DE102014223382A1 - Method for operating a device for aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine and corresponding device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein einen Abgasstrom führendes Mischrohr 7 und einen ein Reduktionsmittel stromaufwärts einer Nachbehandlungseinrichtung in das Mischrohr 7 ein dosierenden Injektor 11, und wobei die Vorrichtung eine Abgasmischeinrichtung aufweist. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine angegeben, das bei einem einfachen Aufbau der Vorrichtung effektiver als bekannte Verfahren arbeitet. Erreicht wird dies dadurch, dass die Abgasmischeinrichtung eine Verdrallung des Abgasstroms 10 bewirkt, und dass das Reduktionsmittel von dem Injektor 11 in einer Injektorstrahlachse so in das Mischrohr 7 dosiert wird, dass eine Abgasströmung um die Injektorstrahlachse und in das Mischrohr 7 hinein eingestellt wird, und. Diese Kombination von erfindungsgemäßen Verfahrensschritten ermöglicht einen effektiven Betrieb der Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase bei einem robusten Betrieb des Gesamtsystems.The invention relates to a method for operating a device for the aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a mixing tube 7 leading an exhaust gas stream and a reducing agent upstream of a post-treatment device into the mixing tube 7, a metering injector 11, and wherein the device comprises an exhaust gas mixing device. According to the invention, a method for operating a device for the aftertreatment of the exhaust gas of an internal combustion engine is specified, which operates more effectively than known methods in a simple construction of the device. This is achieved in that the exhaust gas mixing device causes a twisting of the exhaust stream 10, and that the reducing agent from the injector 11 is metered into the mixing tube 7 in an injector jet axis so that an exhaust gas flow is adjusted around the injector jet axis and into the mixing tube 7, and , This combination of method steps according to the invention enables effective operation of the exhaust gas aftertreatment device in a robust operation of the overall system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein einen Abgasstrom führendes Mischrohr und einen ein Reduktionsmittel stromaufwärts einer Nachbehandlungseinrichtung in das Mischrohr eindosierenden Injektor, und wobei die Vorrichtung eine Abgasmischeinrichtung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine.The invention relates to a method for operating a device for the aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine, comprising a mixing tube leading an exhaust gas stream and an injector metering a reducing agent upstream of an aftertreatment device into the mixing tube, and wherein the device comprises an exhaust gas mixing device. Furthermore, the invention relates to a corresponding device for the aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine.
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet einer Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine. Beim Verbrennen von Kraftstoff unter Zuführung von Verbrennungsluft in einer Brennkraftmaschine entsteht Abgas, welches vor dem Verlassen des Abgasstrangs gereinigt werden muss, um Anforderungen an die Umweltverträglichkeit der beispielsweise als selbstzündende Brennkraftmaschine ausgebildeten und mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine einzuhalten. Bekannt ist in diesem Segment ein System, bei dem ein Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, das in einem nachfolgenden Katalysator gewünschte chemische Reaktionen bewirkt.The invention relates to the technical field of aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine. When burning fuel while supplying combustion air in an internal combustion engine, exhaust gas is produced which must be cleaned before leaving the exhaust gas line in order to comply with the environmental compatibility requirements of the internal combustion engine, for example designed as a self-igniting internal combustion engine and powered by diesel fuel. In this segment, a system is known in which a reducing agent is introduced into the exhaust gas, which causes desired chemical reactions in a subsequent catalyst.
Stand der TechnikState of the art
Eine derartige Vorrichtung ist aus der
Eine weitere Vorrichtung und ein weiteres Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine anzugeben, das bei einfachem Aufbau der Vorrichtung effektiver als bekannte Verfahren ist. Weiterhin soll eine entsprechende Vorrichtung angegeben werden.The invention has for its object to provide a method for operating a device for the aftertreatment of exhaust gas of an internal combustion engine, which is more effective than known methods with a simple construction of the device. Furthermore, a corresponding device should be specified.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Abgasmischeinrichtung eine Verdrallung des Abgasstroms bewirkt, und dass das Reduktionsmittel von dem Injektor in einer Injektionsstrahlachse so in das Mischrohr dosiert wird, dass eine homogene Abgasströmung um die Injektorstrahlachse und in das Mischrohr hinein eingestellt wird. Homogen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Abgas gleichförmig in das Mischrohr eintritt und nicht, wie in klassischen Bogendosierungen üblich, betriebspunktabhängig an die Wand des Mischrohrs gedrückt wird. Durch diese Homogenität wird verhindert, dass die Flächenlast von Reduktionsmittel beim Auftreffen auf die Wand des Mischrohrs deutlich minimiert ist. Im Ergebnis ermöglicht diese Kombination von erfindungsgemäßen Verfahrensschritten einen effektiven Betrieb der Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase bei einem robusten Betrieb des Gesamtsystems. Mit dem entsprechenden Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung ist zudem ein gegenüber einer möglichen Ablagerungsbildung robustes System geschaffen, das sich weiterhin durch eine hohe Gleichverteilung über einen weiten Kennfeldbereich auszeichnet.This object is achieved in that the exhaust gas mixing device causes a twisting of the exhaust gas flow, and that the reducing agent is metered by the injector in an injection beam axis into the mixing tube so that a homogeneous exhaust gas flow is adjusted around the injector jet axis and into the mixing tube. Homogeneous in this context means that the exhaust gas enters uniformly in the mixing tube and not, as is customary in classical arch dosing, operating point dependent pressed against the wall of the mixing tube. This homogeneity prevents the area load of reducing agent when striking the wall of the mixing tube is significantly minimized. As a result, this combination of method steps according to the invention enables effective operation of the exhaust gas aftertreatment device in a robust operation of the overall system. With the corresponding method and the corresponding device, moreover, a system which is robust compared to a possible deposit formation is created, which furthermore is distinguished by a high uniform distribution over a wide characteristic field range.
In Weiterbildung der Erfindung fällt die Injektorstrahlachse mit der Drallmittelachse zusammen. Hierbei bedeutet der Begriff „zusammenfallen“, dass die Injektorstrahlachse zumindest weitestgehend der Drallmittelachse folgt. Zur konkreten Ausgestaltung werden in nachfolgenden abhängigen Ansprüchen noch weitere Merkmale genannt, wie dies im Einzelnen bei gegebenenfalls unterschiedlichen Voraussetzungen vorteilhaft erreicht werden kann. Bei der Umsetzung dieses Verfahrensmerkmals kann es also zu tolerierbaren geringen Abweichungen zwischen der Injektorstrahlachse und der Drallmittelachse kommen, wobei aber auch bei geringen Abweichungen die Flächenlast von Reduktionsmittel beim Auftreffen auf die Wand des Mischrohrs deutlich minimiert ist. Im Ergebnis breitet sich das Reduktionsmittel zentrisch in dem Mischrohr aus. Dadurch ist ein sichererer Betrieb in einem weiten Kennfeldbereich gewährleistet. Zudem ist dadurch eine Bildung von Ablagerungen des Reduktionsmittels an den Wänden des Mischrohrs zumindest weitgehend unterbunden.In a development of the invention, the injector jet axis coincides with the swirl center axis. Here, the term "coincide" means that the injector beam axis at least largely follows the swirl center axis. For concrete embodiment, further features are mentioned in subsequent dependent claims, as can be advantageously achieved in detail with possibly different conditions. In the implementation of this feature of the method, therefore, tolerable small deviations between the injector jet axis and the swirl center axis can occur, but even with small deviations the area load of reducing agent upon impact with the wall of the mixing tube is significantly minimized. As a result, the reducing agent spreads centrically in the mixing tube. This ensures a safer operation in a wide map range. In addition, a formation of deposits of the reducing agent on the walls of the mixing tube is thereby at least largely prevented.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Injektor gänzlich von dem Abgasstrom umströmt und der Abgasstrom gelangt zusammen mit dem eindosierten Reduktionsmittel in das Mischrohr hinein. Dadurch ist eine Grundvoraussetzung für einen robusten Betrieb dargestellt.In a further embodiment of the invention, the injector is completely surrounded by the exhaust gas stream and the exhaust gas stream, together with the metered reducing agent, enters the mixing tube. This represents a basic requirement for robust operation.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verdrallung des Abgasstromes vor der Eindosierung des Reduktionsmittels. Eine solche Verdrallung des Abgasstromes vor der Eindosierung des Reduktionsmittels wird bevorzugt von Turbinenschaufeln bewirkt. Alternativ kann aber auch eine Verdrallung des Abgasstroms nach der Eindosierung des Reduktionsmittels erfolgen. Diese Verdrallung des Abgasstroms wird bevorzugt von einem Mischer bewirkt. In a further embodiment of the invention, the twisting of the exhaust gas flow takes place before the metering of the reducing agent. Such a twisting of the exhaust gas flow before the metering of the reducing agent is preferably effected by turbine blades. Alternatively, however, a twisting of the exhaust gas stream can take place after the metering of the reducing agent. This twisting of the exhaust gas stream is preferably effected by a mixer.
Die entsprechend dem Verfahren ausgebildete Vorrichtung sieht vor, dass die Abgasmischeinrichtung eine Drallerzeugungsvorrichtung für eine Verdrallung des Abgasstroms um eine Drallmittelachse ist, dass der Injektor eingangsseitig des Mischrohrs angeordnet ist, und dass die Vorrichtung Mittel zur Erzeugung einer Abgasströmung um eine Injektorstrahlachse herum und in das Mischrohr hinein aufweist. Die Abgasströmung ist vorzugsweise gemäß der zuvor gemachten Definition von „homogen“ eine homogene Abgasströmung. Diese Kombination von Merkmalen beschreibt eine gegenüber einer Ablagerungsbildung robuste die Vorrichtung beinhaltende Abgasanlage, die sich zudem durch eine hohe Gleichverteilung über einen weiten Kennfeldbereich auszeichnet.The apparatus configured according to the method provides that the exhaust gas mixing device is a swirl generating device for swirling the exhaust gas flow about a swirl center axis, that the injector is arranged on the input side of the mixing tube, and that the device comprises means for generating an exhaust gas flow around an injector jet axis and into the mixing tube has in it. The exhaust gas flow is preferably a homogeneous exhaust gas flow in accordance with the previously defined definition of "homogeneous". This combination of features describes an exhaust system that is robust relative to a deposit formation and that includes a device that is characterized by a high degree of uniform distribution over a wide map range.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Injektor an einer Stirnwand einer topfförmigen Umlenkeinrichtung angeordnet und befestigt. Dies stellt eine einfache Befestigungsmöglichkeit für den Injektor dar, mit der zudem die nachfolgend beschrieben unterschiedlichen Ausrichtungen des Injektors in Bezug auf eine Mischrohrmittelachse und eine Drallmittelachse einfach umsetzbar ist.In a further development of the invention, the injector is arranged and fastened to an end wall of a cup-shaped deflection device. This represents a simple mounting option for the injector, with which in addition the following described different orientations of the injector with respect to a mixing tube center axis and a swirl center axis is easy to implement.
In weiterer Ausgestaltung sind die Injektorstrahlachse, die Drallmittelachse und die Mischrohrmittelachse zusammenfallend angeordnet. Dabei ragt der Injektor mittig in die Drallerzeugungseinrichtung mit den Turbinenschaufeln hinein und die Mischrohrmittelachse z des Mischrohrs ist gleichzeitig die Drallmittelachse des von der Dralleinrichtung erzeugten Dralls. Der Injektor sprüht das Reduktionsmittel in der Injektorstrahlachse genau in Richtung der Mischrohrmittelachse z und somit auch der Drallmittelachse. Dies ist die ideale Ausgestaltung, bei der das Abgas homogen in das Mischrohr eintritt und bei der der Injektorstrahl des Injektors sich entlang der sich im Mischrohrzentrum befindlichen Drallmittelachse durch das Mischrohr ausbreitet. Der Injektorstrahl kann im Übrigen auch in eine Anzahl von Teilstrahlen aufgeteilt sein, die um die zentrale Injektorstrahlachse verteilt angeordnet sind.In a further embodiment, the injector jet axis, the swirl center axis and the mixing tube center axis are arranged coincidentally. In this case, the injector projects centrally into the swirl generating device with the turbine blades and the mixing tube center axis z of the mixing tube is at the same time the swirl center axis of the swirl generated by the swirl device. The injector sprays the reducing agent in the injector jet axis exactly in the direction of the mixing tube center axis z and thus also of the swirl center axis. This is the ideal embodiment in which the exhaust gas enters the mixing tube homogeneously and in which the injector jet of the injector propagates through the mixing tube along the swirl center axis located in the mixing tube center. Incidentally, the injector jet can also be divided into a number of partial beams, which are arranged distributed around the central axis of the injector jet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Drallmittelachse um einen Winkel γ zu der Mischrohrmittelachse z geneigt und die Injektorstrahlachse ist um einen Inklinationswinkel α zu der Mischrohrmittelachse geneigt und es gilt 0 < α < γ. Gleichzeitig fällt die Mischrohrmittelachse z` mit einer Achse z zusammen, die parallel zu einer Mittelachse eines Partikelfilters und eines SCR-Katalysators liegt und senkrecht zur Stirnwand der topfförmigen Umlenkeinrichtung angeordnet ist. Hierbei ist der Injektor außermittig oder mittig auf der Stirnwand angeordnet, aber insbesondere um einen Winkel α geneigt zu der Mischrohrmittelachse z angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung wird der Umstand berücksichtigt, dass die Drallmittelachse nicht gleich der Mischrohrmittelachse z ist, wenn der Injektor ungleich von dem Abgasstrom umströmt wird. Die Menge des Abgasstroms, die um den Injektor herum strömt und sozusagen von oben in das Mischrohr eintritt, ist nämlich verglichen mit der Menge, die sozusagen von unten – also direkt aus dem davor geschalteten Partikelfilter kommend – in das Mischrohr eintritt, oftmals geringer. Dadurch verschiebt oder verschwenkt sich die Drallmittelachse um einen Winkel γ leicht nach oben. Demzufolge sind Drallmittelachse und Mischrohrmittelachse z ungleich. Um diesen Winkel γ auszugleichen, wird der Injektor mit einem Inklinkationswinkel α geneigt, wobei 0 < α < γ ist. Typische Werte für beide Winkel sind 0,5° bis 15°, bevorzugt 0,5° bis 5°. Diese Winkel können gegebenenfalls auch negativ sein, wenn nämlich der Abgasstrom vor Eintritt in den Umlenkraum oder die topfförmige Umlenkeinrichtung vor dem Mischrohr in irgendeiner Form umgelenkt wird.In a further embodiment, the swirl center axis is inclined by an angle γ to the mixing tube center axis z and the injector beam axis is inclined by an inclination angle α to the mixing tube central axis and 0 <α <γ. At the same time, the mixing tube center axis z 'coincides with an axis z which lies parallel to a center axis of a particle filter and an SCR catalytic converter and is arranged perpendicular to the end wall of the cup-shaped deflection device. Here, the injector is arranged eccentrically or centrally on the end wall, but in particular by an angle α inclined to the mixing tube center axis z arranged. In this embodiment, the fact is taken into account that the swirl center axis is not equal to the mixing tube center axis z when the injector is unequally flowed around by the exhaust gas flow. The amount of exhaust gas flowing around the injector and entering from above into the mixing tube is often lower compared to the amount that enters the mixing tube from below, that is to say directly from the upstream particle filter. As a result, the swirl center axis shifts or pivots slightly upward by an angle γ. As a result, the swirl center axis and the mixing tube central axis z are unequal. To compensate for this angle γ, the injector is inclined at an angle of incidence α, where 0 <α <γ. Typical values for both angles are 0.5 ° to 15 °, preferably 0.5 ° to 5 °. If appropriate, these angles can also be negative, namely if the exhaust gas stream is deflected in front of the mixing tube in some way before entering the deflection space or the cup-shaped deflection device.
Eine weite Ausgestaltung sieht vor, dass die Drallmittelachse zu der Mischrohrmittelachse und die Injektorstrahlachse zu der Mischrohrmittelachse verschoben sind. Diese Ausgestaltung berücksichtigt den Umstand, dass es beispielsweise aus bautechnischen Gründen vorkommen kann, dass die Mischrohrmittelachse z` verschoben beziehungsweise verschwenkt zu der z-Achse, die parallel zu einer Mittelachse des Partikelfilters und des SCR-Katalysators liegt und senkrecht zur Stirnwand des Umlenktopfes angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist demnach die Ausrichtung der z-Achse ungleich zur Michrohrmittelachse z`. Typische Winkel liegen hier im Bereich von 0,5° bis 20°. Da auch hier analog zu der vorherigen Ausgestaltung der Abgasstrom bevorzugt von unten – also direkt aus dem Partikelfilter kommend – in das Mischrohr einströmt, ist auch hier die Drallmittelachse nach oben verschoben. Drallmittelachse und Mischrohrmittelachse z` können, müssen aber nicht gleich ausgerichtet sein. Dies bedeutet, dass der Injektor außermittig mit einem Versatz V und mit einem Inklinationswinkel α` geneigt zu der z-Achse auf der Stirnwand des Umlenktopfes angeordnet ist. In a further embodiment, the swirl center axis is displaced relative to the mixing tube center axis and the injector jet axis is displaced toward the mixing tube center axis. This refinement takes into account the circumstance that, for structural reasons, for example, the mixing tube central axis z is displaced or pivoted relative to the z axis, which is parallel to a center axis of the particle filter and the SCR catalytic converter and is arranged perpendicular to the end wall of the deflection head , In this embodiment, therefore, the alignment of the z-axis is not equal to the Michrohrmittelachse z`. Typical angles are in the range of 0.5 ° to 20 °. Since, in this case too, the exhaust gas flow preferably flows from below into the mixing tube, ie, directly from the particle filter, analogously to the previous embodiment, the swirl center axis is also displaced upwards here. Spherical axis and mixing tube center axis z` can, but need not be aligned the same. This means that the injector is arranged off-center with an offset V and with an inclination angle α 'inclined to the z-axis on the end wall of the Umlenktopfes.
Schließlich ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Drallerzeugungseinrichtung von Turbinenschaufeln oder von einem Mischer gebildet ist. Insbesondere durch den Einsatz der Turbinenschaufeln ist eine saubere Verdrallung des Abgasstroms gewährleistet.Finally, it is provided in a further embodiment that the swirl generating device is formed by turbine blades or by a mixer. In particular through the use of Turbine blades ensure a clean twisting of the exhaust gas flow.
Zusammenfassend stellt das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase und die entsprechende Vorrichtung sicher, dass eine zentrische Reduktionsmitteleindosierung erfolgt, eine Abgasströmung um den Injektor herum und in das Mischrohr hinein sichergestellt ist und eine Verdrallung des Abgasstroms erfolgt, sei es durch einen Mischer im Mischrohr nach der Eindosierung des Reduktionsmittels oder durch Turbinenschaufeln vor der Eindosierung des Reduktionsmittels oder aber gegebenenfalls auch durch eine Kombination davon und dass mögliche Inhomogenitäten in der Abgasmassenverteilung durch zuvor beschriebenen Gegenmaßnahmen ausgeglichen werden. Dadurch ist ein System bereitgestellt, dass einen robusten Betrieb mit luftloser Eindosierung von Reduktionsmittel ermöglicht. Dieses System eignet sich hervorragend für die Erfüllung aktueller und zukünftiger Emissionsgesetzgebungen.In summary, the inventive method for operating the device for aftertreatment of the exhaust gases and the corresponding device ensures that a central Reduktionsmittelindindosierung takes place, an exhaust gas flow around the injector around and in the mixing tube is ensured in and a twisting of the exhaust gas stream, be it by a mixer in the mixing tube after the metering of the reducing agent or by turbine blades before the metering of the reducing agent or possibly also by a combination thereof and that possible inhomogeneities in the exhaust gas mass distribution are compensated by previously described countermeasures. This provides a system that allows for robust operation with airless metering of reductant. This system is ideal for meeting current and future emissions legislation.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, are described in more detail in the embodiments illustrated in the figures.
Es zeigen:Show it:
Ein von der Brennkraftmaschine durch die Abgasleitung
Die topfförmige Umlenkeinrichtung
Die Drallerzeugungseinrichtung
Mittig ragt durch die Drallerzeugungseinrichtung
Typische Werte für beide Winkel sind 0,5° bis 15°, bevorzugt 0,5° bis 5°. Diese Winkel können gegebenenfalls auch negativ sein, wenn nämlich der Abgasstrom
Der Abgasstrom
Hierzu ist ein radial außenliegender Längsabschnitt
Die längeren Seitenkanten
Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass die Fläche des Mischrohrs
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass im Rahmen der Erfindung beliebige in den Figuren dargestellte Details der Vorrichtung untereinander und miteinander kombiniert werden können.Finally, it is pointed out that in the context of the invention, any details of the device shown in the figures can be combined with each other and with each other.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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