WO2020260041A1 - Abgasnachbehandlungssystem für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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Michael Fischer
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Tenneco Gmbh
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    • F01N2240/36—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an exhaust flap
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Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas control system for an internal combustion engine with an exhaust line that can be connected to an exhaust manifold of the engine, with a turbine arranged in the exhaust line and with at least one main catalytic converter arranged downstream of the turbine, the exhaust line having a bypass line and a bypass Has connection for the bypass line, the bypass connection being provided upstream of the turbine on the exhaust line, the bypass line opening into the exhaust line downstream of the turbine at an opening upstream of the main catalytic converter, a bypass valve in the Bypass line is provided.
  • the mouth represents the point where the bypass line and the exhaust line come together.
  • the invention also relates to an exhaust gas control system for an internal combustion engine with an exhaust line that can be connected to an exhaust manifold of the engine, with a turbine arranged in the exhaust line and with a main catalytic converter arranged downstream of the turbine, the exhaust line having a bypass line and a bypass Having the valve, wherein the bypass valve is placed on the exhaust line upstream of the turbine, wherein the bypass line opens downstream of the turbine at an opening in the exhaust line.
  • an exhaust gas control system is also known with a combined exhaust gas recirculation and bypass line using 3-way valves.
  • the invention is based on the object of designing and arranging an exhaust gas aftertreatment system in such a way that the warming-up behavior of the exhaust gas control system is improved.
  • a main particle filter is provided in the exhaust line downstream of the turbine and in the bypass Line a catalytic converter is provided, wherein
  • bypass valve is designed as a 3-way valve and forms the bypass connection upstream of the turbine or
  • the bypass valve is designed as a 3-way valve and is provided at the mouth.
  • bypass valve also fulfills the function of an exhaust flap in the exhaust pipe.
  • bypass valve is placed in the bypass line, an exhaust flap being provided in the exhaust line upstream of the mouth, the turbine having fixed guide vanes or the turbine being designed as a VTG turbine or a VNT turbine.
  • the exhaust line has no exhaust flap downstream of the bypass connection and upstream of the mouth, the valve function for regulating the exhaust gas mass flow through the turbine being assigned to the VTG turbine or the VNT turbine.
  • the internal combustion engine is designed as a gasoline engine, the respective catalytic converter, i.e. the main catalytic converter and the catalytic converter in the bypass line having a 3-way coating or that the internal combustion engine is designed as a diesel engine, with the respective main catalytic converter, hence the main catalytic converter and the catalytic converter of the bypass line, have a DOC coating.
  • a final solution feature is formed by the fact that the further bypass line, with the exception of the bypass valve, is designed without a bypass valve. As a result, a low construction and assembly effort is guaranteed.
  • the exhaust flap is located downstream of the bypass connection and can be placed upstream or downstream of the turbine.
  • the exhaust pipe with the turbine can be sealed off during a cold start or an exhaust gas flow can be prevented. the.
  • This allows the catalytic converter to be heated up very quickly in the bypass line. The time until the so-called light off temperature of the catalytic converter is shortened.
  • the main exhaust gas catalytic converter is warmed up so that the exhaust gas line with the turbine can be switched on later after sufficient warming up. The still cold turbine will then initially cool the exhaust gas somewhat, but due to the preheating of the main exhaust gas catalytic converter, sufficient exhaust gas cleaning can take place.
  • the turbine is a so-called “VTG” or a “VNT” turbine.
  • This type of turbine has adjustable guide vanes which can be used to change the angle of the guide vanes.
  • the effective exhaust gas cross-section can be reduced by up to 70% to 99% depending on the turbine used.
  • the exhaust pipe with the turbine can be sealed off up to 30% - 1% of the exhaust gas flow or an exhaust gas flow can be significantly prevented.
  • the catalytic converter in the bypass line and the downstream main catalytic converter can thus be warmed up quickly.
  • the size ratio between the catalytic converter in the bypass line and the main catalytic converter can vary between 1/10 and 1/2.
  • the main exhaust gas catalytic converter is kept free of exhaust gas particles and contamination is prevented.
  • the exhaust gas catalytic converter in the bypass line can be made very small and can therefore be warmed up very quickly after a cold start.
  • the exhaust flap or an exhaust flap body can be brought into a maximum of two positions that are defined and determined by an end stop.
  • the exhaust gas temperatures are very high upstream of the turbine or upstream of the catalytic converter in the bypass line.
  • a particle filter is additionally provided in the bypass line or, depending on the application, the bypass line is designed to be free of particle filters. This is accompanied by a relatively low level of construction and on-site effort.
  • the object is also achieved in that a main particle filter is provided in the exhaust line downstream of the turbine and that a particle filter and an exhaust gas catalytic converter are provided in the bypass line, the opening of the bypass line being downstream of the main exhaust gas catalytic converter and downstream of the main particle filter is provided.
  • Complete cleaning of the exhaust gas can thus be achieved both via the bypass line and via the exhaust gas line.
  • the cleaning components in the bypass line are smaller and can therefore be heated up more quickly.
  • the internal combustion engine is designed as a gasoline engine, the respective exhaust gas catalytic converter, i.e.
  • the main catalytic converter and the exhaust gas catalytic converter of the bypass line having a 3-way coating or that the internal combustion engine is designed as a diesel engine, the respective main catalytic converter, hence the main catalytic converter and the catalytic converter of the bypass line has a DOC coating.
  • the size ratio between the cleaning components in the bypass line and the cleaning components in the main exhaust line can vary between 1/10 and 1/2.
  • the catalytic converter coating of the catalytic converter in the bypass line and the catalytic converter coating of the main catalytic converter can be designed differently.
  • the catalytic coating of the catalytic converter in the bypass line preferably has a lower light-off temperature. It can also be advantageous if the bypass line has a coupling line which branches off upstream of the particle filter and upstream of the catalytic converter in the bypass line and opens into the exhaust line upstream of the main particle filter and upstream of the main catalytic converter.
  • the otherwise sealed-off cleaning modules, the main particle filter and the main catalytic converter in the exhaust line can be charged with exhaust gas or preheated via the coupling line.
  • an exhaust gas control valve is provided in the exhaust line downstream of the main particle filter, downstream of the main catalytic converter and upstream of the mouth, which can be brought into more than two defined positions and via which the exhaust gas volume flow within the exhaust pipe can be regulated in more than two stages.
  • the exhaust gas flow conducted via the main particle filter and the main exhaust gas catalytic converter can thus be continuously regulated or increased by the bypass valve when the turbine is sealed off.
  • the exhaust line is designed without exhaust gas recirculation line or if the exhaust gas line has an exhaust gas recirculation line and an EGR connection for the exhaust gas recirculation line upstream of the turbine, the EGR connection upstream or downstream of the Bypass connection is placed.
  • the bypass line therefore has no branch point for exhaust gas to be returned.
  • the bypass and EGR system are separated on the exhaust side. This is accompanied by more flexible control of the exhaust gas flow.
  • bypass valve or the respective Ven valve body can be brought into a maximum of two positions that are defined and determined by an end stop.
  • the exhaust gas temperatures are very high upstream of the turbine or upstream of the catalytic converter.
  • the valves used there must be of robust design, which is associated with a simple structure and a simple drive.
  • the catalytic converter and the particle filter in the bypass line are used as particle filters with a catalytically active 3-way or DOC coating are formed. This goes hand in hand with the need for a single substrate for filtering and chemical cleaning, i.e. for converting CO, HC and NOx through the 3-way coating or for oxidizing hydrocarbons or diesel through the DOC coating.
  • a method for operating an exhaust gas control system as described above can be advantageous for this, with the exhaust line being sealed off by means of the exhaust flap during a cold start and the entire exhaust gas flow being guided via the bypass line to the mouth and to the further exhaust system when the bypass valve is open. This is accompanied by rapid warming up of the catalytic converter in the bypass line after a cold start.
  • a method for operating an exhaust gas control system as described above can be advantageous, with an exhaust gas volume flow A being guided into the bypass line via the bypass valve, with at least part of the exhaust gas volume flow A being guided into the exhaust gas line by opening the exhaust gas control valve accordingly via the coupling line becomes. While the exhaust gas is routed via the bypass line, the exhaust line can be switched on gradually so that the main catalytic converter can be continuously heated.
  • an exhaust gas aftertreatment system 1 for a gasoline engine 2 with an exhaust gas line 2.3 and a fresh air line 2.4 is shown. While the fresh air line 2.4 is connected to the gasoline engine 2 via an intake manifold 2.2, the exhaust gas line 2.3 is connected to the gasoline engine 2 via an exhaust manifold 2.1.
  • the exhaust line 2.3 also has a turbine 3 and a main exhaust gas particle filter 6 and a main exhaust gas catalytic converter 5.
  • the exhaust line 2.3 has a bypass line 1.1, which branches off at a bypass connection 1.3 upstream of the turbine 3 and opens at an opening 1.8 downstream of the turbine 3 and upstream of the particle filter 6.
  • the bypass line 1.1 has a bypass valve 1.4 and the exhaust line 2.3 has an exhaust flap 1.9.
  • bypass valve 1.4 As an alternative to the bypass valve 1.4 and the exhaust flap 1.9 (shown in dashed lines), the bypass valve is designed as a 3-way valve 1.4 and provided on the opening 1.8.
  • a 3-way catalytic converter 1.2 is provided within the bypass line 1.1.
  • a particle filter 1.7 is provided in the bypass line 1.1 in addition to the 3-way catalytic converter 1.2.
  • the exhaust gas aftertreatment system 1 has an exhaust gas recirculation line 1.5 which branches off at an EGR connection 1.6 on the exhaust gas line 2.3.
  • the EGR connection 1.6 is placed upstream of the bypass connection 1.3.
  • the bypass connection 1.3 can also be placed upstream of the EGR connection 1.6. In any case, both connections are placed separately and upstream of the turbine 3.
  • a common 3-way valve 1.4 is provided as an alternative to the bypass valve 1.4 and the exhaust gas flap 1.9, which forms the bypass connection 1.3 upstream of the turbine 3.
  • the exhaust gas mass flow between the exhaust gas line 2.3 on the one hand and the bypass line 1.1 on the other hand can be switched via this 3-way valve 1.4.
  • the particle filter 1.7 is equipped with a 3-way coating for treating nitrogen oxides.
  • the 3-way valve 1.4 is placed at the mouth 1.8 of the bypass line 1.1, thus downstream of the turbine 3.
  • the bypass line 1.1 opens downstream of the main cleaning components, thus downstream of the main particle filter 6 and downstream of the main 3-way catalytic converter 5 at the mouth 1.8.
  • the bypass line 1.1 has a 3-way catalytic converter 1.2 and a particle filter 1.7.
  • the bypass connection is made via a 3-way valve 1.4, which switches between the bypass line 1.1 and the exhaust line 2.3.
  • an exhaust gas recirculation line 1.5 is additionally provided, which branches off from the exhaust gas line 2.3 at an EGR connection 1.6.
  • a coupling line 7 is provided which branches off at the bypass line 1.1 upstream of the 3-way catalytic converter and opens into the exhaust line 2.3 upstream of the particle filter 6.
  • an exhaust gas control valve 8 is provided, which is placed in the exhaust line 2.3 downstream of the main 3-way exhaust gas catalytic converter 5 and upstream of the opening 1.8.
  • the exhaust gas recirculation line 1.5 is also provided, which branches off at the EGR connection 1.6 on the exhaust gas line 2.3 and opens into the fresh air line 2.4.
  • the exhaust gas volume flow can be conducted with the exhaust gas control valve 8 closed, starting from the turbine 3 via the coupling line 7 and the cleaning components 1.2, 1.7 in the bypass line 1.1.
  • the exhaust gas control valve 8 is open, the exhaust gas flow is divided between the cleaning components 1.2, 1.7 in the bypass line 1.1 on the one hand and the cleaning components 6, 5 in the exhaust gas line according to the flow resistances. Since the exhaust gas control valve 8 is a valve with more than two regulated and defined valve body positions, in the last mentioned th case, the exhaust gas flow within the exhaust pipe 2.3 can be continuously adjusted between the maximum value and zero.
  • the entire exhaust gas flow flows through the bypass line 1.1.
  • the exhaust gas control valve 8 is closed, the entire exhaust gas flow flows via the two cleaning components 1.2, 1.7 within the bypass line 1.1.
  • the exhaust gas valve 8 or the exhaust gas control valve 8 is partially open, the exhaust gas flow to be routed via the exhaust gas line 2.3 and the cleaning components 6, 5 can be set between the aforementioned maximum value and zero.
  • the catalytic converter is placed upstream of the particulate filter, since the catalytic converter requires corresponding exhaust gas temperatures. If sufficient exhaust gas temperatures are made available, the catalyst can also be placed downstream of the particle filter according to the exemplary embodiment in FIG. In this case, it pollutes less and can work even more effectively.
  • the catalytic converter 1.2 in the bypass line 1.1 sits upstream of the particle filter and thus warms up very quickly after a cold start. If sufficient exhaust gas temperatures are available, hot exhaust gas can be applied to the main line via valve 8, so that sufficient exhaust gas temperatures are also available for main catalytic converter 5. Accordingly, it is provided that the sequence described for the exemplary embodiments between catalyst and particle filter can also be reversed in each case.
  • Exemplary embodiments not shown separately are exhaust gas aftertreatment systems 1 for diesel engines 2. These exemplary embodiments differ from those described above only in the catalytic design of the catalytic converters 5, 1.2.
  • the catalysts 5, 1.2 are DOC catalysts and the catalysts 5, 1.2 have a DOC coating.
  • a main DOC catalytic converter 5 and a DOC catalytic converter 1.2 are therefore provided in the bypass line 1.1.
  • Main catalytic converter main 3-way catalytic converter, main DOC catalytic converter

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (2) mit einer an einen Auslasskrümmer (2.1) des Motors (2) anschließbaren Abgasleitung (2.3), mit einer in der Abgasleitung (2.3) angeordneten Turbine (3) und mit einem stromab der Turbine (3) angeordneten Haupt-Abgaskatalysator (5), wobei die Abgasleitung (2.3) eine Bypass-Leitung (1.1) und einen Bypass-Anschluss (1.3) für die Bypass-Leitung (1.1) aufweist, wobei der Bypass-Anschluss (1.3) stromauf der Turbine (3) an der Abgasleitung (2.3) vorgesehen ist, wobei die Bypass-Leitung (1.1) stromab der Turbine (3) an einer Mündung (1.8) stromauf des Haupt-Abgaskatalysators (5) in die Abgasleitung (2.3) mündet, wobei ein Bypass-Ventil (1.4) vorgesehen ist, wobei in der Abgasleitung (2.3) stromab der Turbine (3) ein Haupt-Partikelfilter (6) vorgesehen ist und in der Bypass-Leitung (1.1) ein Abgaskatalysator (1.2) vorgesehen ist.

Description

Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasleitsystem für einen Verbrennungsmotor mit einer an einen Auslasskrümmer des Motors anschließbaren Abgasleitung, mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine und mit mindestens einem stromab der Turbine angeordneten Haupt-Abgaskatalysator, wobei die Abgasleitung eine Bypass-Leitung und einen Bypass-Anschluss für die Bypass- Leitung aufweist, wobei der Bypass-Anschluss stromauf der Turbine an der Abgasleitung vorgesehen ist, wobei die Bypass-Leitung stromab der Turbine an einer Mündung stromauf des Haupt-Abgaskatalysators in die Abgasleitung mündet, wobei ein Bypass-Ventil in der Bypass-Leitung vorgesehen ist. Die Mündung stellt den Zusammenführungspunkt von Bypass-Leitung und Abgasleitung dar.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Abgasleitsystem für einen Verbrennungsmotor mit einer an einen Auslasskrümmer des Motors anschließbaren Abgasleitung, mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine und mit einem stromab der Turbine angeordneten Haupt-Abgaskatalysator, wobei die Abgasleitung eine Bypass-Leitung und ein Bypass-Ventil aufweist, wobei das Bypass-Ventil an der Abgasleitung stromauf der Turbine platziert ist, wobei die Bypass-Leitung stromab der Turbine an einer Mündung in die Abgasleitung mündet.
Es ist bereits ein Abgasleitsystem aus der WO 2016/189028 A1 bekannt mit ei ner kombinierten Abgasrückführungs- und Bypass-Leitung.
Aus der DE 20 2017 105 126 U1 ist ebenfalls ein Abgasleitsystem bekannt mit einer kombinierten Abgasrückführungs- und Bypass-Leitung unter Anwendung von 3-Wege-Ventilen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungssystem derart auszubilden und anzuordnen, dass das Aufwärmverhalten des Abgasleitsystems verbessert wird.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass in der Abgasleitung stromab der Turbine ein Haupt-Partikelfilter vorgesehen ist und in der Bypass- Leitung ein Abgaskatalysator vorgesehen ist, wobei
das Bypass-Ventil als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist und den Bypass-Anschluss stromauf der Turbine bildet oder
das Bypass-Ventil als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist und an der Mündung vor- gesehen ist.
In beiden Fällen erfüllt das Bypass-Ventil zusätzlich auch die Funktion einer Abgasklappe in der Abgasleitung.
Alternativ hierzu ist das Bypass-Ventil in der Bypass-Leitung platziert, wobei in der Abgasleitung stromauf der Mündung eine Abgasklappe vorgesehen ist, wo- bei die Turbine feste Leitschaufeln aufweist oder die Turbine als VTG-Turbine oder als VNT-Turbine ausgebildet ist.
In einer weiteren Alternative weist die Abgasleitung stromab des Bypass- Anschlusses und stromauf der Mündung keine Abgasklappe auf, wobei der VTG-Turbine oder der VNT-Turbine die Ventil-Funktion zur Regulierung des Abgasmassestroms durch die T urbine zugeordnet ist.
Ein weiteres Lösungsmerkmal wird gebildet dadurch, dass der Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgebildet ist, wobei der jeweilige Abgaskatalysator, mithin der Haupt-Abgaskatalysator und der Abgaskatalysator in der Bypass- Leitung eine 3-Wege-Beschichtung aufweist oder dass der Verbrennungsmotor als Dieselmotor ausgebildet ist, wobei der jeweilige Haupt-Abgaskatalysators, mithin der Haupt-Abgaskatalysator und der Abgaskatalysator der Bypass- Leitung eine DOC-Beschichtung aufweist.
Ein abschließendes Lösungsmerkmal wird gebildet dadurch, dass die weitere Bypass-Leitung mit Ausnahme des Bypass-Ventils bypassventil-frei ausgebildet ist. Mithin sind ein geringer Konstruktions- und Montageaufwand gewährleistet.
Die Abgasklappe sitzt stromab des Bypass-Anschlusses und kann stromauf oder stromab der Turbine platziert sein.
Durch Anwendung des 3-Wege-Bypass-Ventils bzw. des Bypass-Ventils in Kombination mit der Abgasklappe kann bei Kaltstart die Abgasleitung mit der Turbine abgeschottet werden bzw. ein Abgasstrom hierdurch verhindert wer- den. Damit kann der Abgaskatalysator in der Bypass-Leitung sehr schnell aufgewärmt werden. Die Zeit bis zum Erreichen der sogenannten Light off Temperatur des Abgaskatalysators verkürzt sich. Mit bzw. nach dem Aufwärmen des Abgaskatalysators in der Bypass-Leitung erfolgt ein Anwärmen des Haupt- Abgaskatalysators, sodass im späteren Verlauf nach ausreichender Anwärmung, die Abgasleitung mit der Turbine zugeschaltet werden können. Die noch kalte Turbine wird dann zwar das Abgas anfänglich etwas abkühlen, aber aufgrund der Vorwärmung des Haupt-Abgaskatalysators kann eine ausreichende Abgasreinigung erfolgen. Bei der Turbine handelt es sich in einer alternativen Ausführungsform um eine sogenannte„VTG-“ oder eine„VNT-“ Turbine. Diese Art der Turbine verfügt über verstellbare Leitschaufeln, über die der Anstellwinkel der Leitschaufeln verändert werden kann. Hierdurch lässt sich der effektive Abgasquerschnitt der Turbine regulieren, mithin vergrößern oder verkleinern. Der effektive Abgas- querschnitt kann je nach angewendeter Turbine um bis zu 70 % bis 99 % verkleinert werden. Bei Kaltstart kann die Abgasleitung mit der Turbine bis auf 30 % - 1 % des Abgasstroms abgeschottet werden bzw. ein Abgasstrom hierdurch maßgeblich verhindert werden. Damit kann der Abgaskatalysator in der Bypass-Leitung sowie der nachgeschaltete Haupt-Abgaskatalysators entspre- chend schnell aufgewärmt werden.
Das Größenverhältnis zwischen dem Abgaskatalysator in der Bypass-Leitung und dem Haupt-Abgaskatalysators kann zwischen 1/10 und 1/2 variieren.
Wenn der Haupt-Partikelfilter stromauf des Hau pt-Abgaskata lysato rs platziert ist, wird der Haupt-Abgaskatalysator von Abgaspartikeln frei gehalten und eine Verschmutzung wird verhindert. Der Abgaskatalysator in der Bypass-Leitung kann sehr klein ausgebildet sein und somit nach Kaltstart sehr schnell aufgewärmt werden.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Abgasklappe bzw. ein Abgasklappenkörper maximal in zwei definierte und durch einen Endanschlag be- stimmte Positionen bringbar ist. Stromauf der Turbine bzw. stromauf des Katalysators in der Bypass-Leitung sind die Abgastemperaturen sehr hoch. Die dort eingesetzten Ventile müssen robust ausgestaltet sein, was mit einem einfachen Aufbau und einem einfachen Antrieb einhergeht.
Zudem kann es hierzu auch vorteilhaft sein, wenn in der Bypass-Leitung zusätzlich ein Partikelfilter vorgesehen ist oder dass je nach Anwendungsfall die Bypass-Leitung partikelfilterfrei ausgebildet ist. Damit einher geht ein relativ geringer konstruktions- und bauseitiger Aufwand.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch dadurch, dass in der Abgasleitung stromab der Turbine ein Haupt-Partikelfilter vorgesehen ist und dass in der Bypass-Leitung ein Partikelfilter und ein Abgaskatalysator vorgesehen sind, wobei die Mündung der Bypass-Leitung stromab des Haupt-Abgaskatalysators und stromab des Haupt-Partikelfilters vorgesehen ist. Sowohl über die Bypass- Leitung als auch über die Abgasleitung kann somit eine vollständige Reinigung des Abgases bewerkstelligt werden. Die Reinigungskomponenten in der Bypass-Leitung sind kleiner und somit schneller aufwärmbar. Ein zusätzliches Lösungsmerkmal wird gebildet dadurch, dass der Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgebildet ist, wobei der jeweilige Abgaskatalysator, mithin der Haupt-Abgaskatalysator und der Abgaskatalysator der Bypass- Leitung eine 3-Wege-Beschichtung aufweist oder dass der Verbrennungsmotor als Dieselmotor ausgebildet ist, wobei der jeweilige Haupt-Abgaskatalysators, mithin der Haupt-Abgaskatalysator und der Abgaskatalysator der Bypass- Leitung eine DOC-Beschichtung aufweist.
Das Größenverhältnis zwischen den Reinigungskomponenten in der Bypass- Leitung und den Reinigungskomponenten in der Hauptabgasleitung kann zwischen 1/10 und 1/2 variieren. In beiden Lösungen können die Katalysator-Beschichtung des Abgaskatalysators in der Bypass-Leitung und die Katalysator-Beschichtung des Haupt- Abgaskatalysators unterschiedlich ausgebildet sein. Die katalytische Beschichtung des Abgaskatalysators in der Bypass-Leitung weist vorzugsweise eine niedrigere Anspringtemperatur auf. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Bypass-Leitung eine Kopplungsleitung aufweist, die stromauf des Partikelfilters und stromauf des Abgaskatalysators in der Bypass-Leitung abzweigt und in der Abgasleitung stromauf des Haupt- Partikelfilters und stromauf des Haupt-Abgaskatalysators mündet. Über die Kopplungsleitung können die ansonsten abgeschotteten Reinigungsbausteine, der Haupt-Partikelfilter und der Haupt-Abgaskatalysator in der Abgasleitung mit Abgas beschickt bzw. vorgewärmt werden.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn ein Abgasregelventil in der Abgasleitung stromab des Haupt-Partikelfilters, stromab des Haupt-Abgaskatalysators und stromauf der Mündung vorgesehen ist, das in mehr als zwei definierte Positionen bringbar ist und über das der Abgasvolu menstrom innerhalb der Abgasleitung in mehr als zwei Stufen regulierbar ist. Der über den Haupt-Partikelfilter und den Haupt-Abgaskatalysator geführte Abgasstrom kann somit bei abgeschotteter Turbine durch das Bypass-Ventil stufenlos reguliert bzw. erhöht werden.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn die Abgasleitung abgasrückführungsleitungs-frei ausgebildet ist oder wenn die Abgasleitung eine Abgasrückführungsleitung und stromauf der Turbine einen AGR-Anschluss für die Abgasrückführungsleitung aufweist, wobei der AGR-Anschluss stromauf oder stromab des Bypass- Anschlusses platziert ist. Mithin weist die Bypass-Leitung keine Abzweigstelle für zurückzuführendes Abgas auf. Bypass- und AGR-System sind abgasseitig getrennt. Damit einher geht eine flexiblere Steuerung des Abgasstroms.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn das Bypass-Ventil bzw. der jeweilige Ven tilkörper maximal in zwei definierte und durch einen Endanschlag bestimmte Positionen bringbar ist. Stromauf der Turbine bzw. stromauf des Katalysators sind die Abgastemperaturen sehr hoch. Die dort eingesetzten Ventile müssen robust ausgestaltet sein, was mit einem einfachen Aufbau und einem einfachen Antrieb einhergeht.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Abgaskatalysator und der Partikelfilter in der Bypass-Leitung als Partikelfilter mit einer katalytisch wirkenden 3-Wege- oder DOC-Beschichtung ausgebildet sind. Damit einher geht die Notwendigkeit eines einzelnen Substrats zum Filtern und zur chemischen Reinigung, mithin zur Umwandlung von CO, HC und NOx durch die 3-Wege-Beschichtung bzw. zum Oxidieren von Kohlenwasserstoffen bzw. Diesel durch die DOC- Beschichtung.
Vorteilhaft kann hierzu sein ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasleitsystems wie vorgehend beschrieben, wobei beim Kaltstart die Abgasleitung mittels der Abgasklappe abgeschottet wird und der gesamte Abgasstrom bei geöffnetem Bypass-Ventil über die Bypass-Leitung zur Mündung und zur weiteren Abgasanlage geführt wird. Damit geht nach dem Kaltstart eine schnelle Aufwärmung des Abgaskatalysators in der Bypass-Leitung einher.
Zudem kann vorteilhaft sein ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasleitsystems wie vorgehend beschrieben, wobei über das Bypass-Ventil ein Abgasvolumenstrom A in die Bypass-Leitung geführt wird, wobei zumindest ein Teil des Abgasvolumenstroms A durch entsprechendes Öffnen des Abgasregelventils über die Kopplungsleitung in die Abgasleitung geführt wird. Während der Abgasführung über die Bypass-Leitung kann die Abgasleitung nach und nach zugeschaltet werden, sodass eine kontinuierliche Anwärmung des Haupt- Abgaskatalysators möglich ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.
Nach Figur 1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem 1 für einen Ottomotor 2 mit einer Abgasleitung 2.3 sowie einer Frischluftleitung 2.4 dargestellt. Während die Frischluftleitung 2.4 über einen Einlasskrümmer 2.2 an den Ottomotor 2 angeschlossen ist, ist die Abgasleitung 2.3 über einen Auslasskrümmer 2.1 an den Ottomotor 2 angeschlossen. Die Abgasleitung 2.3 weist zudem eine Turbine 3 auf sowie einen Hauptabgaspartikelfilter 6 und einen Hauptabgaskatalysator 5.
Zudem weist die Abgasleitung 2.3 eine Bypass-Leitung 1.1 auf, die an einem Bypass-Anschluss 1.3 stromauf der Turbine 3 abzweigt und an einer Mündung 1.8 stromab der Turbine 3 und stromauf des Partikelfilters 6 mündet. Zwecks Steuerung des Abgasstroms innerhalb der Abgasleitung 2.3 einerseits und der Bypass-Leitung 1.1 andererseits weist die Bypass-Leitung 1.1 ein Bypass-Ventil 1.4 und die Abgasleitung 2.3 eine Abgasklappe 1.9 auf.
Alternativ zum Bypass-Ventil 1.4 und zur Abgasklappe 1.9 (gestrichelt darge- stellt) ist das Bypass-Ventil als 3-Wege Ventil 1.4 ausgebildet und an der Mün dung 1.8 vorgesehen.
Innerhalb der Bypass-Leitung 1.1 ist ein 3-Wege-Abgaskatalysator 1.2 vorge sehen.
In dem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist in der Bypass- Leitung 1.1 ergänzend zu dem 3-Wege-Abgaskatalysator 1.2 ein Partikelfilter 1.7 vorgesehen.
Zudem weist das Abgasnachbehandlungssystem 1 nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 eine Abgasrückführungsleitung 1.5 auf, die an einem AGR- Anschluss 1.6 an der Abgasleitung 2.3 abzweigt. Der AGR-Anschluss 1.6 ist stromauf des Bypass-Anschlusses 1.3 platziert. Alternativ kann der Bypass- Anschluss 1.3 auch stromauf des AGR-Anschlusses 1.6 platziert sein. In jedem Fall sind beide Anschlüsse separat und stromauf der Turbine 3 platziert.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist alternativ zu dem Bypass- Ventil 1.4 und der Abgasklappe 1.9 ein gemeinsames 3-Wege-Ventil 1.4 vorge- sehen, welches den Bypass-Anschluss 1.3 stromauf der Turbine 3 bildet. Über dieses 3-Wege-Ventil 1.4 kann der Abgasmassestrom zwischen der Abgasleitung 2.3 einerseits und der Bypass-Leitung 1.1 andererseits geschaltet werden. Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist der Partikelfilter 1.7 mit einer 3-Wege-Beschichtung zur Behandlung von Stickoxiden ausgestattet. Alternativ in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das 3-Wege- Ventil 1.4 an der Mündung 1.8 der Bypass-Leitung 1.1 , mithin stromab der Turbine 3 platziert.
Gemäß Ausführungsbeispiel Figur 4 mündet die Bypass-Leitung 1.1 stromab der Hauptreinigungskomponenten, mithin stromab des Hauptpartikelfilters 6 und stromab des Haupt-3-Wege-Abgaskatalysators 5 an der Mündung 1.8. Ebenso wie die Abgasleitung 2.3 weist die Bypass-Leitung 1.1 einen 3-Wege- Abgaskatalysator 1.2 und einen Partikelfilter 1.7 auf. Der Bypass-Anschluss erfolgt über ein 3-Wege-Ventil 1.4, durch das zwischen der Bypass-Leitung 1.1 und der Abgasleitung 2.3 geschaltet wird. Bei geschlossener Bypass-Leitung 1.1 strömt das vollständige Abgas durch die Turbine 3 und die nachgeschalte ten Reinigungskomponenten 5, 6. Bei geschlossener Abgasleitung 2.3 strömt das gesamte Abgas über die Bypass-Leitung 1.1 durch die beiden Reinigungskomponenten 1.2, 1.7. Letzteres gewährleistet im Kaltstart eine sehr schnelle Erwärmung des 3-Wege-Abgaskatalysators 1.2.
Nach Ausführungsbeispiel Figur 5 ist ergänzend eine Abgasrückführungsleitung 1.5 vorgesehen, die an einem AGR-Anschluss 1.6 von der Abgasleitung 2.3 abzweigt.
Nach Ausführungsbeispiel Figur 6 ist eine Kopplungsleitung 7 vorgesehen, die an der Bypass-Leitung 1.1 stromauf des 3-Wege-Abgaskatalysators abzweigt und in der Abgasleitung 2.3 stromauf des Partikelfilters 6 mündet. Zudem ist ein Abgasregelventil 8 vorgesehen, das in der Abgasleitung 2.3 stromab des Haupt-3- Wege-Abgaskatalysators 5 und stromauf der Mündung 1.8 platziert ist.
Nach Ausführungsbeispiel Figur 7 ist zudem die Abgasrückführungsleitung 1.5 vorgesehen, die am AGR-Anschluss 1.6 an der Abgasleitung 2.3 abzweigt und in der Frischluftleitung 2.4 mündet.
Gemäß Ausführungsbeispiel Figur 6, 7 stehen folgende Schaltvarianten zur Verfügung. Wenn die Bypass-Leitung 1.1 über das Bypass-Ventil 1.4 geschlossen ist, kann der Abgasvolumenstrom bei geschlossenem Abgasregelventil 8 ausgehend von der Turbine 3 über die Kopplungsleitung 7 und die Reinigungskomponenten 1.2, 1.7 in der Bypass-Leitung 1.1 geführt werden. Bei geöffnetem Abgasregelventil 8 wird der Abgasstrom auf die Reinigungskomponenten 1.2, 1.7 in der Bypass-Leitung 1.1 einerseits sowie die Reinigungskomponenten 6, 5 in der Abgasleitung den Strömungswiderständen entsprechend aufgeteilt. Da es sich bei dem Abgasregelventil 8 um ein Ventil mit mehr als zwei geregelten und definierten Ventilkörperpositionen handelt, kann in dem zuletzt genann- ten Fall der Abgasstrom innerhalb der Abgasleitung 2.3 zwischen dem sich einstellenden Maximalwert und null stufenlos eingestellt werden.
Wird alternativ über das Bypass-Ventil 1.4 die Turbine 3 und die damit in Verbindung stehende Abgasleitung 2.3 abgeschottet, strömt der gesamte Abgas- ström über die Bypass-Leitung 1.1. Bei geschlossenem Abgasregelventil 8 strömt der gesamte Abgasstrom über die beiden Reinigungskomponenten 1.2, 1.7 innerhalb der Bypass-Leitung 1.1. Bei geöffnetem Abgaswegeventil 8 oder teilgeöffnetem Abgasregelventil 8 kann der über die Abgasleitung 2.3 und die Reinigungskomponenten 6, 5 zu führende Abgasstrom zwischen dem vorge- nannten Maximalwert und null eingestellt werden.
In der Regel ist der Katalysator stromauf des Partikelfilters platziert, da der Katalysator entsprechende Abgastemperaturen benötigt. Wenn ausreichend Ab gastemperaturen zur Verfügung gestellt werden, kann gemäß Ausführungsbei spiel Figur 6 der Katalysator auch stromab des Partikelfilters platziert werden. In diesem Fall verschmutzt er weniger und kann noch effektiver arbeiten. Der Ka talysator 1.2 in der Bypass-Leitung 1.1 sitzt stromauf des Partikelfilters und wärmt nach Kaltstart somit sehr schnell auf. Wenn ausreichend Abgastempera turen zur Verfügung stehen, kann über das Ventil 8 der Hauptstrang mit heißem Abgas beaufschlagt werden, sodass für den Hauptkatalysator 5 ebenfalls aus- reichend Abgastemperaturen zur Verfügung stehen. Dementsprechend ist es vorgesehen, dass die zu den Ausführungsbeispielen beschriebene Reihenfolge zwischen Katalysator und Partikelfilter auch jeweils umgekehrt werden kann.
Bei nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich um Abgasnachbehandlungssysteme 1 für Dieselmotoren 2. Diese Ausführungsbei- spiele unterscheiden sich von den zuvor beschriebenen nur durch die katalytische Ausbildung der Katalysatoren 5, 1.2. Die Katalysatoren 5, 1.2 sind DOC- Katalysaroren bzw. die Katalysatoren 5, 1.2 weisen eine DOC-Beschichtung auf. Mithin sind jeweils ein Haupt-DOC-Abgaskatalysator 5 und ein DOC- Abgaskatalysator 1.2 in der Bypass-Leitung 1.1 vorgesehen. Bezugszeichenliste
Abgasnachbehandlungssystem
Bypass-Leitung
Abgaskatalysator, 3-Wege-Abgaskata lysato r, DOC-Abgaskatalysator Bypass-Anschluss
Bypass-Ventil, 3-Wege-Ventil
Abgasrückführungsleitung
AGR-Anschluss
Partikelfilter
Mündung
Abgasklappe
Verbrennungsmotor, Ottomotor, Dieselmotor
Auslasskrümmer
Einlasskrümmer
Abgasleitung
Frischluftleitung
Turbine
Haupt-Abgaskatalysator, Haupt-3-Wege-Abgaskatalysator, Haupt-DOC- Abgaskatalysator
Partikelfilter
Kopplungsleitung
Abgasregelventil

Claims

Patentansprüche , Abgasnachbehandlungssystem (1 ) für einen Verbrennungsmotor (2) mit einer an einen Auslasskrümmer (2.1 ) des Motors (2) anschließbaren Abgasleitung (2.3), mit einer in der Abgasleitung (2.3) angeordneten Turbine (3) und mit einem stromab der Turbine (3) angeordneten Haupt- Abgaskatalysator (5), wobei die Abgasleitung (2.3) eine Bypass-Leitung (1.1 ) und einen Bypass-Anschluss (1.3) für die Bypass-Leitung (1.1 ) aufweist, wobei der Bypass-Anschluss (1.3) stromauf der Turbine (3) an der Abgasleitung (2.3) vorgesehen ist, wobei die Bypass-Leitung (1.1 ) stromab der Turbi ne (3) an einer Mündung (1.8) stromauf des Haupt-Abgaskatalysators (5) in die Abgasleitung (2.3) mündet, wobei ein Bypass-Ventil (1.4) vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass in der Abgasleitung (2.3) stromab der Turbine (3) ein Haupt- Partikelfilter (6) vorgesehen ist und in der Bypass-Leitung (1.1 ) ein Abgaskatalysator (1.2) vorgesehen ist, wobei
a1 ) das Bypass-Ventil (1.4) als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist und den
Bypass-Anschluss (1.3) stromauf der T urbine (3) bildet oder
a2) das Bypass-Ventil (1.4) als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist und an der Mündung (1.8) vorgesehen ist oder
b1 ) das Bypass-Ventil (1.4) in der Bypass-Leitung (1.1 ) platziert ist,
wobei in der Abgasleitung (2.3) stromauf der Mündung (1.8)
eine Abgasklappe (1.9) vorgesehen ist,
wobei die Turbine (3) feste Leitschaufeln aufweist oder
die Turbine (3) als VTG- Turbine oder als VNT-Turbine
ausgebildet ist oder
b2) die Abgasleitung (2.3) stromab des Bypass-Anschlusses (1.3) und
stromauf der Mündung (1.8) abgasklappenfrei ausgebildet ist, wobei die VTG-Turbine (3) oder die VNT-Turbine eine Ventil- Funktion zur Regulierung des Abgasmassestroms durch die
Turbine aufweisen und dass der Verbrennungsmotor (2) als Ottomotor ausgebildet ist, wobei der jeweilige Abgaskatalysators (5, 1.2) eine 3-Wege-Beschichtung aufweist oder dass der Verbrennungsmotor (2) als Dieselmotor ausgebildet ist, wobei der jeweilige Haupt-Abgaskatalysators (5, 1.2) eine DOC-Beschichtung aufweist, und dass die weitere Bypass-Leitung (1.1) mit Ausnahme des Bypass- Ventils (1.4) bypassventil-frei ausgebildet ist.
2, Abgasnachbehandlungssystem (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgasklappe (1.9) maximal in zwei definierte und durch einen Endanschlag bestimmte Positionen bringbar ist.
3. Abgasnachbehandlungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass in der Bypass-Leitung (1.1) zusätzlich ein Partikelfilter (1.7) vorgesehen ist oder dass die Bypass-Leitung (1.1) partikelfilterfrei ausgebildet ist.
4. Abgasnachbehandlungssystem ( ) für einen Verbrennungsmotor (2) mit einer an einen Auslasskrümmer (2.1) des Motors (2) anschließbaren Abgasleitung (2.3), mit einer in der Abgasleitung (2.3) angeordneten Turbine (3) und mit einem stromab der Turbine (3) angeordneten Haupt- Abgaskatalysator (5), wobei die Abgasleitung (2.3) eine Bypass- Leitung (1.1) und ein Bypass-Ventil (1.4) aufweist, wobei das Bypass- Ventil (1.4) an der Abgasleitung (2.3) stromauf der Turbine (3) platziert ist, wobei die Bypass-Leitung (1.1) stromab der Turbine (3) an einer Mündung (1.8) in die Abgasleitung (2.3) mündet,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (2.3) stromab der Turbine (3) ein Haupt-Partikelfilter (6) vorgesehen ist und dass in der Bypass-Leitung (1.1) ein Partikelfilter (1.7) und ein Abgaskatalysator (1.2) vorgesehen sind, wobei die Mündung (1.8) der Bypass- Leitung (1.1) stromab des Hau pt-Abgaskata lysators (5) und stromab des Haupt-Partikelfilters (6) vorgesehen ist
und dass der Verbrennungsmotor (2) als Ottomotor ausgebildet ist, wobei der jeweilige Abgaskatalysators (5, 1.2) eine 3-Wege-Beschichtung aufweist oder dass der Verbrennungsmotor (2) als Dieselmotor ausgebildet ist, wobei der jeweilige Haupt-Abgaskatalysators (5, 1.2) eine DOC- Beschichtung aufweist.
5. Abgasnachbehandlungssystem (1 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bypass-Leitung (1.1) eine Kopplungsleitung (7) aufweist, die stromauf des Partikelfilters (1.7) und stromauf des Abgaskatalysators (1.2) abzweigt und in der Abgasleitung (2.3) stromauf des Haupt- Partikelfilters (6) und stromauf des Haupt-Abgaskatalysators (5) mündet.
6. Abgasnachbehandlungssystem (1 ) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Abgasregelventil (8) in der Abgasleitung (2.3) stromab des Haupt-Partikelfilters (6), stromab des Haupt-Abgaskatalysators (5) und stromauf der Mündung (1.8) vorgesehen ist, das in mehr als zwei definierte Positionen bringbar ist und überdas der Abgasvolumenstrom innerhalb der Abgasleitung in mehr als zwei Stufen regulierbar ist.
7. Abgasnachbehandlungssystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgasleitung (2.3) abgasrückführungsleitungs-frei ausgebildet ist oder dass die Abgasleitung (2.3) eine Abgasrückführungsleitung (1.5) und stromauf der Turbine (3) einen AGR-Anschluss (1.6) für die Abgasrückfüh rungsleitung (1.5) aufweist, wobei der AGR-Anschluss (1.6) stromauf oder stromab des Bypass-Anschlusses (1.3) platziert ist.
8. Abgasnachbehandlungssystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Bypass-Ventil (1.4) maximal in zwei definierte und durch einen Endanschlag bestimmte Positionen bringbar ist.
9. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abgaskatalysator (1.2, 5) und der Partikelfilter (1.7, 6) als Partikelfilter mit einer katalytisch wirkenden 3-Wege- oder DOC-Beschichtung ausgebildet sind.
10. Verfahren zum Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystems (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kaltstart die Abgasleitung (2.3) mittels der Abgasklappe (1.9) abgeschottet wird und der gesamte Abgasstrom bei geöffnetem Bypass-Ventil (1.4) über die Bypass-Leitung (1.1 ) zur Mündung (1.8) und zur weiteren Abgasanlage geführt wird.
11. Verfahren zum Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystems (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über das Bypass-Ventil (1.4) ein Abgasvolumenstrom A in die Bypass-Leitung (1.1 ) geführt wird, wobei zumindest ein Teil des Abgasvolumenstroms A durch entsprechendes Öffnen des Abgasregelventils (8) über die Kopplungsleitung (7) in die Abgasleitung (2.3) geführt wird.
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