EP2622186B1 - Abgasanlage - Google Patents

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EP2622186B1
EP2622186B1 EP11763725.6A EP11763725A EP2622186B1 EP 2622186 B1 EP2622186 B1 EP 2622186B1 EP 11763725 A EP11763725 A EP 11763725A EP 2622186 B1 EP2622186 B1 EP 2622186B1
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EP
European Patent Office
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exhaust
exhaust gas
gas purification
internal combustion
combustion engine
Prior art date
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Wolfgang Maus
Rolf BRÜCK
Klaus MÜLLER-HAAS
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Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
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Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust system with an exhaust gas purification component, an exhaust pipe, a connection device and a fastening element.
  • a motor vehicle with an exhaust system and a method for operating the motor vehicle is specified.
  • Exhaust gas purification components may have different functions in exhaust systems of internal combustion engines.
  • the exhaust gas purification components are used as catalyst carrier bodies, as adsorbers, as filters, as flow mixers and / or as particle separators.
  • These exhaust gas purification components typically have passages or channels through which a fluid can flow, which if appropriate are at least partially (catalytically) coated and / or formed with a filter material.
  • the exhaust gas flowing into a channel can also be caused by deflection structures to partially pass through the channel walls, so that, for example, filter materials or deposition surfaces for particles and / or intimate contact with a catalytically active surface are achieved.
  • the deposited soot particles, ash and / or carbon particles can be reacted at least temporarily by high exhaust gas temperatures, in the presence of NO 2 (nitrogen dioxide) and / or by a catalytically active coating.
  • FR 2 905 726 relates to an exhaust system with a catalyst device, a particulate filter and an exhaust, which are connected to each other via an exhaust pipe and is attached to both the engine and the chassis of a motor vehicle.
  • the exhaust system further includes a decoupler, which is formed in the exhaust pipe between the engine and the catalyst device. The decoupler dampens vibrations in a certain frequency range in the exhaust system.
  • US 5,323,989 relates to an exhaust system of a motor vehicle.
  • the exhaust system includes an exhaust pipe in which a catalytic converter and an exhaust are arranged.
  • the arrangement of the exhaust pipe is such that a resonant frequency of the exhaust pipe is matched with the resonant frequency of the vehicle body. In this way, the vibration of the vehicle body is to be damped.
  • EP-A2-1 865 161 Particulate filters are known, which are arranged in an exhaust pipe with a turbocharger.
  • the particulate filters are flowed through during operation in the vertical direction of an exhaust gas.
  • the soot particles retained by the particulate filters dissolve when an internal combustion engine is switched off and fall into a sump due to gravity.
  • the dissolving of the filtered-out soot particles can be supported by a vibrator, so that dissolve more soot particles from the particulate filters.
  • the object of the invention is therefore to solve the problems described with reference to the prior art at least partially and in particular to provide an exhaust system with the elimination of non-convertible into gaseous particles (such as ash) from the critical areas of the exhaust system can be done.
  • an exhaust system with at least one exhaust gas purification component, at least one exhaust pipe, at least one connecting device for connecting the exhaust system to an internal combustion engine of a motor vehicle and at least one fastening element for additionally securing the exhaust system to the motor vehicle, wherein at least one exhaust gas cleaning component in a mounted state to vibrations with a first resonant frequency range of less than 300 Hz [I / sec], preferably of less than 150 Hz can be excited, wherein the exhaust gas purification component in a fixed state is preferably excitable to vibrations having a first resonant frequency range of at least 50 Hz.
  • An exhaust gas purification component is understood in particular to mean at least one of the following components: honeycomb body, filter, separator, catalyst carrier body, adsorber and flow mixer.
  • This exhaust gas purification components are arranged in the exhaust pipe or an exhaust gas recirculation line of an internal combustion engine associated exhaust system and thus exposed to the exhaust gas.
  • connection device such elements are understood, via which the exhaust system is directly connected or contacted with the internal combustion engine.
  • the connecting device can be designed as a flange which is screwed to the internal combustion engine.
  • the connecting device can also be realized via a welded joint of the exhaust system with the internal combustion engine.
  • the connecting device is usually followed by the exhaust gas line, through which the exhaust gas is guided and in which the at least one exhaust gas purification component is arranged.
  • the exhaust system is connected via at least one further fastening element to the motor vehicle.
  • the at least one fastening element can produce a rigid or elastic connection of the exhaust system to the motor vehicle.
  • the at least one fastening element is provided in particular on the underbody of the motor vehicle and comprises z. B. at least one holder which fixes the exhaust system away from the internal combustion engine in the desired position.
  • the exhaust system Under a fastened state is understood in particular that the exhaust system is clamped to the connecting device and the at least one fastener according to the intended use. To determine the resonance frequency, the exhaust system is thus either mounted as intended in a motor vehicle or clamped in a test stand as in the intended use.
  • the resonance frequencies of the at least one exhaust gas purification component of the exhaust gas system can be determined by numerical methods in simulations. In addition, an experimental determination of the resonance frequencies of the arranged in the exhaust system exhaust gas purification components is possible.
  • the exhaust system is clamped as in the operation of the internal combustion engine, for. B. in up to three (3) mutually orthogonal directions successively excited by a vibration source having an amplitude of at least 1 mm [millimeters] in the spatial direction.
  • the vibration source passes through an excitation frequency of z. 1 Hz up to 16,000 Hz.
  • a vibration amplitude is recorded at various points of the exhaust system, in particular at the exhaust gas purification components, as a function of the excitation frequency.
  • the frequency at which maximum amplitudes are determined is called the resonant frequency.
  • the resonant frequency range is a 10 Hz, preferably 5 Hz, more preferably 2 Hz, wide frequency interval, which centrally surrounds the resonant frequency.
  • the resonance frequency range over the half-width of the resonance frequency in a representation of the vibration amplitude can be determined by exciting the frequency, wherein the resonance frequency range at most 10 times, preferably at most 5 times, more preferably at most 3 times the half width corresponds.
  • the exhaust system can be excited by vibrations to vibrations.
  • the vibrations can be characterized at a given location of the exhaust system by an amplitude and a frequency.
  • the amplitude and the frequency do not have to match at all locations of the exhaust system.
  • Vibrations with frequencies in a first resonant frequency range are, in particular, those oscillations which an exhaust-gas purification component as a whole carries out, that is to say in particular those oscillations with which a housing of the exhaust-gas-cleaning component oscillates from its rest position. With the vibrations the housing from its rest position swing with all components of the emission control component. Damped mounted in the housing components may oscillate with a lower amplitude than the housing itself.
  • vibrations with a frequency in the first resonant frequency range are transmitted to all components unattenuated.
  • rigid structures of the emission control system such as the housing swing with a relatively small amplitude
  • soft elements of the exhaust gas purification component such as the filter material
  • the ash particles and / or soot particles deposited in the exhaust gas purification component are thus also excited to oscillate. Due to their different from the attachment point inertia, the deposited particles can be detached from the attachment site and get z. B. back into the exhaust stream.
  • the exhaust gas purifying component By exciting the exhaust gas purifying component at a frequency in the first resonance frequency range, the exhaust gas purifying component carries out vibrations having a large amplitude, thereby releasing the particles from their attachment sites.
  • the first resonance frequency range of less than 300 Hz and in particular of less than 150 Hz is selected so that at least one exhaust gas cleaning component can be excited to vibrate, at least when starting or stopping the internal combustion engine by vibrations of the internal combustion engine. Since the internal combustion engine undergoes vibrations at frequencies from 0 Hz to frequencies of 300 Hz, which can be assigned to the idling speed at startup, the exhaust gas purification component is cleaned at least once during operation of the internal combustion engine by the vibrations. When the resonance frequency range is more than 50 Hz, excitation of vibrations of the exhaust gas purifying component by vibrations resulting from road irregularities during running is prevented.
  • the mechanical properties of the aforementioned components are thus matched to one another such that a first resonance frequency range of less than 300 Hz or even less than 150 Hz is realized.
  • the mechanical properties are meant in particular the mass, the bending strength, the modulus of elasticity of the components and / or their joints.
  • the at least one exhaust gas cleaning component for a fluid flow-through channels having walls which are at least partially formed with filter material and a plurality of protruding into the channels structures.
  • the fluid flowing in one passage may flow to an adjacent passage through a filtering material which receives the particulates and / or the ashes.
  • the channels are arranged in layers.
  • the exhaust gas can thus be deflected in two orthogonal directions. It is advantageous if the at least one exhaust gas purification component can oscillate in at least one of the deflection directions.
  • the soot particles and / or carbon particles deposited in the filter material can be accelerated in both directions from the rest position to a channel.
  • the at least one exhaust gas cleaning component has at least one component which has a second resonant frequency range of more than 500 Hz, preferably more than 800 Hz, particularly preferably more than 1000 Hz.
  • the second resonance frequency range characterizes a component of the exhaust gas purification component itself.
  • the components of the at least one exhaust gas purification component are in particular the structures and / or the walls of the channels, in particular the filter material. The second resonant frequency range is thus outside of the vibration frequencies normally generated by an internal combustion engine.
  • the components of the exhaust gas purification component are thus alone (that is, in particular without a corresponding resonance vibration of the exhaust pipe in this area) just not excitable by the internal combustion engine to oscillate, whereby an unwanted excitation of the components is avoided to vibrations while driving.
  • the second resonant frequency range is determined by exciting the clamped exhaust gas purifying component with vibrations, whereby the vibrations of the individual components are recorded as a function of the frequency of the exciting vibrations.
  • the at least one exhaust gas purification component is assigned a vibration element which can excite the exhaust gas purification component to oscillate at a frequency in the second resonance frequency range.
  • the particles deposited in the exhaust gas purification component become from the attachment sites solved.
  • the exhaust gas purifying component can be specifically cleaned during operation of the internal combustion engine in addition to the vibrations caused by the internal combustion engine during starting and stopping.
  • a method of operating a motor vehicle having an internal combustion engine and an exhaust system is varied, wherein the internal combustion engine is operated during the starting operation so that vibrations of the internal combustion engine are excited so that they are transmitted to an exhaust gas purification component are excited to vibrations in a resonant frequency range of less than 150 Hz, so that it is freed of particles.
  • Such a method is realized, in particular, by selecting the injection time and the injection duration accordingly when starting the engine.
  • Fig. 1 schematically shows a motor vehicle 6 with an internal combustion engine 5 and an exhaust system 1.
  • the exhaust system 1 has an exhaust pipe 3 with two (integrated) exhaust gas purification components 2, a connection device 4 and two fasteners 7.
  • the Exhaust system 1 is connected via the connecting device 4 to the internal combustion engine 5 and connected via the fastening elements 7 in addition to the motor vehicle 6.
  • On the exhaust pipe 3 detectors 17 are further arranged, which are connected via data lines 18 to a control unit 19.
  • the one exhaust gas purification component 2 is further associated with a vibrating element 9, which is also connected via the data line 18 to the control unit 19.
  • the control unit 19 is also connected to the internal combustion engine 5.
  • the mechanical properties of the exhaust gas purification component 2, the exhaust pipe 3, the connecting device 4 and the fastening element 7 are coordinated so that at least one exhaust gas cleaning component 2 has a first resonant frequency range of below 300 Hz or even below 150 Hz, but above 50 Hz. In this way it is ensured that when starting the internal combustion engine 5 by transferring the vibrations of the internal combustion engine 5 to the exhaust system 1, which is at least one exhaust gas cleaning component 2 is vibrated, so that in the exhaust gas purification component 2 deposited particles are released. An excitation of vibrations due to road bumps while driving is avoided. Exciting the exhaust gas purifying component 2 to vibrations during idling of the internal combustion engine 5 and / or under load can thus be practically avoided (if desired).
  • the control unit 19 controls when starting the internal combustion engine 5, the injection operations in such a manner that preferably vibrations are excited with frequencies from a first resonant frequency range.
  • the detectors 17 determine parameters of the exhaust gas, such as pressure, temperature and / or exhaust gas composition, in the exhaust pipe 3 and transmit them to the control unit 19.
  • the control unit 19 may be provided at predeterminable intervals and / or at predefinable parameters of the internal combustion engine 5 and / or at predefinable parameters of the Exhaust gas, the vibrating element 9, a signal for carrying out vibrations give.
  • the vibration element 9 in particular carries out vibrations with frequencies greater than 500 Hz [1 / sec.].
  • the frequency of the exciting vibration may be set so as to excite the exhaust gas purification component 2 at a frequency in a second resonance frequency range of the components 8 of the exhaust gas purification component 2.
  • the exhaust gas purifying component 2 may be excited alternately at different frequencies by the vibrating element 9.
  • the exciting amplitude of the vibrating element 9 is preferably less than 1 mm.
  • the exhaust gas purification component 2 is carried out during operation of the internal combustion engine 5, so that in the exhaust gas purification component 2 deposited, unreacted in a regeneration, particles are dissolved and entrained by the exhaust gas flow of the internal combustion engine.
  • the vibrating element 9 may be, for example, a piezoelectric element or an electric motor.
  • Fig. 2 shows a section of an exhaust gas purification component 2.
  • the exhaust gas purification component 2 has channels 11, in which the exhaust gas flows in an original flow direction 16.
  • the channels 11 are formed by channel walls 13 which have passages 15 and are partially formed by filter material 12.
  • the channel walls 13 may include structures 14 (eg, corrugated metal foils) that redirect the exhaust gas.
  • the arrows indicate the flow direction of the exhaust gas.
  • the exhaust gas carries particles 10 with it and is deflected by the structures 14 so that the particles 10 can be deposited in the filter material 12. As a rule, soot particles and ash are converted during the regeneration of the exhaust gas purification component 2 to carbon dioxide and nitrogen.
  • the present invention makes it possible to remove ash residues from an exhaust gas purification component 2 during starting of the motor vehicle 6, thereby reducing the maintenance effort for such and permitting efficient operation of the exhaust gas purification component 2 in the long term.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Exhaust Silencers (AREA)
  • Processes For Solid Components From Exhaust (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage mit einer Abgasreinigungskomponente, einer Abgasleitung, einer Anschlussvorrichtung und einem Befestigungselement. Darüber hinaus wird ein Kraftfahrzeug mit einer Abgasanlage und ein Verfahren zum Betreiben des Kraftfahrzeugs angegeben.
  • Abgasreinigungskomponenten können in Abgacanlagen von Verbrennungskraftmaschinen unterschiedliche Funktionen haben. So werden die Abgasreinigungskomponenten bspw. als Katalysator-Trägerkörper, als Adsorber, als Filter, als Strömungsmischer und/oder als Partikelabscheider eingesetzt. Diese Abgasreinigungskomponenten weisen typischerweise für ein Fluid durchströmbare Durchgänge oder Kanäle auf, die gegebenenfalls zumindest teilweise (katalytisch) beschichtet und/oder mit einem Filtermaterial ausgebildet sind. Das Abgas, das in einen Kanal einströmt, kann auch durch Umlenkstrukturen dazu veranlasst werden, die Kanalwände teilweise zu passieren, so dass zum Beispiel Filtermaterialien oder Abscheideoberflächen für Partikel und/oder ein inniger Kontakt mit einer katalytisch aktiven Fläche erreicht werden. Die abgelagerten Rußpartikel, Asche und/oder Kohlenstoffpartikel können durch hohe Abgastemperaturen, in Anwesenheit von NO2 (Stickstoffdioxid) und/oder durch eine katalytisch wirkende Beschichtung zumindest zeitweise umgesetzt werden.
  • Es kommt jedoch vor, dass die abgelagerten Rußpartikel und/oder Kohlenstoffpartikel bzw. die Asche nicht vollständig umgesetzt werden. Sammeln sich solche nicht umgesetzten Rückstände in dem Filtermaterial und/oder an den Kanalwänden an, insbesondere an den Übergangsstellen zwischen den benachbarten Kanälen, kann eine Abgasreinigungskomponente zumindest teilweise verstopfen. Dies kann zu einem erhöhten Druckabfall des Abgases über der Abgasreinigungskomponente und damit zu einer Effizienzverringerung der Verbrennungskraftmaschine führen. Außerdem kann so die katalytisch aktive Oberfläche teilweise bedeckt und damit reduziert werden, was ebenfalls unerwünscht ist.
  • FR 2 905 726 betrifft eine Abgasanlage mit einer Katalysatoreinrichtung, einem Partikelfilter und einem Auspuff, die über eine Abgasleitung miteinander verbunden sind und sowohl an dem Motor als auch an das Chassis eines Kraftfahrzeugs befestigt ist. Die Abgasanlage umfasst ferner einen Entkoppler, der in der Abgasleitung zwischen Motor und Katalysatoreinrichtung ausgebildet ist. Der Entkoppler dämpft Vibrationen in einem bestimmten Frequenzbereich in der Abgasanlage.
  • US 5,323,989 betrifft eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs. Die Abgasanlage umfasst eine Abgasleitung, in der ein katalytischer Konverter und ein Auspuff angeordnet sind. Die Anordnung der Abgasleitung erfolgt so, dass eine Resonanzfrequenz der Abgasleitung mit der Resonanzfrequenz des Fahrzeugkörpers abgeglichen wird. Auf diese Weise soll die Schwingung des Fahrzeugkörpers gedämpft werden.
  • Aus EP-A2-1 865 161 sind Partikelfilter bekannt, die in einer Abgasleitung mit einem Turbolader angeordnet sind. Die Partikelfilter werden im Betrieb in vertikaler Richtung von einem Abgas durchströmt. Die von den Partikelfiltern zurückgehaltenen Rußpartikel lösen sich beim Ausschalten einer Verbrennungskraftmaschine und fallen aufgrund der Schwerkraft in einen Sammelbehälter. Das Lösen der herausgefilterten Rußpartikel kann durch einen Vibrator unterstützt werden, so dass sich weitere Rußpartikel von den Partikelfiltern lösen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine Abgasanlage anzugeben, mit der eine Beseitigung von nicht in gasförmige Stoffe umwandelbaren Partikeln (wie zum Beispiel Asche) aus den kritischen Bereichen der Abgasanlage erfolgen kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Abgasanlage und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben und im Folgenden näher beschrieben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegeben Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasanlage mit mindestens einer Abgasreinigungskomponente, mindestens einer Abgasleitung, mindestens einer Anschlussvorrichtung zum Anschließen der Abgasanlage an eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und mindestens einem Befestigungselement zum zusätzlichen Befestigen der Abgasanlage am Kraftfahrzeug, wobei zumindest eine Abgasreinigungskomponente in einem befestigten Zustand zu Schwingungen mit einem ersten Resonanzfrequenzbereich von weniger als 300 Hz [I/sec], bevorzugt von weniger als 150 Hz anregbar ist, wobei die Abgasreinigungskomponente in einem befestigten Zustand bevorzugt zu Schwingungen mit einem ersten Resonanzfrequenzbereich von mindestens 50 Hz anregbar ist.
  • Unter einer Abgasreinigungskomponente wird insbesondere zumindest eine der folgenden Komponenten verstanden: Wabenkörper, Filter, Abscheider, Katalysator-Trägerkörper, Adsorber und Strömungsmischer. Diese Abgasreinigungskomponenten sind in der Abgasleitung bzw. einer Abgasrückführleitung der einer Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Abgasanlage angeordnet und damit dem Abgas ausgesetzt. Hierfür ist die ARK mit der Abgasleitung z. B. kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden bzw. in Kontakt.
  • Unter einer Anschlussvorrichtung werden solche Elemente verstanden, über die die Abgasanlage mit der Verbrennungskraftmaschine direkt verbunden bzw. kontaktiert wird. Die Anschlussvorrichtung kann als ein Flansch ausgeführt sein, der an die Verbrennungskraftmaschine angeschraubt wird. Die Anschlussvorrichtung kann aber auch über eine Schweißverbindung der Abgasanlage mit der Verbrennungskraftmaschine realisiert sein. An die Anschlussvorrichtung schließt sich üblicherweise die Abgasleitung an, durch die das Abgas geführt wird und in der die mindestens eine Abgasreinigungskomponente angeordnet ist. Die Abgasanlage ist über zumindest ein weiteres Befestigungselement mit dem Kraftfahrzeug verbunden. Das mindestens eine Befestigungselement kann eine starre oder elastische Verbindung der Abgasanlage mit dem Kraftfahrzeug herstellen. Das mindestens eine Befestigungselement ist insbesondere am Unterboden des Kraftfahrzeugs vorgesehen und umfasst z. B. mindesten einen Halter, der die Abgasanlage entfernt zur Verbrennungskraftmaschine in der gewünschten Lage fixiert.
  • Unter einem befestigtem Zustand wird insbesondere verstanden, dass die Abgasanlage an der Anschlussvorrichtung und dem mindestens einen Befestigungselement entsprechend dem bestimmungsgemäßen Einsatz eingespannt ist. Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz ist die Abgasanlage also entweder bestimmungsgemäß in einem Kraftfahrzeug angebracht oder aber in einem Versuchsstand wie beim bestimmungsgemäßen Einsatz eingespannt.
  • Die Resonanzfrequenzen der mindestens einen Abgasreinigungskomponente der Abgasanlage können zum einen durch numerische Verfahren in Simulationen bestimmt werden. Darüber hinaus ist auch eine experimentelle Bestimmung der Resonanzfrequenzen der in der Abgasanlage angeordneten Abgasreinigungskomponenten möglich. Dazu wird die Abgasanlage, eingespannt wie im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, z. B. in bis zu drei (3) zueinander orthogonalen Richtungen nacheinander von einer Schwingungsquelle mit einer Amplitude von mindestens 1 mm [Millimeter] in die Raumrichtung angeregt. Die Schwingungsquelle durchläuft eine Anregungsfrequenz von z. B. 1 Hz bis zu 16.000 Hz. Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz wird eine Schwingungsamplitude an verschiedenen Stellen der Abgasanlage, insbesondere an den Abgasreinigungskomponenten, als Funktion der Anregungsfrequenz aufgenommen. Die Frequenz, bei der maximale Amplituden bestimmt werden, wird als Resonanzfrequenz bezeichnet.
  • Als Resonanzfrequenzbereich wird ein 10 Hz, bevorzugt 5 Hz, besonders bevorzugt 2 Hz, breites Frequenzintervall bezeichnet, welches zentral die Resonanzfrequenz umschließt. Alternativ kann der Resonanzfrequenzbereich über die Halbwertsbreite der Resonanzfrequenz in einer Darstellung der Schwingungsamplitude über Anregen der Frequenz bestimmt werden, wobei der Resonanzfrequenzbereich höchstens das 10-fache, bevorzugt höchstens das 5-fache, besonders bevorzugt höchstens das 3-fache der Halbwertsbreite entspricht.
  • Die Abgasanlage kann durch Vibrationen zu Schwingungen angeregt werden. Die Schwingungen können an einem vorgegebenen Ort der Abgasanlage durch eine Amplitude und eine Frequenz charakterisiert werden. Dabei müssen die Amplitude und die Frequenz nicht an allen Orten der Abgasanlage übereinstimmen. Schwingungen mit Frequenzen in einem ersten Resonanzfrequenzbereich sind insbesondere solche Schwingungen, die eine Abgasreinigungskomponente als Ganzes ausführt, also insbesondere solche Schwingungen, mit denen ein Gehäuse der Abgasreinigungskomponente aus seiner Ruhelage schwingt. Mit den Schwingungen des Gehäuses aus seiner Ruhelage schwingen auch alle Bauteile der Abgasreinigungskomponente mit. Gedämpft in dem Gehäuse angebrachte Bauteile schwingen ggf. mit einer geringeren Amplitude als das Gehäuse selbst. Es ist allerdings bevorzugt, dass Schwingungen mit einer Frequenz in dem ersten Resonanzfrequenzbereich auf alle Bauteile ungedämpft übertragen werden. Es ist aber auch denkbar, dass starre Strukturen der Abgasreinigungsanlage, wie beispielsweise das Gehäuse mit einer relativ geringen Amplitude schwingen, während weiche Elemente der Abgasreinigungskomponente, wie beispielsweise das Filtermaterial, mit einer größeren Amplitude schwingen. Durch die Schwingungen der Abgasreinigungskomponente werden somit auch die in der Abgasreinigungskomponente abgelagerten Aschepartikel und/oder Rußpartikel zu Schwingungen angeregt. Aufgrund ihrer von der Anlagerungsstelle unterschiedlichen Massenträgheit können sich die abgelagerten Teilchen von der Anlagerungsstelle lösen und gelangen z. B. zurück in den Abgasstrom.
  • Durch eine Anregung der Abgasreinigungskomponente mit einer Frequenz im ersten Resonanzfrequenzbereich führt die Abgasreinigungskomponente Schwingungen mit einer großen Amplitude aus, wodurch die Partikel von ihren Anlagerungsstellen gelöst werden.
  • Der erste Resonanzfrequenzbereich von weniger als 300 Hz und insbesondere von weniger als 150 Hz wird so gewählt, dass mindestens eine Abgasreinigungskomponente zumindest beim Starten oder Ausschalten der Verbrennungskraftmaschine durch Vibrationen der Verbrennungskraftmaschine zu Schwingungen anregbar ist. Da die Verbrennungskraftmaschine beim Starten Vibrationen mit Frequenzen von 0 Hz bis zu Frequenzen von 300 Hz, die der Leerlaufdrehzahl zugeordnet werden können, durchläuft, wird die Abgasreinigungskomponente mindestens einmal beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durch die Vibrationen gereinigt. Wenn der Resonanzfrequenzbereich mehr als 50 Hz beträgt, wird ein Anregen von Schwingungen der Abgasreinigungskomponente durch Schwingungen, die von Straßenunebenheiten während der Fahrt herrühren, verhindert.
  • Bevorzugt werden Frequenzen aus dem ersten Resonanzfrequenzbereich durch Auslegen von mindestens zwei der folgenden Komponenten erreicht:
    • Anschlussvorrichtung,
    • Befestigungselement,
    • Masse der Abgasreinigungskomponente,
    • Abgasleitung.
  • Insbesondere die mechanischen Eigenschaften der vorgenannten Komponenten werden also so (aufeinander) abgestimmt, dass ein erster Resonanzfrequenzbereich von unter 300 Hz oder sogar unter 150 Hz realisiert wird. Unter den mechanischen Eigenschaften sind insbesondere die Masse, die Biegefestigkeit, das Elastizitätsmodul der Komponenten und/oder ihrer Verbindungsstellen gemeint.
  • Vorzugsweise hat die mindestens eine Abgasreinigungskomponente für ein Fluid durchströmbare Kanäle mit Wänden, die zumindest teilweise mit Filtermaterial gebildet sind und eine Mehrzahl in die Kanäle hineinragende Strukturen. Durch eine so ausgeführte Abgasreinigungskomponente kann das in einem Kanal strömende Fluid zu einem benachbarten Kanal durch ein Filtermaterial strömen, welches die Partikel und/oder die Asche aufnimmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kanäle lagenweise angeordnet. Das Abgas kann somit in zwei orthogonal zueinander stehenden Richtungen abgelenkt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Abgasreinigungskomponente in mindestens eine der Ablenkrichtungen schwingen kann. Somit können die in dem Filtermaterial abgelagerten Rußpartikel und/oder Kohlenstoffpartikel in beide Richtungen aus der Ruhelage hin zu einem Kanal beschleunigt werden. Die "offene" Ausgestaltung eines solchen Partikelabscheiders hat den Vorteil, dass die Asche auch entfernt werden kann, indem sie durch Vibration hin zum offenen Auslass gefördert wird und den Partikelabscheider verlässt. Zur näheren Beschreibung dieser so genannten offenen Nebenstromfilter ist auf die bekannten Patentveröffentlichungen der Anmelderin hinzuweisen. Hierbei sei insbesondere auf die WO 00/00326 A1 oder WO 2005/099867 A1 verwiesen, deren Inhalt zur Charakterisierung dieses offenen Nebenstromfilters herangezogen werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Abgasanlage hat die mindestens eine Abgasreinigungskomponente zumindest ein Bauteil, das einen zweiten Resonanzfrequenzbereich von mehr als 500 Hz, bevorzugt mehr als 800 Hz, besonders bevorzugt mehr als 1000 Hz aufweist. Im Gegensatz zum ersten Resonanzfrequenzbereich, der das Verhalten der befestigten Abgasreinigungskomponente in der Abgasanlage charakterisiert, charakterisiert der zweite Resonanzfrequenzbereich ein Bauteil der Abgasreinigungskomponente selbst. Die Bauteile der mindestens einen Abgasreinigungskomponente sind insbesondere die Strukturen und/oder die Wände der Kanäle, insbesondere das Filtermaterial. Der zweite Resonanzfrequenzbereich liegt somit außerhalb der normalerweise von einer Verbrennungskraftmaschine erzeugten Vibrationsfrequenzen. Die Bauteile der Abgasreinigungskomponente sind somit allein (das heißt insbesondere ohne eine entsprechende Resonanzschwingung der Abgasleitung in diesem Bereich) gerade nicht von der Verbrennungskraftmaschine zu Schwingungen anregbar, wodurch ein ungewolltes Anregen der Bauteile zu Schwingungen während der Fahrt vermieden wird.
  • Der zweite Resonanzfrequenzbereich wird insbesondere dadurch bestimmt, in dem die eingespannte Abgasreinigungskomponente mit Vibrationen angeregt wird, wobei die Schwingungen der einzelnen Bauteile in Abhängigkeit der Frequenz der anregenden Schwingungen aufgezeichnet werden.
  • Es ist vorteilhaft, wenn der mindestens einen Abgasreinigungskomponente ein Vibrationselement zugeordnet ist, das die Abgasreinigungskomponente zu Schwingungen mit einer Frequenz im zweiten Resonanzfrequenzbereich anregen kann. Durch die Schwingungen werden die in der Abgasreinigungskomponente abgelagerten Partikel von den Anlagerungsstellen gelöst. Mit Hilfe des Vibrationselementes kann die Abgasreinigungskomponente zusätzlich zu den von der Verbrennungskraftmaschine beim Starten bzw. Ausschalten verursachten Vibrationen während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine gezielt gereinigt werden.
  • Einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung folgend wird ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage vorgeschlagen.
  • Noch einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Abgasanlage vargeschlagen, wobei die Verbrennungskraftmaschine während des Startvorganges so betrieben wird, dass Vibrationen der Verbrennungskraftmaschine so lange angeregt werden, dass diese auf eine Abgasreinigungskomponente übertragen werden, welche zu Schwingungen in einem Resonanzfrequenzbereich von weniger als 150 Hz angeregt werden, so dass diese von Partikeln befreit wird. Ein solches Verfahren wird insbesondere dadurch realisiert, dass beim Starten des Motors der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer entsprechend gewählt werden.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
    • Fig. 1:
    ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage, und
    Fig. 2:
    einen Ausschnitt einer Abgasreinigungskomponente.
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 6 mit einer Verbrennungskraftmaschine 5 und einer Abgasanlage 1. Die Abgasanlage 1 weist eine Abgasleitung 3 mit zwei (integrierten) Abgasreinigungskomponenten 2, eine Anschlussvorrichtung 4 und zwei Befestigungselemente 7 auf. Die Abgasanlage 1 ist über die Anschlussvorrichtung 4 an der Verbrennungskraftmaschine 5 angeschlossen und über die Befestigungselemente 7 zusätzlich mit dem Kraftfahrzeug 6 verbunden. An der Abgasleitung 3 sind ferner Detektoren 17 angeordnet, die über Datenleitungen 18 mit einer Steuereinheit 19 verbunden sind. Der einen Abgasreinigungskomponente 2 ist ferner ein Vibrationselement 9 zugeordnet, das ebenfalls über die Datenleitung 18 mit der Steuereinheit 19 verbunden ist. Die Steuereinheit 19 ist zudem mit der Verbrennungskraftmaschine 5 verbunden.
  • Die mechanischen Eigenschaften der Abgasreinigungskomponente 2, der Abgasleitung 3, der Anschlussvorrichtung 4 und des Befestigungselementes 7 sind so aufeinander abgestimmt, dass zumindest eine Abgasreinigungskomponente 2 einen ersten Resonanzfrequenzbereich von unterhalb 300 Hz oder sogar unter 150 Hz aufweist, aber oberhalb 50 Hz aufweist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass beim Starten der Verbrennungskraftmaschine 5 durch Übertragung der Vibrationen der Verbrennungskraftmaschine 5 auf die Abgasanlage 1, die wenigstens eine Abgasreinigungskomponente 2 zu Schwingungen angeregt wird, so dass in der Abgasreinigungskomponente 2 abgelagerte Partikel gelöst werden. Ein Anregen von Schwingungen durch Fahrbahnunebenheiten während der Fahrt ist aber vermieden. Ein Anregen der Abgasreinigungskomponente 2 zu Schwingungen während des Leerlaufes der Verbrennungskraftmaschine 5 und/oder unter Last kann somit (falls gewünscht) praktisch vermieden werden. Die Steuereinheit 19 steuert beim Starten der Verbrennungskraftmaschine 5 die Einspritzvorgänge in einer solchen Weise, dass bevorzugt Schwingungen mit Frequenzen aus einem ersten Resonanzfrequenzbereich angeregt werden.
  • Die Detektoren 17 ermitteln Parameter des Abgases wie Druck, Temperatur und/oder Abgaszusammensetzung, in der Abgasleitung 3 und übersenden diese zur Steuereinheit 19. Die Steuereinheit 19 kann nach vorgebbaren Intervallen und/oder bei vorgebbaren Parametern der Verbrennungskraftmaschine 5 und/oder bei vorgebbaren Parametern des Abgases, dem Vibrationselement 9 ein Signal zum Ausführen von Vibrationen geben. Das Vibrationselement 9 führt insbesondere Schwingungen mit Frequenzen größer als 500 Hz [1/sec.] aus. Die Frequenz der anregenden Schwingung kann so eingestellt werden, dass die Abgasreinigungskomponente 2 mit einer Frequenz in einem zweiten Resonanzfrequenzbereich der Bauteile 8 der Abgasreinigungskomponente 2 angeregt wird. Die Abgasreinigungskomponente 2 kann abwechselnd mit verschiedenen Frequenzen durch das Vibrationselement 9 angeregt werden. Die anregende Amplitude des Vibrationselementes 9 ist dabei bevorzugt kleiner als 1 mm. Dabei wird die Abgasreinigungskomponente 2 während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine 5 durchgeführt, so dass in der Abgasreinigungskomponente 2 abgelagerte, bei einer Regeneration nicht umgesetzte, Partikel gelöst und von dem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine mitgerissen werden. Das Vibrationselement 9 kann bspw. ein piezoelektrisches Element oder ein elektrischer Motor sein.
  • Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer Abgasreinigungskomponente 2. Die Abgasreinigungskomponente 2 weist Kanäle 11 auf, in die das Abgas mit einer ursprünglichen Strömungsrichtung 16 einströmt. Die Kanäle 11 werden durch Kanalwände 13 gebildet, die Durchlässe 15 aufweisen und teilweise von Filtermaterial 12 gebildet werden. Ferner können die Kanalwände 13 Strukturen 14 (z. B. gewellte Metallfolien) aufweisen, die das Abgas umlenken. Die Pfeile deuten die Flussrichtung des Abgases an. Das Abgas führt Partikel 10 mit sich und wird durch die Strukturen 14 so umgelenkt, dass sich die Partikel 10 in dem Filtermaterial 12 ablagern können. In der Regel werden Rußpartikel und Asche während der Regeneration der Abgasreinigungskomponente 2 zu Kohlendioxid und Stickstoff umgesetzt. Es kann jedoch passieren, dass diese Umsetzung nicht vollständig erfolgt und sich in Folge dessen das Filtermaterial 12 und/oder die Durchlässe 15 zusetzen. Ein solches Zusetzen erhöht ggf. den Druckabfall an der Abgasreinigungskomponente 2. Durch das Anregen zu Vibrationen der Abgasreinigungskomponente 2 während des Startens bzw. Ausschaltens der Verbrennungskraftmaschine 5 können sich die abgelagerten Partikel 10 lösen und zurück in den Abgasstrom gelangen. Ein Verstopfen der Abgasreinigungskomponente 2 wird somit effektiv verhindert.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere das Entfernen von Ascherückständen aus einer Abgasreinigungskomponente 2 während des Startens des Kraftfahrzeuges 6, wodurch der Wartungsaufwand für eine solche verringert wird und langfristig ein effektives Betreiben der Abgasreinigungskomponente 2 möglich ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abgasanlage
    2
    Abgasreinigungskomponente
    3
    Abgasleitung
    4
    Anschlussvorrichtung
    5
    Verbrennungskraftmaschine
    6
    Kraftfahrzeug
    7
    Befestigungselement
    8
    Bauteil
    9
    Vibrationselement
    10
    Partikel
    11
    Kanal
    12
    Filtermaterial
    13
    Kanalwand
    14
    Strukturen
    15
    Durchlass
    16
    Strömungsrichtung
    17
    Detektor
    18
    Datenleitung
    19
    Steuereinheit

Claims (7)

  1. Abgasanlage (1) mit mindestens einer Abgasreinigungskomponente (2), mindestens einer Abgasleitung (3), mindestens einer Anschlussvorrichtung (4) zum Anschließen der Abgasanlage (1) an eine Verbrennungskraftmaschine (5) eines Kraftfahrzeugs (6) und mindestens einem Befestigungselement (7) zum zusätzlichen Befestigen der Abgasanlage (1) am Kraftfahrzeug (6), wobei zumindest eine Abgasreinigungskomponente (2) in einem befestigten Zustand zu Schwingungen mit einem ersten Resonanzfrequenzbereich von mindestens 50 Hz und weniger als 300 Hz anregbar ist.
  2. Abgasanlage (1) nach Patentanspruch 1, wobei mindestens eine Abgasreinigungskomponente (2) zumindest beim Starten oder Ausschalten der Verbrennungskraftmaschine (5) durch Vibrationen der Verbrennungskraftmaschine (5) zu Schwingungen mit dem ersten Resonanzfrequenzbereich anregbar ist.
  3. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei mindestens zwei der folgenden Komponenten so ausgelegt sind, dass Resonanzfrequenzen aus dem ersten Resonanzfrequenzbereich erreicht werden:
    - Anschlussvorrichtung (4),
    - Befestigungselement (7),
    - Abgasreinigungskomponente (2),
    - Abgasleitung (3).
  4. Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die mindestens eine Abgasreinigungskomponente (2) zumindest ein Bauteil (8) hat, das einen zweiten Resonanzfrequenzbereich von mehr als 500 Hz aufweist.
  5. Abgasanlage (1) nach Patentanspruch 4, wobei der mindestens einen Abgasreinigungskomponente (2) ein Vibrationselement (9) zugeordnet ist, dass die Abgasreinigungskomponente (2) zu Schwingungen mit einer Frequenz im zweiten Resonanzfrequenzbereich anregen kann.
  6. Kraftfahrzeug (6) mit einer Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
  7. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (6) mit einer Verbrennungskraftmaschine (5) und einer Abgasanlage (1), wobei die Verbrennungskraftmaschine (5) während des Startvorgangs so betrieben wird, dass Vibrationen der Verbrennungskraftmaschine (5) so lange angeregt werden, dass diese auf eine Abgasreinigungskomponente (2) übertragen werden, welche zur Schwingung in einem ersten Resonanzfrequenzbereich von mindestens 50 Hz und weniger als 150 Hz angeregt werden, so dass diese von Partikeln (10) befreit wird.
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