DE102017100787A1

DE102017100787A1 - Abgasnachbehandlungsbaugruppe und Verfahren zur Herstellung einer solchen Abgasnachbehandlungsbaugruppe

Info

Publication number: DE102017100787A1
Application number: DE102017100787.3A
Authority: DE
Inventors: Marcus Lücking; Alexander Almes
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2018-07-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsbaugruppe für einen Verbrennungsmotor mit einem Katalysator und einem stromabwärts des Katalysators angeordneten Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung), wobei stromabwärts des Katalysator und stromaufwärts des Partikelfilters ein Reduktionmittel in die Abgasnachbehandlungsbaugruppe eindosiert wird. Dabei wird das Abgas umgelenkt und durch einen Abgasmischer geleitet, welcher eine Mehrzahl von Flügeln aufweist und insbesondere als Fächerkranz ausgebildet ist, sodass sich das Reduktionsmittel mit dem Abgas vor Eintritt in den Partikelfilter bestmöglich vermischt.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Abgasnachbehandlungsbaugruppe, wobei der Katalysator, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator oder ein Dieseloxidationskatalysator, der Abgasmischer und der Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsbaugruppe zur Abgasnachbehandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors. Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sind im Allgemeinen aus 32,5% Harnstoff und 67,5% Wasser zusammen.
Um nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors die Katalysatoren auf eine Betriebstemperatur zu bringen, ist eine möglichst motornahe Anordnung der Katalysatoren wünschenswert. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da der Bauraum begrenzt ist. Daher werden SCR-Katalysatoren und Rußpartikelfilter oftmals in einer motorfernen Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Es sind motornahe SCR-Systeme bekannt, bei denen ein SCR-Katalysator und eine Rußpartikelfilter über einen Trichter verbunden sind. Durch die Trichtergeometrie wird versucht, den Gegendruck im Abgaskanal zu reduzieren, wodurch jedoch vergleichsweise viel Bauraum benötigt wird oder die Katalysatoren und/oder der Partikelfilter entsprechend kleinvolumig ausgeführt werden müssen, was eine häufige Regeneration erfordert und den Wirkungsgrad der Abgasreinigung aufgrund der kleinen Volumina begrenzt.
Aus der WO 2010/142647 A1 ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bekannt, bei der eine erste Abgasnachbehandlungseinheit in einem Gehäuse angeordnet ist und eine zweite, der ersten Abgasnachbehandlungseinheit vorgeschaltete, Abgasnachbehandlungseinrichtung in das Gehäuse mündet. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise, sodass die erste und die zweite Abgasnachbehandlungseinheit beide motornah angeordnet werden können.
Aus der EP 1 262 644 B1 ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem ein Partikelfilter und ein SCR-Katalysator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Baugruppe für eine motornahe Anordnung im Abgaskanal eines Dieselmotors geeignet ist. Durch die mehrfache Umlenkung in diesem Gehäuse ist jedoch ein Abströmen des Abgases negativ beeinflusst, wodurch sich ein erhöhter Abgasgegendruck im Abgaskanal und somit ein Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors einstellt.
Aus der WO 2005/016497 A1 ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bekannt, bei der in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal zuerst ein Oxidationskatalysator und stromabwärts des Oxidationskatalysators ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind.
Aus der EP 2 889 460 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal und einem im Abgaskanal angeordneten Abgasnachbehandlungssystem bekannt, wobei ein SCR-Katalysator und ein Dieselpartikelfilter motornah in kompakter Anordnung im Abgaskanal angeordnet sind, wobei das Gehäuse des Dieselpartikelfilters und das Gehäuse des SCR-Katalysators jeweils an dem Motorblock oder einem Gehäuse des Verbrennungsmotors abgestützt sind. Dabei sind in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal stromabwärts des Dieselpartikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Dosiersystem zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung und ein Abgasmischer angeordnet, wobei jedoch aufgrund der kurzen Mischstrecke und einem geraden Abgaskanalabschnitt nur eine begrenzte Durchmischung der Harnstofflösung mit dem Abgas des Verbrennungsmotors vor dem Eintreten in den SCR-Katalysator möglich ist.
Die EP 2 985 434 A1 beschreibt eine Abgasreinigungsvorrichtung für ein Nutzfahrzeug, mit einem Abgasstrang und einem in dem Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysator, bei der im Abgasstrang stromaufwärts des SCR-Katalysators eine Misch- und Umlenkeinrichtung angeordnet ist, mittels der ein in einen Abgasstrom eingeleitetes Additiv mit dem Abgasstrom vermischt wird. Dabei wird der Abgasstrom um 180° umgelenkt, wobei die Misch- und Umlenkeinrichtung ein U-förmiges Rohrbogenelement aufweist, mittels dem ein stromauf der Misch- und Umlenkeinrichtung angeordneter Abgasstrangteil und ein stromab der Misch- und Umlenkvorrichtung angeordneter Abgasstrangteil verbunden sind. Dabei ist das Ziel, eine Misch- und Umlenkvorrichtung bereitzustellen, welche sich fertigungstechnisch einfach herstellen lässt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungssystem vorzuschlagen, mit dem eine effektive Konvertierung schädlicher Abgaskomponenten möglich ist, welche motornah im Abgaskanal angeordnet werden kann und bei dem eine bestmögliche Gleichverteilung des eindosierten Reduktionsmittels auf kurzer Mischstrecke erreicht wird. Unter einer motornahen Position wird dabei ein mittlerer Abgaslaufweg von höchstens 50 cm, insbesondere von höchstens 30 cm nach dem Auslass des Verbrennungsmotors verstanden.
Die Aufgabe wird durch eine Abgasnachbehandlungsbaugruppe für einen Verbrennungsmotor zur Anordnung in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors, umfassend einen Katalysator und einen in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungsbaugruppe stromabwärts des Katalysators angeordneten Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden gelöst, wobei in der Abgasnachbehandlungsbaugruppe stromabwärts des Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters ein Abgasmischer und ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasnachbehandlungsbaugruppe angeordnet sind, wobei der Abgasmischer eine Mehrzahl von Flügeln aufweist, welche fächerförmig in dem Strömungsabschnitt zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter angeordnet sind. Dadurch kann eine Abgasnachbehandlungsbaugruppe klein und kompakt ausgeführt werden, sodass eine motornahe Anordnung mit dem Effekt eines schnellen Aufheizens der Komponenten gegeben ist. Zudem wird durch die Anordnung und Ausgestaltung des Abgasmischers mit fächerförmig angeordneten Flügeln und einer vorherigen Umlenkung auf kurzer Mischstrecke eine bestmögliche Durchmischung von Reduktionsmittel und Abgas erreicht, sodass das Reduktionsmittel bei Eintreten in den Partikelfilter mit der Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion bereits eine hohe Gleichverteilung über den Querschnitt des Abgaskanals erreicht hat und somit eine hohe Effizienz bei der Reduktion von Stickoxiden auf der SCR-wirksamen Oberfläche des Partikelfilters erreicht werden kann. Der Katalysator ist dabei vorzugsweise ein Diesel-Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors ausgebildet. Alternativ ist vorgesehen, dass der Katalysator ein Drei-Wege-Katalysator ist, wenn der Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgeführt ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungsbaugruppe möglich.
In einer bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flügel in einem Fächerkranz zusammengefasst und über mindestens ein gemeinsames Trägerelement verbunden sind. Durch ein Zusammenfassen der Flügel zu einem Fächerkranz über ein entsprechendes Trägerelement kann die Montage der Abgasnachbehandlungsbaugruppe deutlich vereinfacht werden. Somit ist es möglich, den Fächerkranz als Baugruppe vorzumontieren und in das Gehäuse der Abgasnachbehandlungsvorrichtung einzusetzen. Dadurch kann sowohl die Positionierung als auch die Befestigung der Flügel vereinfacht werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flügel mittels Schweißnähten mit dem Trägerelement und/oder mit dem Gehäuse des Katalysators stoffschlüssig verbunden sind. Dadurch kann auf einfache Weise eine thermisch stabile Verbindung der Flügel mit dem Trägerelement und/oder dem Gehäuse erreicht werden. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Flügel oder das die Flügel tragende Trägerelement mittels Schweißnähten mit dem Gehäuseabschnitt, welcher den Katalysator trägt, verbunden werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsbaugruppe ist vorgesehen, dass eine Austrittsfläche des Katalysators unmittelbar in den Abgasmischer mündet. Dadurch ist nicht nur eine sehr kompakte Bauweise der Abgasnachbehandlungsbaugruppe möglich, sondern auch eine definierte Anströmung des Abgasmischers und somit eine gezielte Strömungsführung in dem Abgaskanalsegment zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter, um eine bestmögliche Vermischung, Verdampfung und Gleichverteilung des eindosierten Reduktionsmittels zu erreichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgasmischer und der Katalysator in einem gemeinsamen Gehäuse, vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuseabschnitt angeordnet sind. Um die Montage der Abgasnachbehandlungsbaugruppe zu erleichtern, ist es sinnvoll, mehrere Komponenten der Abgasnachbehandlungsbaugruppe in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Katalysator und der Abgasmischer in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, da so der Bauraum optimal genutzt werden kann und zudem die Position des Abgasmischers relativ zum Katalysator reproduzierbar und genau erfolgen kann, um eine optimale Anströmung des Abgasmischers und somit eine bestmögliche Aufbereitung des eindosierten Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, zu ermöglichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsbaugruppe ist vorgesehen, dass die Flügel einen Fächerkranz ausbilden, welcher halbseitig offen ist. Durch einen halbseitig offenen Fächerkranz wird Platz für das Dosierelement zur Eindosierung des Reduktionsmittels geschaffen. Die Flügel überdecken zumindest teilweise die einzelnen Kanäle. Die resultierende Strömungsumlenkung erhöht die Verweildauer des Abgasmassenstroms bei moderatem Druckverlust. Die Flügel des Fächerkranzmischers dienen zudem als Verdampferflächen und vermeiden die direkte Beaufschlagung der Harnstofflösung auf dem Partikelfiltersubstrat. Ferner ist ein halbseitig offener Fächerkranz vergleichsweise einfach in einer Halterung zu montieren. Zudem bleibt durch einen halbseitig offenen Fächerkranz die Erhöhung des Strömungswiderstands verglichen mit anderen Mischerformen begrenzt, sodass es nicht zu einer erheblichen Erhöhung des Abgasgegendrucks und einem damit verbundenen Mehrverbrauch kommt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Flügel den Querschnitt des Abgaskanals in dem Abschnitt zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter vollständig überdecken. Unter einer vollständigen Überdeckung ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass eine Projektion der Flügel auf einer Projektionsfläche senkrecht zu dem Abgaskanalabschnitt, in dem die Flügel angeordnet sind dazu führt, dass die Projektionsfläche vollständig abgedeckt ist. Dadurch kann die Vermischung von dem Reduktionsmittel und dem durch die Abgasnachbehandlungsbaugruppe strömenden Abgas weiter verbessert werden.
Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass zumindest eine Teilmenge der Flügel eine Wellenform aufweist. Durch eine Wellenform kann die Strömung an den Flügeln geführt werden, ohne dass sie sich in diesem Bereich ablöst. Dadurch kann der Anstieg des Strömungswiderstandes gering gehalten und eine bestmögliche Strömungsführung erreicht werden, welche die Vermischung von dem Reduktionsmittel und dem Abgas unterstützt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter eine Umlenkung eines durch die Abgasnachbehandlungsbaugruppe geführten Abgasstroms um ca. 90° erfolgt. Durch eine Kombination von Umlenkung und einem im Bereich der Umlenkung angeordneten Abgasmischer kann die Effektivität der Aufbereitung des Reduktionsmittels weiter verbessert werden. Dabei erfolgt die Eindosierung des Reduktionsmittels vorzugsweise ebenfalls im Bereich der Umlenkung, um eine mit der Umlenkung verbundene Verwirbelung des Abgases für eine gute Durchmischung von Reduktionsmittel und Abgas zu nutzen. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Katalysator im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal durchströmt wird. Dabei ist der Katalysator vorzugsweise „stehend“ angeordnet und wird vorzugsweise im Wesentlichen in vertikaler Richtung, insbesondere von oben nach unten, durchströmt. Ein weiterer Vorteil der stehenden Kat-Anordnung ist die verbesserte Gleichverteilung vor dem Katalysator.
In der gezeigten Ausführung ist der Katalysator, insbesondere ein Diesel-Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, liegend und der Partikelfilter stehend angeordnet. Diese Anordnung bietet in bestimmten Anwendungen, bevorzugt bei hybridischem Anwendungsfall, Bauraumvorteile.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter im Wesentlichen parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal durchströmt wird. Dabei ist der Partikelfilter vorzugsweise „liegend“ angeordnet ist und wird vorzugsweise im Wesentlichen in horizontaler Richtung durchströmt. Dadurch ist eine besonders wirksame Einlagerung von Ruß im Partikelfilter möglich und für die Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden eine hinreichende Verweildauer im Partikelfilter gegeben, um eine effiziente Umsetzung der Stickoxide auf der Beschichtung zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Abgasnachbehandlungsbaugruppe stromabwärts des Partikelfilters eine erste Austrittsöffnung zum Anschluss einer Abgasanlage und eine zweite Austrittsöffnung zum Anschluss einer Abgasrückführung ausgebildet sind. Dadurch kann ein Anschluss für eine Abgasrückführung, insbesondere eine Niederdruck-Abgasrückführung, mit an der Abgasnachbehandlungsbaugruppe ausgebildet werden, wodurch sich die Montage des Abgastraktes erleichtert. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in oder an der zweiten Austrittsöffnung eine Aufnahme zur Aufnahme eines Filters für die Abgasrückführung ausgebildet ist. Um ein Eintreten von Partikeln in die Brennräume zu vermeiden, kann es trotz der vorgeschlagenen Anordnung von Katalysator und Partikelfilter notwendig sein, dass das rückgeführte Abgas nochmals gefiltert wird. Darüber hinaus kann durch die Aufnahme auf einfache Art und Weise ein zusätzlicher Filter für die Abgasrückführung in der Abgasnachbehandlungsbaugruppe aufgenommen werden, wodurch die Montage eines zusätzlichen Filters außerhalb der Baugruppe entfallen kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Abgasnachbehandlungsbaugruppe für einen Verbrennungsmotor, wobei ein Katalysator, ein Partikelfilter und ein Abgasmischer in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden, wobei in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors durch das Gehäuse dem Katalysator ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Beschichtung von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) nachgeschaltet ist, sowie mit einem Abgasmischer, welcher stromabwärts des Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist, wobei an einem Abgaskanalsegment stromaufwärts des Partikelfilters ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasnachbehandlungsbaugruppe angeordnet wird, wobei der Abgasmischer eine Mehrzahl von Flügeln aufweist, welche fächerförmig in dem Strömungsabschnitt zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter angeordnet werden. Dadurch kann auf einfache Weise eine Abgasnachbehandlungsbaugruppe hergestellt werden, welche die wesentlichen Komponenten zur Abgasnachbehandlung des Abgases eines Dieselmotors umfasst, wobei die Abgasnachbehandlungsbaugruppe aufgrund ihres kompakten Designs motornah angeordnet und somit in kurzer Zeit nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasmischer mit einer Mantelfläche eines Gehäuses oder eines Gehäuseabschnitts des Katalysators verschweißt wird. Durch eine Schweißverbindung entsteht eine thermisch stabile, stoffschlüssige Verbindung, die den Belastungen im Alltagsbetrieb eines Verbrennungsmotors standhält und fertigungstechnisch vergleichsweise kostengünstig umgesetzt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse der Abgasnachbehandlungsbaugruppe einen erste Gehäuseabschnitt, in dem der Katalysator und der Abgasmischer angeordnet werden, und einen zweiten Gehäuseabschnitt, in dem der Partikelfilter angeordnet wird, aufweisen, wobei der erste Gehäuseabschnitt und der zweite Gehäuseabschnitt über eine Steckverbindung miteinander verbindbar sind. Eine Ausführung mit einem zweiteiligen Gehäuse, dessen beide Gehäuseabschnitte mit einer Steckverbindung zueinander ausgerichtet werden, lässt sich vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellen. Durch die Teilung im Gehäuse wird die Montage der Abgasnachbehandlungsbaugruppe vereinfacht, da der Bauraum zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter zur Montage des Abgasmischers deutlich einfacher zugänglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Gehäuse der Abgasnachbehandlungsbaugruppe einen ersten Gehäuseabschnitt und einen zweiten Gehäuseabschnitt aufweist, wobei der erste Gehäuseabschnitt und der zweite Gehäuseabschnitt mittels eines Schweißverfahrens stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Durch eine Schweißverbindung können die Gehäuseabschnitte dauerhaft miteinander verbunden werden, wobei die Gehäuseabschnitte vorzugsweise durch eine im vorherigen Abschnitt beschriebene Steckverbindung zueinander ausgerichtet werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage und einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsbaugruppe,
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsbaugruppe, wobei der Katalysator liegend und der Partikelfilter stehend angeordnet ist.
3 einen Fächerkranz eines Abgasmischers einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsbaugruppe, und
4 einen ersten Gehäuseabschnitt eines Gehäuses einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsbaugruppe in einer Schnittdarstellung.

1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10, vorzugsweise einen selbstzündenden Verbrennungsmotor, mit einem Ansaugkanal 78, welcher mit einem Einlass 80 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist und mit einem Abgaskanal 12, welcher sich an einen Auslass 82 des Verbrennungsmotors 10 anschließt. In dem Abgaskanal 12 ist eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 angeordnet, welche einen im Abgaskanal 12 angeordneten Katalysator 14, 28, 30 und einen in Strömungsrichtung eines Abgases stromabwärts des Katalysators 14, 28, 30 angeordneten Partikelfilter 16 mit einer Beschichtung 22 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) aufweist. Im Abgaskanal 12 ist ferner zwischen dem Auslass 82 des Verbrennungsmotors 10 und der Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 die Turbine 86 mindestens eines Abgasturboladers 36 angeordnet, welche einen Verdichter 84 des Abgasturboladers 36 im Ansaugkanal 78 antreibt. Der Katalysator 14, 28, 30 und der Partikelfilter 16 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 32 angeordnet. Dabei ist der Katalysator 14 vorzugsweise als Dieseloxidationskatalysator 28 oder als NOx-Speicherkatalysator 30 ausgebildet. Alternativ kann der Katalysator 14 auch als sonstiger Katalysator, insbesondere als Drei-Wege-Katalysator, ausgebildet sein. Zwischen dem Katalysator 14 und dem Partikelfilter 16 ist ein Abgasmischer 18 angeordnet, welcher ein mittels eines Dosierelements 24 in den Abgaskanal 12 eindosiertes Reduktionsmittel 26 vor dem Eintritt in den Partikelfilter 16 gleichmäßig über den Querschnitt des Abgaskanals 12 verteilt und somit eine bestmögliche Verdunstung des zudosierten Reduktionsmittels 26 zur Reduktion der im Abgas vorhandenen Stickoxide ermöglicht. Der Abgasmischer 18 umfasst mehrere, fächerförmig über den Querschnitt des Abgaskanals 12 verteilte Flügel 46, welche zu einem Fächerkranz 42 zusammengefasst sind. Das Dosierelement 24 wird von einem Dosiermodul 58 mit einem Reduktionsmittel 26, vorzugsweise mit wässriger Harnstofflösung, versorgt, welches in einem Vorratsbehälter 60 bevorratet ist.
Stromabwärts des Partikelfilters 16 ist an dem Abgasnachbehandlungsmodul 20 eine Niederdruck-Abgasrückführung 38 vorgesehen, welche den Abgaskanal 12 mit dem Ansaugkanal 78 verbindet. Parallel zu der Niederdruck-Abgasrückführung 38 ist eine weiterführende Abgasanlage 72 vorgesehen, welche die Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 über einen nicht dargestellten Endschalldämpfer mit der Umgebung verbindet. In dem weiterführenden Abgaskanal 38 können ein weiterer Katalysator 76 und/oder ein weiterer Filter vorgesehen sein.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 dargestellt. Ein Katalysator 14, 28, 30 wird dabei in einer ersten Strömungsrichtung durchströmt, wobei die Strömung an einer Umlenkecke 90 um ca. 90° umgelenkt wird und der Partikelfilter 16 mit der Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden senkrecht zu dem Katalysator 14, 28, 30 durchströmt wird. Der Katalysator 14, 28, 30 wird in Zeichnungsdarstellung ausgehend von einer Eintrittsöffnung 34 der Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 von links nach rechts durchströmt, wobei die Strömungsrichtung des Abgases durch Pfeile dargestellt ist. Der Katalysator 14 ist dabei vorzugsweise als NOx-Speicherkatalysator 30 oder als Diesel-Oxidationskatalysator 28 ausgebildet. Stromab des Katalysators 14, 28, 30 erfolgt an der Umlenkecke 90 eine Umlenkung des Abgasstroms um ca. 90°, wobei durch das Dosierelement 24 Reduktionsmittel 26 im Bereich der Umlenkecke 90 in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 eindosiert wird. Eine Austrittsfläche 52 des Katalysators 24 mündet dabei unmittelbar in den Abgasmischer 18. Der Abgasmischer 18 ist als halbseitig offener Fächerkranz 42 ausgebildet, wodurch sich an der Gehäusewand im Bereich des Dosierelements 24 eine Zwischenkammer ergibt, in welche das Reduktionsmittel 26 eindosiert wird. Durch die Umlenkung des Abgasstroms an der Umlenkecke 90 und dem Durchströmen der Flügel 46 des Fächerkranzes 42 wird auf einer sehr kurzen Wegstrecke eine gute Durchmischung von Reduktionsmittel 26 und dem heißen Abgas des Verbrennungsmotors 10 erreicht, wodurch das Reduktionsmittel 26 gleichmäßig im Abgasstrom verteilt wird. Die Flügel 46 des Fächerkranzes 42 sind dabei mittels Schweißnähten mit dem Gehäuse 32 der Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 oder mit einem in 3 dargestellten Trägerelement 48 verbunden, sodass der Fächerkranz 42 einstückig ausgeführt und somit besonders einfach in das Gehäuse 32 eingesetzt werden kann. Der Partikelfilter 16 wird in einer Strömungsrichtung durchströmt, welche senkrecht zu der Strömungsrichtung durch den Katalysator 14, 28, 30 verläuft, wodurch die besonders kompakte Bauform der vorgeschlagenen Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 erreicht wird. Der Katalysator 14, 28, 30, der Abgasmischer 18 und der Partikelfilter 16 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 32 angeordnet, wobei eine Umlenkung des Abgases innerhalb des Gehäuses 32 durch die Gehäusewand und/oder den Fächerkranz 42 des Abgasmischers 18 erfolgt. Das Gehäuse 32 ist vorzugsweise als zweiteiliges Gehäuse 32 mit einem ersten Gehäuseabschnitt 62 und einem zweiten Gehäuseabschnitt 64 ausgebildet und kann eine Halterung 88 zur Befestigung aufweisen. Dabei sind in dem ersten Gehäuseabschnitt 62 der Katalysator 14, 28, 30, das Dosierelement 24 sowie der Abgasmischer 18 angeordnet. In dem zweiten Gehäuseabschnitt 64 ist der Partikelfilter 16 mit der SCR-wirksamen Beschichtung 22 angeordnet. Dabei befindet sich unmittelbar stromaufwärts des Partikelfilters 16 ein Übergangstrichter 56, welcher den Strömungsquerschnitt vergrößert und somit als Diffusor wirkt, um die Vermischung von Reduktionsmittel 25 mit dem Abgas vor dem Eintritt in den Partikelfilter 16 zu verbessern. Der Übergangstrichter 56 ist vorzugsweise als ein mehrschaliges Blechschalenelement ausgebildet, welches sich kostengünstig herstellen lässt und den Einsatz zusätzlicher Isolationsmaßnahmen ermöglich. Der erste Gehäuseabschnitt 62 und der zweite Gehäuseabschnitt 64 können vorzugsweise mittels einer Steckverbindung in der Montage miteinander verbunden werden, um die beiden Gehäuseabschnitte 62, 64 für einen nachfolgenden Schweißprozess zueinander zu positionieren. Dabei werden die beiden Gehäuseabschnitte 62, 64 mittels einer Schweißnaht 68 stoffschlüssig miteinander verbunden, sodass kein Abgas unkontrolliert aus der Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 austreten kann.
An dem Gehäuse 32 der Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 sind eine erste Anschlussöffnung 40 in Form einer Eintrittsöffnung 34, und zwei weitere Anschlussöffnungen 50, 70 vorgesehen, wobei eine zweite Anschlussöffnung 70 zum Anschluss einer Leitung der Niederdruck-Abgasrückführung 38 und eine dritte Anschlussöffnung 50 zum Anschluss der weiterführenden Abgasanlage 72 ausgebildet ist. An der zweiten Anschlussöffnung 70 ist eine Aufnahme 74 zur Aufnahme eines Filters 40 für die Abgasrückführung 38 vorgesehen, um keine weiteren Bauteile zu benötigen und diese Funktionalität mit in die vorgeschlagene Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 integrieren zu können. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsbaugruppe ist, dass der gesamte Raum in dem Gehäuse 32 zwischen dem Katalysator 14, 28, 30 und dem Partikelfilter 16 genutzt wird, wodurch eine hohe Entdrosselung erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich so bei Kraftfahrzeugen mit quer eingebautem Verbrennungsmotor 10 motornah große Volumina beim Katalysator 14, 28, 30 und beim Partikelfilter 16 integrieren lassen, wodurch die Anzahl der notwendigen Regenerationszyklen reduziert und der Wirkungsgrad der Abgasreinigung gesteigert werden kann. Das Abgas tritt durch die Eintrittsöffnung 34 in die Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 ein und durchströmt dort zunächst den Katalysator 14, 28, 30, insbesondere einen NOx-Speicherkatalysator 30. Der NOx-Speicherkatalysator 30 umfasst zusätzlich einen Oxidationskatalysator, in dem insbesondere Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) aufoxidiert wird, jedoch auch andere Abgaskomponenten weiter oxidiert werden können. Stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 30 wird ein Reduktionsmittel durch das Dosierelement 24 in das Gehäuse 32 eindosiert. Der Partikelfilter 16 mit der Beschichtung 22 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ermöglicht es, mit dem durch die wässrige Harnstofflösung bereitgestellten Ammoniak, Stickstoffoxide zu molekularem Stickstoff zu reduzieren und Rußpartikel aus dem Abgas herauszufiltern. Ein Teilstrom des Abgases wird über die zweite Austrittsöffnung 70 der Niederdruck-Abgasrückführung 38 zugeführt, wobei das Abgas nochmals durch einen Filter 40 am Ausgang der Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 gereinigt wird. Ein Hauptstrom des Abgases wird aus dem Gehäuse 32 der Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 dem weiterführenden Abgaskanal 72 zugeführt.
In 4 ist der erste Gehäuseabschnitt 62 der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsbaugruppe 20 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Dabei ist gut zu erkennen, dass sich der Fächerkranz 42 des Abgasmischers 18 unmittelbar an die Austrittsfläche 52 des Katalysators 14, 28, 30 anschließt und der Fächerkranz 42 in der Umlenkecke 90 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Abgaskanal
14: Katalysator
16: Partikelfilter
18: Abgasmischer
20: Abgasnachbehandlungsbaugruppe
22: SCR-wirksame Beschichtung
24: Dosierelement
26: Reduktionsmittel
28: Oxidationskatalysator
30: NOx-Speicherkatalysator
32: Gehäuse
34: Eintrittsöffnung
36: Abgasturbolader
38: Abgasrückführung
40: Filter für Abgasrückführung
42: Fächerkranz
44: Schweißnaht
46: Flügel
48: Trägerelement
50: erste Austrittsöffnung (der Abgasbaugruppe)
52: Austrittsfläche (des Katalysators)
54: Zwischenkammer
56: Übergangstrichter
58: Dosiereinheit
60: Reduktionsmittelbehälter
62: erster Gehäuseabschnitt
64: zweiter Gehäuseabschnitt
66: Steckverbindung
68: Schweißnaht
70: zweite Austrittsöffnung
72: weiterführender Abgaskanal
74: Aufnahme
76: weitere Komponenten zur Abgasnachbehandlung
78: Ansaugtrakt
80: Einlass
82: Auslass
84: Verdichter
86: Turbine
88: Halterung
90: Umlenkecke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/142647 A1 [0003]
EP 1262644 B1 [0004]
WO 2005/016497 A1 [0005]
EP 2889460 A1 [0006]
EP 2985434 A1 [0007]

Claims

Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) für einen Verbrennungsmotor (10) zur Anordnung in einem Abgaskanal (12) des Verbrennungsmotors, umfassend einen Katalysator (14) und einen in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) stromabwärts des Katalysators (14) angeordneten Partikelfilter (16) mit einer Beschichtung (22) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung), sowie einen Abgasmischer (18) welcher stromabwärts des Katalysators (14) und stromaufwärts des Partikelfilters (16) angeordnet ist, sowie ein Dosierelement (24) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels (26) in die Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) stromaufwärts des Partikelfilters (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmischer (18) eine Mehrzahl von Flügeln (46) aufweist, welcher fächerförmig in dem Strömungsabschnitt zwischen dem Katalysator (14) und dem Partikelfilter (16) angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (46) in einem Fächerkranz (42) zusammengefasst und über mindestens ein gemeinsames Trägerelement (48) verbunden sind.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (46) mittels Schweißnähten (44) mit dem Trägerelement (48) und/oder mit dem Gehäuse (32) des Katalysators (14) stoffschlüssig verbunden sind.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austrittsfläche (52) des Katalysators (14) unmittelbar in den Abgasmischer (18) mündet.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmischer (18) und der Katalysator (14) in einem gemeinsamen Gehäuse (32) oder einem gemeinsamen Gehäuseabschnitt (62) angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (46) einen Fächerkranz (42) ausbilden, welcher halbseitig offen ist.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel den Querschnitt des Abgaskanals (12) in dem Abschnitt zwischen dem Katalysator (14) und dem Partikelfilter (16) vollständig überdecken.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilmenge der Flügel (46) eine Wellenform aufweist.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Katalysator (14) und dem Partikelfilter (16) eine Umlenkung eines durch die Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) geführten Abgasstroms um ca. 90° erfolgt.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) stromabwärts des Partikelfilters (16) eine erste Austrittsöffnung (50) zum Anschluss einer Abgasanlage (72) und eine zweite Austrittöffnung (70) zum Anschluss einer Abgasrückführung (38) aufweist.
Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an der zweiten Austrittsöffnung (70) eine Aufnahme (74) zur Aufnahme eines Filters (40) für die Abgasrückführung (38) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) für einen Verbrennungsmotor (10), wobei ein Katalysator (14) und ein in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) dem Katalysator (14) nachgeschalteter Partikelfilter (16) mit einer Beschichtung (22) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung), sowie ein Abgasmischer (18), welcher stromabwärts des Katalysators (14) und stromaufwärts des Partikelfilters (16) angeordnet ist, in einem gemeinsamen Gehäuse (32) angeordnet werden, wobei an einem Abgaskanalsegment der Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) stromaufwärts des Partikelfilters (16) ein Dosierelement (24) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels (26) in die Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmischer (18) eine Mehrzahl von Flügeln (46) aufweist, welche fächerförmig in dem Strömungsabschnitt zwischen dem Katalysator (14) und dem Partikelfilter (16) angeordnet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmischer (18) mit einer Mantelfläche eines Gehäuses (32) oder eines Gehäuseabschnitts (62) des Katalysators (14) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (32) der Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) einen ersten Gehäuseabschnitt (62), in dem der Katalysator (24) und der Abgasmischer (18) angeordnet werden, und einen zweiten Gehäuseabschnitt (64), in dem der Partikelfilter (16) angeordnet wird, aufweisen, wobei der erste Gehäuseabschnitt (62) und der zweite Gehäuseabschnitt (64) über eine Steckbindung (66) miteinander verbindbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (32) der Abgasnachbehandlungsbaugruppe (20) einen erste Gehäuseabschnitt (62) und einen zweiten Gehäuseabschnitt (64) aufweist, wobei der erste Gehäuseabschnitt (62) und der zweite Gehäuseabschnitt (64) mittels eines Schweißverfahrens stoffschlüssig miteinander verbunden werden.