DE102010029989A1 - Exhaust gas after-treatment system for use in internal combustion engine, has heat exchanger exchanging heat between feed line and discharging unit, and exhaust treatment element provided with feed line - Google Patents

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Abstract

The system has an exhaust treatment element (40) provided with a feed line (71). A discharging unit (72) discharges gas e.g. nitrogen oxide gas, from the exhaust after-treatment element, which is arranged on a turbine (22) of a turbocharger. A heat exchanger (60) exchanges heat between the feed line and the discharging unit. The exhaust treatment element and the heat exchanger are integrated into a housing. The exhaust treatment element is selected from one of a reduction catalyst, a particulate filter, and an oxidation catalyst converter. An independent claim is also included for a device comprising a combustion engine.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mittels Abgasturboladern aufgeladenen Brennkraftmaschinen.The invention relates to the field of supercharged by exhaust gas turbochargers internal combustion engines.

Sie betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem oder mehreren Abgasnachbehandlungselementen, sowie eine Vorrichtung mit einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine und einem im Abgasstrang zwischen der Brennkraftmaschine und der Turbine des Abgasturboladers angeordneten, derartigen Abgasnachbehandlungssystem.It relates to an exhaust aftertreatment system with one or more exhaust aftertreatment elements, as well as a device having an internal combustion engine supercharged by an exhaust gas turbocharger and an exhaust gas aftertreatment system arranged in the exhaust gas line between the internal combustion engine and the turbine of the exhaust gas turbocharger.

Stand der TechnikState of the art

In den vergangenen Jahren haben sich weltweit die gesetzlichen Vorgaben in Bezug auf Abgasemissionen von Grossdieselmotoren deutlich verschärft. Auf dem Gebiet der Schiffsdieselmotoren konzentrieren sich die Vorgaben vor allem auf die Beschränkung von Stickoxiden (NOx) und Schwefeloxiden (SOx).In recent years, the legal requirements regarding exhaust emissions from large diesel engines have sharply worsened worldwide. In the field of marine diesel engines, the requirements are mainly focused on the limitation of nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx).

Seit der Einführung von „IMO Tier I”, der ersten Stufe der so genannten „IMO MARPOL 73/78 Annex VI” Emissionsbestimmungen für Schiffsdieselmotoren aus dem Jahr 2000, nimmt der Anteil an NOx-optimierten Motoren laufend zu. Die nächste Stufe „Tier II” der genannten IMO-Vorgabe wird im Jahr 2011 in Kraft treten und fordert eine weitere 20-prozentige Senkung der NOx-Emissionen im Vergleich zu „IMO Tier I”. Die dritte Stufe der IMO-Emissionsvorschriften „IMO Tier III” ist für das Jahr 2016 geplant und sieht eine weitere Senkung der NOx-Emissionen in gewissen geografischen Lagen (Emission Controlled Areas) auf das Niveau von 80 Prozent unter „Tier I” vor. Diese Vorgaben sind aus heutiger Sicht derart streng, dass ausgehend von den heute eingesetzten Motorsystemen gänzlich neue Massnahmen und technische Lösungen erforderlich sein werden. Im Hinblick auf die strengen Emissionsvorschriften wird somit die Reduktion der Abgasemissionen in absehbarer Zukunft das vorherrschende Thema in Forschung und Entwicklung im Bereich Grossdieselmotoren sein. Dabei dürften Abgasnachbehandlungselemente, welche im Abgasstrang nach dem Austritt aus den Zylindern des Motores und dem Abgasbehälter (exhaust receiver) angeordnet sind, eine entscheidende Rolle spielen.Since the introduction of "IMO Tier I", the first stage of the so-called "IMO MARPOL 73/78 Annex VI" emission regulations for marine diesel engines from the year 2000, the proportion of NOx-optimized engines is constantly increasing. The next tier "Tier II" of the aforementioned IMO target will enter into force in 2011 and calls for a further 20% reduction in NOx emissions compared to "IMO Tier I". The third stage of the IMO Tier III IMO emissions regulation is scheduled for 2016 and provides for a further reduction of NOx emissions in certain Emission Control Areas to the level of 80% under Tier I. From today's point of view, these requirements are so strict that completely new measures and technical solutions will be required based on the engine systems used today. In view of the stringent emission regulations, reducing exhaust emissions in the foreseeable future will thus be the predominant topic in research and development in the field of large diesel engines. In this case, exhaust aftertreatment elements, which are arranged in the exhaust system after exiting the cylinders of the engine and the exhaust gas tank (exhaust receiver), play a crucial role.

Bereits heute werden immer häufiger SCR-Katalysatoren (Selective Catalytic Reaction) als Abgasnachbehandlungselemente eingesetzt um die Stickoxid-Emissionen auf ein tieferes Niveau zu bringen. Die im SCR-Katalysator erzeugte chemische Reaktion ist selektiv, das heisst, es werden bevorzugt die Stickoxide reduziert, während unerwünschte Nebenreaktionen weitgehend unterdrückt werden, beispielsweise die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltioxid.Already today, SCR catalysts (Selective Catalytic Reaction) are increasingly being used as exhaust aftertreatment elements in order to reduce nitrogen oxide emissions to a lower level. The chemical reaction generated in the SCR catalyst is selective, that is, it is preferred that the nitrogen oxides are reduced, while undesirable side reactions are largely suppressed, for example, the oxidation of sulfur dioxide to sulfur dioxide.

SCR-Katalysatoren weisen eine beträchtliche Wärmekapazität auf. In der Praxis hat sich dabei gezeigt, dass dies zu instabilen Motorenbetrieb führen kann, wenn der SCR-Katalysator im Abgasstrang vor der Turbine eines für die Aufladung des Motors eingesetzten Abgasturboladers angeordnet ist, insbesondere bei stationärem Betrieb sowie bei Lastabwurf (siehe Kurve (2) im Diagramm in 2).SCR catalysts have a considerable heat capacity. In practice, it has been found that this can lead to unstable engine operation when the SCR catalyst is arranged in the exhaust line in front of the turbine of an exhaust gas turbocharger used for the charging of the engine, especially in stationary operation and load shedding (see curve (2) in the diagram in 2 ).

Bei der Lastaufnahme von Motoren mit SCR-Katalysatoren kann es zudem vorkommen, dass der Motor an bzw. über der thermischen Belastungsgrenze betrieben wird. Diese Phänomene treten verhäuft im 2-Takt Bereich auf und werden bis anhin mit aktiven Regelmechanismen entschärft, welche aber durchwegs kompliziert, kostspielig und Fehleranfällig sind.When taking loads on engines with SCR catalysts, it may also happen that the engine is operated at or above the thermal load limit. These phenomena occur more frequently in the two-stroke range and are mitigated until now with active control mechanisms, which are however throughout complicated, costly and error-prone.

In beiden Fällen ist die Wärmeträgheit des Katalysators die Ursache des Problems. Die benötigte Energie an der Turbine kommt im Fall ohne Katalysator direkt aus dem Zylinder in Form von Wärme des Abgases. Im Betrieb mit Katalysatoren vor Turbine wird der Energiegehalt des Abgases durch die Wärmeträgheit des Katalysators verzögert an die Turbine abgegeben.In both cases, the thermal inertia of the catalyst is the cause of the problem. The energy required at the turbine comes in the case without catalyst directly from the cylinder in the form of heat of the exhaust gas. In operation with catalysts before turbine, the energy content of the exhaust gas is given by the thermal inertia of the catalyst delayed to the turbine.

Bei einer Lastaufnahme müssen der Druck im Receiver und der Luftmassenstrom zunehmen, um dies zu ermöglichen benötigt die Turbine mehr Energie, welche vom Motor in Form von höherer Abgastemperatur abgegeben wird. Der Katalysator ist jedoch durch den Betrieb des ursprünglichen Lastpunktes kälter als das aus dem Zylinder strömende Abgas. Der Katalysator entzieht dadurch dem Abgas Wärmeenergie, die dann der Turbine verzögert zur Verfügung steht. Wegen des daraus resultierenden Luftmangels erhöht sich die Temperatur in und nach dem Zylinder weiter, was zu thermischen Überbelastungen des Motors führen kann.With a load bearing, the pressure in the receiver and the mass air flow must increase, to enable this, the turbine needs more energy, which is emitted by the engine in the form of higher exhaust gas temperature. However, the catalyst is colder than the exhaust gas flowing out of the cylinder due to the operation of the original load point. The catalyst thus removes heat energy from the exhaust gas, which is then available to the turbine with a delay. Because of the resulting lack of air, the temperature in and after the cylinder continues to increase, which can lead to thermal overloading of the engine.

Temperaturschwingungen entstehen, wenn sich die Temperatur vor dem Katalysator weiterhin erwärmt bis der Energiebedarf der Turbine überschritten wird. Im Gegenzug nimmt die Abgastemperatur nach dem Zylinder wieder ab bis der geforderte Energiebedarf unterschritten wird. Bei gewissen Betriebspunkten und Lastsprüngen dämpft das System diese Temperaturschwingungen ab, bei anderen muss dies durch eine aktive Regelung geschehen.Temperature oscillations occur when the temperature in front of the catalytic converter continues to heat up until the energy requirement of the turbine is exceeded. In return, the exhaust gas temperature after the cylinder decreases again until the required energy demand is reached. At certain operating points and load jumps, the system dampens these temperature oscillations, in others this must be done by an active control.

Ähnliche Probleme, wie die anhand des SCR-Katalysators beschriebenen, können auch beim Verwenden von anderen Abgasnachbehandlungselementen, wie etwa Partikelfiltern oder Oxidations-Katalysatoren, auftreten, insbesondere wenn diese im Abgasstrang vor der Turbine angeordnet sind.Problems similar to those described with reference to the SCR catalyst may also be encountered when using other exhaust aftertreatment elements, such as particulate filters or oxidation Catalysts occur, especially if they are located in the exhaust line in front of the turbine.

Kurze Darstellung der ErfindungBrief description of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungselement im Abgasstrang vor der Turbine des Abgasturboladers, eine allfällige Verzögerung bei der Abgabe der Abgasenergie an die Turbine zu reduzieren.The object of the invention is therefore to reduce in a supercharged internal combustion engine with an exhaust aftertreatment element in the exhaust line in front of the turbine of the exhaust gas turbocharger, a possible delay in the delivery of the exhaust gas energy to the turbine.

Erfindungsgemäss wird dies erreicht, indem zwischen dem Abschnitt des Abgasstrangs zwischen den Zylindern der Brennkraftmaschine und dem Abgasnachbehandlungselement und dem Abschnitt des Abgasstrangs zwischen dem Abgasnachbehandlungselement und der Turbine ein Wärmetauscher für einen Wärmetausch zwischen diesen beiden Abgassträngen sorgt.According to the invention, this is achieved by providing a heat exchanger for heat exchange between these two exhaust gas lines between the section of the exhaust line between the cylinders of the internal combustion engine and the exhaust aftertreatment element and the portion of the exhaust line between the exhaust aftertreatment element and the turbine.

Da bei Temperaturschwingungen die Temperaturen in dem jeweiligen Abgasstrang vor und nach dem Abgasnachbehandlungselement unterschiedlich sein können und bis zu einer halben Wellenlänge phasenversetzt sind, ist ein Wärmetauscher ein geeignetes Mittel diese thermische Schwingung zu Dämpfen.Since, in the case of temperature oscillations, the temperatures in the respective exhaust gas line before and after the exhaust gas aftertreatment element can be different and are out of phase up to half a wavelength, a heat exchanger is a suitable means for damping this thermal oscillation.

Eine thermische Überbelastung der Brennkraftmaschine kann abgewendet werden, da der hohe Energieanteil vor dem Abgasnachbehandlungselement via Wärmetauscher der Turbine übergeben wird und somit eine zulässige und sichere Laständerung gewährleistet.A thermal overload of the internal combustion engine can be averted, since the high proportion of energy is passed before the exhaust aftertreatment element via heat exchanger of the turbine and thus ensures a permissible and safe load change.

Der Wärmetauscher an sich ist in der Regel ein passives Element und benötigt daher keine Regelung. Optional lässt sich der Wärmetauscher mit einer externen Energiequelle verbinden und weist eine aktive Regelung auf, damit die Energiezufuhr in die jeweils zu heizende Abgasleitung bei Bedarf zusätzlich gesteigert werden kann.The heat exchanger itself is usually a passive element and therefore requires no control. Optionally, the heat exchanger can be connected to an external energy source and has an active control, so that the energy input into the respective exhaust pipe to be heated can be further increased if necessary.

Gewisse Abgasnachbehandlungselemente werden bei tiefer Last nicht durchströmt, wofür ein Bypass-Ventil vorgesehen ist, mit welchem die Abgasströmung direkt auf die Turbine des Abgasturboladers geleitet werden kann. Bei dem erfindungsgemässen Einbau eines Wärmetauschers kann das gleiche Bypass-Ventil eingesetzt werden, um das System Wärmetauscher und Abgasnachbehandlungselement zu umspülen.Certain exhaust aftertreatment elements are not flowed through at low load, for which a bypass valve is provided, with which the exhaust gas flow can be passed directly to the turbine of the exhaust gas turbocharger. In the inventive installation of a heat exchanger, the same bypass valve can be used to flow around the system heat exchanger and exhaust aftertreatment element.

Optional sind Wärmetauscher und Abgasnachbehandlungselement in einem Element vereint, wodurch der Druckverlust im Abgasstrang aber auch der Platzbedarf der Zusatzelemente zwischen Motor und Abgasturbolader reduziert werden kann.Optionally, the heat exchanger and exhaust aftertreatment element are combined in one element, whereby the pressure loss in the exhaust system but also the space required by the additional elements between engine and exhaust gas turbocharger can be reduced.

Der erfindungsgemässe Ausbau des Abgasstrangs mittels Wärmetauscher kann bei unterschiedlichen Abgasnachbehandlungselementen, wie etwa einem SCR-Katalysator, einem Partikelfilter oder einem Oxidations-Katalysator, erfolgen.The inventive expansion of the exhaust system by means of heat exchangers can be carried out with different exhaust aftertreatment elements, such as an SCR catalyst, a particulate filter or an oxidation catalyst.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantages emerge from the dependent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Folgend ist anhand der Zeichnungen die Vorrichtung mit einer erfindungsgemäss mit einem Wärmetauscher im Abgasstrang vor der Turbine des Abgasturboladers ausgestatteten Brennkraftmaschine beschrieben. Hierbei zeigtThe device with an according to the invention with a heat exchanger in the exhaust line in front of the turbine of the exhaust gas turbocharger equipped internal combustion engine is described with reference to the drawings. This shows

1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Anordnung des Wärmetauschers im Bereich des Abgasnachbehandlungselements im Abgasstrang vor der Turbine des Abgasturboladers, 1 a schematic representation of the inventive arrangement of the heat exchanger in the region of the exhaust aftertreatment element in the exhaust line in front of the turbine of the exhaust gas turbocharger,

2 ein Diagramm einer Simulation des Temperaturverlaufs im Abgasstrang unmittelbar nach den Brennkammern der Brennkraftmaschine nach einem Lastabwurf, wobei die drei Kurven die Temperaturverläufe bei einer Brennkraftmaschine ohne Abgasnachbehandlungselement (SCR-Katalysator), bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungselement sowie bei einer erfindungsgemäss mit einem Wärmetauscher ausgestatteten Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungselement zeigen, und 2 a diagram of a simulation of the temperature profile in the exhaust system immediately after the combustion chambers of the internal combustion engine after a load shedding, the three curves the temperature curves in an internal combustion engine without exhaust aftertreatment element (SCR catalyst), in an internal combustion engine with exhaust aftertreatment element and in an inventive equipped with a heat exchanger internal combustion engine with Exhaust aftertreatment element show, and

3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Anordnung des Wärmetauschers im Bereich des Abgasnachbehandlungselements im Abgasstrang vor den Turbinen zweier Abgasturbolader eines zweistufigen Aufladesystems. 3 a schematic representation of the inventive arrangement of the heat exchanger in the region of the exhaust aftertreatment element in the exhaust line in front of the turbines of two exhaust gas turbochargers of a two-stage supercharging system.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to carry out the invention

Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Schiffsdieselmotor, umfasst mehrere Zylinder 13 (Brennkammern), in denen ein Gemisch aus Brennstoff und Luft durch Verbrennung in mechanische Energie umgewandelt wird. Die für die Verbrennung benötigte Luft wird über den Verdichter 21 eines Abgasturboladers 20 in einen der Zylinder vorgeschalteten Luftbehälter (air receiver) 11 geführt. Zwischen dem Verdichter 21 und dem Luftbehälter 11 wird der Luft in der Regel noch ein Teil der Wärme entzogen, welche im Prozess des Verdichtens im Verdichter 21 des Abgasturboladers 20 entstanden ist. Hierfür ist im Ansaugstrang ein Ladeluftkühler 30 angeordnet. Nach dem Verbrennungsvorgang wird das pulsierend aus den Zylindern 13 ausgestossene Abgas in einem Abgasbehälter 12 (exhaust receiver) gesammelt, bevor es über den Abgasstrang der Turbine 22 des Abgasturboladers 20 und anschliessend der Auspuffanlage zugeführt wird. Die Turbine 22 des Abgasturboladers 20 treibt den über eine Abgasturboladerwelle mit der Turbine verbundenen Verdichter 21 des Abgasturboladers an.In the 1 illustrated internal combustion engine, for example, a marine diesel engine, comprises a plurality of cylinders 13 (Combustion chambers) in which a mixture of fuel and air is converted by combustion into mechanical energy. The air needed for combustion is passed through the compressor 21 an exhaust gas turbocharger 20 into an air receiver upstream of the cylinder 11 guided. Between the compressor 21 and the air tank 11 In general, some of the heat is removed from the air, which is in the process of compressing the compressor 21 the exhaust gas turbocharger 20 originated. This is in the intake manifold a charge air cooler 30 arranged. After the combustion process that is pulsating from the cylinders 13 expelled exhaust gas in an exhaust gas tank 12 (exhaust receiver) collected before passing over the exhaust line of the turbine 22 the exhaust gas turbocharger 20 and then the exhaust system is supplied. The turbine 22 the exhaust gas turbocharger 20 drives the compressor connected to the turbine via an exhaust gas turbocharger shaft 21 of the exhaust gas turbocharger.

Weiter ist in der schematischen Darstellung im Abgasstrang zwischen den Brennkammern der Brennkraftmaschine und der Turbine des Abgasturboladers ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Abgasnachbehandlungselement 40, beispielsweise SCR-Katalysator, Oxidations-Katalysator, oder Partikelfilter, vorgesehen. Obwohl nachfolgend jeweils nur von einem Abgasnachbehandlungselement die Rede ist, können im Abgasstrang selbstverständlich mehrere Abgasnachbehandlungselemente angeordnet sein. In diesem Fall kann die Formulierung ,ein Abgasnachbehandlungselement' auch mehrere Abgasnachbehandlungselemente umfassen. Eine Zuleitung 71 führt das Abgas aus den Brennkammern der Brennkraftmaschine zum Abgasnachbehandlungselement 40. Eine Ableitung 72 führt das Abgas anschliessend vom Abgasnachbehandlungselement 40 zur Turbine des Abgasturboladers.Further, in the schematic representation in the exhaust line between the combustion chambers of the internal combustion engine and the turbine of the exhaust gas turbocharger an exhaust aftertreatment system with an exhaust aftertreatment element 40 For example, SCR catalyst, oxidation catalyst, or particulate filter provided. Although in the following only one exhaust gas aftertreatment element is mentioned, several exhaust gas aftertreatment elements can of course be arranged in the exhaust gas system. In this case, the formulation 'an exhaust aftertreatment element' may also include a plurality of exhaust aftertreatment elements. A supply line 71 the exhaust gas from the combustion chambers of the internal combustion engine leads to the exhaust gas aftertreatment element 40 , A derivative 72 then leads the exhaust gas from the exhaust aftertreatment element 40 to the turbine of the exhaust gas turbocharger.

Zusätzlich zum Abgasnachbehandlungselement 40 umfasst das erfindungsgemässe Abgasnachbehandlungssystem ein Wärmetauscher 60. Der Wärmetauscher koppelt wärmetechnisch die Zuleitung 71 zum Abgasnachbehandlungselement 40 und die Ableitung 72 vom Abgasnachbehandlungselement 40, derart, dass zwischen den beiden Abgasleitungen ein Wärmetausch stattfindet. Liegt in der Zuleitung 71 Abgas mit einer höheren Temperatur an als in der Ableitung 72, dann heizt der Wärmetauscher das Abgas in der Ableitung 72 auf, wobei der Wärmetauscher als passives Element die dafür notwendige Energie aus dem heissen Abgas in der Zuleitung 71 bezieht. Auf diesem Weg kann erfindungsgemäss eine thermische Überbelastung der Brennkraftmaschine abgewendet werden, da der hohe Energieanteil im heissen Abgas der Zuleitung 71 vor dem Abgasnachbehandlungselement 40 via Wärmetauscher 60 der zur Turbine führenden Ableitung übergeben wird. Dadurch wird die nachteilige Wirkung der Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements auf das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine verringert und somit eine zulässige und sichere Laständerung gewährleistet.In addition to the exhaust aftertreatment element 40 the exhaust aftertreatment system according to the invention comprises a heat exchanger 60 , The heat exchanger couples the supply line thermally 71 to the exhaust aftertreatment element 40 and the derivative 72 from the exhaust aftertreatment element 40 in such a way that a heat exchange takes place between the two exhaust pipes. Lies in the supply line 71 Exhaust gas at a higher temperature than in the discharge 72 , then the heat exchanger heats the exhaust gas in the drain 72 on, wherein the heat exchanger as a passive element, the necessary energy from the hot exhaust gas in the supply line 71 refers. In this way, according to the invention, a thermal overloading of the internal combustion engine can be averted, since the high proportion of energy in the hot exhaust gas of the supply line 71 before the exhaust aftertreatment element 40 via heat exchanger 60 the derivative leading to the turbine is transferred. Thereby, the adverse effect of the heat capacity of the exhaust aftertreatment element is reduced to the dynamic behavior of the internal combustion engine, thus ensuring a permissible and safe load change.

Entsprechend fliesst Energie in die umgekehrte Richtung, falls in der Ableitung 72 eine höhere Temperatur herrscht als in der Zuleitung 71.Accordingly, energy flows in the opposite direction, if in the derivative 72 a higher temperature prevails than in the supply line 71 ,

Bei Temperaturschwingungen können die Temperaturen in der jeweiligen Leitung vor und nach dem Abgasnachbehandlungselement unterschiedlich und bis zu einer halben Wellenlänge phasenversetzt sein. In diesem Fall ist ein Wärmetauscher ein geeignetes Mittel diese thermische Schwingung zu Dämpfen.In the case of temperature oscillations, the temperatures in the respective line before and after the exhaust gas aftertreatment element may be different in phase and up to half a wavelength in phase. In this case, a heat exchanger is a suitable means to damp this thermal vibration.

Zwischen der Zuleitung 71 und der Ableitung 72 ist optional eine Bypass-Leitung 73 angeordnet, in welcher ein Bypass-Ventil 50 angeordnet ist. Etwa bei tiefer Last, kann mittels Bypass-Ventil 50 das Abgas direkt von der Brennkraftmaschine auf die Turbine des Abgasturboladers geleitet werden.Between the supply line 71 and the derivative 72 is optional a bypass line 73 arranged, in which a bypass valve 50 is arranged. For example, at low load, can by means of bypass valve 50 the exhaust gas are passed directly from the engine to the turbine of the exhaust gas turbocharger.

Optional können der Wärmetauscher und das Abgasnachbehandlungselement als ein Bauelement ausgebildet sein. Dies erleichtert die Montage und ermöglicht eine Platzeinsparung im Bereich des Abgasstrangs der Brennkraftmaschine. Optional können auch die Blowby-Leitung und das Blowby-Ventil als Teil dieses einen Bauelements integriert werden. Damit ist dann das gesamte Abgasnachbehandlungssystem als ein Bauelement ausgebildet, welches direkt in den Abgasstrang zwischen Brennkraftmaschine und Turbine des Abgasturboladers geschaltet werden kann. Alternativ können auch lediglich Blowby-Ventil und Wärmetauscher als ein integriertes Bauelement realisiert werden, welches parallel zum Abgasnachbehandlungselement in den Abgasstrang geschaltet werden kann.Optionally, the heat exchanger and the exhaust aftertreatment element may be formed as a component. This facilitates the assembly and allows a space saving in the region of the exhaust line of the internal combustion engine. Optionally, the blow-by line and the blow-by valve can also be integrated as part of this one component. Thus, then the entire exhaust aftertreatment system is designed as a component which can be switched directly into the exhaust system between the engine and turbine of the exhaust gas turbocharger. Alternatively, only blow-by valve and heat exchanger can be realized as an integrated component, which can be connected in parallel to the exhaust aftertreatment element in the exhaust system.

Bei einer zwei- oder mehrstufigen Aufladung einer Brennkraftmaschine kann das erfindungsgemässe Abgasnachbehandlungssystem vor einer der mehreren Turbinen angeordnet sein, nicht zwingend vor der ersten, direkt der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Hochdruckturbine. Optional können bei einer zwei- oder mehrstufigen Aufladung auch zwei oder mehrere der erfindungsgemässen Abgasnachbehandlungssystemen vorgesehen sein.In the case of a two-stage or multi-stage supercharging of an internal combustion engine, the exhaust-gas aftertreatment system according to the invention can be arranged in front of one of the several turbines, not necessarily before the first high-pressure turbine connected directly to the internal combustion engine. Optionally, two or more of the exhaust aftertreatment systems according to the invention may also be provided in the case of a two-stage or multi-stage supercharging.

Dabei kann vor jeder Turbine, also bei einer zweistufigen Aufladung, wie in 3 dargestellt, vor der direkt der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Hochdruckturbine 22H wie auch der anschliessenden Niederdruckturbine 22L, ein erfindungsgemäss mit einem Wärmetauscher 60 ausgestattetes Abgasnachbehandlungssystem angeordnet sein. Bei mehrteiligen Aufladestufen können auch nur vor einem Teil der Turbinen erfindungsgemässe Abgasnachbehandlungssysteme angeordnet sein.It can be before each turbine, so in a two-stage charging, as in 3 shown, before the directly downstream of the engine high-pressure turbine 22H as well as the subsequent low-pressure turbine 22L , according to the invention with a heat exchanger 60 equipped exhaust aftertreatment system may be arranged. In the case of multi-part charging stages, it is also possible to arrange exhaust-gas aftertreatment systems according to the invention only in front of part of the turbines.

Anhand des in 2 dargestellten Diagramms wird die Auswirkung des erfindungsgemäss im Abgasnachbehandlungssystem angeordneten Wärmetauschers auf die Temperatur am Austritt einer Brennkraftmaschine aufgezeigt.Based on the in 2 the diagram shown, the effect of the inventively arranged in the exhaust aftertreatment system heat exchanger is shown to the temperature at the outlet of an internal combustion engine.

Das Diagramm zeigt eine Simulation des Temperaturverlaufs über der Zeit unmittelbar nach einem Lastabwurf. Die durchgezogene Kurve (1) zeigt als Referenzkurve den Verlauf der Temperatur bei einer Brennkraftmaschine ohne Abgasnachbehandlungselement, in diesem, konkreten Fall der Simulation, ohne einen SCR-Katalysator. Nach dem Lastabwurf sackt die Temperatur kurz ab, fängt sich jedoch gleich wieder und bleibt anschliessend auf einem gegenüber der Ausgangstemperatur vor dem Lastabwurf geringfügig tieferen Niveau konstant.The diagram shows a simulation of the temperature curve over time immediately after a load shedding. The solid curve (1) shows as a reference curve the course of the temperature in an internal combustion engine without exhaust aftertreatment element, in this particular case of simulation, without an SCR catalyst. After the load shedding, the temperature drops briefly, but immediately catches again and then remains constant at a level which is slightly lower than the starting temperature before load shedding.

Die zweite Kurve (2), einfach gestrichelt dargestellt, zeigt den Temperatur-Verlauf bei einer Brennkraftmaschine mit einem SCR-Katalysator als Abgasnachbehandlungselement, wobei der SCR-Katalysator ungeregelt ist. Nach dem Lastabwurf und einem ersten Absacken der Temperatur, stellt sich eine sehr starke, beinahe unkontrollierte Schwankung der Temperatur ein, was für den Betrieb eines Motors unzulässig ist.The second curve (2), shown in dashed lines, shows the temperature profile in an internal combustion engine with an SCR catalytic converter as the exhaust gas aftertreatment element, wherein the SCR catalytic converter is unregulated. After the load has been released and the temperature has dropped for the first time, a very strong, almost uncontrolled fluctuation of the temperature sets in, which is inadmissible for the operation of a motor.

Die dritte Kurve (3), gestrichelt mit Punkten dargestellt, zeigt den Temperaturverlauf des erfindungsgemäss mit einem Wärmetauscher ausgestatteten Abgasnachbehandlungssystems. Zwar setzt nach dem Absacken der Temperatur unmittelbar nach Lastabwurf ebenfalls eine leichte Schwingung ein, diese nimmt jedoch einen deutlich kontrollierten Verlauf. Die sich einstellende, konstante Temperatur nach dem Lastabwurf ist geringfügig höher als die Endtemperatur des Referenzsystems.The third curve (3), shown by dashed lines with dots, shows the temperature profile of the exhaust gas aftertreatment system according to the invention, equipped with a heat exchanger. Although, after the temperature drops immediately after load shedding, a slight oscillation also sets in, but this assumes a clearly controlled course. The self-adjusting, constant temperature after load shedding is slightly higher than the final temperature of the reference system.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Brennkraftmaschine, VerbrennungsmotorInternal combustion engine, internal combustion engine
1111
Ladeluftbehälter (air receiver)Charge air receiver (air receiver)
1212
Abgasbehälter (exhaust receiver)Exhaust receiver
1313
Brennkammern, ZylinderCombustion chambers, cylinders
2020
Abgasturboladerturbocharger
20H/L 20 H / L
Hoch-/NiederdruckabgasturboladerHigh / low pressure exhaust gas turbocharger
2121
Verdichtercompressor
2222
Turbineturbine
22H/L 22 H / L
Hoch-/NiederdruckturbineHigh / low pressure turbine
3030
LadeluftkühlerIntercooler
4040
Abgasnachbehandlungselementexhaust aftertreatment element
5050
Bypass-VentilBypass valve
6060
Wärmetauscherheat exchangers
7171
Zuleitungsupply
7272
Ableitungderivation
7373
Bypass-LeitungBypass line

Claims (8)

Abgasnachbehandlungssystem, umfassend mindestens ein Abgasnachbehandlungselement (40), eine Zuleitung (71) zum Zuführen von Abgas einer Brennkraftmaschine auf das Abgasnachbehandlungselement (40), sowie eine Ableitung (72) zum Abführen von Abgas aus dem Abgasnachbehandlungselement (40) auf die Turbine eines Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (60) zum Wärmeaustausch zwischen der Zuleitung und der Ableitung vorgesehen ist.Exhaust after-treatment system comprising at least one exhaust aftertreatment element ( 40 ), a supply line ( 71 ) for supplying exhaust gas of an internal combustion engine to the exhaust gas aftertreatment element ( 40 ), as well as a derivation ( 72 ) for removing exhaust gas from the exhaust aftertreatment element ( 40 ) on the turbine of an exhaust gas turbocharger, characterized in that a heat exchanger ( 60 ) is provided for heat exchange between the supply line and the discharge. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Abgasnachbehandlungselement (40) und der Wärmetauscher (60) in einem Gehäuse integriert und als ein Bauteil ausgebildet sind.Exhaust after-treatment system according to claim 1, wherein the exhaust aftertreatment element ( 40 ) and the heat exchanger ( 60 ) are integrated in a housing and formed as a component. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei. zwischen der Zuleitung (71) und der Ableitung (72) eine Bypass-Leitung (73) angeordnet ist, welche an dem Abgasnachbehandlungselement (40) und dem Wärmetauscher (60) vorbei führt, und in welcher ein Bypass-Ventil (50) angeordnet ist, mittels welchem die Bypass-Leitung (73) geöffnet oder geschlossen werden kann.Exhaust after-treatment system according to one of claims 1 or 2, wherein. between the supply line ( 71 ) and the derivative ( 72 ) a bypass line ( 73 ) arranged on the exhaust gas aftertreatment element ( 40 ) and the heat exchanger ( 60 ) and in which a bypass valve ( 50 ) is arranged, by means of which the bypass line ( 73 ) can be opened or closed. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 3, wobei der Wärmetauscher (60) und das Bypass-Ventil (50) oder der Wärmetauscher (60), das Bypass-Ventil (50) und das Abgasnachbehandlungselement (40) in einem Gehäuse integriert und als ein Bauteil ausgebildet sindAn exhaust after-treatment system according to claim 3, wherein the heat exchanger ( 60 ) and the bypass valve ( 50 ) or the heat exchanger ( 60 ), the bypass valve ( 50 ) and the exhaust aftertreatment element ( 40 ) are integrated in a housing and formed as a component Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Abgasnachbehandlungselement (40) ein SCR-Katalysator, ein Oxidations-Katalysator, oder/oder ein Partikelfilter ist.Exhaust after-treatment system according to one of claims 1 to 4, wherein the exhaust aftertreatment element ( 40 ) is an SCR catalyst, an oxidation catalyst, or a particulate filter. Vorrichtung, umfassend eine Brennkraftmaschine (10), einen Abgasturbolader (20) zum Aufladen der Brennkraftmaschine (10), sowie ein im Abgasstrang zwischen der Brennkraftmaschine (10) und der Turbine (22) des Abgasturboladers (20) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wärmetausch zwischen der Zuleitung (71) zwischen der Brennkraftmaschine (10) und dem Abgasnachbehandlungselement (40) und der Ableitung (71) zwischen dem Abgasnachbehandlungselement (40) und der Turbine (22) des Abgasturboladers (20) erfolgt.Device comprising an internal combustion engine ( 10 ), an exhaust gas turbocharger ( 20 ) for charging the internal combustion engine ( 10 ), as well as in the exhaust line between the internal combustion engine ( 10 ) and the turbine ( 22 ) of the exhaust gas turbocharger ( 20 ) arranged exhaust gas aftertreatment system according to one of claims 1 to 5, wherein the heat exchange between the supply line ( 71 ) between the internal combustion engine ( 10 ) and the exhaust aftertreatment element ( 40 ) and the derivative ( 71 ) between the exhaust aftertreatment element ( 40 ) and the turbine ( 22 ) of the exhaust gas turbocharger ( 20 ) he follows. Vorrichtung, umfassend eine Brennkraftmaschine (10), zwei oder mehrere Abgasturbolader (20) einer zwei- oder mehrstufigen Aufladevorrichtung zum Aufladen der Brennkraftmaschine (10), sowie ein im Abgasstrang zwischen der Brennkraftmaschine (10) und der Turbine (22H) eines direkt der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgasturboladers (20H) oder im Abgasstrang zwischen der Turbine (22H) eines ersten Abgasturboladers (20H) und der Turbine (22L) eines zweiten Abgasturboladers (20L) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Device comprising an internal combustion engine ( 10 ), two or more turbochargers ( 20 ) a two-stage or multi-stage charging device for charging the internal combustion engine ( 10 ), as well as in the exhaust line between the internal combustion engine ( 10 ) and the turbine ( 22H ) of a directly downstream of the engine exhaust gas turbocharger ( 20H ) or in the exhaust line between the turbine ( 22H ) of a first exhaust gas turbocharger ( 20H ) and the turbine ( 22L ) of a second exhaust gas turbocharger ( 20L ) arranged exhaust aftertreatment system according to one of claims 1 to 5. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei mindestens ein zweites Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 vorgesehen ist, so dass im Abgasstrang vor mindestens zwei Turbinen (22H, 22L) der zwei oder mehreren Abgasturbolader (20H, 20L) jeweils ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist.Apparatus according to claim 7, wherein at least a second exhaust gas aftertreatment system according to any one of claims 1 to 5 is provided, so that in the exhaust line in front of at least two turbines ( 22H . 22L ) of the two or more exhaust gas turbochargers ( 20H . 20L ) is arranged in each case an exhaust aftertreatment system.
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