwei Reihen von Vertiefungen mit jeweils mindestens einer Zuströmöffnung pro Vertiefung vorgesehen sind, wobei die Reihen mit Bezug zu der Abgas-Hauptströmungsachse in Umfangsrichtung U verlaufen und ne- beneinander angeordnet sind. Somit ist über die erste Reihe und die mindes- tens zweite Reihe eine zumindest zweistufige Einbringung von Heißgas mög- lich. Dass zumindest ein erster Teil von 30 % bis 70 % der Zuströmöffnungen einen größeren Öffnungsquerschnitt aufweist als der andere Teil der Zu- strömöffnungen gilt auch in Bezug auf die Reihen. Zuströmöffnungen einer Rei- he oder Zuströmöffnungen verschiedener Reihen bzw. benachbarter Reihen können mithin einen unterschiedlichen Öffnungsquerschnitt aufweisen. Auch mittels dieser Maßnahme wird eine Durchmischung des Sekundärgases und des Abgasstroms verbessert.

Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn innerhalb mindestens einer Reihe der Winkel a zwischen zwei Zuströmöffnungen bzw. der Winkel g1 bzw. der Win- kel g2 variiert. Der Winkel a zwischen zwei Zuströmöffnungen und/oder der Winkel g1, g2 innerhalb einer Reihe kann auch gleich sein.

Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn zwischen nebeneinander angeordneten Reihen der Winkel a und/oder der Winkel y1 , g2 variiert. Der Winkel a zwischen zwei Zuströmöffnungen und/oder der Winkel y1, y2 nebeneinander angeordne- ter Reihen kann auch gleich sein.

Dabei kann es von Vorteil sein, wenn das Zuströmelement den Einlassabschnitt mit Bezug zur Umfangsrichtung U der Abgas-Hauptströmungsmittelachse in ei- nem Winkel ß umschließt, mit 50° <= ß <= 360°. Der Umschließungswinkel ß sollte ein Mindestmaß nicht unterschreiten, um eine gleichmäßige Zuströmung von Heißgas zu ermöglichen. Der Winkel ß begrenzt demnach auch die zirkum- ferenzielle Erstreckung der jeweiligen Reihe von Öffnungen oder Vertiefungen bzw. der Vertiefung.

Es kann zudem von Vorteil sein, wenn das Heizelement elektrisch oder mittels einer Brennkammer des Heizelements das Sekundärgas erhitzt. Beim elektri- sehen Erhitzen wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Auf diese Weise wird das Sekundärgas erhitzt. Innerhalb der Brennkammer wird ein Brennstoff verbrannt. Auf diese Weise entsteht Wärme, mit der das Sekundär- gas erhitzt wird. Beide Methoden sind effizient und erlauben es, das Heizele- ment aktiv, separat und extern zu betreiben.

Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn eine Steuereinheit zum aktiven Re- geln des Heizelements vorgesehen ist, um die Temperatur und/oder den Mas- senstrom des erhitzten Sekundärgas einzustellen. Dadurch ist das Heizelement aktiv regelbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung der Abgasteilanlage;

Figur 2a eine Prinzipdarstellung des Einlassabschnitts mit Zuströmöffnun- gen;

Figur 2b ein weiteres Ausführungsbeispiel zu Fig. 2a;

Figur 3 eine Prinzipskizze des Einlassabschnitts in der Ansicht von vorne;

Figur 4 eine Prinzipskizze einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs.

Eine in Fig. 1 dargestellte Abgasteilanlage 1 ist Teil einer umfassenden Abgas- anlage 4 gemäß Fig. 4 zur vollständigen Reinigung und Nachbehandlung eines Abgasstroms 4.3 bzw. Hauptabgasstroms eines Verbrennungsmotors 4.6. Die Abgasanlage 4 weist stromab der nachstehend weiter beschriebenen Ab- gasteilanlage 1 ein Katalysatorgehäuse 2 mit einem weiter nicht dargestellten Abgaskatalysator sowie einen Partikelfilter 4.1 und weiter stromab einen Ab- gasschalldämpfer 4.2 auf. Die Abgasteilanlage 1 schließt an einen Krümmer 4.5 des Verbrennungsmotors 4.6 an. Die jeweiligen Komponenten sind über Abgas- rohre 4.4 miteinander strömungstechnisch gekoppelt. Die Abgasteilanlage 1 weist einen abgasführenden Einlassabschnitt 3 auf, der zwecks Zuführung von Abgas stromauf an das Katalysatorgehäuse 2 gekoppelt ist. Gegenüberliegend zum Katalysatorgehäuse 2 wird der Einlassabschnitt 3 über ein nicht weiter dargestelltes Abgasrohr mit dem Abgasstrom 4.3 des Ver- brennungsmotors 4.6 beschickt. Das stromauf des Einlassabschnitts 3 eintre- tende Abgas wird über den Einlassabschnitt 3 zum Katalysatorgehäuse 2 ge- führt. Der Einlassabschnitt 3 weist dabei eine kegelförmige Grundform, sodass sein Strömungsquerschnitt ausgehend von einer Einlassöffnung 3.2 bis hin zum Katalysatorgehäuse 2 zunimmt. Der Einlassabschnitt 3 ist gekoppelt mit einem Zuströmelement 5.1 , welches nach Fig. 1 als halbschaliger Kanal ausgebildet ist, der auf einer Außenseite 3.4 des Einlassabschnitts 3 in Umfangsrichtung U, wie in Fig. 3 dargestellt aufge- setzt ist. Das Zuströmelement 5.1 bildet zusammen mit dem Einlassabschnitt 3 bzw. mit der Außenseite 3.4 dessen Gehäusewand 3.3 einen Sammelraum 5.4, der über eine Zuführleitung 5 und ein daran stromauf angeschlossenes Heiz- element mit erhitztem Sekundärgas 5.3 versorgt wird. Über den Sammelraum 5.4 und entsprechende Zuströmöffnungen 5.2 innerhalb des Einlassabschnitts 3 bzw. innerhalb einer Gehäusewand 3.3 des Einlassabschnitts 3 strömt das er- hitzte Sekundärgas 5.3 in den Einlassabschnitt 3 und wird dort mit dem Ab- gasstrom 4.3 vermischt bzw. in den Abgasstrom 4.3 eingemischt. Die Gehäu- sewand 3.3 weist mehrere Zuströmöffnungen 5.2 auf. Die Zuströmöffnungen 5.2 sind gemäß Fig. 2a jeweils als Loch und über den Umfang des Einlassab- schnitts 3 bzw. in Umfangsrichtung U verteilt angeordnet. Der Öffnungsquer- schnitt Q ist rund. Alternativ kann er oval sein. Da keinerlei Strömungsleitele- mente an den Zuströmöffnungen 5.2 vorgesehen sind, ist der Öffnungsquer- schnitt Q leitelementfrei. Nach Fig. 2a sind zwei Reihen 5a, 5b von Zuströmöff- nungen 5.2 vorgesehen. Nach Ausführungsbeispiel Fig. 2b sind zwei Rei- hen 3a, 3b von Vertiefungen 3.1 vorgesehen, wobei jeweils zwei Zuströmöff- nungen 5.2 innerhalb einer Vertiefung 3.1 der Gehäusewand 3.3 angeordnet sind. In der Schnittdarstellung nach Ausführungsbeispiel Fig. 1 ist die jeweilige Ver- tiefung 3.1 mit den beiden darin jeweils enthaltenen Zuströmöffnungen 5.2 dar- gestellt.

Die jeweilige Zuströmöffnung 5.2 weist eine Öffnungsachse 5.5 auf, die normal zur umgebenden Gehäusewand 3.3 ausgerichtet ist. Nach Ausführungsbeispiel Fig. 1 sind in der jeweiligen Vertiefung 3.1 zwei Zuströmöffnungen 5.2 vorgese- hen, die bzw. deren Öffnungsachse 5.5 in einem Winkel a zueinander angestellt sind. Dabei ist gemäß Ausführungsbeispiel Fig. 1 , untere Hälfte eine erste Strömungsachse radial ausgerichtet und schließt mit einer Abgas- Hauptströmungsmittelachse 2.1 einen Winkel g1 von etwa 90° ein. Die andere Öffnungsachse schließt mit der Abgas-Hauptströmungsmittelachse 2.1 einen Winkel g2 von etwa 30° ein. Somit wird ein Teil des Heißgases in radialer Rich- tung zugeführt und ein weiterer Teil des Abgases mit einer entsprechend axia- len Richtungskomponente. Der Winkel g1 kann auch kleiner als 90 ⁰ sein. Damit einher ginge eine Richtungskomponente, die entgegengesetzt zu der Abgas- Hauptrichtung gerichtet ist.

Der Sammelraum 5.4 wird versorgt über eine Zuführleitung von einem aktiven, separaten und externen Heizelement 6 mit einer Brennkammer 6.1 , in welches Sekundärgas 5.3 zwecks Erhitzung einströmt und im erhitzten Zustand an den Sammelraum 5.4, mithin an und in den Einlassabschnitt 3 abgegeben wird. Al- ternativ kann das Sekundärgas 5.3 elektrisch aufgeheizt werden. Zudem ist ei- ne Steuereinheit 7 vorgesehen, die das aktive Heizelement 6 regelt und die Temperatur und den Massenstrom des Sekundärgases 5.3 einstellt.

Nach Ausführungsbeispiel Fig. 3 ist der Einlassabschnitt 3 von vorne zu sehen. Das Zuströmelement 5.1 erstreckt sich dabei über einen Winkel ß von etwa 200°. Das Zuströmelement 5.1 wird ebenfalls über eine Zuführleitung 5 mittels im Heizelement 6 erhitzten Sekundärgases 5.3, hier Umgebungsluft versorgt.

Gemäß Fig. 4 weist die Abgasanlage 4 eines Kraftfahrzeugs einen Verbren- nungsmotor 4.6 mit einem Krümmer 4.5 auf. Der Abgasstrom 4.3 wird durch das Abgasrohr 4.4 geleitet und dem Einlassabschnitt 3 zugeführt. An dem Ein- lassabschnitt 3 ist das Zuströmelement 5.1 vorgesehen, durch das das Sekun- därgas 5.3 erhitzt von dem Heizelement 6 in dem Abgasstrom 3 geleitet und mit dem Abgasstrom 3 vermischt wird. Insbesondere das Heizelement 6 ist nicht Teil der Abgasanlage 4 und insofern als extern anzusehen. Weiter stromab ist ein Katalysatorgehäuse 2 mit einem Katalysator 2.2 vorgesehen, an das ein Partikelfilter 4.1 anschließt. Am Ende des Abgasrohres 4.4 ist ein Abgasschall- dämpfer 4.2 vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1 Abgasteilanlage

2 Katalysatorgehäuse

2.1 Abgas-Hauptströmungsmittelachse

2.2 Katalysator

3 Einlassabschnitt

3.1 Vertiefung

3.2 Einlassöffnung

3.3 Gehäusewand

3.4 Außenseite

3a Reihe

3b Reihe

4 Abgasanlage

4.1 Partikelfilter

4.2 Abgasschalldämpfer

4.3 Abgasstrom

4.4 Abgasrohr

4.5 Krümmer

4.6 Verbrennungsmotor

5 Zuführleitung

5.1 Zuströmelement

5.2 Zuströmöffnung

5.3 Sekundärgas

5.4 Sammelraum

5.5 Öffnungsachse

5a Reihe

5b Reihe

6 Heizelement

7 Steuereinheit

6.1 Brennkammer

U Umfangsrichtung U zu 2.1 Q Öffnungsquerschnitt α Winkel ß Winkel y1 Winkel y2 Winkel