DE102019209792A1 - System und Verfahren zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Abstract

Ein System zur Abgasnachbehandlung umfasst einen motornahen Katalysator, welcher dazu ausgebildet ist, eine katalytische Behandlung von Abgas durchzuführen, welches von einem Verbrennungsmotor stammt; einen Unterbodenkatalysator, welcher dazu ausgebildet ist, das Abgas von dem motornahen Katalysator zu erhalten und eine katalytische Behandlung des erhaltenen Abgases durchzuführen; und ein Wärmeaustauschsystem, welches dazu ausgebildet ist, Wärme zwischen dem motornahen Katalysator und dem Unterbodenkatalysator mittels eines Wärmeaustauschfluids auszutauschen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Abgasnachbehandlung, insbesondere während des Betriebs eines Verbrennungsmotors eines Automobils, z.B. eines Dieselmotors. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung.
  • Hintergrund
  • Ein Katalysator ist eine Abgasreinigungsvorrichtung, die toxische Gase und Schadstoffe im Abgas eines Verbrennungsmotors in weniger toxische oder ungiftige Substanzen umwandelt und/oder solche Substanzen aus dem Abgasstrom herausfiltert. Katalysatoren werden insbesondere bei Verbrennungsmotoren verwendet, die entweder mit Benzin oder Diesel betrieben werden.
  • Selektive katalytische Reduktion (englisch: „selective catalytic reduction“, SCR) ist eine bekannte Technik, die in Katalysatoren eingesetzt wird, bei der Stickoxide, sogenannte NOx, mit Hilfe eines Katalysators in zweiatomigen Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Ein gasförmiges und/oder flüssiges Reduktionsmittel, z.B. wasserfreies Ammoniak, wässriges Ammoniak oder Harnstoff, wird einem Abgasstrom zugegeben und am Katalysator adsorbiert.
  • SCR-Konverter benötigen eine bestimmte Temperatur, um ordnungsgemäß zu funktionieren, sodass die katalytische Reaktion typischerweise erst oberhalb einer sogenannten Starttemperatur (englisch: „light-off temperature“) eingeleitet wird. Normalerweise wird der SCR durch die durchströmenden Abgase erwärmt. Es dauert deshalb relativ lange bis SCR-Konverter, insbesondere während eines Kaltstarts, aufgeheizt sind und somit bis NOx-Emissionen effektiv reduziert werden.
  • Hersteller haben diesen Mangel durch die Einführung sogenannter motornaher Katalysatoren behoben, bei denen die Katalysatorhalterung in dem Abgassystem des Fahrzeugs von einem Unterbodenstandort zu einem Standort unter der Motorhaube bewegt wird, um näher an dem Auslasskrümmer des Motors zu sein und damit die Zeit zu verringern, die der Katalysator benötigt, um die Starttemperatur zu erreichen. Die Druckschrift US 2008/0078165 A1 beschreibt einen derartigen motornahen Katalysator.
  • Um die strengen Anforderungen an NOx-Emissionen aufgrund der jüngsten Emissionsgesetzgebung zu erfüllen, wird an der Verbesserung des allgemeinen Wärmemanagements von Katalysatoren gearbeitet, um eine effektive Emissionsreduzierung über einen großen Temperaturbereich zu gewährleisten. Neben dem Tieftemperaturbereich können auch sehr hohe Motortemperaturen Schwierigkeiten bereiten, da Temperaturen über 500°C, z.B. aufgrund hoher Motorlasten, zu einer Verschlechterung des SCR-Wirkungsgrades führen können.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Somit besteht ein Bedarf, Lösungen zu finden, um Katalysatoren effizienter zu betreiben.
  • Zu diesem Zweck stellt die vorliegende Erfindung ein System gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8 bereit.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein System zur Abgasnachbehandlung einen motornahen Katalysator, welcher dazu ausgebildet ist, eine katalytische Behandlung von Abgas durchzuführen, welches von einem Verbrennungsmotor stammt; einen Unterbodenkatalysator, welcher dazu ausgebildet ist, das Abgas von dem motornahen Katalysator zu erhalten und eine katalytische Behandlung des erhaltenen Abgases durchzuführen; und ein Wärmeaustauschsystem, welches dazu ausgebildet ist, Wärme zwischen dem motornahen Katalysator und dem Unterbodenkatalysator mittels eines Wärmeaustauschfluids auszutauschen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung Durchführen einer katalytischen Behandlung von Abgas mit einem motornahen Katalysator, wobei das Abgas von einem Verbrennungsmotor stammt; Erhalten des Abgases mit einem Unterbodenkatalysator von dem motornahen Katalysator und Durchführen einer katalytischen Behandlung des erhaltenen Abgases mit dem Unterbodenkatalysator; und Austauschen von Wärme zwischen dem motornahen Katalysator und dem Unterbodenkatalysator mittels eines Wärmeaustauschfluids eines Wärmeaustauschsystems.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem System zur Abgasnachbehandlung gemäß der Erfindung bereitgestellt.
  • Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, zwei separate Katalysatoren über ein ausgeklügeltes und bedarfsgesteuertes Wärmemanagement auf der Basis eines Wärmeaustauschfluids zu koppeln, welches Wärme von einem Katalysator zum anderen überträgt, um die Effizienz und/oder die Wirksamkeit des Gesamtsystems zu verbessern. Jede geeignete Flüssigkeit und/oder jedes geeignete Gas kann als Wärmeaustauschfluid verwendet werden, solange die erforderlichen Eigenschaften für eine effiziente und effektive Wärmeübertragung zwischen den Katalysatoren bereitgestellt werden. Um Wärme über das Fluid zu transportieren, kann zwischen den Katalysatoren eine Durchflussregeleinrichtung, wie beispielsweise eine Pumpe oder dergleichen, vorgesehen werden, welche bedarfsgerecht steuerbar sein kann, um die Rate der Wärmeübertragung einzustellen.
  • Das oben genannte Wärmemanagement und die Tatsache, dass einer der Katalysatoren in der Nähe des Motors angeordnet ist, ermöglichen ausreichende Abgastemperaturen vor dem Katalysatorsystem für eine gute Katalysatoreffizienz bei niedrigen Abgastemperaturbedingungen (z.B. Motorstart, Niedriglast-Stadtfahren). Darüber hinaus ist das System in der Lage, Hot Spots zu vermeiden, z.B. über 500°C, welche bei hohen Motorlasten zu einer Verschlechterung der Konvertereffizienz führen können, indem überschüssige Wärme von dem motornahen Katalysator zu dem Unterbodenkatalysator übertragen wird. Wärmeübertragung von dem motornahen Katalysator auf den Unterbodenkatalysator kann auch bei höheren Motorlasten allgemein von Vorteil sein, wenn der Unterbodenkatalysator für eine effiziente NOx-Umwandlung noch zu kalt ist. Ebenso kann in bestimmten Fällen die Wärme von dem Unterbodenkatalysator zurück zu dem motornahen Katalysator übertragen werden.
  • Im Ergebnis wird die Betriebseffizienz des Katalysatorsystems bei niedrigen Temperaturen und bei hohen Temperaturen verbessert. Jedoch kann auch bei mittleren Temperaturen die Wärmeenergie von den beiden Katalysatoren geteilt werden, um die Effizienz und die Effektivität zu verbessern.
  • Es versteht sich, dass der hierin verwendete Begriff „Fahrzeug“ oder ein anderer ähnlicher Begriff Kraftfahrzeuge im Allgemeinen umfasst, wie beispielsweise Personenkraftwagen einschließlich Sport Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge und dergleichen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, die mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden (z.B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl stammen), beinhaltet. Vorliegend wird unter einem Hybridfahrzeug ein Fahrzeug verstanden, welches zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das System weiterhin eine Regeleinheit umfassen, welche dazu ausgebildet ist, einen Fluss des Wärmeaustauschfluids zwischen dem motornahen Katalysator und dem Unterbodenkatalysator derart zu regeln, dass beide Katalysatoren mit einer optimierten kombinierten Betriebseffizienz für einen vorgegebenen Motorbetriebszustand betrieben werden. Das Verfahren kann entsprechend Regeln eines Flusses des Wärmeaustauschfluids zwischen dem motornahen Katalysator und dem Unterbodenkatalysator mit einer Regeleinheit derart umfassen, dass beide Katalysatoren mit einer optimierten kombinierten Betriebseffizienz für einen vorgegebenen Motorbetriebszustand betrieben werden.
  • Somit kann Wärme von einem Katalysator auf den anderen übertragen werden, um die höchste Emissionsreduzierungseffizienz für das kombinierte System beider Katalysatoren zu erreichen. So kann beispielsweise an dem motornahen Katalysator genügend Energie vorhanden sein, um Wärme an den Unterbodenkatalysator abzugeben. Durch die Übertragung dieser überschüssigen Wärme kann die Effizienz des letzteren bei bestimmten Fahrsituationen und/oder Motorbetriebszuständen erhöht werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das System weiterhin einen ersten Temperatursensor umfassen, welcher stromaufwärts von dem motornahen Katalysator dazu angeordnet ist, eine Motorausgangstemperatur des Abgases zu messen. Das System kann weiterhin einen zweiten Temperatursensor umfassen, welcher stromabwärts von dem motornahen Katalysator und stromaufwärts von dem Unterbodenkatalysator dazu angeordnet ist, eine Abgasrohrtemperatur des Abgases zu messen. Die Regeleinheit kann dazu ausgebildet sein, den Fluss des Wärmeaustauschfluids auf Basis der gemessenen Temperaturen zu regeln. Das Verfahren kann entsprechend Messen einer Motorausgangstemperatur des Abgases mit einem ersten Temperatursensor stromaufwärts von dem motornahen Katalysator und Messen einer Abgasrohrtemperatur des Abgases mit einem zweiten Temperatursensor stromabwärts von dem motornahen Katalysator und stromaufwärts von dem Unterbodenkatalysator umfassen.
  • Zu diesem Zweck kann das System Temperatursensoren nutzen, die bereits von den Katalysatoren bereitgestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das System Sensoren verwenden, die speziell für diese Aufgabe vorgesehen sind. Die Regeleinheit kann sowohl kommunikativ mit den Temperatursensoren als auch mit einer Durchflussregeleinrichtung, z.B. einer Pumpe, gekoppelt sein, um den Fluidstrom zwischen den Katalysatoren zu regeln. Die Regeleinheit kann eine Recheneinheit, z.B. einen Mikroprozessor oder dergleichen, umfassen und/oder mit einer solchen Vorrichtung gekoppelt sein, sodass auch fortgeschrittene und komplexe Regelstrategien für den optimalen Betrieb des Katalysatorsystems konzipiert und ausgeführt werden können. Zu diesem Zweck kann die Regeleinheit mit einer Motorsteuerung und/oder einem Motorsteuergerät gekoppelt und/oder Teil davon sein, welche die Regeleinheit mit Informationen über den aktuellen Motorbetriebszustand und/oder die aktuelle Fahrsituation versorgt. Darüber hinaus kann das System mit einer unterstützten und/oder autonomen Fahreinheit des Fahrzeugs gekoppelt werden, welche das System zusätzlich mit einer Fahrhistorie und/oder weiteren Fahrdaten versorgen kann, die bei der Festlegung der Regelstrategie für das Wärmeaustauschsystem berücksichtigt werden können.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Regeleinheit dazu ausgebildet sein, den Fluss des Wärmeaustauschfluids derart zu regeln, dass Wärme von dem motornahen Katalysator zu dem Unterbodenkatalysator übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand Hochlastfahren umfasst.
  • Somit kann in einem möglichen Regelmodus des Wärmeaustauschsystems Wärme von dem motornahen Katalysator auf den Unterbodenkatalysator übertragen werden. In einem Beispiel kann der motornahe Katalysator bereits aufgewärmt und voll funktionsfähig innerhalb eines effizienten Betriebsbereichs sein, sodass überschüssige Wärmeenergie auf den Unterbodenkatalysator übertragen werden kann, um dessen Effizienz zu verbessern, z.B. wenn er seine Starttemperatur und/oder sein optimale Temperatur noch nicht erreicht hat. In einem weiteren Beispiel kann die Temperatur des Abgases vor dem motornahen Katalysator zu hoch sein, z.B. bei Stadtfahrten, Autobahnfahrten, Steigungsfahrten usw. In diesem Fall kann die Temperatur des Abgases und des motornahen Katalysators durch Übertragung eines Teils der verfügbaren Wärme auf den Unterbodenkatalysator schnell gesenkt werden. Dadurch kann eine Verschlechterung der Effizienz durch Überhitzung an dem motornahen Katalysators vermieden werden. Gleichzeitig kann der Unterbodenkatalysator an einem effizienteren Arbeitspunkt betrieben werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Regeleinheit dazu ausgebildet sein, den Fluss des Wärmeaustauschfluids derart zu regeln, dass Wärme von dem Unterbodenkatalysator zu dem motornahen Katalysator übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand einen Wechsel von Hochlastfahren zu zumindest einem von Niedriglastfahren, Leerlauffahren und einer Motor-Aus-Phase umfasst.
  • Somit kann in einem weiteren möglichen Regelmodus des Wärmeaustauschsystems Wärme von dem Unterbodenkatalysator auf den motornahen Katalysator übertragen werden. In einem Beispiel kann der motornahe Katalysator mittels der Nutzung von Energie, die bereits in dem Unterbodenkatalysator gespeichert ist, an einer schnellen Abkühlung gehindert werden. Dies kann beispielsweise bei jedem Betriebswechsel des Fahrzeugs genutzt werden, bei dem es von Hochlastfahren auf Leerlauf- und/oder Niedriglastfahren umschaltet. Auch bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor, z.B. in einem elektrischen Fahrmodus eines Hybridfahrzeugs, könnte Energie von dem Unterbodenkatalysator übertragen werden. Die Wärme kann somit genutzt werden, um den motornahen Katalysator auf einer geeigneten Temperatur zu halten, z.B. über seiner Starttemperatur.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Regeleinheit dazu ausgebildet sein, den Fluss des Wärmeaustauschfluids derart zu regeln, dass keine Wärme von dem motornahen Katalysator zu dem Unterbodenkatalysator übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand zumindest eines von einer Motoraufwärmphase und Niedriglastfahren umfasst.
  • Wird der Motor beispielsweise bei niedrigen Abgastemperaturen in einem Motoraufwärmmodus (z.B. ein Kaltstart) oder während einer Stadtfahrt o.ä. betrieben, so kann die gesamte verfügbare Abgasenergie durch den motornahen Katalysator gehalten werden, um diesen so schnell wie möglich in den effizienten Betriebsbereich zu bringen und/oder dort zu halten.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Figurenliste
  • Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Erfindung vermitteln und bilden einen Bestandteil der vorliegenden Offenbarung. Sie veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen der Erfindung und viele der genannten Vorteile der Erfindung ergeben sich im Hinblick auf die folgende detaillierte Beschreibung. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes ausgeführt ist.
    • 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem System zur Abgasnachbehandlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Abgasnachbehandlung mit dem System aus 1.
    • 3 bis 5 zeigen beispielhafte Betriebsmodi des Systems aus 1.
  • Obwohl hierin spezifische Ausführungsbeispiele veranschaulicht und beschrieben werden, wird dem Fachmann klar sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen die dargestellten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen deckt die Anmeldung sämtliche Anpassungen oder Variationen der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele ab.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 100 mit einem System 10 zur Abgasnachbehandlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens M zur Abgasnachbehandlung mit dem System 10 aus 1. 3 bis 5 zeigen beispielhafte Betriebsmodi des Systems 10 aus 1.
  • Das System 10 ist dazu ausgebildet, Abgas 8 zu reinigen, welches von dem Verbrennungsmotor 101, z.B. einem Dieselmotor, des Kraftfahrzeugs 100 ausgestoßen wird. Zu diesem Zwecke umfasst das System 10 eine Reihe von Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung einschließlich eines motornahen Katalysators 1 und eines Unterbodenkatalysators 2. Es versteht sich jedoch, dass das System 10 zusätzliche Katalysatoren aufweisen könnte, e.g. Dieselpartikelfilter und so weiter. Die Katalysatoren 1, 2 sind in dieser konkreten Ausführungsform als Vorrichtungen zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) ausgebildet, welche das Abgas 8 in der üblichen Weise behandeln können, indem gasförmige und/oder flüssiges Reduktionsmittels in das Abgas 8 eingespritzt wird, welches als Reduktionsagent in dem katalytischen Prozess innerhalb der Katalysatoren 1, 2 dient. Beispielsweise können die Katalysatoren 1, 2 ein katalytisch aktives Substrat umfassen, welches zwischen einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche angeordnet ist (nicht eingezeichnet). Das Substrat kann beispielsweise in der üblichen Weise einen keramischen Monolithen umfassen, z.B. mit einer Honigwabenstruktur, welche eine Vielzahl von katalytisch aktiven Unterkanälen bereitstellt, durch die das Abgas 8 zur katalytischen Behandlung geleitet wird.
  • Der motornahe Katalysator 1 ist dicht hinter dem Motor 101 angeordnet, um einen katalytische Behandlung des aus dem Motor 101 stammenden Abgases 8 durchzuführen. Dieses behandelte Abgas 8 wird dann durch ein Abgasrohr 11 zu dem Unterbodenkatalysator 2 geleitet, der weiter stromabwärts des Motors 101 an einem Unterboden des Fahrzeugs 100 angeordnet ist. Nach der Behandlung in dem Unterbodenkatalysator 2 wird das Abgas 8 an einem Abgasauslass 14 abgeblasen.
  • Das System 10 umfasst ferner ein Wärmeaustauschsystem 3, welches dazu ausgebildet ist, Wärme zwischen dem motornahen Katalysator 1 und dem Unterbodenkatalysator 2 über ein Wärmeaustauschfluid 4 auszutauschen (vgl. 3 bis 5). Das Wärmeaustauschsystem 3 wird von einer Regeleinheit 5 geregelt, welche dazu ausgebildet ist, einen Fluss des Wärmeaustauschfluids 4 zwischen dem motornahen Katalysator 1 und dem Unterbodenkatalysator 2 derart zu regeln, dass beide Katalysatoren 1, 2 mit einer optimierten kombinierten Betriebseffizienz für einen vorgegebenen Motorbetriebszustand betrieben werden.
  • Das System 10 umfasst ferner einen ersten Temperatursensor 6, welcher stromaufwärts von dem motornahen Katalysator 1 dazu angeordnet ist, eine Motorausgangstemperatur des Abgases 8 zu messen, und einen zweiten Temperatursensor 7, welcher stromabwärts von dem motornahen Katalysator 1 und stromaufwärts von dem Unterbodenkatalysator 2 dazu angeordnet ist, eine Abgasrohrtemperatur des Abgases 8 zu messen. Die Temperatursensoren 6, 7 sind kommunikativ mit der Regeleinheit 5 gekoppelt, welche wiederum mit einer Motorsteuerung gekoppelt sein kann und/oder Teil von dieser sein kann (nicht gezeigt). Die gemessenen Temperaturen können somit von der Regeleinheit 5 dazu verwendet werden, um eine geeignete Regelstrategie für das Wärmeaustauschsystem 3 in Abhängigkeit von einem momentanen Motorbetriebszustand und/oder eine momentanen Fahrsituation des Fahrzeugs 100 aufzustellen.
  • Das Wärmeaustauschsystem 3 umfasst mehrere Wärmeaustauschrohre 12, welche die Katalysatoren 1, 2 miteinander verbinden und das Wärmeaustauschfluid 4 zwischen den Katalysatoren 1, 2 hin und her leiten. Zu diesem Zweck sind die Katalysatoren 1, 2 mit Wärmespeicherschalen 13 seitlich zu der Flussrichtung des Abgases 8 durch die Katalysatoren 1, 2 ausgebildet. Die Wärmespeicherschalen 13 enthalten das Wärmeaustauschfluid 4 und stehen in Fluidverbindung mit den Wärmeaustauschrohren 12.
  • Weiterhin umfasst das System 10 zumindest einen Fluidpumpe 9, welche dazu ausgebildet ist, das Wärmeaustauschfluid 4 durch die Wärmeaustauschrohre 12 zu pumpen. Die Fluidpumpe 9 kann somit kontinuierlich verstellbar sein, um den Fluss des Wärmeaustauschfluids 4 zu regulieren. Die Fluidpumpe 9 wird von der Regeleinheit 5 dazu gesteuert, einen Wärmetransfer zwischen den Katalysatoren 1, 2 anzupassen, um die Arbeitstemperaturen von beiden Katalysatoren 1, 2 auf einen optimalen Arbeitspunkt mit optimaler Emissionsreduktionseffizienz zu bringen.
  • 3 bis 5 zeigen beispielhafte Betriebsmodi des Systems aus 1.
  • 3 kann einen Kaltstart des Fahrzeugs 100 darstellen, bei welchem der Motor gerade gestartet wurde und sich nun aufwärmt. In diesem Fall kann es höchste Priorität haben, den motornahen Katalysator 1 auf die Starttemperatur zu bringen, z.B. 180°C, um das System 10 zu einem Punkt zu bringen, wo es anfängt, NOx-Emissionen effektiv zu reduzieren.
  • In diesem Fall wird der Fluss des Wärmeaustauschfluids 4 von der Regeleinheit 5 derart geregelt, dass keine Wärme von dem motornahen Katalysator 1 zu dem Unterbodenkatalysator 2 übertragen wird, um den motornahen Katalysator 1 so schnell wie möglich aufzuheizen. Der motornahe Katalysator 1 ist dicht zu dem Motor platziert, sodass Wärmeverluste über das Abgasrohr 11 zwischen dem Motor und dem motornahen Katalysator 1 minimiert werden.
  • Entsprechend kann der Betriebsmodus aus 1 für andere Szenarien mit niedrigen Abgastemperaturen verwendet werden, z.B. Stadtfahren oder ähnlich.
  • Sobald der motornahe Katalysator 1 eine akzeptable Arbeitstemperatur erreicht hat, kann jegliche überschüssige Energie zu dem Unterbodenkatalysator 2 übertragen werden.
  • 4 zeigt ein Beispiel für einen Betriebsmodus, wo Wärmeenergie von dem motornahen Katalysator 1 zu dem Unterbodenkatalysator 2 übertragen wird, indem das Wärmeaustauschfluid 4 über die Wärmeaustauschrohre 12 von dem motornahen Katalysator 1 zu dem Unterbodenkatalysator 2 und zurück zirkuliert wird. Das Wärmeaustauschfluid 4 wird an der Wärmespeicherschale 13 des motornahen Katalysators 1 aufgeheizt (siehe Pfeile oben links in 4). Die Wärmeenergie wird dann an der jeweiligen Wärmespeicherschale 13 zu dem Unterbodenkatalysator 2 übertragen (oben rechts in 4). Bei diesem Vorgang wird das Wärmeaustauschfluid 4 abgekühlt und anschließend zu dem motornahen Katalysator 1 zurückgeführt. Somit wird ein geschlossener Wärmekreislauf zwischen den Katalysatoren 1, 2 bereitgestellt.
  • Der Betriebsmodus in 4 kann ebenfalls für Fahrzustände verwendet werden, wo die Temperatur des Abgases 8 an dem Eingang des motornahen Katalysators 1 derart hoch ist, dass es zu einer Senkung der Effizienz käme, z.B. über 500°C. Beispiele für derartige Szenarien umfassen Stadtfahrten, Autobahnfahrten, Steigungsfahrten, Reinigung eines Dieselpartikelfilters usw. Der zentrale (effiziente) Betriebsbereich des motornahen Katalysators 1 kann beispielsweise zwischen 180°C und 450°C liegen (Motorausgangstemperatur). Der Unterbodenkatalysator 2 andererseits kann grundsätzlich bei höheren Motorausgangstemperaturen zwischen beispielsweise 350°C und 750°C arbeiten aufgrund der Wärmeverluste entlang des Abgasrohrs 11. Die Regeleinheit 5 des Systems 10 kann nun einen Wärmefluss und damit den Temperaturbereich zwischen den beiden Katalysatoren 1, 2 derart regeln, dass ein optimaler Arbeitspunkt erreicht wird bei jedem Motorbetriebszustand.
  • 5 zeigt ein weiteres Beispiel, in welchem Wärme von dem Unterbodenkatalysator 2 zurück zu dem motornahen Katalysator 1 überführt wird. Ein Beispiel für einen derartigen Motorbetriebszustand könnte beispielsweise ein Wechsel von einer Hochlastphase zu einer Leerlauf- und/oder Motor-Aus-Phase sein. Die Regeleinheit 5 reguliert somit in diesem Fall den Wärmefluss derart, dass der motornahe Katalysator 1 seine Temperatur beibehält und somit weiter in einem effizienten Betriebsmodus laufen kann.
  • Das Verfahren M aus 2 umfasst entsprechend unter M1 Durchführen einer katalytischen Behandlung des Abgases 8 mit dem motornahen Katalysator 1, wobei das Abgas 8 von dem Verbrennungsmotor 101 stammt, und unter M2 Erhalten des Abgases 8 mit dem Unterbodenkatalysator 2 von dem motornahen Katalysator 1 und Durchführen einer katalytischen Behandlung des erhaltenen Abgases (8) mit dem Unterbodenkatalysator 2. Das Verfahren M umfasst unter M3 ferner Austauschen von Wärme zwischen dem motornahen Katalysator 1 und dem Unterbodenkatalysator 2 mittels des Wärmeaustauschfluids 4 des Wärmeaustauschsystems 3. Das Verfahren M umfasst unter M4 ferner Messen der Motorausgangstemperatur des Abgases 8 mit dem ersten Temperatursensor 6 stromaufwärts von dem motornahen Katalysator 1. Das Verfahren M umfasst unter M5 ferner Messen der Abgasrohrtemperatur des Abgases 8 mit dem zweiten Temperatursensor 7 stromabwärts von dem motornahen Katalysator 1 und stromaufwärts von dem Unterbodenkatalysator 2. Das Verfahren M umfasst unter M6 ferner Regeln des Flusses des Wärmeaustauschfluids 4 zwischen dem motornahen Katalysator 1 und dem Unterbodenkatalysator 2 mit der Regeleinheit 5 derart, dass beide Katalysatoren 1, 2 mit einer optimierten kombinierten Betriebseffizienz für einen vorgegebenen Motorbetriebszustand betrieben werden .
  • In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, nicht jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung unmittelbar klar sein. Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis darstellen zu können, sodass Fachleuten ermöglicht wird, die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal zu modifizieren und zu nutzen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    motornaher Katalysator
    2
    Unterbodenkatalysator
    3
    Wärmeaustauschsystem
    4
    Wärmeaustauschfluid
    5
    Regeleinheit
    6
    erster Temperatursensor
    7
    zweiter Temperatursensor
    8
    Abgas
    9
    Fluidpumpe
    10
    System zur Abgasnachbehandlung
    11
    Abgasrohr
    12
    Wärmeaustauschrohr
    13
    Wärmespeicherschale
    14
    Abgasauslass
    100
    Kraftfahrzeug
    101
    Verbrennungsmotor
    M
    Verfahren
    M1-M6
    Verfahrensschritt
  • 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
    • US 2008/0078165 A1 [0005]

Claims (13)

  1. System (10) zur Abgasnachbehandlung umfassend: einen motornahen Katalysator (1), welcher dazu ausgebildet ist, eine katalytische Behandlung von Abgas (8) durchzuführen, welches von einem Verbrennungsmotor (101) stammt; einen Unterbodenkatalysator (2), welcher dazu ausgebildet ist, das Abgas (8) von dem motornahen Katalysator zu erhalten und eine katalytische Behandlung des erhaltenen Abgases (8) durchzuführen; und ein Wärmeaustauschsystem (3), welches dazu ausgebildet ist, Wärme zwischen dem motornahen Katalysator (1) und dem Unterbodenkatalysator (2) mittels eines Wärmeaustauschfluids (4) auszutauschen.
  2. System (10) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine Regeleinheit (5), welche dazu ausgebildet ist, einen Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) zwischen dem motornahen Katalysator (1) und dem Unterbodenkatalysator (2) derart zu regeln, dass beide Katalysatoren (1, 2) mit einer optimierten kombinierten Betriebseffizienz für einen vorgegebenen Motorbetriebszustand betrieben werden.
  3. System (10) nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: einen ersten Temperatursensor (6), welcher stromaufwärts von dem motornahen Katalysator (1) dazu angeordnet ist, eine Motorausgangstemperatur des Abgases (8) zu messen; und einen zweiten Temperatursensor (7), welcher stromabwärts von dem motornahen Katalysator (1) und stromaufwärts von dem Unterbodenkatalysator (2) dazu angeordnet ist, eine Abgasrohrtemperatur des Abgases (8) zu messen; wobei die Regeleinheit (5) dazu ausgebildet ist, den Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) auf Basis der gemessenen Temperaturen zu regeln.
  4. System (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Regeleinheit (5) dazu ausgebildet ist, den Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) derart zu regeln, dass Wärme von dem motornahen Katalysator (1) zu dem Unterbodenkatalysator (2) übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand Hochlastfahren umfasst.
  5. System (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Regeleinheit (5) dazu ausgebildet ist, den Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) derart zu regeln, dass Wärme von dem Unterbodenkatalysator (2) zu dem motornahen Katalysator (1) übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand einen Wechsel von Hochlastfahren zu zumindest einem von Niedriglastfahren, Leerlauffahren und einer Motor-Aus-Phase umfasst.
  6. System (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Regeleinheit (5) dazu ausgebildet ist, den Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) derart zu regeln, dass keine Wärme von dem motornahen Katalysator (1) zu dem Unterbodenkatalysator (2) übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand zumindest eines von einer Motoraufwärmphase und Niedriglastfahren umfasst.
  7. Kraftfahrzeug (100) mit einem Verbrennungsmotor (101) und einem System (10) zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Verfahren (M) zur Abgasnachbehandlung, umfassend: Durchführen (M1) einer katalytischen Behandlung von Abgas (8) mit einem motornahen Katalysator (1), wobei das Abgas (8) von einem Verbrennungsmotor (101) stammt; Erhalten (M2) des Abgases (8) mit einem Unterbodenkatalysator (2) von dem motornahen Katalysator (1) und Durchführen einer katalytischen Behandlung des erhaltenen Abgases (8) mit dem Unterbodenkatalysator (2); und Austauschen (M3) von Wärme zwischen dem motornahen Katalysator (1) und dem Unterbodenkatalysator (2) mittels eines Wärmeaustauschfluids (4) eines Wärmeaustauschsystems (3).
  9. Verfahren (M) nach Anspruch 8, weiterhin umfassend: Regeln (M6) eines Flusses es Wärmeaustauschfluids (4) zwischen dem motornahen Katalysator (1) und dem Unterbodenkatalysator (2) mit einer Regeleinheit (5) derart, dass beide Katalysatoren (1, 2) mit einer optimierten kombinierten Betriebseffizienz für einen vorgegebenen Motorbetriebszustand betrieben werden .
  10. Verfahren (M) nach Anspruch 9, weiterhin umfassend: Messen (M4) einer Motorausgangstemperatur des Abgases (8) mit einem ersten Temperatursensor (6) stromaufwärts von dem motornahen Katalysator (1); und Messen (M5) einer Abgasrohrtemperatur des Abgases (8) mit einem zweiten Temperatursensor (7) stromabwärts von dem motornahen Katalysator (1) und stromaufwärts von dem Unterbodenkatalysator (2); wobei der Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) von der Regeleinheit (5) auf Basis der gemessenen Temperaturen geregelt wird.
  11. Verfahren (M) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) von der Regeleinheit (5) derart geregelt wird, dass Wärme von dem motornahen Katalysator (1) zu dem Unterbodenkatalysator (2) übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand Hochlastfahren umfasst
  12. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) von der Regeleinheit (5) derart geregelt wird, dass Wärme von dem Unterbodenkatalysator (2) zu dem motornahen Katalysator (1) übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand einen Wechsel von Hochlastfahren zu zumindest einem von Niedriglastfahren, Leerlauffahren und einer Motor-Aus-Phase umfasst.
  13. Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Fluss des Wärmeaustauschfluids (4) von der Regeleinheit (5) derart geregelt wird, dass keine Wärme von dem motornahen Katalysator (1) zu dem Unterbodenkatalysator (2) übertragen wird im Fall, dass der Motorbetriebszustand zumindest eines von einer Motoraufwärmphase und Niedriglastfahren umfasst.
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