DE102007036254A1

DE102007036254A1 - Abgasanlage einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007036254A1
Application number: DE200710036254
Authority: DE
Inventors: Dominik Huelsmeier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-05
Also published as: WO2009016006A1

Abstract

Eine Abgasanlage (12) einer Brennkraftmaschine umfasst ein Abgasrohr und einen daran angeschlossenen Oxidationskatalysator (14). Stromabwärts von diesem ist ein Partikelfilter (16) angeordnet. Der Durchmesser eines Körpers (24) des Oxidationskatalysators (14) ist größer als der Durchmesser des Abgasrohrs (22). Es wird vorgeschlagen, dass eine Durchlässigkeit des Körpers (24) des Oxidationskatalysators (14) für das Abgas in einem mittigen Bereich (30) geringer ist als in einem äußeren Randbereich (28).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vom Markt her bekannt ist eine Abgasanlage für einen selbstzündenden Kolbenmotor, die einen vorgeschalteten Dieseloxidationskatalysator, auch DOC genannt, und einen nachgeschalteten Dieselpartikelfilter, auch DPF genannt, umfasst. Für den Dieselpartikelfilter wird meist eine hochporöse wabenförmige Keramik verwendet mit wechselseitig verschlossenen Kanälen.
Die katalytische Funktion des Dieseloxidationskatalysators wird in der Regel durch eine katalytische Schicht bewirkt, die auf ein wabenförmiges Substrat aufgebracht wird. In diesem Substrat sind nebeneinander angeordnete und beidseitig offene Kanäle vorhanden, durch die das Abgas im Betrieb der Abgasanlage hindurchströmt. Neben dem oxidativen Umsatz von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxid zur Schonung der Umwelt werden die exothermen Oxidationsreaktionen des Oxidationskatalysators auch für die thermische Regeneration des meist stromabwärts vom Oxidationskatalysator angeordneten Partikelfilters genutzt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Partikelfilter über seinen Durchmesser hinweg möglichst gleichmäßig regeneriert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt. Weitere wichtige Merkmale sind darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung angegeben und in der Zeichnung gezeigt. Die Merkmale können dabei in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein, ohne dass dies gesondert erwähnt wird.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass vor allem dann, wenn der Durchmesser des Körpers des Oxidationskatalysators größer ist als der Durchmesser des Abgasrohrs, die Hauptströmung des Abgases dazu tendiert, durch einen mittigen Bereich des Oxidationskatalysators zu strömen. Dies hat zur Folge, das am Ausgang des Oxidationskatalysators das Abgas im mittigen Bereich heißer ist als im Randbereich, was wiederum dazu führt, dass bei einer Regeneration des Partikelfilters dieser im Randbereich schlechter regeneriert wird als in einem mittigen Bereich.
Dies wird bei einer Abgasanlage gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden, indem die Durchlässigkeit des Körpers des Oxidationskatalysators für das Abgas in dem mittigen Bereich geringer ist als in einem äußeren Randbereich. Insgesamt gelangt also weniger Abgas durch den mittigen Bereich des Oxidationskatalysators als durch dessen Randbereich hindurch. Der Abgasstrom wird also auch in den äußeren Randbereich des Körpers des Oxidationskatalysators gezwungen. Dies wiederum führt dazu, dass das aus dem Oxidationskatalysator austretende Abgas im äußeren Randbereich heißer ist als dies bisher der Fall war, so dass der nachgeschaltete Partikelfilter ebenfalls in diesem Randbereich wärmer wird als bisher und dadurch besser regeneriert. Eine derartig vergleichmäßigte Regenerierung des Partikelfilters wiederum senkt insgesamt den Abgasgegendruck und sorgt für einen besseren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, die der Abgasanlage vorgeschaltet ist. Darüber hinaus kann ein unkontrolliertes Abbrennen des Rußes im Randbereich des Partikelfilters verhindert werden, da dieser im Eandbereich besser regeneriert wird.
Im einfachsten Fall kann die Durchlässigkeit in dem mittigen Bereich wenigstens in etwa Null sein. Dies ist fertigungstechnisch besonders einfach zu realisieren, beispielsweise durch ein Verfüllen der in Längsrichtung des Oxidationskatalysators verlaufenden Kanäle, oder durch eine Abdeckung am stromaufwärtigen oder stromabwärtigen Ende des mittigen Bereichs, durch die dieser in Strömungsrichtung verschlossen wird.
Zur Reduzierung des Abgasgegendrucks kann der mittige Bereich mindestens an seinem stromaufwärtigen Ende einen Strömungsleitabschnitt, beispielsweise in Form eines Spitzkegels, aufweisen.
Um bei der Herstellung Material zu sparen, kann der mittige Bereich auch einfach hohl sein, beispielsweise durch ein axial verschlossenes Rohr gebildet werden.
Alternativ zu einem vollständig undurchlässigen mittigen Bereich kann die Durchlässigkeit in dem mittigen Bereich auch ungefähr 10 bis ungefähr 90% der Durchlässigkeit in dem äußeren Randbereich betragen. Dies hat den Vorteil, dass auch im mittigen Bereich noch eine katalytische Wirkung realisiert werden kann, was die Gesamtabmessungen des Oxidationskatalysators reduziert. Es versteht sich nämlich, dass durch den verminderten oder sogar überhaupt nicht vorhandenen Durchsatz von Abgas in dem mittigen Bereich eine entsprechende zusätzlich katalytisch wirksame Oberfläche in dem äußeren Randbereich geschaffen werden muss, um die katalytische Leistung des Oxidationskatalysators gegenüber bisherigen Abgasanlagen zumindest nicht deutlich zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung eignet sich ganz besonders für solche Abgasanlagen, bei denen der Partikelfilter unmittelbar stromabwärts vom Oxidationskatalysator angeordnet ist, und insbesondere bei solchen Abgasanlagen, bei denen der Oxidationskatalysator und der Partikelfilter in etwa den gleichen Außendurchmesser aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Vorteile werden bereits dann deutlich, wenn der Durchmesser des mittigen Bereichs ungefähr 25 bis ungefähr 45% des Gesamtdurchmessers des Körpers des Oxidationskatalysators beträgt oder ungefähr gleich dem Durchmesser des Abgasrohrs ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Bereich einer Abgasanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine;
2 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Oxidationskatalysators und eines Partikelfilters der Abgasanlage von 1;
3 eine axiale Draufsicht auf eine Stirnseite des Oxidationskatalysators von 2;
4 eine Darstellung ähnlich 3 einer zweiten Ausführungsform; und
5 eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Oxidationskatalysators.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 trägt eine Diesel-Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10, eine dazugehörige Abgasanlage insgesamt das Bezugszeichen 12. Letztere umfasst einen Oxidationskatalysator 14, der auch kurz als "DOC" bezeichnet wird, und einen fluidisch unmittelbar stromabwärts von dem Oxidationskatalysator 14 angeordneten Partikelfilter 16. Der Oxidationskatalysator 14 und der Partikelfilter 16 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 18 angeordnet, welches an seinem stromaufwärtigen, der Brennkraftmaschine 10 zugewandten Ende über konischen Übergangsabschnitt 20 an ein Abgasrohr 22 angeschlossen ist. Man erkennt aus 1, dass das Gehäuse 18 einen deutlich größeren Durchmesser aufweist als das Abgasrohr 22.
Der Oxidationskatalysator 14 umfasst im Inneren des Gehäuses 18 einen zylindrischen rotationssymmetrischen Körper 24 (2 und 3), der als Honeykamp-Substrat in der Mehrzahl an beiden Enden offenen sowie nebeneinander angeordneten parallelen Kanälen ausgeführt ist. Hergestellt ist der Körper 24 im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Cordierit, aber auch andere Materialien sind möglich. Die die Kanäle begrenzenden Wände sind mit einem katalytischen Material beschichtet. Dieses wird entsprechend den spezifischen Anforderungen so gewählt, dass es beispielsweise CO, HC, NOx oder SOx speichert und/oder katalytisch umsetzt, wobei die katalytische Reaktion vorzugsweise exotherm abläuft.
Der Partikelfilter 16 umfasst in dem Gehäuse 18 einen länglichen kreiszylindrischen Filterkörper 26 aus einem porösen Material, in dem ebenfalls nebeneinander angeordnete Kanäle vorhanden sind. Diese sind jedoch nicht an beiden Enden offen, sondern wechselseitig verschlossen. Das Abgas muss daher durch die Wände zwischen den Kanälen hindurchtreten, wodurch im Abgas enthaltene Rußpartikel abgeschieden werden.
Während der Körper 26 des Partikelfilters 16 über seinen gesamten Querschnitt hinweg mit in seiner Längsrichtung verlaufenden Kanälen versehen ist, weist der Körper 24 des Oxidationskatalysators 14 die besagten, an beiden Enden offenen Kanäle nur in einem ringförmigen äußeren Randbereich 28 auf, wohingegen ein zylindrischer mittiger Bereich 30 des Körpers 24 bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Oxidationskatalysator 14 als massiver Vollkörper ausgebildet ist, der für Abgas undurchlässig ist. Der Durchmesser D1 (siehe 3) des mittigen Bereichs 30 beträgt bei der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 28% des Gesamtdurchmessers D2. Er kann jedoch aus etwas kleiner oder größer sein, vorzugsweise liegt er ungefähr zwischen 25 bis 45% des Gesamtdurchmessers oder er entspricht dem Durchmesser des Abgasrohrs 22.
Im Betrieb wird der Körper 24 des Oxidationskatalysators 14 nur in dem äußeren Randbereich 28 vom Abgas durchströmt, nicht aber im mittigen Bereich 30, was dazu führt, dass das Abgas beim Austritt am stromabwärtigen Ende des Oxidationskatalysators 14 einen "Strömungsring" bildet, der eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist und als solcher in den Partikelfilter 16 einströmt. Der radial äußere Strömungsring im Partikelfilter 16 ist in 2 durch eine Vielzahl von Pfeilen angedeutet. Der Partikelfilter 16 wird daher in seinem äußeren Randbereich vergleichsweise warm.
Bei einer Regenerierung des Partikelfilters 16 wird die Abgastemperatur am Eingang des Partikelfilters 16 soweit erhöht, das sie oberhalb der Oxidationstemperatur des im Partikelfilter 16 abgelagerten Rußes liegt. Hierdurch wird der Ruß verbrannt und verhindert, dass die Durchlässigkeit des Partikelfilters 16 unter ein gewünschtes Maß absinken kann. Dadurch dass das Abgas am stromabwärtigen Ende des Oxidationskatalysators 14 einen "Strömungsring" bildet, wird bei einem solchen Regenerationsprozess auch der radial äußere Randbereich des Partikelfilters 16 gut erwärmt und daher der Partikelfilter 16 insgesamt gleichmäßig regeneriert.
Eine alternative Ausführungsform ist in 4 gezeigt. Dabei gilt hier wie nachfolgend, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu bereits beschriebenen Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.
Bei dem in 4 gezeigten Oxidationskatalysator 14 ist der mittige Bereich 30 für Abgas nicht vollständig undurchlässig, sondern er weist nur eine deutlich verringerte Durchlässigkeit auf. Bevorzugt ist, dass die Durchlässigkeit in diesem mittigen Bereich 30 ungefähr 10 bis ungefähr 90% der Durchlässigkeit in dem äußeren Randbereich 28 beträgt. Erreicht werden kann dies beispielsweise durch engere Strömungskanäle oder durch das Verschließen einzelner Strömungskanäle.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Durchlässigkeit des mittigen Bereichs 30 wiederum ungefähr 0, wie schon bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel. Zur Verringerung des Strömungswiderstands im Oxidationskatalysator 14 weist der mittige Bereich 30 an seinem stromaufwärtigen Ende einen kegelförmigen Strömungsleitabschnitt 32 auf. Darüber hinaus ist der mittige Bereich 30 als hohles Rohr ausgebildet.

Claims

Abgasanlage (12) einer Brennkraftmaschine (10) mit einem Abgasrohr (22), einem daran angeschlossenen Oxidationskatalysator (14) und einem stromabwärts von diesem angeordneten Partikelfilter (16), wobei der Durchmesser eines Körpers (24) des Oxidationskatalysators (14) größer ist als der Durchmesser des Abgasrohrs (22), dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchlässigkeit des Körpers (24) des Oxidationskatalysators (14) für das Abgas in einem mittigen Bereich (30) geringer ist als in einem äußeren Randbereich (28).
Abgasanlage (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässigkeit in dem mittigen Bereich (30) wenigstens in etwa Null ist.
Abgasanlage (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittige Bereich (30) mindestens an seinem stromaufwärtigen Ende einen Strömungsleitabschnitt (32) aufweist.
Abgasanlage (12) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittige Bereich (30) hohl ist.
Abgasanlage (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässigkeit in dem mittigen Bereich (30) ungefähr 10 bis ungefähr 90%, vorzugsweise 30 bis 70% der Durchlässigkeit in dem äußeren Randbereich (28) beträgt.
Abgasanlage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) unmittelbar stromabwärts vom Oxidationskatalysator (14) angeordnet ist.
Abgasanlage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D1) des mittigen Bereichs (30) ungefähr 25% bis ungefähr 45% des Gesamtdurchmessers (D2) beträgt oder ungefähr gleich dem Durchmesser des Abgasrohrs (22) ist.