Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasanlage für Verbrennungskraftmaschinen mit Wärmetauscher und Abgasbehandlungseinheit in einer Abgas- rückfuhrleirung.

Abgasanlagen von Verbrennungskraftmaschinen werden oftmals mit Wärmetau- schern ausgebildet, die insbesondere bei einer Rückführung des Abgases in den Lufteinlassbereich der Verbrennungskraftmaschine für eine Kühlung des Abgases eingesetzt werden. Eine Verschmutzung des Wärmetauschers durch im Abgas vorhandene Schadstoffe vermindert dessen Leistungsfähigkeit, so dass bei Auslegung des Wärmetauschers dieser im Grunde genommen überdimensioniert wer- den muss, um über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten, dass der Wärmetauscher zumindest die Soll-Leistungsfähigkeit aufweist.

Um die Verschmutzung des Wärmetauschers zu vermindern, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, vor dem Wärmetauscher einen Katalysator auszubilden, durch welchen zumindest langkettige Kohlenwasserstoffe entfernt werden, die zu klebrigen Ablagerungen im Wärmetauscher führen können. Solche Systeme weisen den Nachteil auf, dass entweder trotz Vorschaltung des Katalysators nur eine ungenügende Umsetzung des Abgases erfolgt und somit trotzdem eine Verschmutzung des Wärmetauschers vorliegt oder dass der Katalysator sehr groß dimensioniert werden muss, um die Verschmutzung des Wärmetauschers wirksam zu unterbinden.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein in der Abgas- rückführleitung einzusetzendes System umfassend einen Wärmetauscher und ei- nen Katalysator vorzuschlagen, bei welchem eine wirksame Verminderung der

Verschmutzung des Wärmetauschers und gleichzeitig ein möglichst kleines Bauvolumen des Wärmetauschers und des Katalysators erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des An- Spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Ansauganlage und einen Abgasausgang umfasst, wobei Abgasausgang und An- sauganlage über eine Abgasrückfuhrleitung verbunden sind, in der eine Abgasbehandlungseinheit und ein Wärmetauscher ausgebildet sind, wobei der Wärmetauscher einen ersten Staudruck und die Abgasbehandlungseinheit einen zweiten Staudruck aufweist, der kleiner als der erste Staudruck ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgasbehandlungseinheit in einem solchen ersten Abstand in Strö- mungsrichtung vor dem Wärmetauscher ausgebildet ist, dass im Betrieb eine in die Abgasbehandlungseinheit eintretende Gasströmung vergleichmäßigt wird. Das bedeutet insbesondere, dass der Staudruck in Strömungsrichtung vor der Abgasbehandlungseinheit durch den ersten Staudruck des Wärmetauschers beeinflusst wird. ^■

Unter einem Wärmetauscher ist hier insbesondere auch ein Abgaskühler zu verstehen, mit dem das rückgeführte Abgas gekühlt wird. Die Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere ein Dieselmotor, beispielsweise ein Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs (z. B. eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens, eines motorbetriebenen Zweirades, Bootes oder Luftfahrzeugs) oder ein Dieselmotor in stationärer Anwendung. Unter einer Vergleichmäßigung wird insbesondere auch eine Verbreiterung der Wahrscheinlichkeitsverteilung der anliegenden Geschwindigkeiten verstanden.

Die Bauform des Wärmetauschers bedingt den erhöhten Staudruck im Vergleich zur Abgasbehandlungseinheit. Insbesondere ist ein Wärmetauscher vorteilhaft,

welcher eine Mehrzahl von Rohren aufweist, durch die das Abgas strömt. Bevorzugt werden diese Rohre von einem Kühlmittel umströmt, welches das Gehäuse des Wärmetauschers durchströmt und welches einem nicht dargestellten Kühlkreislaufs der Verbrennungskraftmaschine entnommen ist. Als Abgasbehand- lungseinheiten eignen sich insbesondere Wabenkörper, beispielsweise keramische oder metallische Wabenkörper, oder auch Drahtgestrickkörper, Körper aus Metallschaum oder ähnliches. Metallische Wabenkörper können insbesondere aus mindestens einer zumindest teilweise strukturierten metallischen Lage und gegebenenfalls mindestens einer im wesentlichen glatten Lage, die miteinander aufge- wickelt oder gestapelt und verwunden werden, aufgebaut sein. Die miteinander verwundenen oder aufgewickelten Lagen bilden durchströmbare Hohlräume, die durch die Lagen begrenzt werden. Die Lagen sind insbesondere aus einem hoch- temperaturkorrosionsfesten Material, wie Al- oder Cr-Stahl ausgebildet. Die Lagen können miteinander verbunden sein, insbesondere stoffschlüssig, wie bei- spielsweise durch ein Hochtemperaturlötverfahren. Sowohl die im wesentlichen glatten Lagen als auch die zumindest teilweise strukturierten Lagen können zumindest in Teilbereichen Mikrostrukturen, Leitflächen, Durchbrechungen und/oder Perforationen aufweisen, die zu einer noch besseren Durchmischung der Gasströmung dienen.

Die Vergleichmäßigung der Gasströmung vor Eintreten in die Abgasbehandlungseinheit erfolgt in vorteilhafter Weise dadurch, dass die Abgasbehandlungseinheit relativ nahe vor dem Wärmetauscher ausgebildet wird. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung der Gasströmung bereits in der Abgasbehandlungseinheit, so dass hier die Umsetzungsrate verbessert wird, da der Querschnitt der Abgasbehandlungseinheit gleichmäßiger mit Abgas beaufschlagt wird. So kann das Volumen der Abgasbehandlungseinheit im Vergleich zu einem üblichen Aufbau bei gleicher Umsetzungsrate der Schadstoffe im Abgas reduziert werden. Durch die deutlich effizientere Umsetzungsrate der Schadstoffe sinkt auch die Verschmutzung des Wärmetauschers, so dass dieser im Vergleich zu konventionellen Wärmetauschern kleiner dimensioniert werden kann.

Um eine Abgasbehancüungseinheit auszubilden, die einen nur geringen Staudruck aufweist, ist es möglich, einen Wabenkörper einzusetzen, der eine relativ geringe Zellenzahl, beispielsweise weniger als 400 cpsi (cells per square inch, Zellen pro Quadratzoll), bevorzugt weniger als 300 cpsi, besonders bevorzugt 200 cpsi und weniger, insbesondere sogar von 100 cpsi aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist der erste Abstand so gewählt, dass sich der Effekt des ersten Staudrucks und des zweiten Staudrucks kumulieren.

Unter Kumulieren wird hier insbesondere verstanden, dass der vor der Abgasbehandlungseinheit anliegende Staudruck größer ist als der zweite Staudruck, den die Abgasbehandlungseinheit als solche aufweisen würde. Der Staudruck vor ei- nem Bauteil in einer Strömung bewirkt eine Art Druckpolster, welches zu einer Veränderung der Strömung fuhrt. Im Extremfall bewirkt die vorliegende Erfindung, dass sich statt zweier Bereiche mit einem Druckpolster jeweils vor dem Wärmetauscher und der Abgasbehandlungseinheit, nur ein Druckpolster vor der Abgasbehandlungseinheit bildet.

Die Kumulation der Staudrücke führt in vorteilhafter Weise dazu, dass das Abgas vor Einströmen in die Abgasbehandlungseinheit einen Staudruck überwinden muss, der größer ist als der zweite Staudruck der Abgasbehandlungseinheit. Je nach Auslegung des Wärmetauschers und der Abgasbehandlungseinheit ist der Staudruck sogar deutlich größer als der zweite Staudruck. Die Vergrößerung des Staudrucks bewirkt eine Vergleichmäßigung der Beströmung der Abgasbehandlungseinheit und damit der Gasströmung durch Abgasbehandlungseinheit und Wärmetauscher.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt ein zweiter Abstand einer gaseintrittsseitigen Stirnseite der Abgasbehandlungseinheit von einer gasein-

trittsseitigen Stirnseite des Wärmetauchers weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 45 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm.

Diese Werte haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere kommt es bei üblichen Betriebsbedingungen zu einer Kumulierung der Effekte des ersten und des zweiten Staudrucks kommen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage beträgt die Ausdehnung der Abgasbehandlungseinheit in Strömungsrich- tung weniger als 100 mm, bevorzugt weniger als 50 mm, besonders bevorzugt 25 mm oder weniger.

Aufgrund der sehr gleichmäßigen und effektiven Umsetzung der entsprechenden Stoffe im Abgas, insbesondere von Kohlenwasserstoffen, können relativ kleine Abgasbehandlungseinheiten verwendet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage umfasst die Abgasbehandlungseinheit einen Wabenkörper.

Mit einem Wabenkörper kann eine Abgasbehandlungseinheit geschaffen werden, deren Eigenschaften wie Oberfläche, Staudruck, etc. sehr genau eingestellt werden können. Als Wabenkörper eignen sich insbesondere metallische oder keramische Wabenkörper. Insbesondere können hier in vorteilhafter Weise Wabenkörper eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der DE 197 55 703 Al, der WO 90/13736 Al und der WO 99/11911 Al beschrieben sind. In Bezug auf die Befestigung des Wabenkörpers wird auf diese Anmeldungen vollinhaltlich Bezug genommen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgas- anläge beträgt der erste Abstand zwischen der Abgasbehandlungseinheit und dem

Wärmetauscher weniger als 15 mm, bevorzugt weniger als 10 mm, besonders bevorzugt weniger als 5 mm.

Insbesondere ist es auch vorteilhaft, Wärmetauscher und Abgasbehandlungsein- heit in einem gemeinsamen Gehäuse vorzusehen. Hierbei kann die Abgasbehandlungseinheit in einer entsprechenden Sicke des Gehäuses mittels einer Ausbörde- lung oder ähnlichem gehalten sein. Auch ist es möglich, die Abgasbehandlungseinheit bündig auf eine Stirnseite des Wärmetauschers aufzusetzen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage umfasst die Abgasbehandlungseinheit eine katalytisch aktive Beschich- tung, insbesondere eine Oxidationskatalysatorbeschichtung.

Die katalytisch aktive Beschichtung umfasst beispielsweise einen keramischen Washcoat, der Materialien enthält, die die gewünschten Reaktionen katalysieren, also insbesondere die Reaktionstemperatur dieser Reaktionen so weit herabsetzen, dass diese in nennenswertem Umfang bei den Temperaturen in der Abgasrück- führleirung ablaufen. Als Katalysatoren eignen sich insbesondere Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder ähnliches. Die Oxidationskatalysatorbeschichtung kataly- siert insbesondere die Oxidation von Kohlenwasserstoffen, da diese mit für das Verschmutzen des Wärmetauschers verantwortlich sind. Die Kohlenwasserstoffe bilden eine klebrige Substanz, die auf den kalten Bereichen des Wärmetauschers kondensiert und die weiterhin dazu führen kann, dass im Abgas enthaltene Russpartikel an den Wänden des Wärmetauschers ankleben. Die Oxidation von Koh- lenwasserstoffen führt also in besonders vorteilhafter Weise zu einer deutlichen Verringerung der Verschmutzung des Wärmetauschers. Insbesondere in Abgasanlagen von Dieselmotoren erfolgt aufgrund des relativ hohen Sauerstoffanteils im Abgas eine sehr weitgehende bis vollständige Oxidation der Kohlenwasserstoffe.

Um eine möglichst große Umsetzungseffektivität der Oxidation der Kohlenwasserstoffe zu erreichen, ist die Abgasbehandlungseinheit insbesondere so ausgebil-

det, dass eine möglichst lange Verweilzeit und eine möglichst große zur Reaktion zur Verfügung stehende Oberfläche gegeben ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Äbgas- anläge ist das Verhältnis von erstem Staudruck zu zweitem Staudruck größer als 2, bevorzugt größer als 10.

Insbesondere bei diesen Staudruckverhältnissen, wenn also der Staudruck des Wärmetauschers als solchem um mehr als einen Faktor 2 oder sogar 10 größer ist als der Staudruck der Abgasbehandlungseinheit als solcher, kumulieren in besonders vorteilhafter Weise die Effekte des ersten Staudrucks des Wärmetauschers und des zweiten Staudrucks der Abgasbehandlungseinheit bereits bei ersten Abständen von 15 mm oder weniger.

Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass sie auf die dort gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele und Vorteile beschränkt wäre. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage;

Fig. 2 , schematisch einen Ausschnitt des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasanlage;

Fig. 3 schematisch einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasanlage; und

Fig. 4 schematisch zwei Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Strömungsgeschwindigkeit.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführangsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 einer Verbrennungskrafαnaschine 2. Die Verbrennungskraftma- schine 2 umfasst eine Ansauganlage 3 und einen Abgasausgang 4, wobei Abgasausgang 4 und Ansauganlage 3 über eine Abgasrückfuhrleitung 5 verbunden sind, in der eine Abgasbehandlungseinheit 6 und ein Wärmetauscher 7 ausgebildet sind. Der Wärmetauscher 7 weist einen ersten Staudruck und die Abgasbehandlungseinheit 6 einen zweiten Staudruck auf, der kleiner als der erste Staudruck ist. Die übliche Strömungsrichtung des Abgases wurde durch entsprechende Pfeile symbolisiert. Die Menge an Abgas, die durch die Abgasrückfuhrleitung 5 strömt, kann geregelt werden, beispielsweise durch nicht eingezeichnete entsprechende Ventile. Die Abgasrückfuhrleitung 5 kann abgasseitig sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts eines nicht gezeigten Abgasturboladers abzweigen.

Erfindungsgemäß ist die Abgasbehandlungseinheit 6 in einem solchen ersten Ab- stand 8 in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher 7 ausgebildet ist, so dass im Betrieb eine in die Abgasbehandlungseinheit 6 eintretende Gasströmung 14 vergleichmäßigt wird. Der erste Abstand 8 liegt hier insbesondere bei weniger als 15 mmä bevorzugt bei weniger als 10 mm, besonders bevorzugt bei weniger als 5 mm. Wärmetauscher 7 und Abgasbehandlungseinheit 6 sind so ausgeführt, dass es bei diesem ersten Abstand 8 zur Kumulation der Effekte des ersten Staudrucks und des zweiten Staudrucks kommt, so dass das in die Abgasbehandlungseinheit 6 einströmende Abgas einen Staudruck überwinden muss, der größer als der zweite Staudruck der Abgasbehandlungseinheit 6 als solche ist. Dies fuhrt wie oben dargelegt zu einer Vergleichmäßigung der Gasströmung 14, die in die Abgasbehand- lungseinheit 6 einströmt.

Fig. 2 zeigt schematisch den Ausschnitt der Abgasrückfuhrleitung 5, welcher die Abgasbehandlungseinheit 6 und den Wärmetauscher 7 umfasst. Ein zweiter Abstand 9 zwischen einer gaseintrittsseitigen Stirnseite 10 des Wärmetauschers 7 und einer gaseintrittsseitigen Stirnseite 11 der Abgasbehandlungseinheit 6 ist erfindungsgemäß so gewählt, dass es zu einer Vergleichmäßigung der Strömung in

der Abgasbehandlungseinheit 6 kommt. Insbesondere beträgt der zweite Abstand 9 weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 45 mm, besonders bevorzugt weniger als 30 mm. Als Abgasbehandlungseinheit 6 können insbesondere kurze Wabenkörper zum Einsatz kommen, insbesondere einer Ausdehnung 12 in Strömungs- richtung von etwa 20 bis etwa 40 mm. Der erste Abstand 8 beträgt beispielsweise weniger als 15mm, oder auch 5 mm oder weniger. Insbesondere ist der erste Abstand 8 so gewählt, dass sich der Effekt des ersten Staudrucks des Wärmetauschers 7 und des zweiten Staudrucks der Abgasbehandlungseinheit 6 kumulieren, so dass das Abgas, welches in die Abgasbehandlungseinheit 6 strömt, einen Stau- druck überwinden muss, der größer, bevorzugt deutlich größer als der zweite Staudruck der Abgasbehandlungseinheit 6 ist.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 1. Hier ist in der Abgasrückführleitung 5 ein Konus 13 ausgebildet, welcher die als Wabenkörper 17 mit hier konischen Kanälen 18 ausgeführte Abgasbehandlungseinheit 6 umfasst. Der Konus 13 führt das durch die Abgasrückführleitung 5 strömende Gasstrδmung 14 zum Wärmetauscher 7. Der Wärmetauscher 7 umfasst Abgasrohre 15 in einem Gehäuse 16. Die Gasströmung 14 strömt durch die Abgasrohre 15, wobei diese im Gehäuse 16 von einem Kühlmittel umströmt werden, welches Teil des Kühlkreislaufs der Verbrennungskraftmaschine 2 ist. Der erste Abstand 8 zwischen Wärmetauscher 7 und Abgasbehandlungseinheit 6 ist erfϊndungsgemäß so gewählt, dass im Betrieb eine in die Abgasbehandlungseinheit 6 eintretende Gasströmung 14 vergleichmäßigt wird.

Fig. 4 -zeigt schematisch eine erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 19 der Geschwindigkeit v und eine zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 20 der Geschwindigkeit v. Die erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 19 ergibt sich, wenn nur die Abgasbehandlungseinheit 6 mit Gas beströmt wird, also ohne das in Strömungs- richtung hinter dieser ein Wärmetauscher 7 ausgebildet ist. Aufgetragen ist für beide Verteilungen die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Geschwindigkeit

im Gas vorliegt. Sowohl die Wahrscheinlichkeit als auch die Geschwindigkeit werden in relativen Einheiten angegeben. Die zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 20 ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung in einem erfindungsgemäßen System. Sie betrifft also eine Abgasanlage 1 mit einem Wärmetauscher 7 und einer Abgasbehandlungseinheit 6 in einer Abgasrückführleitung 5. Die zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung 20 ist breiter, weist insbesondere eine größere Breite bei halber maximaler Höhe (füll width half maximum) auf als die erste Wahrscheinlichkeitsverteilung 19. Dies beruht auf der erfindungsgemäßen Vergleichmäßigung der Strömung.

Die erfindungsgemäße Abgasanlage erlaubt in vorteilhafter Weise die Ausbildung eines Wärmetauschers 7 und einer Abgasbehandlungseinheit 6 wie beispielsweise ein Wabenkörper in der Abgasrückführleitung 5, wobei sowohl der Wärmetauscher 7 als auch die Abgasbehandlungseinheit 6 kleiner als in üblicher Weise aus- gebildet werden können. Dies spart erhebliche Kosten bei der Auslegung solcher Systeme.

B ezugszeichenliste

I Abgasanlage 2 Verbrennungskraftmaschine

3 Ansauganlage

4 Abgasausgang

5 Abgasrückfuhrleitung

6 Abgasbehandlungseinheit 7 Wärmetauscher

8 erster Abstand

9 zweiter Abstand

10 gaseintrittsseitige Stirnseite des Wärmetauschers

I 1 gaseintrittsseitige Stirnseite der Abgasbehandlungseinheit 12 Ausdehnung

13 Konus

14 Gasströmung

15 Abgasrohr

16 Gehäuse 17 Wabenkörper

18 Kanal

19 erste Wahrscheinlichkeitsverteilung

20 zweite Wahrscheinlichkeitsverteilung