DE102020129001A1 - Abgasanlage mit Abgasturbolader, Ejektor und Abgaskatalysator - Google Patents

Abgasanlage mit Abgasturbolader, Ejektor und Abgaskatalysator Download PDF

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Abstract

Abgasanalage (1) einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Abgasturbolader (2), wenigstens eine Umgehungsleitung (3) sowie einen Ejektor (4), umfassend einen Ejektoreinströmbereich (8), der sich unmittelbar stromabwärts an den Turbinenaustritt (5) anschließt und einen sich konisch verjüngenden Rohrleitungsabschnitt bildet, eine Mischstrecke (9), die einen weitgehend konstanten Rohrleitungsdurchmesser innehat sowie einen Diffusorbereich (10), der einen sich konisch vergrößernden Rohrleitungsabschnitt bildet, wobei innerhalb mindestens eines konisch ausgebildeten Rohrleitungsabschnitts des Ejektors (4) wenigstens ein Abgaskatalysator (11, 12) angeordnet ist. Ein erster Abgaskatalysator (11) ist innerhalb des Ejektoreinströmbereichs (8) und/oder ein zweiter Abgaskatalysator (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) angeordnet, wobei die Katalysatorträgermaterialien der beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) unterschiedlich sind. Das Katalysatorträgermaterial des ersten Abgaskatalysators (11) bildet einen Mehrwegeabgaskatalysator und das des zweiten Abgaskatalysators (12) einen Partikelfilter. Wenigstens ein Abgaskatalysator (11, 12), der innerhalb eines konischen Rohrleitungsabschnitts des Ejektors (4) angeordnet ist, weist eine konische Formgestalt auf.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere die Kombination aus einem Abgasturbolader, einem Ejektor sowie wenigstens einem Abgaskatalysator.
  • Stand der Technik
  • Abgasturbolader von aufgeladenen Brennkraftmaschinen können mittels Bypass gesteuert werden. Der Bypass kann als Umgehungsleitung ausgebildet sein, wobei der Eintritt der Umgehungsleitung stromaufwärts des Einlasses sowie deren Austritt stromabwärts des Auslasses des Abgasturboladers angeordnet sind. Durch vollständiges oder teilweises Öffnen oder Schließen der Umgehungsleitung kann der Anteil des Abgasmassenstromes eingestellt werden, welcher über das Turbinenrad des Abgasturboladers geführt wird. Der Anteil des Abgasmassenstroms, der durch die Umgehungsleitung strömt, oder auch der Bypassstrom, weist gegenüber dem Anteil des Abgasmassenstroms, der über das Turbinenrad strömt, oder auch der Turbinenstrom, aufgrund der Energieumwandlung an die Turbine eine höhere Enthalpie auf. Es existiert demnach eine Enthalpiedifferenz zwischen Bypassstrom und Turbinenstrom, stromabwärts der Turbine. Wird die Umgehungsleitung in eine gemeinsame Abgasableitung stromabwärts der Turbine geführt, in welche ebenfalls der Austritt der Turbine mündet und ist der Austritt der Umgehungsleitung in die gemeinsame Abgasableitung in unmittelbarer Nähe des Turbinenaustritts angeordnet, entsteht auf diese Art und Weise eine Strahlpumpe, wobei der Bypassstrom als Treibstrahl und der Turbinenstrom als Saugstrahl ausgebildet ist. Die Strahlpumpe erzeugt eine Druckreduzierung am Turbinenauslass und erhöht somit das Druckgefälle über der Turbine, was zu einer Steigerung der Turbinenausgangsleistung beiträgt.
  • In der Offenlegungsschrift DE3048933A1 ist ein Regelventil für einen Abgasturbolader offenbart, wobei das Regelventil innerhalb der Umgehungsleitung angeordnet ist und einen kegelförmigen Düsenkörper umfasst, der den Austritt der Umgehungsleitung in die gemeinsame Abgasableitung vollständig oder teilweise öffnet oder verschließt. Der Austritt der Umgehungsleitung ist weitgehend mittig in sowie koaxial zum weiteren Verlauf der Abgasableitung angeordnet, sodass der Austritt der Umgehungsleitung den Treibstrahl und der Austritt der Turbine den Saugstrahl einer Strahlpumpe bildet. Die stromabwärts des Düsenkörpers angeordnete Abgasableitung umfasst weiterhin eine Mischstrecke sowie einen Diffusor, sodass die gesamte Anordnung einen Ejektor ausbildet.
  • In der Offenlegungsschrift DE102018129130A1 ist eine ebensolche Turbinensteuereinrichtung offenbart, wobei um die Mischstrecke sowie den Diffusor ein Ringkatalysator angeordnet ist, um Bauraum zu sparen sowie den Abgaskatalysator nahe der Brennkraftmaschine zu platzieren.
  • Den Wirkungsgradvorteilen einer solchen Ejektorbauweise bezüglich der Turbinenausgangsleistung eines Abgasturboladers stehen die Nachteile einer möglichen Abgasnachbehandlung einer solchen Anordnung entgegen. Funktionstechnisch bedingt wird bei der Anwendung eines genannten Ejektors Bauraum für den Ejektoreinströmbereich, die Mischstrecke, sowie für einen Diffusorbereich benötigt, wodurch daran stromabwärts anschließend angeordnete Abgaskatalysatoren in einem erhöhten Abstand zur Brennkraftmaschine positioniert werden müssen. Dieser Umstand steht im Konflikt mit den gesetzlichen Anforderungen bezüglich der Abgasemissionen von Brennkraftmaschinen, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, wobei zum einen durch eine relative Nähe zur Brennkraftmaschine deren Abwärme ausgenutzt sowie zum anderen durch eine relativ kurze Wegstrecke des Abgases zu einem Abgaskatalysator eine verkürzte Light-Off-Zeit erreicht werden sollte.
  • Um dieser Anforderung gerecht zu werden, existieren im Stand der Technik neben der Anordnung von Abgaskatalysatoren in Ringbauweise nach DE102018129130A1 weitere Ansätze, wobei insbesondere der strukturelle Aufbau des Katalysatorträgers angepasst wird. Durch die Offenlegungsschriften JP1991169348A , KR2019970040536U , DE10224436A1 , DE102012220172A1 sowie US20140178260A1 sind Katalysatorträger in konischer Bauweise bekannt, um eine homogene Aufteilung des Abgasmassenstromes auf das Katalysatorträgermaterial, eine erweiterte Ausnutzung des Bauraums bei Rohrleitungsübergängen zwischen dem Katalysatormantel und dessen Eintritt und Austritt sowie eine Verbesserung der Light-Off-Temperatur zu erreichen.
  • Aus den Offenlegungsschriften JP1986004813A und US20080190081A1 , sowie aus der Patentschrift DE102016002517B3 sind Monolithen von Partikelfiltern in zumindest teilweise konischer Bauweise bekannt, wobei durch den konischen Aufbau, in Kombination mit angepassten Strömungskanälen, die strukturmechanische Belastung des Monolithen, eine Verringerung der Scherkräfte hervorgerufen durch den Abgasmassenstrom, sowie eine verbesserte Abgasnachbehandlung, durch veränderte Strömungsbedingungen, erreicht werden sollen. Die genannten Ansätze umfassen Vorrichtungen, die jedoch konventionell in der üblichen Reihenfolge von Abgasableitungen, also stromabwärts des Abgasturboladers angeordnet werden, sodass der zusätzliche Einsatz eines genannten Ejektors weiterhin die Nachteile der entfernten Positionierung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen birgt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, eine Abgasanlage bereitzustellen, die wenigstens einen Abgaskatalysator umfasst und die Vorteile der Ejektorbauweise bezüglich der Wirkungsgradverbesserung des Abgasturboladers abbildet sowie gleichzeitig eine geringe Light-Off-Zeit für den genannten Abgaskatalysator sicherstellt.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Aufgabe wird durch eine Abgasanlage, gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gelöst, dass innerhalb mindestens eines konisch ausgebildeten Rohrleitungsabschnitts des Ejektors wenigstens ein Abgaskatalysator angeordnet ist. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
  • Figurenliste
  • Die Intention der Erfindung besteht in der Ausnutzung des durch die Anwendung eines Ejektors stromabwärts eines Abgasturboladers zusätzlich benötigten Bauraums um eine Brennkraftmaschine, wobei wenigstens ein Abgaskatalysator in die erfindungsgemäße Abgasanalage integriert wird. Durch die Anordnung eines Abgaskatalysators innerhalb des Ejektors ist das Katalysatorträgermaterial in vorteilhafter Art und Weise näher an der Brennkraftmaschine angeordnet, sodass dieser die im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehende Abwärme des Abgasmassenstroms effektiv ausnutzen kann. Aufgrund geringer Rohrleitungsdurchmesser der Abgasableitung des Ejektors, um das Prinzip der Strahlpumpe zu realisieren, ist der Abgaskatalysator ebenfalls von geringeren Abmessungen als konventionelle Hauptkatalysatoren und kann als Vorkatalysator verwendet werden. Durch die geringen Abmessungen des Vorkatalysators erreicht das Katalysatorträgermaterial erfindungsgemäß vorteilhaft schneller die Light-Off-Temperatur, auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine. Wird dem Katalysatorträgermaterial eine strömungsoptimierte Struktur hinzugefügt, beispielsweise durch gerichtete Strömungskanäle, kann die Strömung durch den Ejektor gleichgerichtet werden, was einen positiven Effekt auf die Wirkungsweise der Strahlpumpe hat. Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Abgasanlage mit in einen Ejektor integrierten Abgaskatalysatoren wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wirkungsvoll erhöht und gleichzeitig werden die ausgestoßenen Abgasemissionen effektiv reduziert. Zum besseren Verständnis und als Unterstützung der Beschreibung wird sich auf folgende Abbildungen bezogen. Hierbei zeigen:
    • 1 die Strömungsverhältnisse einer aus dem Stand der Technik bekannten Abgasanlage mit Abgasturbolader und Ejektor,
    • 2 eine erfindungsgemäße Abgasanlage mit Abgasturbolader, Ejektor sowie zwei integrierten Abgaskatalysatoren.
  • Bezugnehmend auf 1 umfasst ein aus dem Stand der Technik bekannte Abgasanlage (1) einen Abgasturbolader (2) sowie einen Ejektor (4), der stromabwärts des Turbinenaustritts (5) des Abgasturboladers (2) angeordnet ist. Koaxial zum Ejektor (4) und zum Turbinenaustritt (5) ist der Austritt einer Umgehungsleitung (3) angeordnet, die den Bypassstrom zum Abgasturbolader (2) führt. Die Umgehungsleitung (3) kann an einer beliebigen Position stromaufwärts des Abgasturboladers (2) beginnen, sodass auf diese Art und Weise ein konventioneller Bypass dargestellt wird. Der Bypassstrom kann über ein Ventil (6) geregelt werden. Zur Verbesserung der Strömungsbedingungen der Strahlpumpe kann der Austritt der Umgehungsleitung (3) als eine Düseneinheit ausgestaltet sein, umfassend eine Düse (7) und ein zur äußeren Formgestalt der Düse (7) abgestimmtes Ventil (6). Das Ventil (6) kann eingerichtet sein, um die Düse (7) vollständig oder anteilig zu öffnen oder zu schließen.
  • Die Funktion eines solchen Ejektors (4) ergibt sich nunmehr in einem vollständig oder anteilig geöffneten Zustand des Ventils (6), wobei ein Anteil des Abgasmassenstroms der Brennkraftmaschine als Bypassstrom durch die Umgehungsleitung (3) geführt wird und diese durch Passieren der Düse (7) in Richtung des Ejektors (4) verlässt. Gleichzeitig wird ein weiterer Anteil des Abgasmassenstroms über wenigstens eine Turbine des Abgasturboladers (2) geführt und verlässt den Turbinenaustritt (5) als Turbinenstrom. Aufgrund der verrichteten Arbeit des Turbinenstroms an der Turbine weist dieser eine geringere Enthalpie auf als der Bypassstrom (schmale Strompfeile). Aufgrund der entstehenden Enthalpiedifferenz ist dem Bypassstrom ein höherer Fluiddruck als dem Turbinenstrom inne (fette Strompfeile). Durch den nach solcherart entstehenden Unterdruck am Turbinenaustritt kann der Wirkungsgrad des Abgasturboladers (2) und somit der gesamten Brennkraftmaschine erhöht werden.
  • Der stromabwärts an den Turbinenaustritt (5) angeordnete Ejektor (4) verstärkt den Effekt der Strahlpumpe, wobei dieser in einen Einströmbereich (8), eine Mischstrecke (9) sowie einen Diffusorbereich (10) unterteilt werden kann. Der Einströmbereich (8) ist als ein sich verjüngender konischer Rohrleitungsabschnitt ausgestaltet. Innerhalb des Einströmbereichs (8) wird der Treibstrahl (Bypassstrom) dem Saugstrahl (Turbinenstrom) zugeführt. Durch die sich verjüngende, kegelstumpfförmige Gestalt erhöht sich der Fluiddruck innerhalb der Rohrleitung weiter und verstärkt die Wirkungsweise der Strahlpumpe. Stromabwärts an den Einströmbereich (8) folgt die Mischstrecke (9), welche einen weitgehend konstanten Rohrleitungsdurchmesser aufweist. Innerhalb der Mischstrecke (9) kommt es zur Vermischung und Verwirbelung von Treib- und Saugstrahl (gekreiste Strömungspfeile). Beide Strahlen vermischen sich in der Mischstrecke (9) bis ein bezüglich Enthalpie, Strömungsgeschwindigkeit und Fluiddruck weitgehend homogener Abgasmassenstrom vorherrscht. Aufgrund dieser Anforderung ist für die Mischstrecke (9) funktionsbedingt eine definierte Mindestlängenausdehnung erforderlich. Bei Brennkraftmaschinen für Personenkraftwagen kann die Längenabmessung des gesamten Ejektors (4) bis zu 500mm betragen. Der nunmehr homogene Abgasmassenstrom wird anschließend im Diffusorbereich (10) entspannt und in die weiteren Rohrleitungsabschnitte der Abgasableitung geführt.
  • Die vorangegangene Beschreibung von Aufbau und Funktionsweise einer bekannten Abgasanlage (1) soll die nachfolgend beschriebene Erfindung weder festlegen noch in der Ausgestaltung ihrer Ausführungsformen beschränken, vielmehr dient sie der Vermittlung des allgemeinen Verständnisses bezüglich Aufbau und Funktionsweise einer bekannten Abgasanlage (1), wodurch die vorteilhafte Wirkungsweise der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Abgasanlage (1) verdeutlicht wird.
  • Bezugnehmend auf 2 wird eine genannte und beschriebene Abgasanlage (1) in vorteilhafter Art und Weise um wenigstens einen Abgaskatalysator (11, 12) erweitert. Die zusätzlichen Abgaskatalysatoren (11, 12) werden hierbei innerhalb der Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4), insbesondere des Einströmbereiches (8) und/oder des Diffusorbereiches (10) angeordnet. Durch die Anordnung von Abgaskatalysatoren (11, 12) innerhalb des Ejektors (4) soll der durch diesen versperrte Bauraum in vorteilhafter Art und Weise ausgenutzt werden. Aufgrund der funktionsbedingt erforderlichen Mindestlängsabmessung des erfindungsgemäßen Ejektors (4) können Abgasnachbehandlungssysteme lediglich in einem vergrößerten Abstand zur Brennkraftmaschine angeordnet werden, was die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile birgt. Die erfindungsgemäße Anordnung von Abgaskatalysatoren (11, 12) innerhalb des Ejektors verringert den Abstand jener zum Abgasturbolader (2) und zur Brennkraftmaschine, sodass in vorteilhafter Art und Weise Abgase, welche diese durchströmen, eine höhere Temperatur aufweisen, sowie, dass die Abgaskatalysatoren (11, 12) selbst durch die Abwärme der Brennkraftmaschine besser erwärmt werden. Aufgrund der im Verhältnis zu konventionellen Abgaskatalysatoren geringeren geometrischen Abmessungen der erfindungsgemäß zusätzlich angeordneten Abgaskatalysatoren (11, 12), hervorgerufen durch die verjüngende, kegelstumpfförmige Gestalt sowie die geringen Durchmesser der Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4), erreichen diese ihre Light-Off-Temperatur in einer geringeren Zeit. Dies ist insbesondere dadurch vorteilhaft, da im Kraftfahrzeugbereich Brennkraftmaschinen, insbesondere im Teillastbetrieb und aufgrund der fortschrittlichen Brennverfahren, immer niedrigere Abgastemperaturen erzeugen, sodass die vollständige Umsetzung der Schadstoffanteile erheblich erschwert wird.
  • In einer Ausführungsform ist ein erster Abgaskatalysator (11) innerhalb des Einströmbereichs (8) und/oder ein zweiter Abgaskatalysator (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) des Ejektors (4) angeordnet. Die beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) sind hierbei vorzugsweise innerhalb der konischen Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4) angeordnet. Funktionsbedingt sollte der Rohrleitungsabschnitt der Mischstrecke (9) frei von Strömungshindernissen sein, damit eine effektive Vermischung des Treib- und des Saugstrahls erfolgen kann. Gleichzeitig erhöht sich der Umsatz der Schadstoffe des Abgasmassenstroms, wenn der restliche verfügbare Bauraum innerhalb des Ejektors (4) vollständig ausgenutzt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform beginnt die Eintrittsfläche des ersten Abgaskatalysators (11) unmittelbar am Anfang des Einströmbereiches (8) des Ejektors (4) oder unmittelbar anschließend an die Düse (7), den Austritt der Umgehungsleitung (3) oder den Turbinenaustritt (5). Der exakte Beginn der Eintrittsfläche des ersten Abgaskatalysators (11) kann dabei abhängig sein von der physischen Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Abgasturbolader (2) und dem Ejektor (4) sowie von der geometrischen Ausgestaltung von Düse (7), Austritt der Umgehungsleitung (3) und Turbinenaustritt (5). Die Art und Ausgestaltung der Verbindung zwischen Abgasturbolader (2) und Ejektor (4) ist nicht Gegenstand der Erfindung und kann jede aus dem Stand der Technik bekannte oder jede weitere Ausführungsform umfassen. Entsprechend endet der erste Abgaskatalysator (11) mit seiner Austrittsfläche in seiner Längsausdehnung vorzugsweise mit dem Ende der konischen Verjüngung des Einströmbereichs (8), also dem Übergang zur Mischstrecke (9), sodass diese strömungstechnisch nicht von der Formgestalt des ersten Abgaskatalysators (11) negativ beeinflusst wird. Entsprechend den genannten Anforderungen beginnt der zweite Abgaskatalysator (12) mit seiner Eintrittsfläche vorzugsweise unmittelbar am Ende der Mischstrecke (9) oder im Übergang von dieser zur konischen Gestalt des Diffusorbereichs (10) und endet mit seiner Austrittsfläche am physischen Ende des Ejektors (4) oder am Ende der konischen Gestalt des Diffusorbereichs (10). Alternativ können die beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) jede beliebige Start- und Endposition ihrer Eintritts- und Austrittsflächen innehaben, wenn dies beispielsweise durch bauraumtechnische Gegebenheiten erforderlich ist oder sich günstig auf die Strömungsverhältnisse innerhalb des Ejektors (4) auswirken kann.
  • Der erste Abgaskatalysator (11) umfasst ein erstes und der zweite Abgaskatalysator (12) ein zweites Katalysatorträgermaterial. In einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die Katalysatorträgermaterialien der beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) unterschiedlich. Auf diese Art und Weise können die Katalysatorträgermaterialien vorteilhaft auf die jeweiligen Bereiche des Ejektors (4) oder an unterschiedliche Anwendungsfälle der Brennkraftmaschine flexibel angepasst werden. In einer Ausführungsform umfasst ein Katalysatorträgermaterial Eigenschaften eines aus dem Stand der Technik bekannten Drei-Wege-Katalysators und ein weiteres Katalysatorträgermaterial Eigenschaften der Funktionsweise von bekannten Partikelfiltern. Die Zusammensetzung der Katalysatorträgermaterialien ist nicht Gegenstand der Erfindung, vielmehr soll verdeutlicht werden, dass ein Katalysatorträgermaterial, welches Eigenschaften eines Drei-Wege-Katalysators innehat, im Sinne der Erfindung als ein Katalysatorträgermaterial zu verstehen ist, welches als Sauerstoffspeicher fungieren und so die Abgasemissionsbestandteile Stickstoffoxide (NOx), Kohlenstoffmonoxid (CO) sowie Kohlenwasserstoffe (HC) reduzieren oder dessen Verhältnis zueinander im Abgasmassenstrom in bekannter Art und Weise beeinflussen kann. Gleichsam ist ein Katalysatorträgermaterial, welches die Eigenschaften eines Partikelfilters aufweist, allgemein als ein Katalysatorträgermaterial zu verstehen, welches Rußpartikel aus den Abgasemissionen auffangen und speichern kann. So kann erfindungsgemäß vorteilhaft bereits innerhalb des Ejektors eine Reduzierung von Schadstoffen sowie von ausgestoßenen Rußpartikeln der Brennkraftmaschine im Abgasmassenstrom erfolgen.
  • In einer Ausführungsform weist das Katalysatorträgermaterial von wenigstens einem Abgaskatalysator (11, 12) eine konische Formgestalt auf. In einer vorzugsweisen Ausführungsform folgt die Formgestalt von wenigstens einem Katalysatorträgermaterial und somit die Formgestalt der zugehörigen Abgaskatalysatoren (11, 12) dem Verlauf des Innendurchmessers der konischen Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4), in welchen diese angeordnet sind. Somit entsprechen die radialen Abmessungen der Abgaskatalysatoren (11, 12) vorzugsweise weitgehend dem Innendurchmesser der Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4) an der jeweiligen axialen Position. Durch die konische Formgestalt der Katalysatorträgermaterialien bzw. der Abgaskatalysatoren (11, 12) selbst wird das Rohrleitungsvolumen von Einströmbereich (8) und Diffusorbereich (10) bestmöglich ausgeschöpft, um eine möglichst effektive Konvertierung der Schadstoffe des Abgases zu erreichen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform werden durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien Strömungskanäle ausgebildet, welche der äußeren Formgestalt der Abgaskatalysatoren (11, 12) bezüglich der Längsausrichtung folgen. Im Sinne der Erfindung bedeutet das, dass die Strömungskanäle nicht parallel zur axialen Ausrichtung der Abgaskatalysatoren (11, 12) ausgerichtet sind. Vielmehr folgen die ausgebildeten Strömungskanäle der konischen Formgestalt der Abgaskatalysatoren (11, 12), sodass aufgrund der geometrischen Eigenschaften des Kegelstumpfs der konischen Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4) Strömungskanäle, welche einen hohen radialen Abstand zur in Längsrichtung ausgerichteten Mittenachse des Kegelstumpfs innehaben, einen größeren Winkel zwischen jener Mittenachse und ihrer eigenen Mittenachse ausbilden, als diejenigen Strömungskanäle, die einen geringeren radialen Abstand zu genannter Mittenachse des Kegelstumpfs innehaben. Hierbei wird in vorteilhafter Art und Weise Einfluss auf die Strömungsbedingungen des Abgasmassenstroms innerhalb des Ejektors (4) genommen, wobei die Strömungskanäle der Katalysatorträgermaterialien die Strömung des Abgases in Richtung der Formgestalt die Kegelstümpfe gleichrichten. Für einen ersten Abgaskatalysator (11), welcher im Einströmbereich (8) des Ejektors (4) angeordnet ist, werden der Treib- und der Saugstrahl der Strahlpumpe zunächst durch die Ausprägung der Strömungskanäle in Richtung der Mischstrecke linearisiert und gleichgerichtet, was die Wirkungsweise der Düse (7) weiter verstärkt und somit einen positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad der Strahlpumpe haben kann. Für einen zweiten Abgaskatalysator (12), welcher im Diffusorbereich (10) des Ejektors (4) angeordnet ist, wird der durch die Mischstrecke (9) homogenisierte Abgasmassenstrom gleichmäßig auf die Eintrittsfläche des Katalysatorträgermaterials aufgeteilt und verlässt die Austrittsfläche des Katalysatorträgermaterials entsprechend gleichmäßig, sodass gegebenenfalls anschließende weitere Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung eine verbesserte Wirkung entfalten können.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform werden durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien Strömungskanäle ausgebildet, welche der äußeren Formgestalt der Abgaskatalysatoren (11, 12) bezüglich der Querschnittsfläche folgen. Im Sinne der Erfindung bedeutet das, dass sich die Querschnittsfläche der Strömungskanäle des Katalysatorträgermaterials des ersten Abgaskatalysators (11) in Strömungsrichtung im Wesentlichen verjüngt und/oder wobei sich die Querschnittsfläche der Strömungskanäle der Struktur des Katalysatorträgermaterials des zweiten Abgaskatalysators (12) in Strömungsrichtung im Wesentlichen vergrößert. Auf diese Art und Weise wird die genannte Wirkungsweise der gerichteten Strömungskanäle weiter verstärkt. In einer alternativen Ausführungsform sind die Querschnittsflächen der einzelnen Strömungskanäle an der jeweiligen gleichen Position bezüglich der Längsausrichtung unterschiedlich. So kann weiter Einfluss auf die Strömungsbedingungen innerhalb der Abgaskatalysatoren (11, 12) genommen werden. Es können beispielsweise die Strömungskanäle des ersten Abgaskatalysators (11), welche nahe der Längsachse des Ejektors (4) angeordnet sind, kleinere Querschnittsflächen am Eintritt des Katalysatorträgermaterials aufweisen, als jene, die näher an der Innenwandung der Rohrleitung des Ejektors (4) liegen, sodass aufgrund der unterschiedlichen Strömungsquerschnittsflächen der Fluiddruck des Treibstrahls weiter gegenüber des Fluiddrucks des Saugstrahls erhöht wird, wodurch die Wirkungsweise der Strahlpumpe weiter verbessert werden kann. Alternativ kann jeder einzelne Strömungskanal einen zu wenigstens einem weiteren Strömungskanal des Katalysatorträgermaterials gleichen oder veränderlichen Querschnittsverlauf aufweisen, um auf diese Art und Weise Strömungsbedingungen des Abgasmassenstroms zu beeinflussen, insbesondere zur gezielten Druckerhöhung oder Entspannung. Entsprechende Ausprägungen der Struktur des Katalysatorträgermaterials können für den zweiten Abgaskatalysator (12) erfolgen.
  • Ausführungsbeispiele
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der beschriebenen Ausführungsformen aufgezeigt. Diese dienen der prinzipiellen Veranschaulichung, wobei die erfindungsgemäße Abgasanlage (1) nicht durch die aufgezeigten Ausführungsbeispiele limitiert sein soll. Weitere Besonderheiten und Vorteile ergeben sich zusätzlich aus den unterstützenden Schaubildern, hierbei zeigen:
    • 3 die Strömungsverhältnisse in einer Abgasanlage (1) mit einem ersten Abgaskatalysator (11) im Einströmbereich (8) des Ejektors (4),
    • 4 die Strömungsverhältnisse in einer Abgasanlage (1) mit einem zweiten Abgaskatalysator (12) im Diffusorbereich (10),
    • 5 die Strömungsverhältnisse in einer Abgasanlage (1) mit zwei integrierten Abgaskatalysatoren (11, 12).
  • In 3 ist ein erster Abgaskatalysator (11) innerhalb des Einströmbereichs (8) des Ejektors (4) angeordnet, wobei dieser mit seiner Eintrittsfläche mit einem geringen Abstand unmittelbar stromabwärts der Düse (7) des Austritts der Umgehungsleitung (3) beginnt und mit einem geringen Abstand unmittelbar vor dem Beginn der Mischstrecke (9) endet. Die Eintrittsfläche des ersten Abgaskatalysators (11) sollte vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Düse (7) platziert werden, sodass sich Treib- und Saugstrahl nicht bereits stromaufwärts von genannter Eintrittsfläche wesentlich vermischen. Der Bypassstrom (dicke Strömungspfeile) strömt mit gegenüber dem Turbinenstrom (dünne Strömungspfeile) erhöhter Enthalpie und Fluiddruck aus der Düse (7) und trifft auf Strömungskanäle des Katalysatorträgermaterials, die sich in radialer Nähe zur Mittenachse des Ejektors befinden und somit noch weitgehend coaxial oder parallel zur genannten Achse verlaufen. Der Turbinenstrom wird dem Ejektor in radialer Nähe zum Innendurchmesser der Rohrleitungen des Turbinenaustritts (5) sowie des Einströmbereichs (8) des Ejektors (4) zugeführt und trifft entsprechend auf Strömungskanäle des Katalysatorträgermaterials, die sich in einem größeren radialen Abstand zur Mittenachse des Ejektors befinden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Querschnittsfläche der mittennahen Strömungskanäle, durch welche der Bypassstrom als Treibstrahl strömt, größer als jene der mittenfernen Strömungskanäle, durch welche der Turbinenstrom als Saugstrahl geführt wird. Auf diese Art und Weise wird der Treibstrahl mit anteilig weniger Strömungshindernissen konfrontiert und durch die zur Mittenachse weitgehend parallelen Strömungskanäle linearisiert und gleichgerichtet, wodurch die Düsenwirkung der Düse (7) weiter fortgesetzt wird. Entsprechend wird der Saugstrahl mit gegenüber dem Treibstrahl anteilig mehr Strömungshindernissen konfrontiert, wodurch die Enthalpie des Treibstrahls weiter reduziert wird. Demnach trägt eine solche Anordnung in vorteilhafter Art und Weise zu einer Erhöhung der Enthalpiedifferenz zwischen Treib- und Saugstrahl bei, wobei gleichzeitig Schadstoffemissionen im gesamten Abgasmassenstrom reduziert werden.
  • Im Anschluss an die Austrittsfläche des ersten Abgaskatalysators (11) erfolgt die Zusammenführung von Treib- und Saugstrahl, wobei der Abgasmassenstrom in genannter Art und Weise weitgehend bezüglich Enthalpie, Strömungsgeschwindigkeit und Fluiddruck homogenisiert, durch den Diffusorbereich (10) entspannt sowie in die weitere Abgasableitung geführt wird. Die alleinige Anordnung von einem ersten Abgaskatalysator (11) im Einströmbereich (8) des Ejektors (4) ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Erhöhung der Ejektorwirkung und somit des Wirkungsgrades des Abgasturboladers (2) und der Brennkraftmaschine gegenüber den Eigenschaften eines zweiten Abgaskatalysators (12) höher priorisiert werden oder wenn weiterer Bauraum gespart werden soll, wobei der Diffusorbereich (10) entsprechend in geringen Abmessungen ausgelegt ist, sodass die Anordnung eines weiteren Abgaskatalysators (12) die Gefahr eines ungünstigen Aufwand-zu-Nutzen-Verhältnisses birgt.
  • In 4 ist ein zweiter Abgaskatalysator (12) einzeln innerhalb des Diffusorbereichs (10) des Ejektors (4) angeordnet, wobei dieser mit seiner Eintrittsfläche mit einem geringen Abstand unmittelbar nach dem Ende der Mischstrecke (9) beginnt und mit einem geringen Abstand unmittelbar vor dem Ende des Diffusorbereichs (10) endet. Ein einzelner Abgaskatalysator (12), der im Diffusorbereich (10) des Ejektors (4) angeordnet ist, ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die schadstoffreduzierende Wirkungsweise des zweiten Abgaskatalysators (12) gegenüber der gesteigerten Ejektorwirkung priorisiert wird. Ist der zweite Abgaskatalysator (12) als ein Partikelfilter ausgelegt, so stellt dieser aufgrund seiner bekannten Struktur des Katalysatorträgermaterials und seiner Funktionsprinzipien ein Strömungshindernis dar und eignet sich nicht, um die Wirkungsweise einer Düse (7) oder einer Strahlpumpe fortzusetzen. Entsprechend wird dieser dann im Diffusorbereich (10) angeordnet, wobei der Einströmbereich (8) und die Mischstrecke (9) in ihren Längsabmessungen reduziert werden können, sodass die Wirkungsweise des Ejektors zwar vermindert, jedoch weiterhin vorhanden ist sowie der als Partikelfilter ausgestaltete zweite Abgaskatalysator (12) effektiv den Anteil an Rußpartikeln aus dem Abgasmassenstrom verringern kann. Die Anordnung eines als Partikelfilter ausgestalteten zweiten Abgaskatalysators (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) des Ejektors (4) ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil der durch die Wirkungsweise der Mischstrecke (9) weitgehend homogenisierte Abgasmassenstrom gleichmäßig auf die verkleinerte Eintrittsquerschnittsfläche trifft, hervorgerufen durch die in Strömungsrichtung betrachtet umgekehrte kegelstumpfförmige Gestalt des Katalysatorträgermaterials. Dieser Effekt kann weiter verstärkt werden, wenn die Eintrittsquerschnittsflächen der Strömungskanäle des Katalysatorträgermaterials gleich groß sowie gleichverteilt sind, bezogen auf die Eintrittsquerschnittsfläche. Erfindungsgemäß vorteilhaft können die Querschnittsverläufe der Strömungskanäle mit dem in Strömungsrichtung fortschreitend sich vergrößernden Rohrleitungsdurchmesser des Diffusorbereichs (10) korrelieren und sich ebenfalls zu gleichen Teilen ausweiten, sodass der homogenisierte Abgasmassenstrom gleichmäßig expandiert und entsprechend auf einen größtmöglichen Anteil der Oberfläche des Katalysatorträgermaterials verteilt wird, um Rußpartikel effektiv zu reduzieren.
  • In 5 ist eine Kombination aus den Ausführungsbeispielen von 3 und 4 dargestellt, wobei ein erster Abgaskatalysator (11) innerhalb des Einströmbereichs (8) des Ejektors (4) angeordnet ist, wobei dieser mit seiner Eintrittsfläche mit einem geringen Abstand unmittelbar stromabwärts der Düse (7) des Austritts der Umgehungsleitung (3) beginnt und mit einem geringen Abstand unmittelbar vor dem Beginn der Mischstrecke (9) endet und ein zweiter Abgaskatalysator (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) des Ejektors (4) angeordnet ist, wobei dieser mit seiner Eintrittsfläche mit einem geringen Abstand unmittelbar nach dem Ende der Mischstrecke (9) beginnt und mit einem geringen Abstand unmittelbar vor dem Ende des Diffusorbereichs (10) endet. Diese kombinierte Anordnung vereint die Vorteile der beiden genannten Einzelanordnungen. Zwar stellen beide Abgaskatalysatoren (11, 12) für sich genommen Strömungshindernisse dar, welche einen negativen Einfluss auf die Ejektorwirkungsweise als solche betrachtet haben können, jedoch werden insbesondere durch die Ausgestaltung von unterschiedlichen Katalysatorträgermaterialien die wichtigsten Schadstoffe und Rußpartikel, zusätzlich zur Wirkungsgradverbesserung des Abgasturboladers (2) sowie der Brennkraftmaschine, reduziert.
  • In der Gesamtheit betrachtet stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin einen modularen Einsatz bereit, wobei durch die Wirkungsweise des Ejektors (4) der Wirkungsgrad des Abgasturboladers (2) erhöht, durch die Anwendung eines ersten Abgaskatalysators (11) als Mehrwegekatalysator die Schadstoffe Stickstoffoxide (NOx), Kohlenstoffmonoxid (CO) sowie Kohlenwasserstoffe (HC) reduziert sowie durch die Anwendung eines zweiten Abgaskatalysators (12) als Partikelfilter die Rußpartikel im Abgasmassenstrom verringert werden können. Je nach Priorisierung kann das Verhältnis dieser Wirkungsweisen zueinander eingestellt werden. Liegt der Fokus auf Wirkungsgradvorteilen und der Reduzierung von Schadstoffen, kann das Volumen des zweiten Abgaskatalysators (12) verringert werden. Liegt der Fokus auf der Verringerung von Rußpartikeln und Wirkungsgradvorteilen, kann das Volumen des ersten Abgaskatalysators (11) verringert werden. Eine zusätzliche Ausgestaltung der Strömungskanäle der Katalysatorträgermaterialien, in genannter Art und Weise, erhöht die Kombinationsmöglichkeiten weiterhin, sodass eine anwendungsfallspezifische Anpassung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Art und Weise erfolgen kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abgasanlage
    2
    Abgasturbolader
    3
    Umgehungsleitung
    4
    Ejektor
    5
    Turbinenaustritt
    6
    Ventil
    7
    Düse
    8
    Ejektoreinströmbereich
    9
    Mischstrecke
    10
    Diffusorbereich
    11
    erster Abgaskatalysator
    12
    zweiter Abgaskatalysator
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • US 20080190081 A1 [0007]
    • DE 102016002517 B3 [0007]

Claims (7)

  1. Abgasanlage (1) umfassend einen Abgasturbolader (2), wenigstens eine Umgehungsleitung (3), einen Ejektor (4) sowie wenigstens einen Abgaskatalysator (11, 12), wobei die Umgehungsleitung (3) stromabwärts des Abgasturboladers (2) endet und der Ejektor (4) stromabwärts des Abgasturboladers (2) unmittelbar an einen Turbinenaustritt (5) anschließend sowie der Austritt der Umgehungsleitung (3) innerhalb und koaxial zum Turbinenaustritt (5) angeordnet ist, wobei der Austritt der Umgehungsleitung (3) durch ein Ventil (6) verschließbar ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ejektor (4) einen Ejektoreinströmbereich (8), der sich unmittelbar stromabwärts an den Turbinenaustritt (5) anschließt und einen sich konisch verjüngenden Rohrleitungsabschnitt bildet, eine Mischstrecke (9), die einen weitgehend konstanten Rohrleitungsdurchmesser innehat sowie einen Diffusorbereich (10), der einen sich konisch vergrößernden Rohrleitungsabschnitt bildet, umfasst, wobei wenigstens ein Abgaskatalysator (11, 12) innerhalb mindestens eines konisch ausgebildeten Rohrleitungsabschnitts angeordnet ist.
  2. Abgasanalge (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den konisch ausgebildeten Rohrleitungsabschnitten des Ejektors (4) ein erster Abgaskatalysator (11) innerhalb des Ejektoreinströmbereichs (8) und/oder ein zweiter Abgaskatalysator (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) angeordnet ist, wobei die Katalysatorträgermaterialien der beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) unterschiedlich sind.
  3. Abgasanlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorträgermaterial des ersten Abgaskatalysators (11) einen Mehrwegeabgaskatalysator und dass das Katalysatorträgermaterial des zweiten Abgaskatalysators (12) einen Partikelfilter ausbildet.
  4. Abgasanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorträgermaterial von wenigstens einem Abgaskatalysator (11, 12), der innerhalb eines konischen Rohrleitungsabschnitts des Ejektors (4) angeordnet ist, eine konische Gestalt aufweist.
  5. Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien der Abgaskatalysatoren (11, 12) Strömungskanäle ausgebildet werden, wobei die Ausrichtung der Strömungskanäle der Formgestalt der konischen Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4) folgen, in denen die Abgaskatalysatoren (11, 12) angeordnet sind, sodass die Längsachse von Strömungskanälen, die einen größeren radialen Abstand zur Längsachse des Ejektors (4) innehaben, einen größeren Winkel zwischen ihrer Längsachse und jener des Ejektors (4) ausbilden, als jene Längsachsen von Strömungskanälen, die einen geringeren radialen Abstand zur Längsachse des Ejektors (4) innehaben.
  6. Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien der Abgaskatalysatoren (11, 12) Strömungskanäle ausgebildet werden, wobei die einzelnen Strömungskanäle zu wenigstens einem weiteren Strömungskanal den gleichen oder unterschiedlichen Querschnittsflächenverlauf aufweisen.
  7. Abgasanlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien der Abgaskatalysatoren (11, 12) Strömungskanäle ausgebildet werden, wobei sich die Querschnittsfläche der Strömungskanäle der Struktur des Katalysatorträgermaterials des ersten Abgaskatalysators (11) in Strömungsrichtung im Wesentlichen verjüngt und/oder wobei sich die Querschnittsfläche der Strömungskanäle der Struktur des Katalysatorträgermaterials des zweiten Abgaskatalysators (12) in Strömungsrichtung im Wesentlichen vergrößert.
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