DE102015122096B4

DE102015122096B4 - Abgasreinigungseinheit für Ottomotor

Info

Publication number: DE102015122096B4
Application number: DE102015122096.2A
Authority: DE
Inventors: Philipp Kreutziger; Günter Palmer; Frank Terres
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: DE102015122096A1

Abstract

Abgasreinigungseinheit (10) für eine Hauptabgasleitung (2.1) einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum (2.2) zur chemischen und/oder physikalischen Reinigung eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine (2) zwecks Abgabe des Abgases in die Umgebung, mit mindestens einer ersten Reinigungskomponente (1, 1', 1i), wobei die jeweilige Reinigungskomponente (1, 1', 1i) mindestens einen in einem Gehäuse (1.6, 1.6', 1.6i) gelagerten Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1i) aufweist, der von dem Abgas durchströmbar ist und der die Reinigung des Abgases bewirkt, wobei der Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1i) der Reinigungskomponente (1, 1', 1i) ein geometrisches Volumen V_fil aufweist und alle Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1 i) aller Reinigungskomponenten (1, 1', 1i) der Abgasreinigungseinheit (10) zusammen ein geometrisches Volumen Vg aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass für das geometrische Volumen Vg gilt: Vg <= Vmax, mit 0,4 Vh <= Vmax <= 0,8 Vh, wobei die Reinigungskomponente (1) mindestens einen Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1i) aufweist, der als Partikelfilterkörper ausgebildet ist, und dass keine weitere Reinigungskomponente vorgesehen ist, wobei für das Volumen V_fil gilt: V_fil = Vg.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungseinheit für eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum zur chemischen und/oder physikalischen Reinigung des gesamten Abgases der Verbrennungskraftmaschine, das an die Umgebung abgegeben werden soll, mit einer oder mehreren getrennt angeordneten Reinigungskomponenten, wobei jede jeweilige Reinigungskomponente mindestens einen in einem Gehäuse gelagerten ein- oder mehrteiligen Substratkörper aufweist, der von dem Abgas durchströmbar ist und der die Reinigung des Abgases bewirkt, wobei der mindestens eine Substratkörper der mindestens einen Reinigungskomponente ein geometrisches Volumen V_fil aufweist und alle Substratkörper der Reinigungskomponente(n) der Abgasreinigungseinheit zusammen ein geometrisches Volumen Vg aufweisen.
Es ist eine Hauptabgasleitung vorgesehen, durch die das Abgas vom Auslasskrümmer zum Mittel- oder Endschalldämpfer geführt und von wo es in die Umgebung abgegeben wird. Die Hauptabgasleitung kann auch aus mehreren parallel wirkenden Abgasleitungen gebildet sein, die zusammen die Hauptabgasleitung bilden. Ergänzend kann mindestens eine Abgasrückführleitung vorgesehen sein, die jedoch das Abgas nicht zum Mittel- oder Endschalldämpfer, mithin nicht in die Umgebung führt und somit kein Teil der Hauptabgasleitung ist.
Bei einer Kolbenbrennmaschine wie einem Ottomotor oder anderen fremdgezündeten Motoren wird als Hubraum der Teil des Brennraums bezeichnet, dessen Größe durch die Bewegung des Kolbens verändert wird.
Es ist bereits ein Partikelfilter für einen Ottomotor aus der DE 10 2010 051 659 A1 bekannt. Dieser ist zusammen mit einem stromauf platzierten Katalysatorelement in einem Abgasgehäuse in der Hauptabgasleitung angeordnet. Während der Katalysator ein von Abgas zu füllendes Volumen der Ein- und Ausströmungskanäle von maximal 50 % des Hubraums des Ottomotors hat, weist der Partikelfilter ein von Abgas zu füllendes Volumen der Ein- und Auslasskanäle auf, das mindestens dem Hubraum des Ottomotors entspricht. Das geometrische Volumen des Filters ist somit noch größer. Der Partikelfilter und das Katalysatorelement sind baulich getrennt, aber unmittelbar nacheinander geschaltet. Der Partikelfilter weist eine Filterschicht auf und kann ebenfalls innerhalb der Auslasskanäle mit einem Katalysator-Coating ausgestattet sein.
Aus der DE 10 2010 017 487 A1 ist die Kombination eines Katalysators mit einem nachgeschalteten unbeschichteten Partikelfilter beschrieben. Der Partikelfilter weist dabei ein Verhältnis von Höhe zu Durchmesser auf, das kleiner als 0,2 ist, so dass der Durchflusswiderstand möglichst gering ist.
Aus der DE 10 2010 055 147 A1 ist ein 4-Wege-Katalysator für einen Ottomotor bekannt, der als Partikelfilter mit unterschiedlichen katalytischen Beschichtungen (Wash-Coats) ausgebildet ist. Der 4-Wege-Katalysator ist entweder alleine im Abgasstrang vorgesehen oder in Kombination mit einem 3-Wege-Katalysator. Im Fall der Kombination ist entweder dem 4-Wege-Katalysator ein kleiner motornaher 3-Wege-Katalysator vorgeschaltet oder dem 3-Wege-Katalysator ist ein kleiner motornaher 4-Wege-Katalysator vorgeschaltet.
DE 199 21 263 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem als Wabenkörper ausgebildeten Katalysator mit einem Volumen, das um den Faktor 0,6 kleiner ist als der Hubraum. Der Wabenkörper weist frei durchströmbare Kanäle, mithin keinerlei Filterwirkung auf.
DE 20 2004 021 782 U1 beschreibt einen Partikelfilter für einen Dieselmotor. Der Fachmann würde die Lehre eines Dieselmotors nicht auf einen Ottomotor anwenden, weil einerseits die Abgasreinigungskomponenten unterschiedliche Größe und Funktionalität haben und andererseits auch die Betriebsbedingungen grundsätzlich verschiedene sind.
WO 2004/007920 A1 beschreibt einen Ottomotor mit einem Katalysatorsystem, das ein Volumen aufweist, das kleiner ist als 0,8 mal das Motorvolumen.
DE 201 17 873 U1 beschreibt einen Filterkörper, der zusammen mit einem Oxidationskatalysator und einem katalytischen Konverter die Reinigungskomponenten einer Abgasanlage bilden. Nach DE 201 17 873 U1 ist das Volumen des Filterkörpers kleiner als das Hubraumvolumen.
Die nachveröffentlichte DE 10 2015 108 224 A1 beschreibt ein Abgasrückführsystem für einen Ottomotor mit einem Hauptkatalysator und mit einem Partikelfilter, wobei der Partikelfilter ein Volumen Vf aufweist, mit 0,1 Vm <= Vf <= 0,5 Vm.
DE 10 2008 040 646 A1 zeigt eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für Ottomotoren bei der im Vorkatalysator zusätzlich noch ein Partikelfilter integriert ist. Dabei wird das Volumen des kombinierten Vorkatalysators und des Partikelfilters auf 0,5 mal den Hubraum der Brennkraftmaschine begrenzt.
Als Partikelfilter werden Filter bezeichnet, die Feinstaub aus dem Abgasstrom bis zu einer Größe von 25 nm, vorzugsweise bis 10 nm filtern. Andere Filter als die genannten Feinstaubfilter, die beispielsweise im Zusammenhang mit einer Abgasrückführung genannt werden, dienen nur zum Filtern von Grobschmutz. Dies alleine zum Schutz des Motors, des Verdichters oder in Ausnahmefällen auch der Turbine.
Substratkörper weisen mehrere vom Abgas durchströmbare Ein- und Ausströmkanäle auf und sind aus einem mehr oder weniger porösen Material gebildet. Das geometrische Volumen Vg eines Substratkörpers ist durch die Außenabmessungen des Substratkörpers definiert und entspricht somit dem Außen- bzw. Gesamtvolumen des Substratkörpers. Als Teil dieses geometrischen Volumens Vg ist das Volumen Vk der Ein- und Ausströmkanäle zu nennen. Dies entspricht der Summe der Volumina der vom Abgas durchströmbaren Ein- und Ausströmkanäle. Die Differenz zwischen dem geometrischen Außenvolumen Vg des Filters und dem Volumen Vk entspricht dem Brutto-Volumen Vp des Substratkörpers, mithin dem Volumen aller Wände mit den darin enthaltenen Zellen. Wenn auf der Kanalwand eine Beschichtung wie beispielsweise ein Washcoat mit einer katalytisch wirkenden Komponente aufgebracht ist, so ist das Volumen Vk der Kanäle des Partikelfilters entsprechend verringert. Die Struktur einer solchen Beschichtung ist im Gegenteil zu der Geometrie der Kanäle eines unbeschichteten Partikelfilters unbestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigungseinheit für einen Ottomotor bzw. eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine derart auszubilden und anzuordnen, dass einerseits eine ausreichende Reinigungsleistung gewährleistet ist und dass andererseits die Abgastemperatur insbesondere bei kaltem und warmlaufendem Motor nicht nachteilig beeinflusst wird.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass für das geometrische Volumen Vg gilt: Vg <= Vmax, mit 0,4 Vh <= Vmax <= 0,8 Vh oder Vmax = 0,5 Vh oder Vmax = 0,6 Vh oder Vmax = 0,7 Vh, wobei die mindestens eine Reinigungskomponente mindestens einen Substratkörper aufweist, der als Partikelfilterkörper ausgebildet ist und dass keine weitere Reinigungskomponente vorgesehen ist, mithin die Hauptabgasleitung frei von weiteren Reinigungskomponenten ist, wobei für das Volumen V_fil gilt: V_fil = Vg. Als untere Grenze für das Volumen Vg ist aus heutiger Sicht 0,1 Vh bis 0,2 Vh anzunehmen.
Eine übliche Größe für einen Partikelfilter ist nach DE 10 2010 051 659 A1 und in Bezug auf das Volumen der Ein- und Ausströmkanäle etwa der Hubraum des Ottomotors. Diese Größe wurde bis dato für Ottomotoren als notwendig und hinreichend angesehen.
Es hat sich gezeigt, dass eine Abgasreinigungseinheit bzw. ein Partikelfilter für Feinstaub in der erfindungsgemäßen Größe für Ottomotoren eine ausreichende Speicherkapazität und Filtrationsleistung aufweist. Durch die erfindungsgemäße Größe ist zudem ein sehr schnelles Aufheizen möglich. Die Wirksamkeit eines nachgeschalteten Katalysators wird schon kurze Zeit nach dem Kaltstart gewährleistet. Darüber hinaus werden Bauraum, Gewicht und Material eingespart.
Der Partikelfilter ist dabei die einzige Reinigungskomponente der Abgasreinigungseinheit. Weitere Reinigungskomponenten sind nicht unbedingt notwendig, insbesondere bei Gewährleistung einer möglichst optimalen Verbrennung des Ottomotors.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn der Substratkörper der mindestens einen Reinigungskomponente zumindest teilweise mit einer 3-Wege-Katalysatorbeschichtung oder einer Oxidations-Katalysatorbeschichtung versehen ist. Die Katalysatorbeschichtung kann auch nur auf einem Teil des Partikelfiltersubstrats aufgebracht sein, wie beispielsweise am Anfang stromauf oder stromab. Mit der Anwendung eines Partikelfilters bzw. eines sogenannten Wall-Flow-Filters mit Wanddurchströmung geht die Bereitstellung einer größeren umströmbaren Oberfläche einher, die mit dem Abgas in Kontakt tritt. Demzufolge ist die Interaktion der Gasmoleküle mit der edelmetallhaltigen Katalysatorbeschichtung bei einem beschichteten Partikelfilter größer als bei einem herkömmlichen Katalysatorsubstrat. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Katalysator, bei dem Moleküle nicht zwangsläufig mit der Wand der Katalysatorsubstrat-Kanäle in Berührung kommen, ist die Wahrscheinlichkeit der chemischen Reaktion beim Wanddurchtritt, mithin die Diffusion durch das Filtersubstrat bei einem Partikelfilter deutlich größer. Dies gewährleistet eine größere chemische Umsetzung der Schadstoffe. Dies wiederum gewährleistet eine größere chemische Ankopplung insgesamt.
Bei Einsatz eines beschichteten Filtersubstrats werden die Filterreinigung und gleichzeitig die katalytische Reinigung erreicht. Eine weitere Reinigungskomponente mit unterschiedlicher bzw. abweichender chemischer und/oder physikalischer Reinigungswirkung ist bei einem Ottomotor mit fettem oder stöchiometrischem Kraftstoff-Luftverhältnis nicht notwendig. Denn ergänzend zu einem Partikelfilter ist je nach Güte der Verbrennung nur einen 3-Wege-Katalysator notwendig, durch den CO und HC oxidiert und NOx reduziert wird.
Etwas anders sieht es bei einem mager betriebenen Ottomotor aus. Anstatt des 3-Wege-Katalysators kann hierbei ein SCR-Katalysator, ggf. in Kombination mit einem Oxidationskatalysator, notwendig sein. Der SCR-Katalysator dient der Umsetzung der Harnstofflösung und der Reduktion von NOx. Der Oxidationskatalysator kann notwendig sein, um HC, CO oder überschüssigen Harnstoff zu oxidieren.
Durch die größere chemische Ankopplung bzw. den intensiven Stoffaustausch infolge der Wanddurchströmung beim Partikelfilter im Vergleich zu einer herkömmlichen Komponente mit einer Katalysatorbeschichtung kann der beschichtete Partikelfilter erfindungsgemäß kleiner ausgebildet sein als eine herkömmliche Komponente.
Jedoch ist das Light-off-Verhalten eines Wall-Flow-Filters im Vergleich zu einer herkömmlichen Komponente schlechter, da beim 3-Wege-Katalysator eine ausreichend hohe Temperatur der Oberfläche der Katalysatorkanäle ausreicht, um die Katalysatorwirkung zu erreichen. Beim Partikelfilter hingegen wird durch den Wanddurchtritt das gesamte Substrat erwärmt. Eine Temperaturerhöhung der innen liegenden Wandbereiche findet daher langsamer statt, so dass nur ein geringer Teil der katalytisch wirksamen Oberfläche ausreichend schnell erwärmt wird.
Die erfindungsgemäße Baugröße wiederum wirkt diesem etwas nachteiligen Aufwärmverhalten entgegen. Aufgrund der kleineren Baugröße wird eine schnelle Erwärmung insgesamt erreicht.
Die Katalysatorwirkung wird vollständig durch die erfindungsgemäße Abgasreinigungseinheit erreicht. Auf ein gesondertes Katalysatorelement stromab der Abgasreinigungseinheit kann somit verzichtet werden.
Wenn das Partikelfiltersubstrat eine reine Filterfunktion gewährleisten soll, ist dieses frei von einer Katalysatorbeschichtung.
Sollten die genannten Vorteile bei der Verbrennung nicht erreichbar sein, kann es ergänzend vorteilhaft sein, wenn mindestens eine weitere Reinigungskomponente vorgesehen ist mit mindestens einem weiteren Substratkörper oder zumindest ein weiterer Substratkörper in der mindestens einen Reinigungskomponente vorgesehen ist, und dass der mindestens eine weitere Substratkörper eine 3-Wege-Katalysatorbeschichtung oder eine Oxidations-Katalysatorbeschichtung aufweist und der mindestens eine weitere Substratkörper ein Volumen V_kat aufweist, wobei für das Volumen Vg gilt: Vg = V_fil + V_kat. Das Volumen V_kat bezieht sich bei Vorliegen mehrerer weiterer Substratkörper auf das geometrische Volumen aller weiteren Substratkörper. Es liegt zwar ergänzend zum Partikelfilter eine weitere Reinigungskomponente vor. Das erfindungsgemäße geometrische Volumen der Abgasreinigungseinheit verbleibt aber bei der genannten maximalen Größe. Mit dem schnellen Aufheizen des kleinvolumigen Partikelfilters einher geht eine frühzeitige Selbstregeneration desselben, bei der die gefilterten Rußpartikel verbrannt werden. Im nachgeschalteten Katalysator werden mitgeführtes Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) bzw. überschüssiger Harnstoff oxidiert. Gleichzeitig werden im Fall einer 3-Wege-Beschichtung Stickoxide reduziert.
Die Reinigungskomponente kann dabei keramisch oder metallisch ausgebildet sein, beispielsweise ein Wall-Flow-Filter aus Keramik bzw. ein Wire-Mesh-Filter aus Metall oder aus Sintermetall.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Substratkörper, der als Partikelfilterkörper ausgebildet ist, eine Porosität P aufweist mit 45 % <= P <= 80 % oder 52 % <= P <= 58 % oder 54 % <= P <= 56 %. Die Porosität muss ausreichend groß ausgebildet sein, um einen überhöhten Druckverlust der Abgase beim Wanddurchtritt zu vermeiden. Die Porosität muss zudem klein genug sein, um für Ottomotoren die gewünschte Filterleistung und die Stabilität des Substratkörpers zu erreichen. Zudem wirkt sich die anspruchsgemäße Porosität positiv auf das Aufwärmverhalten auf.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Abgasanlage für eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum mit mindestens einer Hauptabgasleitung, wobei in der Hauptabgasleitung eine Abgasreinigungseinheit der vorstehend genannten Art enthalten ist.
Die Hauptabgasleitung kann auch geteilt sein in mehrere parallel verlaufende Hauptabgasleitungsstränge wie bspw. bei Motoren mit mehreren Zylinderbänken. Mithin ist vorzugsweise in jedem Hauptabgasleitungsstrang mindestens eine Reinigungskomponente vorgesehen.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn mehrere parallel geschaltete Hauptabgasleitungen mit je mindestens einer Reinigungskomponente mit jeweils einem Volumen Vi in der mindestens einen Hauptabgasleitung vorgesehen sind, wobei die Summe aller Volumina Vi kleiner oder gleich Vk ist. Das erfindungsgemäße Gesamtvolumen gilt auch für mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Reinigungskomponenten in verschiedenen Teilen der Hauptabgasleitung. In Betracht kommen mithin alle Reinigungskomponenten, über die Abgas in die weitere Abgasanlage und von dort unmittelbar in die Umgebung geleitet wird.
Vorteilhafterweise kann es vorgesehen sein, wenn stromauf der Hauptabgasleitung ein Krümmer mit einer an eine Verbrennungskraftmaschine zumindest mittelbar anlegbaren Dichtungsfläche vorgesehen ist und die Hauptabgasleitung

a) mit mindestens einer Abgasturbine ausgestattet ist, wobei die Abgasturbine und die Reinigungskomponente einen Abstand aT aufweisen, mit 50 cm <= aT <= 70 mm, vorzugsweise aT = 30 cm, 35 cm, 40 cm, 45 cm, 50 cm oder 55 cm;
b) ohne Abgasturbine ausgebildet ist, wobei die Dichtungsfläche und die Reinigungskomponente einen Abstand aD aufweisen,

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn eine Abgasrückführleitung vorgesehen ist, in der ein weiterer Partikelfilter mit einem geometrischen Volumen V4 vorgesehen ist. Somit kann auch das rückgeführte Abgas entsprechend gereinigt werden.
Vorteilhaft kann es hierzu sein, wenn der weitere Partikelfilter eine 3-Wege-Katalysatorbeschichtung aufweist. Somit kann das zurückgeführte Abgas ebenfalls katalytisch gereinigt werden.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine mit einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum mit einer Abgasanlage wie vorgehend beschrieben. Die fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine bzw. der Ottomotor können dabei wie bisher üblich mit fettem oder stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben werden, wobei ein Partikelfilter und ein 3-Wege-Katalysator Anwendung finden. Alternativ ist auch ein Magerbetrieb möglich, bei dem ein SCR-Katalysator und ein Oxidationskatalysator Anwendung finden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

1 eine Prinzipskizze einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Hauptabgasleitung und einer Reinigungskomponente;
2 eine Prinzipskizze einer Verbrennungskraftmaschine mit mehrteiliger Hauptabgasleitung;
3 eine Prinzipskizze eines Substratkörpers im Querschnitt;
4 eine Prinzipskizze eines Substratkörpers;
5 eine Prinzipskizze nach 3 mit verschiedenen Reinigungskomponenten;
6 eine Prinzipskizze mit einem Gehäuse.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine 2 mit mehreren Zylindern 2.2, die gemeinsam einen Hubraum Vh aufweisen. An die Verbrennungskraftmaschine 2 schließt eine Abgasanlage 5 an. Die Abgasanlage 5 weist eine Hauptabgasleitung 2.1, die über einen Krümmer 2.3 an nicht weiter dargestellte Auslässe der Verbrennungskraftmaschine 2 angeschlossen ist. Der Krümmer 2.3 weist eine Dichtungsfläche 2.5 auf, die über eine Dichtung 2.6 gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine 2 anliegt. Innerhalb der Hauptabgasleitung 2.1 ist eine Reinigungskomponente 1 vorgesehen, die über ein Gehäuse 1.6 an die Hauptabgasleitung 2.1 angebunden ist und über die das Abgas gefiltert wird. Die Reinigungskomponente 1 weist einen Substratkörper 1.1 auf, der als Partikelfilterkörper ausgebildet ist und das geometrische Volumen V_fil besitzt. Zudem ist der eine Substratkörper 1.1 mit einer 3-Wege-Katalysatorbeschichtung versehen. Das Volumen V_fil entspricht bei Anwendung eines einzigen Substratkörpers 1.1 und einer Reinigungskomponente 1 für eine Abgasreinigungseinheit 10 dem geometrischen Gesamtvolumen Vg mit Vg <= 0,6 Vh.
Innerhalb der Hauptabgasleitung 2.1 ist stromab des Krümmers 2.3 eine Abgasturbine 3 angeordnet, wobei stromab der Abgasturbine 3 eine Abgasrückführleitung 2.4 vorgesehen ist, über die Abgas auf nicht weiter dargestelltem Wege der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführt wird. Innerhalb der Abgasrückführleitung 2.4 ist ein weiterer Partikelfilter 4 vorgesehen, der ein geometrisches Volumen V4 aufweist, welches deutlich kleiner ist als das geometrische Volumen V_fil des Partikelfilters 1 bzw. dessen Substratkörpers 1.1.
Stromab der Abgasturbine 3 ist mit einem Abstand aT von ca. 60 cm der Partikelfilter 1 platziert.
In der Ausführungsform gemäß 2 weist die Abgasanlage 5 eine erste Hauptabgasleitung 2.1 und mindestens eine parallel geschaltete weitere Hauptabgasleitung 2.1 i auf, die jeweils über einen Krümmer 2.3, 2.3i an nicht weiter dargestellte Auslässe der Verbrennungskraftmaschine 2 angeschlossen sind. Der jeweilige Krümmer 2.3, 2.3i weist eine Dichtungsfläche 2.5, 2.5i auf, die über eine Dichtung 2.6, 2.6i gegen einen nicht weiter dargestellten Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine 2 anliegt. Innerhalb der jeweiligen Hauptabgasleitung 2.1, 2.1 i ist eine Reinigungskomponente 1, 1i vorgesehen, über die das Abgas gefiltert wird. Die jeweilige Reinigungskomponente 1, 1i weist ebenfalls einen Substratkörper 1.1, 1.1 i auf, der als Partikelfilterkörper ausgebildet ist und jeweils ein geometrische Volumen Vi besitzt. Die Summe aller Volumina Vi der verschiedenen Partikelfilter 1, 1i beträgt Vg, welches wiederum etwa dem 0,6-fachen Volumen Vh des Zylinders 2.2, mithin dem 0,6-fachen Hubraum Vh der Verbrennungskraftmaschine 2 entspricht. Zudem ist der jeweilige Substratkörper 1.1, 1.1 i mit einer 3-Wege-Katalysatorbeschichtung versehen. Zwischen der jeweiligen Dichtungsfläche 2.5, 2.5i und dem jeweiligen Partikelfilter 1, 1i besteht ein Abstand aD von ca. 80 cm.
Ein nach 3 dargestellter Partikelfilter 1 weist ein nicht weiter dargestelltes Gehäuse 1.6 auf, in dem ein Substratkörper 1.1 bzw. ein Substrat mit einer porösen Struktur 1.4 enthalten ist, wobei die Porosität P einen Wert von etwa P = 56 % aufweist. Der Substratkörper 1.1 weist mehrere Einströmkanäle 1.2 auf, über die ein Abgasstrom G gemäß 1 von der linken Seite eintritt. Zusätzlich sind mehrere Ausströmkanäle 1.5 vorgesehen, über die der Abgasstrom G gemäß 1 auf der rechten Seite wieder austritt. Die Einströmkanäle 1.2 und die Ausströmkanäle 1.5 sind durch eine Kanalwand 1.3 jeweils voneinander getrennt. Die jeweilige Kanalwand 1.3 bildet dabei den eigentlichen Filterkörper und ist gebildet aus der porösen Struktur 1.4 des Substrats 1.1. Die Einströmkanäle 1.2 sind endseitig über Verschlussböden 1.7 geschlossen, wohingegen die Ausströmkanäle 1.5 stromauf über Verschlussböden 1.7 geschlossen sind, so dass das Abgas wie vorgehend ausgeführt über die Einströmkanäle 1.2 einströmt, durch die jeweilige Kanalwand 1.3 diffundiert, um dann gefiltert über den jeweiligen Ausströmkanal 1.5 den Partikelfilter 1 wieder zu verlassen. Der in 3 dargestellte Zoomausschnitt zeigt ein Teilstück einer Kanalwand 1.3 mit der porösen Substratstruktur 1.4 und dem Gehäuse 1.6. Die 3-Wege-Katalysatorbeschichtung ist auf bzw. in die poröse Struktur 1.4 aufgebracht und nicht gesondert dargestellt.
Die Einströmkanäle 1.2 sowie die Ausströmkanäle 1.5 weisen zusammen ein Kanalvolumen Vk auf, wohingegen der Substratkörper 1.1 im Allgemeinen ein geometrisches Volumen V aufweist. Das geometrische Volumen V wird im Wesentlichen durch die äußeren Abmaße des Substratkörpers 1.1 gemäß 4, mithin als Produkt der Grundfläche A und seiner Länge L gebildet. Die Differenz zwischen dem geometrischen Volumen V und dem Kanalvolumen Vk ist nicht näher spezifiziert und stellt im Wesentlichen das Volumen der Kanalwände 1.3 inklusive des Volumens der verschiedenen Verschlussböden 1.7 dar.
4 zeigt den Substratkörper 1.1 in seiner Grundgeometrie mit einer Stirnfläche A und einer Länge L, wobei das Produkt aus Stirnfläche A und Länge L das geometrische Volumen Vg des Substratkörpers 1.1 darstellt.
Die Ausführungsform gemäß 5 entspricht dem Aufbau nach 1. Innerhalb der Hauptabgasleitung 2.1 sind jedoch zwei Reinigungskomponenten 1, 1' in Reihe vorgesehen, die jeweils über ein Gehäuse 1.6, 1.6' an die Hauptabgasleitung 2.1 angebunden sind. Während die Reinigungskomponente 1 einen Substratkörper 1.1 aufweist, der als Partikelfilterkörper ausgebildet ist und das geometrische Volumen V_fil besitzt, ist ein Substratkörper 1.1' als Katalysator mit einem geometrischen Volumen V_kat ausgebildet. Beide Reinigungskomponenten 1, 1' weisen zusammen das geometrische Volumen Vg auf. Der Abstand aT zur Abgasturbine 3 bemisst sich nach der stromauf platzierten Reinigungskomponente 1. Entsprechendes gilt für den Abstand aD im Falle einer Hauptabgasleitung 2.1 ohne Abgasturbine wie nach 2 beschrieben.
Für einen Ottomotor, der mit einem fetten oder stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis betrieben wird, kann der Substratkörper 1.1 als reiner Partikelfilter ohne katalytische Beschichtung ausgebildet sein, wobei der nachgeschaltete Substratkörper 1.1' mit einer 3-Wege-Katalysatorbeschichtung versehen ist.
Bei einem mager betriebenen Ottomotor weist der Substratkörper 1.1 eine SCR-Katalysatorbeschichtung auf, während der Substratkörper 1.1' eine Oxidations-Katalysatorbeschichtung besitzt.
Nach Ausführungsform 6 sind innerhalb des einen Gehäuses 1.6 zwei Substratkörper 1.1, 1.1' hintereinander angeordnet, wobei es sich bei dem Substratkörper 1.1 um den Partikelfilterkörper handelt, der je nach Anwendung eine SCR-Katalysatorbeschichtung aufweisen kann. Der nachgeordnete Substratkörper 1.1' wiederum weist eine 3-Wege-Katalysatorbeschichtung oder eine Oxidations-Katalysatorbeschichtung auf.
Während es sich nach Ausführungsform 2 um Substratkörper 1.1 i mit gleicher chemischer und/oder physikalischer Reinigungswirkung handelt, handelt es sich nach den Ausführungsformen 5 und 6 um Substratkörper 1.1, 1.1' mit unterschiedlicher chemischer und/oder physikalischer Reinigungswirkung.
Bezugszeichenliste

1: Reinigungskomponente, Partikelfilter
1': weitere Reinigungskomponente, Katalysator
1i: Reinigungskomponente, Anzahl i
1.1: Substratkörper, Substrat
1.1': Substratkörper, Substrat
1.1i: Substratkörper, Substrat
1.2: Kanal, Einströmkanal
1.3: Wand, Kanalwand
1.4: poröse Struktur
1.5: Kanal, Ausströmkanal
1.6: Gehäuse
1.6': Gehäuse
1.6i: Gehäuse
1.7: Verschlussboden
2: Verbrennungskraftmaschine
2.1: Hauptabgasleitung
2.1i: Hauptabgasleitung
2.2: Zylinder mit Hubraum
2.3: Krümmer
2.3i: Krümmer
2.4: Abgasrückführleitung
2.5: Dichtungsfläche
2.5i: Dichtungsfläche
2.6: Dichtung
2.6i: Dichtung
3: Abgasturbine
4: Partikelfilter der AGR-Leitung
5: Abgasanlage
10: Abgasreinigungseinheit
A: Stirnfläche, Fläche von 1.1
aD: Abstand zwischen 2.3 und 1.6
aT: Abstand zwischen 3 und 1.6
G: Abgasstrom
L: Länge von 1.1
P: Porosität von 1.3
V_fil: geometrisches Volumen des Substratkörpers
Vg: geometrisches Volumen aller Substratkörper
Vh: Hubraum von Zylinder
Vi: geometrisches Volumen der einzelnen Substratkörper i
Vk: Volumen der Kanäle
V_kat: geometrisches Volumen des Substratkörpers
V4: geometrisches Volumen von 4

Claims

Abgasreinigungseinheit (10) für eine Hauptabgasleitung (2.1) einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum (2.2) zur chemischen und/oder physikalischen Reinigung eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine (2) zwecks Abgabe des Abgases in die Umgebung, mit mindestens einer ersten Reinigungskomponente (1, 1', 1i), wobei die jeweilige Reinigungskomponente (1, 1', 1i) mindestens einen in einem Gehäuse (1.6, 1.6', 1.6i) gelagerten Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1i) aufweist, der von dem Abgas durchströmbar ist und der die Reinigung des Abgases bewirkt, wobei der Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1i) der Reinigungskomponente (1, 1', 1i) ein geometrisches Volumen V_fil aufweist und alle Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1 i) aller Reinigungskomponenten (1, 1', 1i) der Abgasreinigungseinheit (10) zusammen ein geometrisches Volumen Vg aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass für das geometrische Volumen Vg gilt: Vg <= Vmax, mit 0,4 Vh <= Vmax <= 0,8 Vh, wobei die Reinigungskomponente (1) mindestens einen Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1i) aufweist, der als Partikelfilterkörper ausgebildet ist, und dass keine weitere Reinigungskomponente vorgesehen ist, wobei für das Volumen V_fil gilt: V_fil = Vg.
Abgasreinigungseinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratkörper (1.1, 1.1') der mindestens einen Reinigungskomponente (1, 1') zumindest teilweise mit einer SCR-Katalysatorbeschichtung versehen Katalysatorbeschichtung oder einer ist.
Abgasreinigungseinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratkörper (1.1, 1.1', 1.1 i), der als Partikelfilterkörper ausgebildet ist, eine Porosität P aufweist mit 45 % <= P <= 80 % oder 52 % <= P <= 58 % oder 54 % <= P <= 56 %.
Abgasanlage (5) für eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine (2) mit mindestens einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum (2.2) und mit mindestens einer Hauptabgasleitung (2.1), in der eine Abgasreinigungseinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 integriert ist.
Abgasanlage (5) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel geschaltete Hauptabgasleitungen (2.1,2.1i) mit je einer Reinigungskomponente (1i) mit jeweils mindestens einem Substratkörper (1.1i) mit einem Volumen Vi vorgesehen sind, wobei die Summe aller Volumina Vi kleiner oder gleich Vg ist.
Abgasanlage (5) nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Hauptabgasleitung (2.1) ein Krümmer (2.3) mit einer an die Verbrennungskraftmaschine (2) anlegbaren Dichtungsfläche (2.5) vorgesehen ist und die Hauptabgasleitung (2.1) a) mit mindestens einer Abgasturbine (3) ausgestattet ist, wobei die Abgasturbine (3) und die Reinigungskomponente (1) einen Abstand aT aufweisen, mit 50 cm <= aT <= 70 mm; b) ohne Abgasturbine ausgebildet ist, wobei die Dichtungsfläche (2.5) und die Reinigungskomponente (1i) einen Abstand aD aufweisen, mit 60 <= aD <= 105 cm.
Abgasanlage (5) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführleitung (2.4) vorgesehen ist, in der ein Partikelfilter (4) mit einem geometrischen Volumen V4 vorgesehen ist.
Abgasanlage (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (4) eine 3-Wege-Katalysatorbeschichtung aufweist.
Fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum (2.2) mit einer Abgasreinigungseinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder mit einer Abgasanlage (5) nach einem der Ansprüche 4 bis 8.