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Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6, eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 009 940 A1 geht ein Abgasnachbehandlungssystem hervor, das eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die bevorzugt als Oxidationskatalysator ausgebildet ist, und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung stromabwärts der Abgasnachbehandlungsvorrichtung – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – aufweist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung weist ein Gehäuse auf, in dem zwei Abgasnachbehandlungselemente, nämlich bevorzugt ein Partikelfilter und ein für eine selektive katalytische Reduktion eingerichteter Katalysator (SCR-Katalysator) angeordnet ist. Dabei ist der Partikelfilter sowohl stromaufwärts des SCR-Katalysators als auch – in Fahrtrichtung eines das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Kraftfahrzeugs gesehen – vor diesem angeordnet. Kommt es zu einer Unfallsituation, in der das Kraftfahrzeug im Wesentlichen in Richtung einer Längsachse des Gehäuses der Abgasnachbehandlungseinrichtung verformt wird, erweist sich dieses als vergleichsweise steif, weil es sich in Längsrichtung der hintereinander angeordneten Abgasnachbehandlungselemente nahezu nicht verformen kann. Es wirkt insofern blockbildend, kann keine Aufprallenergie aufnehmen und birgt das Risiko, selbst in den Bereich eines Fahrgastraums verlagert zu werden oder andere Komponenten dorthin zu verschieben. Die relativ steife Struktur ist daher in Hinblick auf das Aufprallverhalten des Kraftfahrzeugs und auf einen Insassenschutz verbesserungswürdig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungssystem, eine Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei welchen ebenfalls die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass ein erstes Abgasnachbehandlungselement in einem ersten Gehäuseteil angeordnet ist, wobei ein zweites Abgasnachbehandlungselement in einem zweiten Gehäuseteil angeordnet ist, und wobei das erste Gehäuseteil in dem zweiten Gehäuseteil bereichsweise aufgenommen und geführt ist. Das Gehäuse ist insgesamt also weder monolithisch noch als starrer Verbund verschiedener, aneinandergefügter Teile aufgebaut, sondern vielmehr aufgrund der Aufnahme und Führung eines Bereichs des ersten Gehäuseteils in dem zweiten Gehäuseteil jedenfalls bei Einwirkung einer gewissen, vorzugsweise eine vorherbestimmten Obergrenze übersteigenden Kraft, teleskopierbar und damit in seiner Länge veränderlich. Es ist daher in einer Aufprallsituation möglich, dass das erste Gehäuseteil weiter in das zweite Gehäuseteil hineinverlagert wird, wodurch die Länge der Abgasnachbehandlungseinrichtung reduziert wird. Somit wirkt diese nicht blockbildend. Weiterhin kann sie bei der Relativverlagerung des ersten Gehäuseteils in das zweite Gehäuseteil hinein Aufprallenergie aufnehmen, sodass sie energieabsorbierend wirkt. Durch die Längenreduktion wird außerdem die Gefahr gemildert, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung selbst in einen Fahrzeuginnenraum eindringt oder andere Elemente in diesen hineinschiebt.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung bevorzugt, bei dem das erste und auch das zweite Gehäuseteil zylindersymmetrisch, bevorzugt kreiszylindrisch ausgebildet sind. Es sind aber auch andere, insbesondere von der kreisförmigen Querschnittsgeometrie abweichende Ausgestaltungen möglich, beispielsweise eine polygonale Querschnittsgeometrie. Ein Innendurchmesser oder ein anderes geeignetes Innenmaß des zweiten Gehäuseteils ist vorzugsweise so auf einen Außendurchmesser oder ein anderes geeignetes Außenmaß des ersten Gehäuseteils abgestimmt, dass das erste Gehäuseteil in dem zweiten Gehäuseteil durch Anlage seiner äußeren Mantelfläche an einer inneren Umfangsfläche des zweiten Gehäuseteils geführt wird. Bevorzugt ist eine Differenz zwischen einem Innenradius des ersten Gehäuseteils und einem Außenradius des zweiten Gehäuseteils gerade gleich der Summe der Wandstärken von Gehäusemänteln der Gehäuseteile, sodass sich eine sichere Führung unter Anlage für das erste Gehäuseteil in dem zweiten Gehäuseteil ergibt. Es ist aber auch möglich, dass über die Radiendifferenz eine definierte Verschiebekraft vorgegeben wird, beispielsweise indem der Innenradius des zweiten Gehäuseteils und der Außenradius des ersten Gehäuseteils derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich eine Presspassung mit definierter Presskraft ergibt.
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Das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil weisen bevorzugt eine gemeinsame Längsachse auf, die in montiertem Zustand der beiden Gehäuseteile zusammenfallen, also eine gemeinsame, koaxiale Längsachse bilden. Entlang dieser gemeinsamen Längsachse erfolgt dann im Fall eines Aufpralls die Relativverlagerung der beiden Gehäuseteile und entsprechend die Längenreduktion der Abgasnachbehandlungseinrichtung.
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Vorzugsweise weist/weisen das erste Gehäuseteil und/oder das zweite Gehäuseteil einen Mantel auf, der aus Blech, insbesondere aus Metallblech, bevorzugt aus einem Dünnblechmaterial, ausgebildet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung beträgt eine Wandstärke des Mantels des ersten Gehäuseteils und/oder des Mantels des zweiten Gehäuseteils von mindestens 0,5 mm bis höchstens 1,5 mm, vorzugsweise 1 mm.
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Das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil sind bevorzugt gasdicht miteinander verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist hierfür eine Schellenverbindung mit einer das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil verbindenden Schelle vorgesehen. Bei einem anderen, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das erste und das zweite Gehäuseteil stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere durch Schweißen oder Löten. Dabei ist bevorzugt der Mantel des ersten Gehäuseteils mit dem Mantel des zweiten Gehäuseteils an dem Ende des zweiten Gehäuseteils, an welchem das erste Gehäuseteil aus diesem herausragt, stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt oder verlötet. Auch eine Klebverbindung ist möglich, soweit gewährleistet ist, dass diese die typischerweise auftretenden Abgastemperaturen im Bereich der Abgasnachbehandlungseinrichtung dauerhaft zerstörungsfrei übersteht. Bei einem anderen, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das erste und das zweite Gehäuseteil reibschlüssig miteinander verbunden, bevorzugt miteinander verspannt. Es ist auch möglich, dass über die Radiendifferenz eine Presspassung derart verwirklicht wird, dass die beiden Gehäuseteile gasdicht miteinander verbunden sind. Auch eine Blechverbindung mit reduzierter Wandstärke im Sinne einer Sollbruchstelle ist möglich.
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Vorzugsweise ist über die gasdichte Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil eine vorherbestimmte Untergrenze für eine in Längsrichtung wirkende Verformungskraft definiert, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung bei Krafteinwirkung oberhalb dieses kritischen Kraftniveaus gestaucht wird. In diesem Fall wird die gasdichte Verbindung zwischen den Gehäuseteilen zerstört, und es kommt zu der bereits beschriebenen Relativverlagerung. Werden dagegen in das Gehäuse – in Längsrichtung gesehen – Kräfte eingeleitet, die unterhalb des kritischen Kraftniveaus bleiben, ist die gasdichte Verbindung stabil, sodass es weder zu einer Undichtigkeit noch zu einer Verformung der Abgasnachbehandlungseinrichtung kommt. Dabei zeigt sich, dass bereits die Zerstörung der gasdichten Verbindung Energie erfordert, die aus der Aufprallenergie entnommen und somit absorbiert wird. Zusätzlich treten bei der Relativverlagerung des ersten Gehäuseteils in dem zweiten Gehäuseteil bevorzugt Reibungskräfte auf, die ebenfalls zu einer Absorption von Aufprallenergie beitragen. Die gasdichte Verbindung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass die vorherbestimmte Untergrenze für die in Längsrichtung wirkende Verformungskraft mindestens 30 kN bis höchstens 40 kN, vorzugsweise 35 kN beträgt. In Aufprallversuchen hat sich herausgestellt, dass diese Werte geeignete Grenzen im Sinne einer Minimierung einer Krafteinleitung in den Fahrzeuginnenraum darstellen.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das erste Abgasnachbehandlungselement ein erstes Substrat aufweist, wobei das zweite Abgasnachbehandlungselement ein zweites Substrat aufweist. Das erste Substrat weist dabei eine höhere Steifigkeit auf als das zweite Substrat. Wird bei einem Aufprall das erste Gehäuseteil in das zweite Gehäuseteil unter Stauchung der Abgasnachbehandlungseinrichtung verschoben, wird zugleich das erste Substrat gegen das zweite Substrat gedrängt. Dadurch, dass das erste Substrat eine höhere Steifigkeit aufweist als das zweite, wird hierbei das zweite Substrat in definierter Weise durch das erste Substrat deformiert, insbesondere gestaucht. Dabei wird zusätzlich Aufprallenergie aufgenommen und in Verformungsarbeit des zweiten Substrats umgewandelt.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das erste Substrat Siliziumcarbid (SiC) umfasst, vorzugsweise aus Siliziumcarbid besteht, beziehungsweise als Siliziumcarbid-Substrat ausgebildet ist. Das zweite Substrat weist bevorzugt wenigstens eine strukturierte Metallfolie, vorzugsweise eine Mehrzahl strukturierter Metallfolien auf. Bevorzugt besteht das zweite Substrat aus strukturierten Metallfolien. Diese sind vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet, dass Turbulenzen in dem Abgas erzeugt werden, welches das Substrat durchströmt. Bevorzugt ist das zweite Substrat als Metalit®-Katalysatorsubstrat ausgebildet. Weist das zweite Substrat strukturierte Metallfolien auf, lassen sich diese bei einem Aufprall ohne weiteres durch das sehr viel steifere, erste Siliziumcarbid-Substrat deformieren, insbesondere stauchen.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das erste Abgasnachbehandlungselement als Dieselpartikelfilter ausgebildet ist, wobei das zweite Abgasnachbehandlungselement als SCR-Katalysator ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist das erste Abgasnachbehandlungselement zusätzlich eine SCR-Katalysatorbeschichtung auf, sodass es insgesamt als sogenannter SDPF-Partikelfilter mit selektiv katalytisch wirkender Beschichtung ausgebildet ist. Besonders wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei dem das erste Abgasnachbehandlungselement als Partikelfilter, insbesondere als SDPF-Partikelfilter, ausgebildet ist, wobei das erste Substrat als Siliziumcarbid-Substrat ausgebildet ist. Das zweite Abgasnachbehandlungselement ist bevorzugt als SCR-Katalysator ausgebildet, wobei das zweite Substrat strukturierte Metallfolien aufweist, die zur SCR-Katalyse eingerichtet, insbesondere mit einer SCR-Beschichtung versehen sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass sich die Beschichtung für den Partikelfilter, insbesondere den SDPF-Partikelfilter, ohne weiteres auf das Siliziumcarbid-Substrat aufbringen lässt, wobei sich eine SCR-Beschichtung ohne weiteres auf ein Substrat aus strukturierten Metallfolien aufbringen lässt.
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Alternativ wird ein Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung bevorzugt, bei dem das erste Abgasnachbehandlungselement als SCR-Katalysator ausgebildet ist, wobei das zweite Abgasnachbehandlungselement als Dieselpartikelfilter, vorzugsweise mit zusätzlicher SCR-Katalysatorbeschichtung, ausgebildet ist. Dabei wird quasi die umgekehrte Konfiguration zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel verwirklicht.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das zweite Abgasnachbehandlungselement mit dem zweiten Gehäuseteil verlötet ist. Insbesondere ist das zweite Abgasnachbehandlungselement mit der inneren Umfangsfläche des Mantels des zweiten Gehäuseteils verlötet. Somit wird eine unmittelbare Verbindung zwischen dem zweiten Abgasnachbehandlungselement und dem Mantel geschaffen. Üblicherweise ist bei bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtungen zwischen der inneren Umfangsfläche des Mantels und dem Substrat eine Matte angeordnet, durch welche das Substrat von dem Mantel beabstandet ist. Ein Außendurchmesser des Substrats ist dadurch um die zweifache Dicke der Matte kleiner als der Innendurchmesser des Mantels. Wird das zweite Abgasnachbehandlungselement mit dem zweiten Gehäuseteil verlötet, entfällt die Matte, sodass der Außendurchmesser des zweiten Abgasnachbehandlungselements beziehungsweise des Substrats desselben im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Mantels entspricht. Durch diese Vergrößerung des zweiten Abgasnachbehandlungselements in radialer Richtung ist es bei Beibehaltung eines identischen Volumens möglich, es – in Längsrichtung gesehen – kürzer auszubilden, als wenn eine Matte vorgesehen wäre. Damit reduziert sich bei gleicher Abgasnachbehandlungsleistung auch die Länge des Gehäuses der Abgasnachbehandlungseinrichtung insgesamt. Dies ist in Hinblick auf das Aufprallverhalten des die Abgasnachbehandlungseinrichtung aufweisenden Kraftfahrzeugs und insbesondere in Hinblick auf den Insassenschutz vorteilhaft. Das bereits im Ausgangszustand kürzere Gehäuse verkürzt sich bei einem Aufprall weiter, wobei sich effektiv die Gefahr eines Eindringens in den Fahrzeuginnenraum oder einer Verlagerung anderer Teile in diesen durch das Gehäuse stark verringert.
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Vorzugsweise ist das zweite Abgasnachbehandlungselement nicht über seine gesamte Länge mit dem zweiten Gehäuseteil verlötet, wobei sich also die Lotverbindung – in Längsrichtung des zweiten Gehäuseteils gesehen – nicht über die gesamte Längserstreckung des zweiten Abgasnachbehandlungselements erstreckt. Diese Ausgestaltung dient insbesondere dazu, unzulässig hohe Verspannungen zwischen dem zweiten Abgasnachbehandlungselement und dem zweiten Gehäuseteil aufgrund verschiedener Wärmeausdehnung zu vermeiden. Über eine konkrete Abstimmung der Länge der Lötverbindung kann darüber hinaus eine definierte Festigkeit derselben eingestellt werden, sodass sich eine definierte Untergrenze für eine in Längsrichtung wirkende Kraft ergibt, oberhalb derer die Lötverbindungen zwischen dem zweiten Abgasnachbehandlungselement und dem zweiten Gehäuseteil zerstört wird. Auf diese Weise ist es bei einem Aufprall möglich, zusätzliche Aufprallenergie durch Losreißen des zweiten Abgasnachbehandlungselements von dem zweiten Gehäuseteil aufzunehmen. Eine in Längsrichtung gesehen verkürzte Lötverbindung wird bevorzugt dadurch bewirkt, dass wenigstens ein Randbereich des zweiten Abgasnachbehandlungselements von der Lötverbindung frei bleibt. Bevorzugt bleiben beidseitig Randbereiche des zweiten Abgasnachbehandlungselements von der Lötverbindung frei, wobei diese dann nur in einem mittleren Bereich desselben vorgesehen ist.
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Das erste Abgasnachbehandlungselement ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung auf einer Matte gelagert, durch welche es von einer inneren Umfangsfläche des ersten Gehäuseteils beabstandet und vorzugsweise auch thermisch isoliert ist.
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Das Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung weist vorzugsweise eine Rippenstruktur auf, welche zusätzlich dessen Steifigkeit – in Längsrichtung gesehen – vermindert, eine Deformation des Gehäuses bei einem Aufprall erleichtert und bei der Verformung zusätzliche Aufprallenergie absorbiert.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 geschaffen wird. Dieses weist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung auf und ist gekennzeichnet durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist mit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Durchleitung von Abgas fluidverbunden. In Zusammenhang mit dem Abgasnachbehandlungssystem verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung erläutert wurden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems bevorzugt, bei welchem die Abgasnachbehandlungsvorrichtung in montiertem Zustand im Wesentlichen senkrecht, vorzugsweise senkrecht, zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung orientiert ist. Besonders bevorzugt ist in montiertem Zustand die Abgasnachbehandlungsvorrichtung annähernd senkrecht in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung annähernd waagerecht, vorzugsweise waagerecht in dem Motorraum und vorzugsweise – in Fahrtrichtung gesehen – hinter der Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist. Es ergibt sich so eine besonders kompakte Ausführung des Abgasnachbehandlungssystems. In der Abgasführung von der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung, die bevorzugt – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – stromabwärts der Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist, ergibt sich für den Abgasstrom eine Umlenkung um ungefähr 90°. Dies begünstigt ein energieverzehrendes Abknicken eines Abgasleitungselements, welches die Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung verbindet.
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Die Anordnung der Abgasnachbehandlungseinrichtung waagerecht in dem Motorraum und bevorzugt entlang einer Längserstreckung des Kraftfahrzeugs begünstigt eine Absorptionsenergieaufnahme durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung bei einem Frontalaufprall, insbesondere bei einem versetzten Frontalaufprall, wobei eine Krafthauptachse des Aufpralls mit der Längsachse der Abgasnachbehandlungseinrichtung fluchtet.
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Es wird auch ein Abgasnachbehandlungssystem bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – angeordnet ist. Besonders bevorzugt weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen Oxidationskatalysator auf oder ist als Oxidationskatalysator ausgebildet.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 geschaffen wird. Diese zeichnet sich durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele oder durch ein Abgasnachbehandlungssystem nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aus. Dabei verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung und dem Abgasnachbehandlungssystem erläutert wurden.
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Bevorzugt ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung an der Brennkraftmaschine befestigt und in Längsrichtung derselben ausgerichtet. Dies ist zum einen thermisch besonders günstig, zum anderen begünstigt die Ausrichtung der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Längsrichtung der Brennkraftmaschine deren Energieaufnahme durch Verformung bei einem Aufprall, insbesondere bei einem Frontalaufprall. Dies gilt ganz besonders dann, wenn die Brennkraftmaschine ihrerseits in ein Kraftfahrzeug in Längsrichtung eingebaut ist.
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Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung geodätisch unterhalb eines Abgasturboladers angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders kompakte Anordnung des gesamten Abgasnachbehandlungssystems an der Brennkraftmaschine möglich, wobei sich zugleich ein besonders günstiges Aufprallverhalten ergibt.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 geschaffen wird. Dieses zeichnet sich durch eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aus. Dabei verwirklichen sich die bereits beschriebenen Vorteile.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs ist die Brennkraftmaschine längs in einem Motorraum angeordnet, wobei sich zugleich auch die an der Brennkraftmaschine befestigte Abgasnachbehandlungseinrichtung in Längsrichtung und wenigstens annähernd waagerecht, vorzugsweise waagerecht erstreckt. Somit ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung insbesondere zur Energieaufnahme bei einem Frontalaufprall, insbesondere einem versetzten Frontalaufprall, besonders günstig angeordnet, wobei ihre Längsachse zumindest parallel zu einer Krafthauptachse im Aufprallfall angeordnet ist, wobei sie besonders bevorzugt mit der Krafthauptachse fluchtet. Somit greift quasi beim Aufprall die volle durch den Aufprall eingeleitete Kraft an dem Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Richtung von deren Längsachse an. in diesem Sinne wird also auch ein Kraftfahrzeug bevorzugt, bei welchem die Abgasnachbehandlungseinrichtung ungefähr waagerecht, vorzugsweise waagerecht und besonders bevorzugt in Längsrichtung ausgerichtet angeordnet ist.
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Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Personenkraftwagen ausgebildet. Dabei verwirklichen sich in besonders geeigneter Weise die Vorteile der Abgasnachbehandlungseinrichtung beziehungsweise des Abgasnachbehandlungssystems in Hinblick auf deren Aufprallverhalten.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Abgasnachbehandlungseinrichtung nach dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in unverformtem Zustand;
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3 das Ausführungsbeispiel gemäß 2 in verformtem Zustand, und
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4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Abgasnachbehandlungssystems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik. Dabei weist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 ein Gehäuse 3 auf, in dem wenigstens zwei Abgasnachbehandlungselemente angeordnet sind, nämlich ein erstes Abgasnachbehandlungselement 5, das hier als Partikelfilter, insbesondere als Dieselpartikelfilter, vorzugsweise mit einer SCR-Beschichtung, ausgebildet ist, und ein zweites Abgasnachbehandlungselement 7, welches hier als SCR-Katalysator ausgebildet ist. Das Gehäuse 3 ist einteilig ausgestaltet, wodurch sich seine Länge im Falle eines Aufpralls nahezu nicht reduziert, sodass die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 blockbildend wirkt. Die Abgasnachbehandlungselemente 5, 7 sind durch Matten 9, 11 von dem Gehäuse 3 beabstandet. Typischerweise weist das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 ein Keramiksubstrat, insbesondere ein Cordierit-Substrat auf, welches nicht oder kaum verformbar ist. Das erste Abgasnachbehandlungselement 5 weist bevorzugt ein Siliziumcarbid-Substrat auf. Damit weisen die beiden Abgasnachbehandlungselemente 5, 7 insgesamt eine ähnliche Steifigkeit auf, sodass es selbst dann, wenn sich das Gehäuse 3 – in der in 1 horizontalen Längsrichtung gesehen – verformen würde, nicht zu einer Stauchung eines der aufeinandertreffenden Abgasnachbehandlungselemente 5, 7 käme. Daher würden auch diese dann blockbildend wirken, und es könnte keine oder jedenfalls nur eine geringe Menge an Aufprallenergie absorbiert werden. Zudem reduziert sich die Länge der bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 beim Aufprall kaum, sodass es möglich ist, dass sie in einen Innenraum eines Kraftfahrzeugs eindringt oder andere Teile in den Innenraum verschiebt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 weist hier ein erstes Gehäuseteil 13 und ein zweites Gehäuseteil 15 auf. Das erste Abgasnachbehandlungselement 5, welches wiederum bevorzugt als Partikelfilter, insbesondere als Dieselpartikelfilter, besonders bevorzugt mit SCR-Beschichtung, ausgebildet ist, ist in dem ersten Gehäuseteil 13 angeordnet. Das zweite Abgasnachbehandlungselement 7, welches hier bevorzugt als SCR-Katalysator ausgebildet ist, ist in dem zweiten Gehäuseteil 15 angeordnet. Dabei ist das erste Gehäuseteil 13 bereichsweise, nämlich in einem Übergangsbereich 17, in dem zweiten Gehäuseteil 15 aufgenommen und geführt.
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Dadurch ist im Fall eines Aufpralls eine teleskopierbare Relativverlagerung der beiden Gehäuseteile 13, 15 – in Längsrichtung des Gehäuses 3 gesehen – möglich, sodass sich die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 verformen und insbesondere in Längsrichtung gestaucht werden kann. Dadurch wirkt sie nicht blockbildend und kann Aufprallenergie aufnehmen.
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In einem Endbereich 19 des zweiten Gehäuseteils 15, in dem das erste Gehäuseteil 13 aus dem zweiten Gehäuseteil 15 herausragt, sind die beiden Gehäuseteile 13, 15 vorzugsweise gasdicht miteinander verbunden. Insbesondere ist in dem Endbereich 19 bevorzugt eine Schweiß- oder Lötnaht vorgesehen. Es ist aber auch eine Schellenverbindung oder eine reibschlüssige Verbindung der Gehäuseteile 13, 15 möglich. Durch die Verbindung wird vorzugsweise eine Mindestkraft vorgegeben, oberhalb derer die Verbindung zerstört wird, sodass sich die beiden Gehäuseteile 13, 15 relativ zueinander verlagern können, wobei das erste Gehäuseteil 13 weiter in das zweite Gehäuseteil 15 hineinverlagert und die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 insgesamt gestaucht wird.
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Das erste Gehäuseteil 13 und das zweite Gehäuseteil 15 weisen jeweils einen Mantel 21, 23 auf, der bevorzugt aus Blech, insbesondere Metallblech, bevorzugt aus einem Dünnblechmaterial, besonders bevorzugt mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm, ausgebildet ist. Das erste Abgasnachbehandlungselement 5 ist von einer inneren Umfangsfläche 25 des Mantels 21 durch eine Matte 9 beabstandet, sodass sein Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Mantels 21.
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Dagegen ist das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 hier nicht in einer Matte gelagert, sondern liegt mit seiner äußeren Umfangsfläche 27 unmittelbar an einer inneren Umfangsfläche 29 des Mantels 23 an. Sein Außendurchmesser entspricht damit vorzugsweise im Wesentlichen, besonders bevorzugt genau, dem Innendurchmesser des Mantels 23. Im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Matte 11 vorgesehen ist, ist also der Außendurchmesser des zweiten Abgasnachbehandlungselements 7 bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß 2 vergrößert. Soll für eine gleiche Abgasnachbehandlungsleistung ein Volumen der zweiten Abgasnachbehandlungselemente 7 in den Ausführungen gemäß 1 einerseits und 2 andererseits gleich gehalten werden, ist es daher möglich, das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 in dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 2 – in Längsrichtung gesehen – kürzer auszubilden. Dadurch kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 insgesamt kürzer ausgebildet sein und schon allein deswegen eine geringere blockbildende Wirkung aufweisen, als dies bei der bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß 1 der Fall ist.
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Das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 gemäß 2 ist bevorzugt im Bereich seiner Anlage mit der äußeren Umfangsfläche 27 an der inneren Umfangsfläche 29 bereichsweise verlötet, wobei die Lötverbindung sich bevorzugt nicht über die gesamte Länge – in 2 in horizontaler Richtung gesehen – des zweiten Abgasnachbehandlungselements 7 erstreckt. Insbesondere sind bevorzugt Randbereiche von der Verlötung freigestellt. Es ist aber auch möglich, dass das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 entlang seiner gesamten Länge mit dem Mantel 23 verlötet ist. Über die Ausdehnung der Lötverbindung ist vorzugsweise eine Abreißkraft einstellbar, bei deren Überschreitung das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 von dem Mantel 23 gelöst, insbesondere abgerissen wird. Auf diese Weise kann zusätzlich Aufprallenergie aufgenommen werden.
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Während das erste Abgasnachbehandlungselement 5 bevorzugt ein Siliziumcarbid-Substrat aufweist, weist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 vorzugsweise ein Substrat auf, welches strukturierte Metallfolien umfasst, insbesondere ein Metalit®-Substrat. Bei einer solchen Kombination weist das Substrat des ersten Abgasnachbehandlungselements 5 eine höhere Steifigkeit auf als das Substrat des zweiten Abgasnachbehandlungselements 7. Daher wird im Falle eines Aufpralls, wenn das erste Abgasnachbehandlungselement 5 auf das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 gedrängt wird, das Substrat des zweiten Abgasnachbehandlungselements 7 durch das Substrat des ersten Abgasnachbehandlungselements 5 komprimiert, wobei durch diese Verformung weitere Aufprallenergie aufgenommen wird.
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Dies ist in 3 schematisch dargestellt. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. 3 zeigt die Situation nach einem Aufprall. Dabei ist die Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil 13 und dem zweiten Gehäuseteil 15 in dem Endbereich 19 gerissen, und das erste Gehäuseteil 13 ist in das zweite Gehäuseteil 15 hinein verlagert worden. Insgesamt ist so die Länge der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 und insbesondere des Gehäuses 3 durch teleskopierbare Relativbewegung der beiden Gehäuseteile 13, 15 relativ zueinander effektiv verkürzt worden. Das erste Abgasnachbehandlungselement 5 ist auf das zweite Abgasnachbehandlungselement 7 aufgeschoben, wodurch sich aufgrund der verschiedenen Steifigkeit der Substrate und insbesondere durch die Komprimierbarkeit des Substrats des zweiten Abgasnachbehandlungselements 7 dessen Verformung in Längsrichtung ergeben hat. Hierdurch ist weitere Aufprallenergie aufgenommen worden.
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Es ist auch bevorzugt möglich, dass beide Substrate der Abgasnachbehandlungselemente 13, 15 beim Aufprall zerstört werden, wodurch zusätzliche Aufprallenergie absorbiert wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Abgasnachbehandlungssystems 31, das die zuvor beschriebene, erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 aufweist. Außerdem ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 33 vorgesehen, die hier bevorzugt als Oxidationskatalysator, insbesondere als Dieseloxidationskatalysator, ausgebildet ist. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 33 ist mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 zur Durchleitung von Abgas fluidverbunden.
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Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 33 ist hier stromaufwärts – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – von der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 angeordnet. Das Abgasnachbehandlungssystem 31 weist hier einen ersten Verbindungsflansch 35 zur Verbindung mit einer von einer Brennkraftmaschine kommenden Abgasleitung auf, wobei der Verbindungsflansch 35 besonders bevorzugt zur Verbindung des Abgasnachbehandlungssystems 31 mit einem Austrittsflansch einer Turbine eines Abgasturboladers dient. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 33 ist mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 durch ein Verbindungsleitungselement 37 fluidverbunden. Stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 oder an dieser selbst ist ein zweiter Verbindungsflansch 39 angeordnet, welcher der Verbindung des Abgasnachbehandlungssystems 31 mit einer sich stromabwärts anschließenden Abgasverrohrung dient.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 33 und die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 im Wesentlichen senkrecht zueinander orientiert. Entsprechend wird das Abgas in dem Verbindungsleitungselement 37 um ungefähr 90° umgelenkt.
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Das Abgasnachbehandlungssystem 31 ist vorzugsweise direkt an einer Brennkraftmaschine befestigt, wobei es besonders bevorzugt in Längsrichtung der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist. Bevorzugt erstreckt sich in montiertem Zustand die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in Längsrichtung der Brennkraftmaschine, insbesondere dann, wenn diese in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs längs eingebaut ist.
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Somit zeigt sich, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 33 in montiertem Zustand an einem Kraftfahrzeug bevorzugt im Wesentlichen senkrecht orientiert ist, während die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 im Wesentlichen waagerecht orientiert ist, wobei sie sich vorzugsweise in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs erstreckt.
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Kommt es insbesondere zu einem seitlich versetzten Frontalaufprall, ist die Längsachse der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 daher bevorzugt parallel oder sogar fluchtend zur Krafthauptachse des Aufpralls angeordnet. Dadurch kann bei der Verformung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 besonders effektiv eine große Menge an Aufprallenergie aufgenommen werden.
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Damit zeigt sich insgesamt, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 und das Abgasnachbehandlungssystem 31 kompakt in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines Personenkraftwagens, angeordnet werden können, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 oberhalb eines kritischen Kraftniveaus definiert gestaucht wird, sodass sie nicht blockbildend wirkt und Aufprallenergie aufnimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012009940 A1 [0002]
