DE102009030275B4

DE102009030275B4 - Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102009030275B4
Application number: DE102009030275.1A
Authority: DE
Inventors: Simeon Tanchev
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: DE102009030275A1

Abstract

Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit wenigstens einem in einer Abgasleitung eines Abgasstrangs angeordneten Abgasnachbehandlungselement, das von einem Abgasstrom durchströmbar ist, wobei eine Abzweigeinrichtung vorgesehen ist, mittels der wenigstens ein Teil des Abgasstroms (3") stromab des Abgasnachbehandlungselementes (4) als Abzweig-Abgasstrom (14) abzweigbar und dem Abgasstrom (3') stromauf des Abgasnachbehandlungselementes (4) wieder zuführbar ist dergestalt, dass der Abzweig-Abgasstrom (14) das Abgasnachbehandlungselement (4) nochmals durchströmt, wobei die Abgasleitung (2) im Bereich der Zuführung des Abzweig-Abgasstroms (14) mit einer solchen, in der Art einer Venturi-Düse gestalteten, Querschnittsverengung ausgebildet ist, dass sich dort die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms (3') erhöht und ein Unterdruck oder Sog in einer Abzweigleitung (7) zur Abgasrückführung einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass stromab einer Abzweigstelle (8) des Abzweig-Abgasstroms (14) wenigstens ein weiteres Abgasnachbehandlungselement (15) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Abgasreinigungsanlagen für Brennkraftmaschinen, in denen wenigstens ein Abgasnachbehandlungselement, zum Beispiel ein Katalysator, ein Partikelfilter, etc. in einer Abgasleitung eines Abgasstrangs angeordnet sind, sind allgemein bekannt. In diesen Abgasreinigungsvorrichtungen durchströmt ein von der Brennkraftmaschine kommender Abgasstrom das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement, wodurch der Abgasstrom gereinigt wird, insbesondere Schadstoffe und/oder Partikel umgewandelt oder herausgefiltert werden.
Insbesondere beim Start der Brennkraftmaschine beziehungsweise bei niedrigen Abgastemperaturen ist es schwierig, die Abgasreinigung in der gewünschten und geforderten Weise durchzuführen. Aus diesem Grund sind für solche Betriebssituationen verschiedene Zusatzmaßnahmen bekannt, wie beispielsweise eine Zusatzheizung mittels der der Katalysator möglichst schnell auf seine Betriebstemperatur (light-off-Temperatur) gebracht werden kann. Beispielsweise kann dies mittels zusätzlicher elektrischer Heizeinrichtungen oder aber auch durch Zudosierung von Kraftstoffen in Verbindung mit sogenannten Heizkatalysatoren erfolgen.
Aus der DE 197 44 191 A1 ist bereits ein Abgaskatalysator bekannt, bei dem ein Teil eines Abgasstroms stromab des Katalysators abgezweigt und dem Abgasstrom stromauf des Katalysators wieder zugeführt werden kann. In Verbindung mit einem Aufbau mit zwei Katalysatoren ist explizit vorgesehen die Abzweigstelle stromab beider Katalysatoren anzuordnen. Vom Prinzip her ähnliche Aufbauten zeigen auch die DE 198 07 203 A1 , JP H10- 47 044 A und JP 2006 - 291 739 A .
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, zur Verfügung zu stellen, mittels der die Abgasreinigung auf baulich einfache und kompakte Weise noch effizienter durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Abgasreinigungsvorrichtung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 1 weist eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wenigstens ein in einer Abgasleitung eines Abgasstrangs angeordnetes Abgasnachbehandlungselement auf, das von einem Abgasstrom durchströmbar ist. Weiter ist eine Abzweigeinrichtung vorgesehen, mittels der wenigstens ein Teil des Abgasstroms stromab des Abgasnachbehandlungselementes als Abzweig-Abgasstrom abzweigbar und dem Abgasstrom stromauf des Abgasnachbehandlungselementes wieder zuführbar ist, so dass der Abzweig-Abgasstrom das Abgasnachbehandlungselement nochmals durchströmt. Die Abgasleitung ist im Bereich der Zuführung des Abgasstroms mit einer solchen, in der Art einer Venturi-Düse gestalteten Querschnittsverengung ausgebildet, dass sich dort die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms erhöht und ein Unterdruck beziehungsweise Sog in der Abgasleitung einstellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass stromab der Abzweigstelle des Abzweig-Abgasstroms wenigstens ein weiteres Abgasnachbehandlungselement angeordnet ist. Mit einem derartigen Aufbau kann dann zum Beispiel in Verbindung mit der Abzweigleitung für den Fall, dass zum Beispiel, das stromauf liegende Abgasnachbehandlungselement ganz oder zu wesentlichen Teilen verstopft sein sollte und dementsprechend der Abgasgegendruck stromauf dieses Abgasnachbehandlungselementes zu sehr ansteigen würde, eine Bypass-Möglichkeit geschaffen werden, bei der der Abgasstrom dann über die Abzweigleitung abströmen kann und mittels des zweiten, stromab dahinterliegenden Abgasnachbehandlungselementes gereinigt werden kann.
Mit einer derartig aufgebauten Abgasreinigungsvorrichtung kann zudem auf baulich relativ einfache Weise sichergestellt werden, dass wenigstens ein Teil desjenigen Abgasstroms der das Abgasnachbehandlungselement bereits durchströmt hat, nochmals das Abgasnachbehandlungselement durchströmt und somit nochmals gereinigt wird, wodurch sich der Wirkungsgrad der Abgasreinigung wesentlich erhöhen lässt, insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen.
Die Abzweigung des Abzweig-Abgasstroms kann auf verschiedenste Art und Weise erfolgen, zum Beispiel mittels Schieber, Klappen, Ventilen oder dergleichen, die zum Beispiel mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung entsprechender vorgegebener Parameter zu vorgegebenen Zeiten angesteuert werden können. Herstellungstechnisch besonders einfach und zudem baulich besonders kompakt und funktionssicher zu realisieren ist jedoch ein Aufbau, bei dem, gemäß einer ersten konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Besonders bevorzugt ist der Düsenbereich beziehungsweise die Querschnittsverengung so vorgegeben, dass eine definierte Menge Abgas vom Abgasstrom stromab des Abgasnachbehandlungselementes als Abzweig-Abgasstrom abgezweigt wird. Insbesondere wird in diesem Fall ein geeignetes Durchmesserverhältnis vom Leitungsdurchmesser im Bereich der Querschnittsverengung zum demgegenüber größeren Leitungsdurchmesser im Leitungsbereich stromauf der Querschnittsverengung vorgegeben.
Gemäß einer besonders bevorzugten konkreten Ausgestaltung ist zudem bevorzugt vorgesehen, dass der Leitungsbereich im Bereich der Abzweigung des Abzweig-Abgasstroms einen Durchmesser aufweist, der gleich oder größer einem Durchmesser im Bereich der Querschnittsverengung ist. Damit wird auf einfache Weise sichergestellt, dass im Bereich der Abzweigung des Abzweig-Abgasstroms nicht auch ein solcher Unterdruck beziehungsweise Sog aufgebaut wird, der der gewünschten Rückströmung eines definierten Abzweigung-Abgasstroms entgegenwirkt.
Insgesamt lässt sich daher mit den zuvor beschriebenen „Venturi“-Maßnahmen eine bauteiltechnisch einfache, funktionssichere Abgasrückführung in den Bereich stromauf des Abgasnachbehandlungselementes erzielen.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Abzweigeinrichtung eine Abzweigleitung umfasst, die stromab des Abgasnachbehandlungselementes an einer Abzweigstelle von der Abgasleitung abzweigt und stromauf des Abgasnachbehandlungselementes an einer Einmündstelle wieder in die Abgasleitung einmündet. Eine derartige Abzweigleitung kann auf einfache und funktionssichere Weise hergestellt werden. Besonders bevorzugt wird eine derartige Abzweigleitung dadurch ausgebildet, dass die Abgasleitung wenigstens im Bereich von stromauf bis stromab des Abgasnachbehandlungselementes doppelwandig ausgebildet ist. Eine derartige doppelwandige Ausbildung kann auf einfache Weise durch zwei Gehäuseschalen oder dergleichen ausgebildet werden. Zudem wird damit ein besonders kompakter Aufbau erzielt.
Der doppelwandige Bereich kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung durch einen radial umlaufenden Ringspalt gebildet sein, wobei der Ringspalt bevorzugt eine sich über die gesamte Strecke gleichmäßige Spaltbreite aufweist.
Insbesondere für den Fall, dass der Bereich stromauf des Abgasnachbehandlungselementes mit einem sich konisch erweiternden Einlauftrichter für das Abgasnachbehandlungselement ausgebildet ist, ergibt sich ein kompakter und bauteiltechnisch wenig aufwendiger Aufbau: So kann hier zum Beispiel in Verbindung mit einer gehäuseseitigen Wandeinschnürung als Querschnittsverengung im unmittelbar an den Mündungsbereich des Einlauftrichters angrenzenden Strömungsbereich auf einfache Weise eine Einmündung der Abzweigleitung in den Bereich stromauf des Abgasnachbehandlungselementes umgesetzt werden. Ferner ist hier bevorzugt vorgesehen, dass der Ringspalt im Bereich stromab, insbesondere unmittelbar stromab des Abgasnachbehandlungselementes in die Abgasleitung einmündet, und einen Einströmspalt für rückströmendes Abgas ausbildet.
Die Abzweigeinrichtung kann zudem wenigstens ein Absperrelement aufweisen, mittels dem die Strömungsverbindung zum Abzweig-Abgasstrom abgesperrt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, und
2 schematisch einen Aufbau gemäß 1 mit einem zweiten Abgasnachbehandlungselement und für den Sonderfall, dass das stromaufliegende erste Abgaselement verstopft ist.

In der 1 ist schematisch ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung 1 gezeigt, die eine Abgasleitung 2 aufweist, welche von einem ungereinigten, hier durch den Pfeil 3 dargestellten Abgasstrom durchströmt wird.
In der Abgasleitung 2 ist ein hier beispielhaft als Katalysator 4 ausgebildetes Abgasnachbehandlungselement angeordnet, dass von einem einen Einlauftrichter 5 aufweisenden Gehäuse 6 ringförmig umschlossen ist. Dieses Gehäuse 6 bildet mitsamt der Abgasleitung 2 im Bereich um und stromauf des Katalysators 4 einen, einen Ringspalt ausbildenden doppelwandigen Aufbau aus, dessen Funktionsweise nachfolgend noch näher beschrieben wird. Der Ringspalt bildet in einer Doppelfunktion eine Abzweigleitung 7 aus, die stromab des Katalysators 4 an einer Abzweigstelle 8 einen Einströmspalt 9 aufweist. Im Bereich einer Mündungsöffnung 10 eines im Wesentlichen zylindrischen Mündungsabschnittes 13 des Einlauftrichters 5 weist die Abzweigleitung 7 einen ringförmigen Ausströmspalt 11 auf. Über den Einströmspalt 9 und den Ausströmspalt 11 stehen somit der Bereich stromab und stromauf des Katalysators 4 in einer Strömungsverbindung.
Unmittelbar stromauf und hier auch stromab des Ausströmspaltes 11 weist die Abgasleitung 2 einen durch den Mündungsabschnitt 13 des Einlauftrichters 5 und durch eine abgasleitungsseitige Querschnittsverengung 13' gebildeten Düsenbereich 12 auf, der einen Durchmesser d₂ aufweist. Stromauf dieses insgesamt eine Querschnittsverengung ausbildenden Düsenbereichs 12 weist die Abgasleitung 2 einen Leitungsdurchmesser von d₁ auf, der wie aus 1 ersichtlich, größer ist als der Durchmesser d₂ im Düsenbereich 12.
Mit einer derartigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung 1 wird stromauf des Katalysators 4 eine Venturi-Düse ausgebildet. Das heißt, dass im Düsenbereich 12 ein niedrigerer Druck p₂ herrscht als im stromauf davorliegenden und den Durchmesser d₁ aufweisenden Abgasleitungsabschnitt, in dem ein größerer Druck p₁ herrscht. Anders verhält es sich mit den Fließgeschwindigkeiten. Die Fließgeschwindigkeit des Abgasstroms 3' im Düsenbereich 12 ist wesentlich höher als diejenige des Abgasstroms 3 im stromauf davorliegenden und den Durchmesser d₁ aufweisenden Abgasleitungsabschnitt, wodurch im Bereich der Abzweigleitung 7 ein Unterdruck beziehungsweise Sog wirkt, der, wie dies in der 1 schematisch durch die Pfeile 14 dargestellt ist, bewirkt, dass eine definierte Menge Abgas als Abzweig-Abgasstrom 14 vom Abgasstrom 3" stromab des Katalysators 4 abgezweigt und dem Abgasstrom 3' stromauf des Katalysators 4 über den Ausströmspalt 11 wieder zugeführt wird, so dass eine definierte Menge des Abzweig-Abgasstroms 14 den Katalysator 4 nochmals durchströmen kann. Dadurch kann sich der Wirkungsgrad der Abgasreinigungsvorrichtung 1 wesentlich erhöhen.
Die Menge des Abzweig-Abgasstroms 14 bestimmt sich dabei zum Beispiel aus dem Durchmesserverhältnis d₁:d₂, was individuell und für die jeweiligen Einbauverhältnisse ausgelegt vorgegeben wird.
Wie dies in der 1 weiter dargestellt ist, weist der Abgasleitungsabschnitt stromab des Katalysators 4 einen Durchmesser d₃ auf, der auf jeden Fall größer ist als der Durchmesser d₂ im Düsenbereich 12, wodurch sichergestellt wird, dass kein dem Sogeffekt im Düsenbereich 12 entgegenwirkender Sog stromab des Katalysator 4 aufgebaut wird.
In der 2 ist nunmehr eine Ausgestaltung gezeigt, bei der stromab des Katalysators 4 ein weiterer Katalysator 15 angeordnet ist. Der Aufbau und die Funktionsweise entspricht ansonsten derjenigen der Ausführungsform nach 1. In der 2 ist jedoch der Sonderfall gezeigt, dass der erste Katalysator 4 verstopft ist beziehungsweise sich in wesentlichen Teilen zugesetzt hat, so dass der Abgasstrom 3' den Katalysator 4 nicht mehr beziehungsweise nicht mehr in einem gewünschten Maße durchströmen kann, wodurch sich der Abgasgegendruck stromauf des Katalysator 4 erhöht. In diesem Fall kann dann, wie dies in der 2 schematisch durch die Pfeile 16 dargestellt ist, die Abzweigleitung 7 als Bypass-Leitung fungieren, die den Abgasstrom dann an dem verstopften Katalysator 4 vorbei in Richtung zum zweiten Katalysator 15 umlenkt. Um zu vermeiden, dass die so umgelenkten Abgasströme dann unbehandelt und ungereinigt abströmen, wird über den zweiten Katalysator 15 deren Behandlung sichergestellt.

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit wenigstens einem in einer Abgasleitung eines Abgasstrangs angeordneten Abgasnachbehandlungselement, das von einem Abgasstrom durchströmbar ist, wobei eine Abzweigeinrichtung vorgesehen ist, mittels der wenigstens ein Teil des Abgasstroms (3") stromab des Abgasnachbehandlungselementes (4) als Abzweig-Abgasstrom (14) abzweigbar und dem Abgasstrom (3') stromauf des Abgasnachbehandlungselementes (4) wieder zuführbar ist dergestalt, dass der Abzweig-Abgasstrom (14) das Abgasnachbehandlungselement (4) nochmals durchströmt, wobei die Abgasleitung (2) im Bereich der Zuführung des Abzweig-Abgasstroms (14) mit einer solchen, in der Art einer Venturi-Düse gestalteten, Querschnittsverengung ausgebildet ist, dass sich dort die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms (3') erhöht und ein Unterdruck oder Sog in einer Abzweigleitung (7) zur Abgasrückführung einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass stromab einer Abzweigstelle (8) des Abzweig-Abgasstroms (14) wenigstens ein weiteres Abgasnachbehandlungselement (15) angeordnet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsverengung, insbesondere das Durchmesserverhältnis vom Leitungsdurchmesser (d₂) im Bereich der Querschnittsverengung (12) zum demgegenüber größeren Leitungsdurchmesser (d₁) im Leitungsbereich stromauf der Querschnittsverengung, so vorgegeben ist, dass eine definierte Menge Abgas vom Abgasstrom (3") stromab des Abgasnachbehandlungselementes (4) als Abzweig-Abgasstrom (14) abzweigbar ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsbereich im Bereich der Abzweigung des Abzweig-Abgasstroms (14) und damit im Bereich stromab des Abgasnachbehandlungselementes (4) einen Durchmesser (d₃) aufweist, der gleich oder größer einem Durchmesser (d₂) im Bereich der Querschnittverengung ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigeinrichtung die Abzweigleitung (7) umfasst, die stromab des Abgasnachbehandlungselementes (4) an der Abzweigstelle (8) von der Abgasleitung (2) abzweigt und stromauf des Abgasnachbehandlungselementes (4) an einer Einmündstelle wieder in die Abgasleitung (2) einmündet.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (2) zur Ausbildung der Abzweigleitung (7) wenigstens im Bereich von stromauf bis stromab des Abgasnachbehandlungselementes (4) doppelwandig ausgebildet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der doppelwandige Bereich und damit die Abzweigleitung (7) durch einen radial umlaufenden Ringspalt gebildet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich stromauf des Abgasnachbehandlungselementes (4) mit einem sich konisch erweiternden Einlauftrichter (5) für das Abgasnachbehandlungselement (4) ausgebildet ist, der bevorzugt wenigstens zum Teil, insbesondere mit einen zylindrischen Mündungsabschnitt (13), Bestandteil des Venturi-Düsenbereichs bildet.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abzweigleitung (7) und damit der doppelwandige Bereich vom Mündungsbereich des Einlauftrichters (5) ausgehend in Strömungsrichtung gesehen bis zum Bereich stromab des Abgasnachbehandlungselementes (4) erstreckt, dergestalt, dass die Abzweigleitung (7) unmittelbar im randseitigen Mündungsbereich des Einlauftrichters (5) mündet, insbesondere mit einem Ausströmspalt (11) im Mündungsbereich des zylindrischen Mündungsabschnittes (14) des Einlauftrichters (5) einmündet.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (7) im Bereich nach, insbesondere unmittelbar nach dem Abgasnachbehandlungselement (4) in die Abgasleitung (2) einmündet, insbesondere dort mit einem Einströmspalt (9) einmündet.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigeinrichtung wenigstens ein Absperrelement aufweist, mittels dem die Strömungsverbindung zur Abzweigung des Abzweig-Abgasstroms (14) absperrbar ist.