DE102017205696A1

DE102017205696A1 - Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102017205696A1
Application number: DE102017205696.7A
Authority: DE
Inventors: Onur Ulas Car; Janet Schlothauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welches einen Abgaskanal, eine Partikelfilter und eine stromabwärts eines Filterkörpers des Partikelfilters aus dem Abgaskanal abzweigende Niederdruck-Abgasrückführung umfasst. Der Partikelfilter weist ein Gehäuse auf, welches sich stromabwärts des Filterkörpers in Form eines ersten Trichters verjüngt, wobei der erste Trichter sich in einen zweiten Trichter und einen dritten Trichter verzweigt, wobei der zweite Trichter vorzugsweise eine ovale Einlassgeometrie und eine runde Auslassgeometrie aufweist und mit einem Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung verbunden ist. Dabei ist an dem Einlass des zweiten Trichters ein Filterelement angeordnet.
Es ist vorgesehen, dass ein Partikelfilter des Abgasnachbehandlungssystems einen trichterförmigen Auslass aufweist, welcher sich in einen ersten Trichter und einen zweiten Trichter verzweigt. Dabei ist an einem Einlass des Trichters, der mit der Niederdruck-Abgasrückführung verbunden ist, ein Stützgitter ausgebildet, welches eine Filterscheibe trägt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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 oder NOx-Speicherkatalysator, 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 sich im Allgemeinen aus 32,5% Harnstoff und 67,5% Wasser zusammen.
Um nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors die Abgasnachbehandlungskomponenten auf die benötigte Betriebstemperatur zu bringen, ist eine möglichst motornahe Anordnung der Abgasnachbehandlungskomponenten wünschenswert. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da der Bauraum begrenzt ist. Daher werden der SCR-Katalysator und/oder der Rußpartikelfilter oftmals in einer motorfernen Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Es sind motornahe SCR-Systeme bekannt, bei denen ein SCR-Katalysator und ein 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. Ferner sind aus dem Stand der Technik Abgasnachbehandlungssysteme mit einem motornahen Oxidationskatalysator und einem motornahen Partikelfilter bekannt. Zur weiteren Reduktion der Stickoxidemissionen ist bei Verbrennungsmotoren, welche mittels eines Abgasturboladers aufgeladen sind, eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen, welche stromabwärts der Turbine aus dem Abgaskanal abzweigt und in den Ansaugtrakt stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers mündet.
Dabei besteht ein Zielkonflikt aus einer möglichst motornahen Anordnung der Abgasnachbehandlungskomponenten und einer möglichst strömungsgünstigen Niederdruckabgasrückführung. Dabei ist insbesondere das Abgasvolumen, welches über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführt werden kann und welches zur Minderung der NOx-Emissionen bei der Verbrennung dient, durch den Abgasgegendruck in der Niederdruck-Abgasrückführung limitiert.
Aus der DE 10 2006 050 052 A1 ist eine Gehäuseschale für einen Abgasfilter bekannt. Die Gehäuseschale weist einen Boden und eine quer zum Boden verlaufende Umfangswand auf, welche einstückig aus einem Blech gebildet sind. Dabei mündet ein Anschlussstutzen für einen Abgaskanal in die Umfangswand. Der aus der DE 10 2006 050 052 bekannte Abgasfilter ist topfförmig oder trichterförmig ausgebildet, und liegt nach Art eines Filters für Filterkaffee an der Umfangswand und/oder dem Boden an beziehungsweise wird durch den Boden und/oder die Umfangswand gestützt. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass sie einen vergleichsweise hohen Bauraumbedarf aufweist und somit insbesondere für kleine Abgaskanäle, insbesondere eine Abgasrückführung nur bedingt geeignet sind, da sie den Strömungswiderstand erhöhen und somit des Einströmen von Abgas in den Abgasrückführungskanal der Abgasrückführung erschweren.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Strömungswiderstand beim Einströmen des Abgases in die Niederdruck-Abgasrückführung zu reduzieren und somit den Abgasgegendruck in dem Abgasnachbehandlungssystem des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Dabei soll bei einem kompakten und Bauraum sparenden Abgasnachbehandlungssystem insbesondere das Einströmen von Abgas aus dem Abgaskanal in die Niederdruck-Abgasrückführung erleichtert werden.
Die Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem gelöst, welches mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei das Abgassystem einen Abgaskanal aufweist, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal eine Turbine eines Abgasturboladers und stromabwärts der Turbine ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei der Partikelfilter einen Filterkörper aufweist, wobei der Partikelfilter ein Gehäuse aufweist, welches stromabwärts des Filterkörpers konisch in Form eines Ausgangstrichters zuläuft, wobei sich der Ausgangstrichter in einen zweiten Trichter und einen dritten Trichter verzweigt, wobei der zweite Trichter mit einer Niederdruck-Abgasrückführung und der dritte Trichter mit einem Hauptkanal des Abgassystems verbunden ist, und wobei der zweite Trichter an seinem Einlass ein Filterelement trägt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Filterelements kann der Strömungswiderstand beim Einströmen des Abgases in eine Niederdruck-Abgasrückführung des Verbrennungsmotors verringert werden und somit das Einströmen in die Niederdruck-Abgasrückführung erleichtert werden. Dadurch kann ein größerer Volumenstrom an Abgas zurückgeführt werden, wodurch auf vorteilhafte Weise die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verbessert und insbesondere die Stickoxid-Emissionen verringert werden können. Insbesondere kann durch die Ausgestaltung des Ausgangstrichters und des zweiten Trichters die Anströmung des Filterelements verbessert werden, sodass Umlenkverluste und Strömungsverluste durch die Vermeidung einer Strömungsablösung gering gehalten werden können.
Das Filterelement verhindert ein Eindringen von Partikeln und sonstigen Verbrennungsrückständen über die Niederdruck-Abgasrückführung auf das Verdichterrad des Abgasturboladers und in die Brennräume des Verbrennungsmotors und verhindert insbesondere auch eine Versottung des Abgasrückführungskanals und/oder die Fehlfunktion eines in dem Abgasrückführungskanal angeordneten Abgasrückführungsventils. Zusätzlich kann an dem Filterelement ein Tröpfchenabscheider ausgebildet sein, um das Eindringen von flüssigen Abgasbestandteilen, insbesondere von Reduktionsmittel zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, in die Niederdruck-Abgasrückführung zu vermeiden.
Der Verbrennungsmotor ist vorzugsweise als selbstzündender Verbrennungsmotor nach dem Diesel-Prinzip ausgeführt, wobei der erste Katalysator ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator ist und der Partikelfilter als Diesel-Partikelfilter (DPF) ausgestaltet ist. Alternativ kann der Verbrennungsmotor auch als fremdgezündeter Verbrennungsmotor nach dem Otto-Prinzip ausgeführt sein, wobei der erste Katalysator vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator und der Partikelfilter als Otto-Partikelfilter (OPF) ausgeführt ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Filterelement in Form einer Filterscheibe ausgebildet ist. Unter einer Filterscheibe ist in diesem Zusammenhang ein scheibenförmiger Filter zu verstehen, welcher in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Filter eine maximale Ausdehnung von 15 mm, vorzugsweise von maximal 10mm aufweist. Durch eine Filterscheibe kann zum einen ein Filterelement mit geringem Bauraumbedarf an dem Einlass angeordnet werden, zum anderen kann die Erhöhung des Strömungswiderstands durch die geringe Materialstärke der Filterscheibe begrenzt werden. Dabei kann durch den Trichter der Einströmquerschnitt am Einlass so groß gestaltet werden, dass trotz der Filterscheibe der Abgasgegendruck im Abgaskanal nur geringfügig erhöht wird.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Trichter an seinem Einlass ein Stützgitter aufweist, welches das Filterelement, insbesondere die Filterscheibe, trägt. Durch ein Stützgitter, insbesondere ein metallisches Stützgitter, kann das Filterelement, insbesondere die Filterscheibe, in der Position am Einlass des zweiten Trichters gehalten und unterstützt werden. Dadurch wird die Gefahr eines Abrutschens des Filterelements, insbesondere die Gefahr eines Eindringens einer sich lösenden Filterscheibe in die Niederdruck-Abgasrückführung, gebannt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der zweite Trichter an seinem Einlass eine ovale Einlassgeometrie aufweist. Durch einen ovalen Querschnitt kann die Fläche des Einlasses gegenüber einer runden Geometrie vergrößert werden, sodass mehr Abgas in den Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung einströmen kann. Zudem kann durch die ovale Geometrie ein Verdrehen des Filterelements verhindert werden.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der zweite Trichter an seinem Einlass eine runde oder polygonförmige, insbesondere ein dreieckige, viereckige, fünfeckig, sechseckige oder achteckige, Einlassgeometrie aufweist. Durch eine polygone Einlassgeometrie kann ebenfalls ein Verdrehen des Filterelements verhindert werden. Dabei kann durch die polygone Einlassgeometrie zudem die Einlassfläche gegenüber einer runden Einlassfläche vergrößert werden. Durch eine runde Einlassgeometrie lässt sich eine besonders einfache und kostengünstige Variante des zweiten Trichters darstellen.
Bevorzugt ist dabei, wenn das Filterelement in seiner Form an die Geometrie des Einlasses des zweiten Trichters angepasst ist. Durch eine Anpassung des Filterelements an die Geometrie des Einlasses kann verhindert werden, dass Partikel oder Verunreinigungen an dem Filterelement vorbei in den zweiten Trichter eindringen. Bevorzugt ist das Filterelement über den Einlass des zweiten Trichters gespannt oder durch diesen im Randbereich fixiert, um ein Lösen des Filterelements zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Filterelement eine Eintrittsfläche von 3000 mm² bis 5000 mm² aufweist. Durch eine Eintrittsfläche von mindestens 3000 mm² kann hinreichend viel Abgas über die Niederdruck-Abgasrückführung in die Brennräume des Verbrennungsmotors zurückgeführt werden, um die Stickoxid-Emissionen des Verbrennungsmotors zu verringern. Dabei sorgt eine Eintrittsfläche von mindestens 3000 mm² dafür, dass der Strömungswiderstand beim Einströmen in den zweiten Trichter gering bleibt. Die Eintrittsfläche sollte jedoch 5000 mm² nicht übersteigen, da der zweite Trichter sonst zu groß wird und weniger Abgas durch den dritten Trichter über den Hauptkanal in Richtung Endrohr geleitet wird.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ovale Einlassgeometrie eine Länge von 60 mm bis 200 mm und eine Breite von 30 mm bis 100 mm aufweist. Besonders bevorzugt sind eine Länge von 100 mm - 120 mm und eine Breite von 60 mm - 75 mm. Durch eine Länge von 60 mm bis 200 mm und eine Breite von 30 mm bis 100mm kann eine entsprechende Eintrittsfläche von 3000 mm² bis 5000 mm² realisiert werden. Dabei liegt das Verhältnis von Länge zu Breite bevorzugt in einem Bereich von 1,5 bis 2, um bei einem ovalen Trichter ein bestmögliches Verhältnis von Eintrittsfläche zu Umfang zu erreichen und den Strömungswiderstand gering zu halten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einlass des zweiten Trichters einen Abstand D von dem Filterkörper des Partikelfilters von 10 mm bis 200 mm aufweist. Besonders bevorzugt ist ein Abstand von 20 mm bis 30 mm von dem Ende des Partikelfilters. Das Filterelement ist von dem Filterkörper des Partikelfilters beabstandet, um ein Einströmen von Abgas, welches durch den Filterkörper gereinigt wurde, zu begünstigen. Dabei stellt ein Abstand von 10 mm bis 200 mm, insbesondere von 20 mm bis 30 mm einen guten Kompromiss zwischen Raumausnutzung und Erhöhung des Abgasgegendrucks durch das Filterelement dar. Zusätzlich kann das Filterelement während der Regeneration des Partikelfilters von angelagertem Ruß (durch Rußschlupf des Partikelfilters) regeneriert werden.
Durch die Lage wird eine relativ gleichmäßige Anströmung erreicht, die einen gleichmäßigen Abbrand des Rußes über den gesamten Querschnitt gewährleistet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einlass des zweiten Trichters gegenüber einer Mittelachse des Partikelfilters einen Neigungswinkel von 0° bis 90° aufweist. Besonders bevorzugt ist ein Neigungswinkel von 20° bis 30° zwischen dem Einlass des zweiten Trichters und der Mittelachse des Partikelfilters. Um ein Einströmen in den zweiten Trichter und den dritten Trichter zu begünstigen, ist es vorteilhaft, wenn insbesondere der zweite Trichter leicht zu einer Mittelachse des Partikelfilters geneigt ist. Dabei sollte die Umlenkung gering ausfallen, um den Strömungswiderstand gering zu halten. Ein Neigungswinkel von 20° bis 30° stellt hier einen guten Kompromiss dar. Alternativ sind auch Neigungswinkel zwischen 0° und 90° möglich, wenn dies aus Bauraumgründen nicht anders möglich ist. Zusätzlich kann das Filterelement während der Regeneration des Partikelfilters von angelagertem Ruß (durch Rußschlupf des Partikelfilters) regeneriert werden. Durch die Lage wird eine relativ gleichmäßige Anströmung erreicht, die einen gleichmäßigen Abbrand des Rußes über den gesamten Querschnitt gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor mit einem Einlass und einem Auslass vorgeschlagen, wobei der Einlass mit einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei der Auslass mit einem Abgassystem des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei das Abgassystem einen Abgaskanal aufweist, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal eine Turbine eines Abgasturboladers und stromabwärts der Turbine ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei der Partikelfilter einen Filterkörper aufweist und wobei der Partikelfilter ein Gehäuse aufweist, welches stromabwärts des Filterkörpers konisch in Form eines Ausgangstrichters zuläuft, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ausgangstrichter in einen zweiten Trichter und einen dritten Trichter verzweigt, wobei der zweite Trichter mit einer Niederdruck-Abgasrückführung und der dritte Trichter mit einem Hauptkanal des Abgassystems verbunden ist, wobei der zweite Trichter an seinem Einlass ein Filterelement trägt. Durch den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit dem Partikelfilter und der Niederdruck-Abgasrückführung ist es möglich, die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu verbessern. Durch die im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kurze und strömungsgünstig gestaltete Niederdruck-Abgasrückführung kann der Abgasgegendruck in dem Abgassystem reduziert werden, wodurch der Verbrauch des Verbrennungsmotors reduziert werden kann. Unter einer Niederdruck-Abgasrückführung ist in diesem Zusammenhang eine Abgasrückführung zu verstehen, welche Abgas aus dem Abgaskanal stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers entnimmt und dieses Abgas dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors stromaufwärts eines durch die Turbine des Abgasturboladers angetriebenen Verdichters zuführt. Dabei ist das Abgasnachbehandlungssystem des Verbrennungsmotors kompakt ausgeführt, sodass der Bauraumbedarf gering gehalten werden kann und der Verbrennungsmotor auch in vergleichsweise kleine Motorräume eingebaut werden kann. Unter einer motornahen Anordnung des Partikelfilters ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung mit einer Abgaslauflänge von maximal 60 cm, vorzugsweise von maximal 40 cm, ab einem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Partikelfilter zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, umfassend ein Gehäuse, in welchem ein Filterkörper des Partikelfilters angeordnet ist, vorgeschlagen, wobei das Gehäuse eine Einlassöffnung und zwei Auslassöffnungen aufweist, wobei das Gehäuse in einem ersten Abschnitt stromabwärts des Filterkörpers als ein erster Trichter ausgebildet ist, und sich stromabwärts des ersten Trichters in einen zweiten Trichter und einen dritten Trichter verzweigt, wobei die erste Auslassöffnung an dem zweiten Trichter und die zweite Auslassöffnung an dem dritten Trichter ausgebildet ist, und wobei der zweite Trichter an seinem Einlass ein Stützelement aufweist, welches eine Filterscheibe trägt. Durch einen erfindungsgemäßen Partikelfilter kann der Abgasgegendruck abgesenkt werden und somit der Verbrauch des Verbrennungsmotors und/oder die Rohemissionen des Verbrennungsmotors reduziert werden. Zudem kann mehr Abgas in den zweiten Trichter eingeleitet werden, wodurch höhere Abgasrückführungsraten über die Niederdruck-Abgasrückführung möglich sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Partikelfilters ist vorgesehen, dass die Filterscheibe aus einem Gewebe, einem Vlies oder einem anderen Filtermaterial oder einer Kombination diese Materialien besteht. Durch eine Ausführung der Filterscheibe aus einem Gewebe, einem Flies oder einem anderen Filtermaterial ist eine einfache und kostengünstige Ausführung der Filterscheibe möglich. Alternativ ist eine Kombination diese Filtermaterialien in der Filterscheibe möglich.
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 ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem in einer schematischen Darstellung;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem in einer 3D-Darstellung;
3 einen Partikelfilter eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems;
4 einen Schnitt entlang einer Schnittebene A - A durch einen Trichter des erfindungsgemäßen Partikelfilters; und
5 eine weitere Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Partikelfilter eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Motorblock 12 auf, in dem mindestens ein Brennraum 72, vorzugsweise wie in 1 dargestellt vier Brennräume 72, ausgebildet sind. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 16 auf, welcher mit einem Ansaugtrakt 56 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Der Ansaugtrakt 56 umfasst eine Frischgasleitung 74, in welcher ein Luftfilter 76 und stromabwärts des Luftfilters 76 ein Verdichter 78 eines Abgasturboladers 26 angeordnet ist. Stromabwärts des Verdichters 78 und stromaufwärts der Brennräume 72 ist ein Ladeluftkühler 80 angeordnet, um die durch den Verdichter 78 komprimierte Frischluft abzukühlen und somit die Füllung der Brennräume 72 weiter zu verbessern. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 14 auf, an welchem ein Abgaskrümmer 22 angeschlossen ist, welcher mit einem Abgassystem 20 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Das Abgassystem 20 weist einen motornahen ersten Katalysator 30, insbesondere einen Oxidationskatalysator, und einen stromabwärts des ersten Katalysators 30 ebenfalls motornah angeordneten Partikelfilter 32 auf. Unter einer motornahen Anordnung ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung mit einer Abgaslauflänge von maximal 60 cm, vorzugsweise von maximal 40 cm, ab dem Auslass 14 des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. Der Partikelfilter 32 weist ein Gehäuse 86 auf, in dem ein Filterkörper 58 des Partikelfilters 32 angeordnet ist. An dem Partikelfilter 32 ist in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Partikelfilter 32 stromabwärts des Filterkörpers 58 eine Verzweigung 34 ausgebildet, an der sich ein Abgaskanal 24 des Abgassystems 20 in eine Niederdruck-Abgasrückführung 40 und einen Hauptkanal 50, welcher den Partikelfilter 32 mit einem Endrohr 36 des Abgassystems 20 verbindet, verzweigt. Die Niederdruck-Abgasrückführung 40 weist einen Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler 46 auf, welcher an einer um 90° zur Auslassseite 14 des Verbrennungsmotors 10 versetzten Seite des Verbrennungsmotors 10, insbesondere an einer Stirnseite 18 des Motorblocks 12, angeordnet ist. Im Abgassystem 20 ist stromabwärts des Auslasses 14 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts des ersten Katalysators 30 eine Turbine 28 des Abgasturboladers 26 angeordnet, welche den Verdichter 78 in dem Ansaugtrakt 56 antreibt.
Die Niederdruck-Abgasrückführung 40 weist einen Abgasrückführungskanal 42 auf, welcher den Abgaskanal 24 an der Verzweigung 34 stromabwärts des Partikelfilters 32 mit einer Einmündung 54 in den Ansaugtrakt 56 stromabwärts des Luftfilters 76 und stromaufwärts des Verdichters 78 verbindet. Unmittelbar an die Verzweigung 34 anschließend kann in dem Abgasrückführungskanal 42 ein Entkopplungselement 44 angeordnet sein, um die aus der Anregung durch die Vibrationen des Verbrennungsmotors 10 auf den Partikelfilter 32 übertragenen Schwingungen von dem Abgasrückführungskanal 42 zu entkoppeln. Der Partikelfilter 32 weist stromabwärts des Filterkörpers 58 einen ersten Trichter 64 auf, welcher sich in Strömungsrichtung in einen zweiten Trichter 66 und einen dritten Trichter 68 verzweigt. Der erste Trichter 64 verjüngt einen Strömungsquerschnitt Q des Abgaskanals 24 von einem ersten Querschnitt Q₁ , welcher dem Querschnitt des Filterkörpers 58 entspricht, auf einen zweiten Querschnitt Q₂ . Der zweite Trichter 66 ist über das Entkopplungselement 44 mit dem Abgasrückführungskanal 42 verbunden. Zudem trägt der zweite Trichter 66 ein Filterelement 70, um das Eindringen von Rußpartikeln in die Niederdruck-Abgasrückführung 40 zu verhindern. Der dritte Trichter 68 ist mit dem Hauptkanal 50 des Abgassystems 20 verbunden.
Der Abgasrückführungskanal 42 weist vorzugsweise einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt mit einem Innendurchmesser Di von ca. 40 mm auf. Die Länge L des Abgasrückführungskanals 42 beträgt von der Verzweigung 34 bis zu dem Niederdruck-Abgasrückführungskühler 46 vorzugsweise ca. 530 mm, wobei der Abgasrückführungskanal 42 in diesem Abschnitt eine Biegung 38 mit einem Biegungswinkel α von ca. 280° aufweist. Der Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler 46 weist ein Gehäuse 62 auf, welches mittels Befestigungsmitteln 48, insbesondere mittels Bolzen 52 oder Schrauben 60, an einer Stirnseite 18 des Motorblocks 12 befestigt ist.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Entkopplungselement 44 auch entfallen. Ferner sind Abgasrückführungskanäle 42 mit einer Lauflänge von 300 mm bis 900 mm, insbesondere von 450 mm bis 650 mm denkbar, um bei kompakter Bauweise eine effiziente und strömungsgünstige Abgasrückführung zu ermöglichen.
Durch die zunehmende Verschärfung der Abgasgesetzgebung, insbesondere in Bezug auf die Stickoxid-Emissionen, ist es notwendig, innermotorische Maßnahmen und Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung zu verbinden. Eine Möglichkeit, die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 zu verbessern, besteht darin, der Frischluft Abgas zuzumischen, um die Bildung von Stickoxid-Emissionen zu verringern. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das zurückgeführte Abgas möglichst kühl ist. Aus diesem Grund ist in der Niederdruck-Abgasrückführung 40 ein Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler 46 angeordnet. Die Wirksamkeit dieses Kühlers 46 wird maßgeblich durch die Wärmeabstrahlung des Verbrennungsmotors 10 beeinflusst. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Abgasrückführungskühler 46 von der heißen Auslassseite 14, insbesondere von dem Abgaskrümmer 22 räumlich getrennt, wodurch die Wirksamkeit des Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühlers 46 verbessert wird oder bei gleicher Kühlleistung weniger Kühlmittel zirkulieren muss. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors 10 verbessert. Ferner kann der Strömungswiderstand in der Niederdruck-Abgasrückführung 40 durch den vergleichsweise großen Innendurchmesser Di und einen entsprechend großen Radius der Biegung 38 bei vergleichsweise kurzer Länge L des Abgasrückführungskanals 42 gering gehalten werden. Durch das Entkopplungselement 44 können die Schwingungen und Bewegungen des Partikelfilters 32 von der Niederdruck-Abgasrückführung 40 entkoppelt werden, wobei die Bewegungen aus Dynamik und Thermomechanik gedämpft werden und damit die Spannungen aller beteiligten Bauteile 42, 46, 48 der Niederdruck-Abgasrückführung 40 gesenkt werden können.
In 2 ist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor 10 mit dem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem in einer dreidimensionalen Darstellung gezeigt. Durch das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem kann ein minimaler Abgasgegendruck bei einer kompakten und platzsparenden Bauweise realisiert werden. Der Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler 46 wird durch das heiße Abgas auf der Auslassseite 14 nicht direkt angeströmt und somit weniger stark als vergleichbare Abgas-Rückführungs-Kühler 46 aufgeheizt. Dadurch kann auch die Länge L des Abgasrückführungskanals 42 kürzer ausgelegt werden, da das Abgas auf dieser Wegstrecke weniger stark abgekühlt werden muss.
3 zeigt einen Partikelfilter 32 eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems. Der Partikelfilter 32 umfasst einen Filterkörper 58, welcher in einem Gehäuse 86 angeordnet ist.
Das Gehäuse 86 weist eine Einlassöffnung 90 und zwei Auslassöffnungen 92, 94 auf. Dabei ist das Gehäuse 86 des Partikelfilters 32 stromabwärts des Filterkörpers 58 als ein Auslasstrichter 64 ausgebildet, welcher sich in einen zweiten Trichter 66 und einen dritten Trichter 68 verzweigt. Der dritte Trichter 68 weist dabei vorzugsweise einen größeren Einlassquerschnitt als der zweite Trichter 66 auf. Der zweite Trichter 66 ist über die erste Auslassöffnung 92 mit dem Abgasrückführungskanal 42 einer Niederdruck-Abgasrückführung 40 verbunden. Der dritte Trichter 68 ist über die zweite Auslassöffnung 94 mit einem Hauptkanal 50 des Abgassystems 20 verbunden. Die zweite Auslassöffnung 94 weist dabei einen größeren Öffnungsquerschnitt als die erste Auslassöffnung 92 auf. Der zweite Trichter 66 weist dabei eine ovale Einlassgeometrie auf, welche sich auf eine kreisförmige Auslassgeometrie an der ersten Auslassöffnung 92 verjüngt, um den Anschluss eines zylindrischen Abgasrückführungskanals 42 zu ermöglichen. Das Gehäuse 86 des Partikelfilters 32 ist aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl, hergestellt, um den im Abgaskanal auftretenden thermischen Belastungen standzuhalten. An einem Einlass 88 des zweiten Trichters 66 ist ein Stützgitter 84 ausgebildet, welches ein vorzugsweise scheibenförmiges Filterelement 70 trägt. Das Filterelement hat einen Querschnitt von vorzugsweise etwa 4000 mm². Dazu weist der zweite Trichter 66 an seiner Einlassseite 82 einen Strömungsquerschnitt A von mindestens 4000 mm² auf, um ein Einströmen in den Abgasrückführungskanal 42 der Niederdruck-Abgasrückführung 40 zu begünstigen. Dadurch kann der Abgasgegendruck in dem Abgassystem 20 reduziert werden, wodurch der Verbrauch des Verbrennungsmotors 10 gesenkt oder die Leistung erhöht werden können und ein größerer Volumenstrom an Abgas zurückgeführt werden kann, um die Rohemissionen, insbesondere die Stickoxidemissionen, des Verbrennungsmotors 10 zu reduzieren.
In 4 ist ein Schnitt durch den Partikelfilter 32 entlang einer Schnittebene A - A dargestellt, in der das Filterelement 70 angeordnet ist. Der zweite Trichter 66 weist vorzugsweise eine ovale Einlaufgeometrie auf. An einem Übergang zwischen dem Ausgangstrichter 64 und dem zweiten Trichter 66 ist ein metallisches Stützgitter 84 ausgebildet, welches das Filterelement 70 trägt. Dadurch kann ein sehr flaches Filterelement 70, insbesondere eine Filterscheibe 82 eingesetzt werden, da das Stützgitter 84 eine Verformung des Filterelements 70 unterbindet. Durch den ovalen Querschnitt kann eine vergleichsweise große Einlauffläche von ca. 4000 mm² erreicht werden, wodurch der Strömungswiderstand für das Einströmen von Abgas in die Niederdruck-Abgasrückführung 40 abgesenkt werden kann und somit ein größerer Volumenstrom an Abgas über die Niederdruck-Abgasrückführung 40 zurückgeführt werden kann. Dabei weist das Oval an seiner Längsseite eine Länge von ca. 60 mm bis 200 mm und an seiner schmalen Seite eine Breite von 30 mm bis 100 mm auf. Besonders bevorzugt sind eine Länge L₁ von 100 mm bis 120 mm und eine Breite B von 60 mm bis 75 mm. Das Stützgitter 84 und somit das Filterelement 72 sind zu einer Mittelachse 96 des Partikelfilters 32 in einem Neigungswinkel β von 0° bis 90°, vorzugsweise von 20° bis 30°, besonders bevorzugt von 25° angeordnet. Dabei ist das Filterelement 70 mit einem Abstand D um 10 mm bis 200 mm von einem Ende des Filterkörpers 58 des Partikelfilters 32 beabstandet. Vorzugsweise beträgt der Abstand 20 mm bis 30 mm.
Ein weiterer Schnitt durch einen solchen erfindungsgemäßen Partikelfilter 32 ist in 5 dargestellt. Alternativ zu einer Anordnung an einem ovalen Einlassquerschnitt kann das Filterelement 70 auch an einer runden oder polygonförmigen Einlassgeometrie angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine ovale Einlassgeometrie, da sich hierbei ein vergleichsweise großer Strömungsquerschnitt A am Einlass 88 des zweiten Trichters 66 realisieren lässt und der Strömungswiderstand gegenüber anderen Formen der Einlassgeometrie reduziert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Motorblock
14: Auslass / Auslassseite
16: Einlass / Einlassseite
18: Stirnseite
20: Abgassystem
22: Abgaskrümmer
24: Abgaskanal
26: Abgasturbolader
28: Turbine
30: erster Katalysator / Oxidationskatalysator
32: Partikelfilter
34: Verzweigung
36: Endrohr
38: Biegung
40: Niederdruck-Abgasrückführung
42: Abgasrückführungskanal
44: Entkopplungselement
46: Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler
48: Befestigungsmittel
50: Hauptkanal
52: Bolzen
54: Einmündung
56: Ansaugtrakt
58: Filterkörper
60: Schraube
62: Gehäuse
64: erster Trichter / Ausgangstrichter
66: zweiter Trichter
68: dritter Trichter
70: Filterelement
72: Brennraum
74: Frischgasleitung
76: Luftfilter
78: Verdichter
80: Ladeluftkühler
82: Filterscheibe
84: Stützgitter
86: Gehäuse
88: Einlass
90: Einlassöffnung
92: erste Auslassöffnung
94: zweite Auslassöffnung
96: Mittelachse
α: Biegungswinkel
β: Neigungswinkel
A: Strömungsquerschnitt am Einlass des zweiten Trichters
B: Breite des Filterkörpers
D: Abstand
D_i: Innendurchmesser des Abgasrückführungskanals
L: Länge des Abgasrückführungskanals
L₁: Länge des Filterkörpers
Q: Querschnitt des Abgaskanals
Q₁: Querschnitt des Filterkörpers
Q₂: Querschnitt am Ende des Ausgangstrichters

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006050052 A1 [0005]
DE 102006050052 [0005]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), mit einem Abgassystem (20), welches mit einem Auslass (14) des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, wobei das Abgassystem einen Abgaskanal (24) aufweist, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal (24) eine Turbine (28) eines Abgasturboladers (26) und stromabwärts der Turbine (28) ein Partikelfilter (32) angeordnet ist, wobei der Partikelfilter (32) einen Filterkörper (58) aufweist und wobei der Partikelfilter (32) ein Gehäuse (86) aufweist, welches stromabwärts des Filterkörpers (58) konisch in Form eines Ausgangstrichters (64) zuläuft, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ausgangstrichter (64) in einen zweiten Trichter (66) und einen dritten Trichter (68) verzweigt, wobei der zweite Trichter (66) mit einer Niederdruck-Abgasrückführung (40) und der dritte Trichter (68) mit einem Hauptkanal (50) des Abgassystems (20) verbunden ist, wobei der zweite Trichter (66) an seinem Einlass (88) ein Filterelement (70) trägt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (70) in Form einer Filterscheibe (82) ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Trichter (66) an seinem Einlass (88) ein Stützgitter (84) aufweist, welches das Filterelement (70) trägt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Trichter (66) an seinem Einlass (88) eine ovale Einlassgeometrie aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Trichter (66) an seinem Einlass (88) eine runde oder polygonförmige Einlassgeometrie aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (70) in seiner Form an die Geometrie des Einlasses (88) des zweiten Trichters (66) angepasst ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (70) eine Eintrittsfläche (A) von 3000 mm² bis 5000 mm² aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ovale Einlassgeometrie eine Länge (L₁) von 60 mm bis 200 mm und eine Breite (B) von 30 mm bis 100 mm aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (88) des zweiten Trichters (66) einen Abstand (D) von dem Filterkörper (58) des Partikelfilters (32) von 10 mm bis 200 mm aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (88) des zweiten Trichters (66) gegenüber einer Mittelachse (96) des Partikelfilters (32) einen Neigungswinkel (β) von 0° bis 90° aufweist.
Verbrennungsmotor (10) mit einem Einlass (16) und einem Auslass (14), wobei der Einlass (16) mit einem Ansaugtrakt (56) des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, und wobei der Auslass (14) mit einem Abgassystem (20) des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, wobei das Abgassystem (20) einen Abgaskanal (24) aufweist, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal (24) eine Turbine (28) eines Abgasturboladers (26) und stromabwärts der Turbine (28) ein Partikelfilter (32) angeordnet ist, wobei der Partikelfilter (32) einen Filterkörper (58) aufweist und wobei der Partikelfilter (32) ein Gehäuse (86) aufweist, welches stromabwärts des Filterkörpers (58) konisch in Form eines Ausgangstrichters (64) zuläuft, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ausgangstrichter (64) in einen zweiten Trichter (66) und einen dritten Trichter (68) verzweigt, wobei der zweite Trichter (66) mit einer Niederdruck-Abgasrückführung (40) und der dritte Trichter (68) mit einem Hauptkanal (50) des Abgassystems (20) verbunden ist, wobei der zweite Trichter (66) an seinem Einlass (88) ein Filterelement (70) trägt.
Partikelfilter (32) zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), umfassend ein Gehäuse (86), in welchem ein Filterkörper (58) des Partikelfilters (32) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (86) eine Einlassöffnung (92) und zwei Auslassöffnungen (94, 96) aufweist, wobei das Gehäuse (86) in einem ersten Abschnitt stromabwärts des Filterkörpers (58) als ein erster Trichter (64) ausgebildet ist, und sich stromabwärts des ersten Trichters (64) in einen zweiten Trichter (66) und einen dritten Trichter (68) verzweigt, wobei die erste Auslassöffnung (94) an dem zweiten Trichter (66) und die zweite Auslassöffnung (96) an dem dritten Trichter (68) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Trichter (66) an seinem Einlass (88) ein Stützelement (84) aufweist, welches eine Filterscheibe (82) trägt.
Partikelfilter (32) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterscheibe (82) aus einem Gewebe, einem Vlies oder einem anderen Filtermaterial oder einer Kombination diese Materialien besteht.