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Dokumentenidentifikation DE102004052107A1 04.05.2006
Titel Abgasanlage und zugehöriges Betriebsverfahren
Anmelder J. Eberspächer GmbH & Co. KG, 73730 Esslingen, DE
Erfinder Gaiser, Gerd, Dr., 72768 Reutlingen, DE
Vertreter Patentanwalts-Partnerschaft Rotermund + Pfusch + Bernhard, 70372 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 26.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004052107
Offenlegungstag 04.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.05.2006
IPC-Hauptklasse F01N 3/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (1) einer Brennkraftmaschine (3), insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Zur Verkürzung der Kaltstartphase wird während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine (3) mittels Abwärme ein Wärmespeicher (5) aufgeladen und während eines Vorwärmbetriebs der Brennkraftmaschine (3) mittels Wärme aus dem Wärmespeicher (5) ein Oxidationskatalysator (4) der Abgasanlage (1) erwärmt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges Betriebsverfahren sowie eine Verwendung eines Wärmespeichers in einer solchen Abgasanlage.

Um Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, ist in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine üblicherweise ein Oxidationskatalysator angeordnet. Damit ein solcher Oxidationskatalysator die erwünschte Oxidationswirkung in den Abgasen erreichen kann, muss er zumindest eine sogenannte „Anspringtemperatur" erreichen, die je nach verwendetem Katalysatormaterial z.B. zwischen 180°C und 280°C liegen kann. Beim Starten der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kaltstart, muss also der Oxidationskatalysator erst auf die Anspringtemperatur aufgeheizt werden, damit er seine abgasreinigende Wirkung entfalten kann.

Auf der einen Seite fordern immer strengere Umweltschutzbestimmungen die Einhaltung immer kleinerer Grenzwerte für die Schadstoffemissionen, insbesondere auch beim Kaltstart der Brennkraftmaschinen. Auf der anderen Seite besitzen moderne Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, einen relativ hohen Wirkungsgrad, was unter anderem zu einer Absenkung der Abgastemperaturen führt. Darüber hinaus besitzen große Brennkraftmaschine eine entsprechend große Wärmespeicherkapazität. Des weiteren werden häufig Abgasturbolader verwendet, die regelmäßig stromauf des Oxidationskatalysators im Abgasstrang angeordnet sind und ebenfalls eine vergleichsweise große Wärmespeicherkapazität aufweisen. Diese gegenläufigen Entwicklungen erschweren es, die Emissionsgrenzwerte, insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine einzuhalten.

Um den Oxidationskatalysator zur Verkürzung der Kaltstartphase schneller auf seine Anspringtemperatur bringen zu können, ist es grundsätzlich möglich, die Abgase stromauf des Oxidationskatalysators mit Hilfe eines Brenners aufzuheizen. Nachteilig ist hierbei, dass auch ein solcher Brenner eine gewisse Zeit benötigt, um anzuspringen und die gewünschte Abgasaufheizung zu bewirken. Des weiteren beeinträchtigt das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, bei Lastwechsel den Betrieb des Brenners. Außerdem führt der Brenner zu vergleichsweise hohen Abgastemperaturen, was am Einlass des Oxidationskatalysators eine hohe Temperaturbelastung und eine vorschnelle Alterung bewirkt. Außerdem benötigt ein derartiger Brenner ebenfalls Brennstoff, was die Gesamtemission, insbesondere an CO2, der Brennkraftmaschine erhöht.

Alternativ ist es grundsätzlich möglich, den Oxidationskatalysator elektrisch zu beheizen. Hierbei ist nachteilig, dass eine dazu geeignete Heizeinrichtung einen vergleichsweise hohen Stromverbrauch besitzt, was bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug eine erhöhte Batteriekapazität erfordert. Darüber hinaus wird auch hier zusätzlich Energie verbraucht, was den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine reduziert.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, bei einer Brennkraftmaschine die Schadstoffemission, insbesondere beim Kaltstart, zu reduzieren.

Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Oxidationskatalysator bei einem Vorwärmbetrieb mit Hilfe von Wärme vorzuwärmen, die einem Wärmespeicher entnommen wird, der bei einem Normalbetrieb mit Hilfe von Abwärme aufgeladen wird. Die im Wärmespeicher bereitgestellte Wärme kann im Bedarfsfall, also beim Vorwärmbetrieb vergleichsweise rasch abgerufen werden, um damit den Oxidationskatalysator in vergleichsweise kurze Zeit aufzuwärmen. Des weiteren gibt es bei jeder Brennkraftmaschine innerhalb des Normalbetriebs Betriebsphasen mit hinreichend Abwärme, was ein Aufladen des Wärmespeichers ohne zusätzliche Kosten, Brennstoffverbrauch und Schadstoffemissionen ermöglicht.

Grundsätzlich kann zum Aufladen des Wärmespeichers eine beliebige Abwärme verwendet werden. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, welche die in den Abgasen der Brennkraftmaschine enthaltene Abwärme zum Aufladen des Wärmespeichers nutzt. Dies ist in ökonomischer und ökologischer Hinsicht besonders vorteilhaft, da die in den Abgasen enthaltene Wärmeenergie bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen in der Regel über die Abgasanlage mit den Abgasen in die Umgebung weitgehend ungenutzt entweicht.

Grundsätzlich führt jede Erwärmung des Oxidationskatalysators mit Hilfe von dem Wärmespeicher entnommener Wärme zu einer Verkürzung der Kaltstartphase, unabhängig davon, wie groß die mit der Wärme des Wärmespeichers erzielbare Temperaturerhöhung im Oxidationskatalysator ist. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei welcher der Wärmespeicher so dimensioniert und ausgelegt ist, dass der Oxidationskatalysator mit der gespeicherten Wärme auf eine Vorwärmtemperatur aufgewärmt werden kann, die bei oder oberhalb einer Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators liegt. Auf diese Weise kann der Oxidationskatalysator besonders rasch auf die Anspringtemperatur aufgeheizt werden, was die Kaltstartphase entsprechend verkürzt.

Bevorzugt ist der Wärmespeicher als Latentwärmespeicher ausgestaltet, der mit einem Speichermaterial arbeitet, das bei einer vorbestimmten Speichertemperatur beim Aufladen des Wärmespeichers schmilzt und bei der Wärmeabgabe, also beim Entladen des Wärmespeichers erstarrt. Die Speichertemperatur entspricht dabei einer Phasenwechseltemperatur des Speichermaterials. Auf diese Weise wird die Wärme auf dem Temperaturniveau der Speichertemperatur gespeichert, was es ermöglicht, die Wärme auch auf diesem hohen Temperaturniveau abzurufen.

Eine alternative Lösung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Abgasstrang stromauf eines NOx-Speicherkatalysators einen Wärmespeicher anzuordnen, der so ausgestaltet ist, dass er eine Temperaturglättung der dem NOx-Speicherkatalysator zugeführten Abgase bewirkt. Auf diese Weise kann der NOx-Speicherkatalysator vor einer Überhitzung geschützt werden. Ebenso ist es möglich, den NOx-Speicherkatalysator auf ein gewünschtes Temperaturniveau aufzuheizen. Erreicht wird dies durch eine Ausgestaltung des Wärmespeichers, derart, dass er den Abgasen der Brennkraftmaschine Wärme entzieht, wenn die Abgase eine Abgastemperatur aufweisen, die größer ist als eine vorbestimmte Speichertemperatur des Wärmespeichers, und dass er den Abgasen Wärme zuführt, wenn die Abgastemperatur kleiner ist als die genannte Speichertemperatur. In besonderer Weise eignet sich hierfür wieder ein als Latentwärmespeicher ausgestalteter Wärmespeicher, der mit einem Speichermaterial arbeitet, das bei der vorbestimmten Speichertemperatur seine Phasenwechseltemperatur besitzt.

Besondere Bedeutung erlangt diese erfindungsgemäße Abgasanlage bei einer Ausführungsform, bei welcher stromauf des Wärmespeichers ein Partikelfilter im Abgasstrang angeordnet ist. Bei der Regeneration eines derartigen Partikelfilters kommt es zu einer starken Temperaturanhebung im Abgas. Der dem Partikelfilter nachgeordnete Wärmespeicher kann nun den Abgasen soviel Wärme entziehen und zwischenspeichern, dass dadurch eine Beschädigung durch Überhitzung des nachfolgenden NOx-Speicherkatalysators vermieden werden kann. Nach der Regeneration des Partikelfilters kann der Wärmespeicher bei entsprechend reduzierten Abgastemperaturen und entsprechend abgestimmter Speichertemperatur wieder nach und nach entladen werden, um neue Speicherkapazität für eine weitere Partikelfilterregeneration zu schaffen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch,

1 bis 8 jeweils eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Abgasanlage nach der Erfindung bei unterschiedlichen Ausführungsformen,

9 und 10 jeweils einen Querschnitt durch einen Wärmespeicher, bei unterschiedlichen Ausführungsformen.

Entsprechend den 1 bis 6 umfasst eine erfindungsgemäße Abgasanlage 1 einen Abgasstrang 2, der im Betrieb einer Brennkraftmaschine 3 Abgase der Brennkraftmaschine 3 abführt. Die Brennkraftmaschine 3 ist dabei vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Bei der Brennkraftmaschine 3 kann es sich um einen Ottomotor handeln, vorzugsweise kommt die vorliegende Erfindung jedoch bei einem Dieselmotor zur Anwendung.

Im Abgasstrang 2 ist ein Oxidationskatalysator 4 angeordnet, der in einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 3 dazu dient, den Schadstoffgehalt der Abgase, z.B. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, durch entsprechende Oxidationsreaktionen zu verringern. Erfindungsgemäß ist nun die Abgasanlage 1 mit einem Wärmespeicher 5 ausgestattet, der so in die Abgasanlage 1 eingebunden ist, dass er mittels Abwärme aufgeladen werden kann und dass mittels darin gespeicherter Wärme der Oxidationskatalysator 4 bei Bedarf erwärmt werden kann.

Zweckmäßig handelt es sich beim Wärmespeicher 5 um einen Latentwärmespeicher. Der Latentwärmespeicher kann beispielsweise mit einem Speichermaterial arbeiten, das bei einer vorbestimmten Speichertemperatur beim Aufladen des Wärmespeichers 5 schmilzt und beim Entladen des Wärmespeichers 5, also bei der Wärmeabgabe erstarrt. Die Speichertemperatur des Wärmespeichers 5 entspricht dabei einer Phasenwechseltemperatur des jeweils verwendeten Speichermaterials. Durch eine geeignete Auswahl dieses Speichermaterials kann eine gewünschte Speichertemperatur gezielt vorgegeben werden. Beispielsweise kann die Speichertemperatur zweckmäßig so gewählt werden, dass sie oberhalb einer Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 4 liegt, ab welcher der Oxidationskatalysator 4 die gewünschten Oxidationsreaktionen ordnungsgemäß durchführen kann.

Ein Speichermaterial, das sich zur Verwendung in einem derartigen Hochtemperatur-Latentwärmespeicher 5 eignet, kann beispielsweise ein Salz sein, das bei oder oberhalb der Anspringtemperatur seine Phasenwechseltemperatur besitzt. Beispielsweise eignen sich hierzu KNO3, NaNO3 und andere Salze. Die Schmelztemperatur von NaNO3 liegt bei 308°C, während die von KNO3 bei 336°C liegt. Mit anderen Speichermaterialien, insbesondere Salzen, können auch Phasenwechseltemperaturen in Bereichen zwischen 200°C und 280°C abgedeckt werden. Die genannten Temperaturen bzw. Temperaturbereiche sind für die Anwendung des Wärmetauschers 5 bei einem Dieselmotor besonders günstig, da sie zum einen deutlich über der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 4 liegen und sich zum anderen in einem Temperaturbereich bewegen, der auch im Teillastbetrieb von Dieselmotoren erreicht werden kann. Bei einer Auslegung des Wärmespeichers 5 mit einer zu hohen Speichertemperatur besteht zumindest bei modernen Dieselmotoren die Gefahr, dass im Teillastbetrieb die Speichertemperatur nicht erreicht wird, das heißt, der Wärmespeicher 5 kann dann nicht aufgeladen werden.

Ein wesentlicher Vorteil eines Latentwärmespeichers gegenüber einem herkömmlichen sensiblen Wärmespeicher wird in Verbindung mit dem Phasenwechsel des Speichermaterials darin gesehen, dass die gespeicherte Wärme bei einem vergleichsweise konstanten Temperaturniveau gespeichert und freigesetzt werden kann. Selbstverständlich speichert der Latentwärmespeicher unterhalb der Phasenwechseltemperatur im vollständig festen Speichermaterial die Wärme sensibel, also temperaturabhängig, und oberhalb der Phasenwechseltemperatur im vollständig flüssigen Speichermaterial ebenfalls sensibel.

Der Wärmespeicher 5 ist mit dem Abgasstrang 2 wärmeübertragend gekoppelt, derart, dass er während des Normalbetriebs der Brennkraftmaschine 3, also außerhalb eines Kaltstartbetriebs, insbesondere bei Teillast und Volllast, mittels Abwärme aufladbar ist, und dass zum anderen während eines Vorwärmbetriebs der Brennkraftmaschine 3 mittels gespeicherter Wärme, die dabei dem Wärmespeicher 5 entzogen wird, der Oxidationskatalysator 4 erwärmt werden kann. Bevorzugt wird hier als Abwärme die in den Abgasen der Brennkraftmaschine 3 enthaltene Wärmeenergie verwendet. Dementsprechend erfolgt die wärmeübertragende Kopplung des Wärmespeichers 5 mit dem Abgasstrang 2 zweckmäßig so, dass zum einen die Abgase der Brennkraftmaschine 3 den Wärmespeicher 5 aufladen können und dass zum anderen die gespeicherte Wärme vom Wärmespeicher 5 an die Abgase der Brennkraftmaschine 3 rückgeführt werden kann und zwar stromauf des Oxidationskatalysators 4.

Bei den Ausführungsformen der 1 bis 5 weist der Abgasstrang 2 eine Abzweigung 6 auf, die bei den Varianten der 1 und 2 direkt zum Oxidationskatalysator 4 führt, z.B. an dessen Einlauftrichter (nicht gezeigt) angeschlossen ist, oder die entsprechend den 3 bis 5 stromauf des Oxidationskatalysators 4 in den Abgasstrang 2 rückgeführt ist. Bei den Ausführungsformen der 1 und 2 ist im Abgasstrang 2 ein steuerbares Stellglied 7 angeordnet, und zwar stromab oder wie hier an einer Abzweigstelle 8 der Abzweigung 6 sowie stromauf des Oxidationskatalysators 4 oder stromauf einer Rückführstelle (vgl. Pos. 9 in den 3 bis 5), wenn die Abzweigung 6 stromauf des Oxidationskatalysators 4 in den Abgasstrang 2 rückgeführt ist. Mit Hilfe dieses Stellglieds 7 kann der Abgasstrang 2 geöffnet und gesperrt werden; zweckmäßig lassen sich auch beliebige Zwischenstellungen einstellen. Bei geöffnetem Stellglied 7 strömen die Abgase nahezu ausschließlich nicht durch den Wärmetauscher 5, da dieser einen gegenüber dem parallelen Abschnitt des Abgasstrangs 2 erhöhten Strömungswiderstand aufweist. Durch zunehmendes Schließen des Abgasstrangs 2 durch eine entsprechende Betätigung des Stellglieds 7 können die Abgase zunehmend durch den Wärmespeicher 5 geleitet werden.

Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 dadurch, dass das Stellglied 7 eindeutig stromab der Abzweigstelle 8 im Abgasstrang 2 angeordnet ist.

Bei den Ausführungsformen der 3 bis 5 ist im Abgasstrang 2 stromauf des Oxidationskatalysators 4 eine Turbine 10 eines Abgasturboladers 11 angeordnet. Die Abzweigung 6 ist dann so angeordnet, dass sie die Turbine 10 umgeht. Da sich im Betrieb der Brennkraftmaschine 3 stromauf der Turbine 10 ein Staudruck einstellt, kann bei diesen Ausführungsformen das Stellglied 7 in der Abzweigung 6 angeordnet werden und zwar gemäß 3 stromab des Wärmespeichers 5 oder gemäß 4 stromauf des Wärmespeichers 5. Durch Öffnen und Sperren der Abzweigung 6 kann dann die Durchflussmenge der Abgase durch den Wärmespeicher 5 eingestellt bzw. geregelt werden. Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, zusätzlich in dem von der Abzweigung 6 umgangenen Abschnitt des Abgasstrangs 2 ein weiteres steuerbares Stellglied 7', angedeutet durch Punktlinien, anzuordnen, um die Durchströmung des Abgasturboladers 11 zusätzlich zu drosseln bzw. zu sperren. Auf diese Weise kann zum einen vermieden werden, dass sich die Abgase beim Kaltstart bei der Durchströmung des kalten Turboladers 11 weiter abkühlen. Zum anderen kommt es zu keiner oder nur zu einer reduzierten Durchmischung der durch den Wärmespeicher 5 aufgewärmten Abgase mit den durch die Turbine 10 hindurchströmenden kälteren Abgasen. Somit steht ein erhöhtes Temperaturniveau zum Aufwärmen des Oxidationskatalysators 4 zur Verfügung, was gleichzeitig die Aufwärmung des Oxidationskatalysators 4 beschleunigt. Sobald dann der Oxidationskatalysator 4 seine Anspringtemperatur erreicht hat, kann durch entsprechendes Öffnen dieses zusätzlichen Stellglieds 7' die Durchströmung des Turboladers 11 entsprechend erhöht werden, solange bis der Gesamtstrom durch den Turbolader 11 hindurchgeleitet werden kann.

5 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung für den Wärmespeicher 5, der hier mit einem doppelwandigen Gehäuse 12 ausgestattet ist. Ein derartiges doppelwandiges Gehäuse 12 verbessert die thermische Isolierung des Wärmespeichers 5. Beispielsweise kann das doppelwandige Gehäuse 12 mit einer Luftspalt-Isolierung arbeiten, um den Wärmeübergang vom Wärmespeicher 5 an die Außenseite des Gehäuses 12 zu reduzieren. Um die Isolationswirkung zu verbessern kann das Doppelwandgehäuse 12 außerdem mit einem Isolationsmaterial befüllt sein. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, das Gehäuse 12 mit einer evakuierten Doppelwand zu versehen, die sich durch einen besonders niedrigen Wärmeübergang auszeichnet. Des weiteren ist bei der hier gezeigten Ausführungsform vorgesehen, in der Abzweigung 6 sowohl stromauf als auch stromab des Wärmespeichers 5 ein Stellglied 7 anzuordnen, wobei die Stellglieder 7 hier außerdem in das Gehäuse 12 integriert sind. Auf diese Weise kann bei beladenem Wärmespeicher 5 das Gehäuse 12 eingangsseitig und ausgangsseitig hermetisch verschlossen werden, um auch auf diese Weise Wärmeverluste zu reduzieren. Es ist klar, dass diese Ausgestaltung des Wärmespeichers 5 auch bei allen anderen gezeigten Ausführungsformen grundsätzlich realisierbar ist.

Bei der in 6 vorgesehenen Ausführungsform ist der Wärmespeicher 5 nicht in einer Abzweigung 6 sondern direkt im Abgasstrang 2 angeordnet, und zwar stromauf des Oxidationskatalysators 4. Bei dieser Anordnung wird der Wärmespeicher 5 beim Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 3 aufgeladen und speichert die Wärme nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine 3. Beim späteren Starten der Brennkraftmaschine 3 werden die Abgase der Brennkraftmaschine 3 bei der Durchströmung des Wärmespeichers 5 erwärmt, so dass der nachfolgend angeordnete Oxidationskatalysator 4 rasch seine Anspringtemperatur erreicht.

Die hier gezeigte Anordnung des Wärmespeichers 5 im Abgasstrang 2 hat außerdem den Vorteil, dass während des Normalbetriebs der Brennkraftmaschine 3 auftretende Schwankungen der Abgastemperatur effektiv gedämpft bzw. geglättet werden können. Zum einen können dadurch hohe Temperaturspitzen im Abgas, z.B. bei Beschleunigungsphasen (Volllast), gedämpft werden, was die Temperaturbelastung des Oxidationskatalysators 4 reduziert. Zum anderen kann dadurch gleichzeitig verhindert werden, dass die Temperatur des Oxidationskatalysators 4 bei Leerlaufphasen oder im Schubbetrieb (Schwachlast oder Nulllast) unter die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 4 absinkt. Die Glättung von Temperaturspitzen im Abgas kann die Alterung des Oxidationskatalysators 4 verzögern, wodurch dieser eine höhere Standzeit erreicht. Außerdem kann das Katalysatorvolumen reduziert werden, da durch reduzierte Alterung eine sogenannte „Auslegungsreserve" kleiner dimensioniert werden kann.

Bei längeren Leerlaufphasen oder Schubphasen kann sich die Abgastemperatur, insbesondere bei einem modernen Dieselmotor, unter die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 4 absenken, so dass dieser ohne gegenwirkende Maßnahmen ebenfalls unter seiner Anspringtemperatur abkühlen würde. Bei einem nachfolgenden Normalbetrieb könnte der Oxidationskatalysator 4 seine Abgasreinigungswirkung nicht entfalten. Dies wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 5 verhindert, indem bei niedrigen Abgastemperaturen dem Abgas Wärme zugeführt wird, um den Oxidationskatalysator 4 auf einem hinreichend hohen Temperaturniveau, also oberhalb seiner Anspringtemperatur zu halten. Dies lässt sich selbstverständlich auch bei den Ausführungsformen der 1 bis 5 realisieren, indem das jeweilige Stellglied 7 entsprechend angesteuert wird.

7 zeigt eine weitere vorteilhafte Abgasanlage 1 nach der Erfindung. Im Abgasstrang 2 ist ein NOx-Speicherkatalysator 13 angeordnet sowie stromauf davon ein Wärmespeicher 5. Dieser Wärmespeicher 5 kann grundsätzlich identisch zu einem der Wärmespeicher 5 aus den 1 bis 6 aufgebaut sein. Der dem NOx-Speicherkatalysator 13 vorgeschaltete Wärmespeicher 5 führt zu einer Glättung der Abgastemperaturen stromauf des NOx-Speicherkatalysators 13. Dementsprechend kann auch für den temperaturempfindlichen NOx-Speicherkatalysator 13 die thermische Belastung reduziert werden. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn stromauf des Wärmespeichers 5 im Abgasstrang ein Partikelfilter 14 angeordnet ist. Ein derartiges Partikelfilter 14, insbesondere ein Rußfilter, wird in zeitlichen Abständen regeneriert, was mit einer relativ hohen Wärmeabgabe und Temperaturerhöhung im Abgas einhergeht. Derartigen Temperaturen ist ein NOx-Speicherkatalysator 13 regelmäßig nicht gewachsen, so dass bisher die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators 13 stromab des Partikelfilters 14 vermieden wird. Durch den erfindungsgemäß vorgeschalteten Wärmespeicher 5 können die bei der Partikelfilterregeneration entstehenden heißen Abgase hinreichend abgekühlt werden, um eine Überhitzung des NOx-Speicherkatalysators 13 zu vermeiden. Der Wärmespeicher 5 wird hier somit als Überhitzungsschutz für den NOx-Speicherkatalysator 13 verwendet.

Beispielsweise wird dazu der Wärmetauscher 5, insbesondere hinsichtlich seines Speichermaterials, so ausgestaltet, dass seine Speichertemperatur, also die Phasenwechseltemperatur des Speichermaterials in einem oberen Grenztemperaturbereich des NOx-Speicherkatalysators 13 liegt, wobei dieser oberer Grenztemperaturbereich nach oben von einer oberen Grenztemperatur des NOx-Speicherkatalysators 13 begrenzt ist. Mit anderen Worten, die Auslegung des Wärmetauscheres 5 erfolgt so, dass seine Speichertemperatur bzw. die Phasenwechseltemperatur seines Speichermaterials in der Nähe der oberen Grenztemperatur des NOx-Speicherkatalysators 13 liegt.

Stromauf des Partikelfilters 14 kann außerdem ein Oxidationskatalysator 4 im Abgasstrang 2 angeordnet sein.

Während bei den Ausführungsformen der 1 bis 7 der Wärmetauscher 5 jeweils so angeordnet ist, dass er direkt mit dem Abgas der Brennkraftmaschine 3 beaufschlagbar ist, um einen direkten Wärmeentzug bzw. eine direkte Wärmerückführung zu ermöglichen, ist bei der Ausführungsform gemäß 8 der Wärmespeicher 5 über einen Wärmetauscher 15 mit dem Abgasstrang 2 wärmeübertragend gekoppelt. Dabei ist dieser Wärmetauscher 15 stromauf des Oxidationskatalysators 4 im Abgasstrang 2 angeordnet. Desweiteren ist ein Speicherkreis 16 vorgesehen, in den einerseits der Wärmetauscher 15 und andererseits der Wärmespeicher 5 eingebunden ist. Im Speicherkreis 16 sind im Vorlauf und im Rücklauf jeweils ein Stellglied 7 angeordnet, um den Wärmespeicher 5 gegebenenfalls vollständig vom Wärmetauscher 15 trennen zu können.

Bei dieser Ausführungsform wird im Speicherkreis 16 ein geeignetes Wärmeträgermedium verwendet. Zwar führt die hier gezeigte Ausführungsform zu einem erhöhten Aufwand, jedoch lässt sich der Wärmespeicher 5 hier leichter vom Abgasstrang 2 abkoppeln, indem z.B. der Wärmekreis 16 mit Hilfe der Stellglieder 7 vom Wärmetauscher 15 gesperrt wird. Desweiteren kann der Wärmespeicher 5 hier einen vergleichsweise einfachen Aufbau aufweisen. Beispielsweise können im Wärmespeicher 5 makroverkapselte Speichermaterialien in Form einer Schüttung angeordnet werden. Diese Schüttung kann dann von einem flüssigen Wärmeträgermedium durchströmt werden, ohne dass es hierbei zu einem wesentlichen Druckverlust kommt. Eine Pumpe zum Antrieb des Wärmeträgermediums im Speicherkreis 16 ist hier nicht dargestellt.

Entsprechend den 9 und 10 kann der Wärmespeicher 5, insbesondere bei einer Ausführung als Latentwärmespeicher, in seinem Gehäuse 12 eine Vielzahl paralleler Abgaskanäle 17 aufweisen, die vom Abgas durchströmbar sind. Die Abgaskanäle 17 können grundsätzlich beliebige Strömungsquerschnitte besitzen. Bei der Ausführungsform gemäß 9 sind die Abgaskanäle 17 exemplarisch mit kreisförmigen Querschnitten dargestellt. Im Unterschied dazu besitzen die Abgaskanäle 17 bei der Variante gemäß 10 rechteckförmige, langgestreckte Querschnitte.

Bei der Ausführungsform gemäß 9 sind die Abgaskanäle 17 in Speichermaterial 18 eingebettet, wodurch sich eine direkte wärmeübertragende Kopplung zwischen Speichermaterial 18 und den Abgaskanälen 17 ergibt.

Bei der Variante gemäß 10 enthält der Wärmespeicher 5 in seinem Gehäuse 12 außerdem eine Vielzahl von Speicherkanälen 19, die abwechselnd zu den Abgaskanälen 17 angeordnet sind. Diese Speicherkanäle 19 sind mit dem Speichermaterial 18 befüllt. Dabei können die Abgaskanäle 17 mit nicht gezeigten Spacerstrukturen ausgestattet sein. Derartige Spacerstrukturen dienen zum einen zur Erhaltung eines definierten Abstands zwischen den benachbarten Wänden der Speicherkanäle 19 und der Abgaskanäle 17. Zum andern können die Spacerstrukturen den Wärmeübergang vom Abgas an die benachbarten Wände und umgekehrt verbessern. Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse 12 außen außerdem mit einer Isolierung 20 versehen.

Die erfindungsgemäße Abgasanlage 1 arbeitet wie folgt:

Während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine 3 wird der Wärmespeicher 5 mit Hilfe von Abwärme, die zweckmäßig den Abgasen der Brennkraftmaschine 3 entnommen wird, aufgeladen. Bei den Ausführungsformen der 1 bis 7 wird hierzu der Wärmespeicher 5 von den Abgasen der Brennkraftmaschine 3 durchströmt. Erreicht wird dies beispielsweise durch eine entsprechende Betätigung des jeweiligen Stellglieds 7. Bei der Ausführungsform gemäß 8 wird die Wärme aus den Abgasen mit Hilfe des Wärmetauscher 15 abgezogen und über den Speicherkreis 16 dem Wärmespeicher 5 zugeführt. Bei den Ausführungsformen der 1 bis 5 und 8 kann die Aufladung des Wärmespeicher 5 mit Hilfe der Stellglieder 7 gezielt gesteuert werden. Insbesondere kann die Aufladung beendet werden, wenn der Wärmespeicher 5 „voll" ist.

Eine hier nicht gezeigte Steuerung kann nun einen Vorwärmbetrieb der Brennkraftmaschine 3 realisieren, bei dem dem Wärmespeicher 5 Wärme entzogen wird und diese zum Aufwärmen des Oxidationskatalysators 4 verwendet wird. Dieser Vorwärmbetrieb kann beispielsweise vor einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 3 durchgeführt werden. Ebenso kann dieser Vorwärmbetrieb zu Beginn eines Kaltstartbetriebs stattfinden.

Desweiteren ist es grundsätzlich möglich, den Vorwärmbetrieb in Abhängigkeit der Temperatur des Oxidationskatalysators 4 durchzuführen. Eine entsprechende Sensorik zur Erfassung der hierzu erforderlichen Temperaturen ist nicht eingezeichnet. Auf diese Weise wird der Vorwärmbetrieb automatisch beim Kaltstart der Brennkraftmaschine 3 aktiviert. Desweiteren erfolgt die Aktivierung des Vorwärmbetriebs dann auch bei längerem Lehrlaufbetrieb oder längerem Schubbetrieb, bei dem sich der Oxidationskatalysator 4 sonst unter seine Anspringtemperatur abkühlen könnte.

Zweckmäßig erfolgt die Vorwärmung des Oxidationskatalysators 4 während des Vorwärmbetriebs so, dass der Oxidationskatalysator 4 eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erreicht, die bei oder oberhalb der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators 4 liegt. Das bedeutet, dass durch den Vorwärmbetrieb der Oxidationskatalysator 4 zumindest auf seine Anspringtemperatur aufgeheizt wird, was die Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 3 extrem verkürzt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (1) einer Brennkraftmaschine (3), insbesondere in einem Kraftfahrzeug,

    – bei dem während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine (3) mittels Abwärme ein Wärmespeicher (5) aufgeladen wird,

    – bei dem während eines Vorwärmbetriebs der Brennkraftmaschine (3) mittels Wärme aus dem Wärmespeicher (5) ein Oxidationskatalysator (4) der Abgasanlage (1) erwärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Aufladen des Wärmespeichers (5) verwendete Abwärme den Abgasen der Brennkraftmaschine (3) entzogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmespeicher (5) die Wärme bei einer Speichertemperatur gespeichert wird, die oberhalb einer Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (4) liegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (4) auf eine vorwärmtemperatur aufgewärmt wird, die bei oder oberhalb einer Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (4) liegt.
  5. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

    – dass der Vorwärmbetrieb vor oder zu Beginn eines Kaltstartbetriebs der Brennkraftmaschine (3) durchgeführt wird, und/oder

    – dass der Vorwärmbetrieb in Abhängigkeit der Temperatur des Oxidationskatalysators (4) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmespeicher (5) ein Latentwärmespeicher verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (5) ein Speichermaterial (18) aufweist, das bei einer vorbestimmten Speichertemperatur beim Aufladen des Wärmespeichers (5) schmilzt und bei der Wärmeabgabe erstarrt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (15) beim Aufladen von heißen Abgasen der Brennkraftmaschine (3) durchströmt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (5) zum Erwärmen des Oxidationskatalysators (4) von kalten Abgasen durchströmt wird, wobei sich die Abgase erwärmen, wobei die erwärmten Abgase stromab des Wärmespeichers (5) den Oxidationskatalysator (4) durchströmen und diesen dabei aufwärmen.
  10. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine (3), insbesondere eines Kraftfahrzeugs,

    – mit einem Oxidationskatalysator (4), der in einem Abgasstrang (2) der Abgasanlage (1) angeordnet ist,

    – mit einem Wärmespeicher (5), der so mit dem Abgasstrang (2) wärmeübertragend gekoppelt ist, dass der Wärmespeicher (5) während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine (3) mittels Abwärme aufladbar ist und dass während eines Vorwärmbetriebs der Brennkraftmaschine (3) mittels im Wärmespeicher (5) gespeicherter Wärme der Oxidationskatalysators (4) erwärmbar ist.
  11. Abgasanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (5) mit dem Abgasstrang (2) so wärmeübertragend gekoppelt ist, dass der Wärmespeicher (5) durch Abgase der Brennkraftmaschine (3) aufladbar ist und/oder gespeicherte Wärme stromauf des Oxidationskatalysators (4) an die Abgase der Brennkraftmaschine (3) rückführt.
  12. Abgasanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (5) in einer Abzweigung (6) des Abgasstrangs (2) angeordnet ist, die zum Oxidationskatalysators (4) führt oder stromauf des Oxidationskatalysators (4) in den Abgasstrang (2) rückgeführt ist.
  13. Abgasanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigung (6) eine im Abgasstrang (2) angeordnete Turbine (10) eines Abgasturboladers (11) umgeht.
  14. Abgasanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (15) im Abgasstrang (2) stromauf des Oxidationskatalysators (4) angeordnet ist.
  15. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

    – dass der Wärmespeicher (5) über einen Wärmetauscher (15) mit dem Abgasstrang (2) wärmeübertragend gekoppelt ist,

    – dass der Wärmetauscher (15) stromauf des Oxidationskatalysators (4) im Abgasstrang (2) angeordnet ist,

    – dass der Wärmetauscher (15) in einen Speicherkreis (16) eingebunden ist, in den auch der Wärmespeicher (5) eingebunden ist.
  16. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet,

    – dass in der Abzweigung (6) zumindest ein steuerbares Stellglied (7) zum Öffnen und Sperren der Abzweigung (6) stromauf und/oder stromab des Wärmespeicher (5) angeordnet ist, und/oder

    – dass im Abgasstrang (2) an oder stromab einer Abzweigungsstelle (8) der Abzweigung (6) und an oder stromauf einer Rückführstelle (9) der Abzweigung (6) oder an oder stromauf des Oxidationskatalysators (4) ein steuerbares Stellglied (7) zum Öffnen und Sperren des Abgasstrangs (2) angeordnet ist.
  17. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine (3), insbesondere in einem Kraftfahrzeug,

    – mit einem NOx-Speicherkatalysator (13), der in einem Abgasstrang (2) der Abgasanlage (1) angeordnet ist,

    – mit einem Wärmespeicher (5), der im Abgasstrang (2) stromauf des NOx-Speicherkatalysators (13) angeordnet ist und so ausgestaltet ist, dass er den Abgasen der Brennkraftmaschine (3) Wärme entzieht, wenn die Abgase eine Abgastemperatur aufweisen, die größer ist als eine vorbestimmte Speichertemperatur des Wärmespeichers (5), und dass er den Abgasen Wärme zuführt, wenn die Abgastemperatur kleiner ist als die Speichertemperatur.
  18. Abgasanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) so ausgestaltet ist, dass die Speichertemperatur in einem oberen Grenztemperaturbereich des NOx-Speicherkatalysators (13) liegt.
  19. Abgasanlage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (5) als Latentwärmespeicher ausgestaltet ist, der ein Speichermaterial (18) aufweist, das bei einer Temperatur unterhalb der Speichertemperatur fest ist und das bei einer Temperatur oberhalb der Speichertemperatur flüssig ist.
  20. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) stromauf des Wärmespeichers (5) ein Partikelfilter (14) angeordnet ist.
  21. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der als Latentwärmespeicher ausgestaltete Wärmespeicher (5) mehrere vom Abgas parallel durchströmbare Abgaskanäle (17) enthält, die in Speichermaterial (18) eingebettet sind oder die wärmeübertragend mit Speicherkanälen (19) gekoppelt sind, die mit Speichermaterial (18) befüllt sind.
  22. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 10 bist 21, dadurch gekennzeichnet,

    – dass der Wärmespeicher (5) als Latentwärmespeicher ausgestaltet ist, und/oder

    – dass der als Latentwärmespeicher ausgestaltete Wärmespeicher (5) ein Speichermaterial (18) aufweist, das bei einer vorbestimmten Speichertemperatur beim Aufladen des Wärmespeichers (5) schmilzt und bei der Wärmeabgabe erstarrt, und/oder

    – dass der Wärmespeicher (5) ein doppelwandiges Gehäuse (12) aufweist, das mit Luftspalt-Isolierung arbeitet und/oder mit Isolationsmaterial befüllt ist und/oder evakuiert ist.
  23. Verwendung eines Wärmespeichers (5), insbesondere eines Latentwärmespeichers, in einem Abgasstrang (2) einer Abgasanlage (1) einer Brennkraftmaschine (3), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, als Überhitzungsschutz eines stromab des Wärmespeichers (5) angeordneten NOx-Speicherkatalysators (4) und/oder zum Vorwärmen eines stromab des Wärmespeichers (5) angeordneten Oxidationskatalysators (4).
  24. Verwendung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 10 bis 20.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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