DE102019106238B4 - Abgasbehandlungssystem und Verfahren zum Aufheizen eines Abgaskatalysators - Google Patents

Abgasbehandlungssystem und Verfahren zum Aufheizen eines Abgaskatalysators Download PDF

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Abstract

Abgasbehandlungssystem zur Behandlung von Abgasen (12) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, miteinem Abgaskatalysator zur Konvertierung von Verbrennungsschadstoffen, einem mit einer Eingangsseite des Abgaskatalysators verbindbaren Rohrstück (14) zur Zufuhr von Abgasen (12) der Brennkraftmaschine,einer in das Rohrstück (14) einmündenden Heizleitung (20) zur Zufuhr von zum Aufheizen des Abgaskatalysators auf die Anspringtemperatur vorgesehenes Heizgas (16) in das Rohrstück (14) undeinem Brenner zur Verbrennung von für die Brennkraftmaschine vorgesehenem Kraftstoff mit Luft, wobei die Heizleitung (20) zur Abfuhr des in dem Brenner erzeugten Heizgases (16) an dem Brenner angeschlossen ist,wobei das Heizgas (16) als um eine Längsachse des Rohrstücks (14) drehende Wirbelströmung zugeführt ist,wobei die Heizleitung (20) spiralförmig um das Rohrstück (14) herum verläuft undein Strömungsquerschnitt der Heizleitung (20) sich in Strömungsrichtung verjüngt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasbehandlungssystem, mit dessen Hilfe Abgase einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs behandelt werden können, sowie ein Verfahren, mit dessen Hilfe ein Abgaskatalysator schnell auf seine Anspringtemperatur aufgeheizt werden kann.
  • Aus DE 40 12 411 A1 ist es bekannt zum Abbrennen von in einem Partikelfilter gefilterter Partikel ein Abgas einer Brennkraftmaschine mit einem von einem separaten Brenner kommenden heißen Verbrennergas zu mischen. Hierzu wird das Abgas über ein spiralförmiges Zuströmgehäuse einem axial verlaufenden Rohrstück des Brenners radial zugeführt, wobei das Abgas innerhalb des Rohrstücks um 90° umgelenkt wird und sich mit dem Verbrennergas vermischt. Durch das heiße Verbrennergas ist das Gemisch aus dem Abgas und dem Verbrennergas so heiß, dass die im Partikelfilter zurückgehaltenen Partikel abgebrannt werden können.
  • Aus DE 42 08 624 A1 ist es bekannt ein von einem Brenner kommendes heißes Heizgas tangential einem zu einem Abgaskatalysator führenden Rohrstück zuzuführen, um den Abgaskatalysator auf seine Anspringtemperatur aufzuheizen.
  • Aus US 2016/ 0 265 409 A1 ist ein Mischrohr zur Zumischung von Harnstoff in ein Abgas eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei mit Hilfe einer Düse der Harnstoff spiralförmig über ein sich verjüngendes Gehäuse in das Mischrohr zugeführt wird.
  • Um mit einem Abgaskatalysator Verbrennungsschadstoffe in einem Abgas einer Brennkraftmaschine konvertieren zu können, muss der Abgaskatalysator zunächst auf seine Anspringtemperatur („Light-Off-Temperatur“) aufgeheizt werden. Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Anspringtemperatur des Abgaskatalysators möglichst schnell im gesamten Abgaskatalysator zu erreichen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine schnelle Aufheizung des gesamten Abgaskatalysators auf seine Anspringtemperatur ermöglichen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Abgasbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Abgasbehandlungssystem zur Behandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgaskatalysator zur Konvertierung von Verbrennungsschadstoffen, einem mit einer Eingangsseite des Abgaskatalysators verbindbaren Rohrstück zur Zufuhr von Abgasen der Brennkraftmaschine, einer in das Rohrstück einmündenden Heizleitung zur Zufuhr von zum Aufheizen des Abgaskatalysator auf die Anspringtemperatur vorgesehenes Heizgas in das Rohrstück und einem Brenner zur Verbrennung von für die Brennkraftmaschine vorgesehenen Kraftstoff mit Luft, wobei die Heizleitung zur Abfuhr des in dem Brenner erzeugten Heizgases an dem Brenner angeschlossen ist, wobei das Heizgas als um eine Längsachse des Rohrstücks drehende Wirbelströmung zugeführt ist, wobei die Heizleitung spiralförmig um das Rohrstück herum verläuft und ein Strömungsquerschnitt der Heizleitung sich in Strömungsrichtung verjüngt.
  • Das Abgas kann über das in axialer Richtung insbesondere im Wesentlichen geradlinig verlaufende Rohrstück dem Abgaskatalysator zugeführt werden, ohne dass das Abgas unnötig umgelenkt wird. Im regulären Betrieb des Abgasbehandlungssystems, wenn der Abgaskatalysator seine Anspringtemperatur bereits erreicht hat, kann ein Druckverlust bei der Förderung des Abgases von der Brennkraftmaschine an den Abgaskatalysator gering gehalten werden. Dadurch kann ein vergleichsweise geringer Förderdruck im Ausstoß-Takt der insbesondere als Verbrennungsmotor ausgestalteten Brennkraftmaschine ausreichen, um das Abgas durch den Abgaskatalysator hindurch an die Umgebung auszustoßen. Ein unnötiger Wirkungsgradverlust im regulären Betrieb des Abgasbehandlungssystems ist vermieden.
  • Wenn der Abgaskatalysator seine Anspringtemperatur noch nicht erreicht hat, kann über die Heizleitung ein in einem Brenner erzeugtes heißes Heizgas dem Abgas zugeführt werden. Das Heizgas wird hierbei, insbesondere durch eine geeignete Leitungsführung und geometrische Ausgestaltung der Heizleitung, als Wirbelströmung in das zur Förderung des Abgases vorgesehene Rohrstück zugeführt. Das Heizgas weist dadurch in dem Rohrstück einen Drall auf, durch den das Heizgas um die Strömungsrichtung des Abgases rotiert. Ein Gasmolekül des Heizgases kann dadurch eine spiralförmige Bahnkurve innerhalb des Rohrstücks erfahren. Eine, beispielsweise im Wesentlichen laminare, Rohrströmung des Abgases sowie Grenzschichten an der Wandung des Rohrstücks können durch die Wirbelströmung des Heizgases aufgebrochen werden. Dies fördert eine besonders homogene Mischung des Heizgases mit dem Abgas, so dass sich am Ausgang des Rohrstücks, insbesondere am Eingang des Abgaskatalysators, über den Strömungsquerschnitt eine homogene Temperaturverteilung ergeben kann. Dadurch kann auch der Abgaskatalysator über seinen gesamten Querschnitt mit einer im Wesentlichen gleichen Temperatur beaufschlagt werden, so dass vereinzelte Teilbereiche, in denen die Anspringtemperatur im Vergleich zu den umliegenden Bereichen noch nicht erreicht ist, vermieden werden können. Eine einfache Temperaturmessung an einer Außenseite des Abgaskatalysators ermöglicht valide Rückschlüsse auf die Temperatur im gesamten Abgaskatalysator. Da ein inhomogenes Aufheizen des Abgaskatalysators vermieden werden kann, kann das Erreichen der Anspringtemperatur im gesamten Abgaskatalysator mit einer geringeren Sicherheitsmarge festgestellt werden, wodurch das Zufeuern des Heizgases gering gehalten werden kann. Ein unnötiger Betrieb des Brenners kann vermieden werden, so dass auch der Kraftstoffverbrauch zum Aufheizen des gesamten Abgaskatalysators auf die Anspringtemperatur minimiert werden kann. Durch das als Wirbelströmung zugeführte Heizgas kann bei einem hohen Wirkungsgrad schnell eine homogene Durchmischung mit dem Abgas erreicht werden, so dass eine schnelle Aufheizung des gesamten Abgaskatalysators auf seine Anspringtemperatur ermöglicht ist.
  • Durch die spiralförmige Anströmung des Heizgases in der Heizleitung kann auf die Strömung des Heizgases bereits ein signifikanter Drall aufgeprägt werden, welcher die Vermischung des Heizgases mit dem Abgas in dem Rohrstück verbessert. Durch den sich verjüngenden Querschnitt der Heizleitung kann sich die Strömungsgeschwindigkeit des Heizgases erhöhen, wodurch ein entsprechend hoher Drall auf die Strömung des Heizgases aufgeprägt werden kann.
  • Der Brenner kann den selben Kraftstoff verwenden, der auch für die Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Über die im Brenner verbrannte Kraftstoffmenge kann leicht die Temperatur und/oder der Volumenstrom des Heizgases eingestellt werden, um in dem Gemisch aus Heizgas und Abgas eine gewünschte Temperatur einzustellen, die ein schnelles Aufheizen des Abgaskatalysators auf die Anspringtemperatur ermöglicht ohne durch zu große thermische Belastungen eine Beschädigung von Komponenten des Abgasbehandlungssystems zu riskieren.
  • Insbesondere mündet die Heizleitung in einem stärkeren Ausmaß tangential als radial in das Rohrstück ein. Das in das Rohrstück einströmende Heizgas muss dadurch nicht erst um 90° umgelenkt werden, so dass ein Druckverlust an der Einmündungsstelle gering gehalten wird. Stattdessen kann sich das Heizgas stärker an die Innenwandung des Rohrstücks anschmiegen und an der Innenwandung ausgebildete laminare Grenzschichten über den gesamten Umfang des Rohrstücks auflösen. Das zu einem überwiegenden Teil tangential einströmende Heizgas kann von dem radial ausgerichteten Bewegungsanteil nach radial innen gedrückt werden, so dass sich eine nach radial innen verjüngende spiralförmige Strömung ergeben kann, die eine besonders gute Durchmischung mit dem Abgas ermöglicht.
  • Vorzugsweise mündet die Heizleitung, insbesondere zur Ausbildung einer Vortex-Strömung mit Trombe für das Heizgas, mit einem Anteil in Strömungsrichtung des Abgases in das Rohrstück ein. Das Heizgas wird dadurch nicht nur von dem Impuls des Abgases, sondern auch durch den Bewegungsimpuls des Heizgases beim Einmünden in das Rohrstück in axialer Richtung gefördert. Dadurch ist ein entsprechend geringer Anteil der kinetischen Energie des Abgases zur Beschleunigung des Heizgases in axialer Richtung erforderlich, wodurch ein Druckverlust gering gehalten wird. Zudem kann eine zu starke und chaotische Verwirbelung des Heizgases mit dem Abgas vermieden werden, so dass das Ausmaß der Vermischung und ein sich einstellender Temperaturverlauf besser und mit größerer Sicherheit vorhergesagt werden kann.
  • Vorzugsweise mündet die Heizleitung über eine Rohrwand des Rohrstücks von radial außen her in das Rohrstück ein. Ein in das Innere des Rohrstücks hineinragendes Tauchrohr kann dadurch vermieden werden. Zudem kann die nach radial außen weisenden Mantelfläche des Rohrstücks eine Wandseite der Heizleitung ausbilden. Die Rohrwand des Rohrstücks kann mindestens eine Einmündungsöffnung, vorzugsweise mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Einmündungsöffnungen, aufweisen, über die das Heizgas durch die Rohrwand in das Rohrstück eintreten kann. Die Einmündungsöffnung kann beispielsweise durch eine Bohrung in der Rohrwand des Rohrstücks erzeugt sein. Insbesondere ist die Längsrichtung der Einmündungsöffnung zur Radialebene und/oder der Tangentialebene des Rohrstücks angeschrägt ausgerichtet.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines zur Konvertierung von Verbrennungsschadstoffen vorgesehenen Abgaskatalysators auf seine Anspringtemperatur, bei dem einem von einer Brennkraftmaschine kommenden und dem Abgaskatalysator zugeführten Abgas ein Heizgas zugemischt wird, wobei das Heizgas mit einem aufgeprägten Drall spiralförmig und über einen sich verjüngenden Querschnitt zugeführt wird, wobei das Heizgas zur Durchmischung mit dem Abgas als um eine in Strömungsrichtung des Abgases drehende Wirbelströmung dem Abgas zugemischt wird, wobei eine in den Abgaskatalysator eintretende aus dem Abgas und dem Heizgas zusammengesetzte Mischströmung über den Strömungsquerschnitt eine Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur des Abgaskatalysators aufweist. Das Verfahren kann insbesondere wie vorstehend anhand des Abgasbehandlungssystems erläutert aus- und weitergebildet sein. Durch das als Wirbelströmung zugeführte Heizgas kann bei einem hohen Wirkungsgrad schnell eine homogene Durchmischung mit dem Abgas erreicht werden, so dass eine schnelle Aufheizung des gesamten Abgaskatalysators auf seine Anspringtemperatur ermöglicht ist.
  • Insbesondere weist die in den Abgaskatalysator eintretende Mischströmung über den Strömungsquerschnitt eine im Wesentlichen gleiche Temperatur auf. Durch die sich einstellende im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung der Mischströmung am Eingang des Abgaskatalysator kann auch der Abgaskatalysator über seinen gesamten Querschnitt mit einer im Wesentlichen gleichen Temperatur beaufschlagt werden, so dass vereinzelte Teilbereiche, in denen die Anspringtemperatur im Vergleich zu den umliegenden Bereichen noch nicht erreicht ist, vermieden werden können.
  • Vorzugsweise wird ein Abgasbehandlungssystem verwendet, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Durch das als Wirbelströmung zugeführte Heizgas kann bei einem hohen Wirkungsgrad schnell eine homogene Durchmischung mit dem Abgas in dem Abgasbehandlungssystem erreicht werden, so dass eine schnelle Aufheizung des gesamten Abgaskatalysators auf seine Anspringtemperatur ermöglicht ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
    • 1: eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Abgasbehandlungssystems.
  • Bei dem in 1 teilweise dargestellten Abgasbehandlungssystem 10 kann ein von einer Brennkraftmaschine kommendes Abgas 12 in ein insbesondere im Wesentlichen gerade verlaufendes Rohrstück 14 eintreten. Im regulären Betrieb des Abgasbehandlungssystems 10 kann das Abgas 12 das Rohrstück 14 verlassen und einem Abgaskatalysator zu geführt werden, in dem Verbrennungsschadstoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und/oder Stickoxide, zu Kohlenstoffdioxid und Wasser konvertiert werden können.
  • Damit nach einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs, wenn der Abgaskatalysator sich noch auf Umgebungstemperatur befindet, möglichst schnell seine Anspringtemperatur erreicht, um diese Konvertierungen durchführen zu können, kann in das Rohrstück 14 ein in einem separaten Brenner erzeugtes Heizgas 16 dem Abgas 12 zugemischt werden, so dass eine Mischströmung 18 mit einer im Vergleich zum Abgas 12 deutlich höheren Temperatur das Rohrstück 14 verlassen und dem Abgaskatalysator zugeführt werden kann. Hierzu kann eine von dem Brenner kommende Heizleitung 20 spiralförmig um das Rohrstück 14 herumgeführt verlaufen und einen zum Rohrstück 14 hin sich verjüngenden Strömungsquerschnitt aufweisen. Das über in Umfangsrichtung verteilte Einmündungsöffnungen in einer Rohrwand des Rohrstücks 14 eintretende Heizgas 16 kann hierbei zu einem überwiegenden Anteil tangential in das Rohrstück 14 eintreten. Zusätzlich strömt das Heizgas zu einer Radialebene des Rohrstücks 14 in Strömungsrichtung des Abgases hin angeschrägt und mit einem eher geringen Anteil nach radial innen in das Rohrstück 14 ein. Dadurch ergibt sich für das Heizgas 16 in dem Rohrstück eine als Vortex-Strömung mit Trombe ausgebildete Wirbelströmung mit im Wesentlichen einer Kegelfläche folgenden spiralförmigen Bahnkurven für das Heizgas 16. Dadurch kann eine gute Durchmischung mit dem Abgas 12 über die gesamte Querschnittsfläche des Rohrstücks 14 erreicht werden, die zu einer im Wesentlichen homogenen Temperaturverteilung der Mischströmung 18 am Ausgang des Rohrstücks 14 und/oder des Eingangs des Abgaskatalysators führt.

Claims (7)

  1. Abgasbehandlungssystem zur Behandlung von Abgasen (12) einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgaskatalysator zur Konvertierung von Verbrennungsschadstoffen, einem mit einer Eingangsseite des Abgaskatalysators verbindbaren Rohrstück (14) zur Zufuhr von Abgasen (12) der Brennkraftmaschine, einer in das Rohrstück (14) einmündenden Heizleitung (20) zur Zufuhr von zum Aufheizen des Abgaskatalysators auf die Anspringtemperatur vorgesehenes Heizgas (16) in das Rohrstück (14) und einem Brenner zur Verbrennung von für die Brennkraftmaschine vorgesehenem Kraftstoff mit Luft, wobei die Heizleitung (20) zur Abfuhr des in dem Brenner erzeugten Heizgases (16) an dem Brenner angeschlossen ist, wobei das Heizgas (16) als um eine Längsachse des Rohrstücks (14) drehende Wirbelströmung zugeführt ist, wobei die Heizleitung (20) spiralförmig um das Rohrstück (14) herum verläuft und ein Strömungsquerschnitt der Heizleitung (20) sich in Strömungsrichtung verjüngt.
  2. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleitung (20) in einem stärkeren Ausmaß tangential als radial in das Rohrstück (14) einmündet.
  3. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleitung (20), insbesondere zur Ausbildung einer Vortex-Strömung mit Trombe für das Heizgas (16), mit einem Anteil in Strömungsrichtung des Abgases (12) in das Rohrstück (14) einmündet.
  4. Abgasbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleitung (20) über eine Rohrwand des Rohrstücks (14) von radial außen her in das Rohrstück (14) einmündet.
  5. Verfahren zum Aufheizen eines zur Konvertierung von Verbrennungsschadstoffen vorgesehenen Abgaskatalysators auf seine Anspringtemperatur, bei dem einem von einer Brennkraftmaschine kommenden und dem Abgaskatalysator zugeführten Abgas (12) ein Heizgas (16) zugemischt wird, wobei das Heizgas (16) mit einem aufgeprägten Drall spiralförmig und über einen sich verjüngenden Querschnitt zugeführt wird, wobei das Heizgas (16) zur Durchmischung mit dem Abgas (12) als um eine in Strömungsrichtung des Abgases (12) drehende Wirbelströmung dem Abgas (12) zugemischt wird, wobei eine in den Abgaskatalysator eintretende aus dem Abgas (12) und dem Heizgas (16) zusammengesetzte Mischströmung (18) über den Strömungsquerschnitt eine Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur des Abgaskatalysators aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die in den Abgaskatalysator eintretende Mischströmung (18) über den Strömungsquerschnitt eine im Wesentlichen gleiche Temperatur aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem ein Abgasbehandlungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 verwendet wird.
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