DE102011105049A1 - Internal combustion engine has injector for introducing aid such as liquid or gaseous reducing agents and/or oxidation agents to upstream of high pressure turbine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to an internal combustion engine having the features of the preamble of
Moderne Brennkraftmaschinen sind üblicherweise mit einem oder mehreren Abgasturboladern zur Leistungssteigerung ausgestattet. Verschärfte Emissionsvorschriften in einigen Ländern machen Abgasnachbehandlungs-(AGN)Einrichtungen zur Einhaltung von Grenzwerten notwendig. Solche AGN-Einrichtungen sind üblicherweise einer, oder eine Kombination von Abgaskatalysatoren und/oder Filtern, die in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Im weiteren Verlauf dieser Beschreibung wird nur noch von Abgaskatalysatoren geschrieben, wobei auch Filter gemeint sein können. Für eine optimale Funktion und zu einer Regenerierung der Abgaskatalysatoren kann es notwendig sein, dass ein flüssiges oder gasförmiges Reduktions- oder Oxidationsmittel stromaufwärts der Abgaskatalysatoren in die Abgasleitung eingebracht wird. Im weiteren Verlauf dieser Beschreibung wird das Reduktions- oder Oxidationsmittel als Hilfsmittel bezeichnet. Die dafür in Frage kommenden Abgaskatalysatoren und Hilfsmittel sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ebenso ist aus
Aus
Bei beiden o. g. Schriften ergibt sich der Nachteil, dass das eingespritzte Hilfsmittel die stromabwärts angeordneten Abgaskatalysatoren im Querschnitt stark inhomogen beaufschlagt. Daraus ergibt sich, dass der zur Verfügung stehende Querschnitt der Abgaskatalysatoren nicht optimal für die gewünschten Reaktionen zum Einsatz kommt. Folglich muss zur Erzielung eines bestimmten chemischen Umsatzes der Abgaskatalysator überdimensioniert werden. Dies beansprucht unnötigen Bauraum und verursacht erhebliche Kosten.In both o. G. Fonts result in the disadvantage that the injected auxiliary applied to the downstream catalytic converters in cross-section strongly inhomogeneous. It follows that the available cross section of the catalytic converters is not optimally used for the desired reactions. Consequently, to achieve a certain chemical conversion of the catalytic converter must be oversized. This takes up unnecessary space and causes considerable costs.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Mischung und Verdampfung des Hilfsmittels vor dem Eintritt in den oder die Abgaskatalysatoren zu verbessern und eine gleichmäßige Verteilung über den gesamten Querschnitt der Abgasleitung und Abgaskatalysatoren zu gewährleisten.The object of the invention is to improve the mixing and evaporation of the auxiliary agent before it enters the catalytic converter (s) and to ensure a uniform distribution over the entire cross section of the exhaust gas line and catalytic converters.
Die Lösung erfolgt mit einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.The solution is carried out with an internal combustion engine with the features of
Gemäß der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Turbine vorgesehen, die in einer Abgasleitung angeordnet ist, an die stromabwärts ein Abgaskatalysator angeschlossen ist, zusätzlich mit einer stromaufwärts der ersten Turbine angeordneten ersten Einrichtung zum Einbringen eines Hilfsmittels. Dabei ist an der Brennkraftmaschine zwischen der ersten Turbine und dem Abgaskatalysator zumindest eine zweite Turbine angeordnet, wobei dann die erste Turbine eine Hochdruck-(HD)Turbine und die zweite Turbine eine Niederdruck-(ND)Turbine darstellt und stromaufwärts der HD-Turbine die erste Einrichtung zum Einbringen des Hilfsmittels angebracht ist. Beim Einbringen eines flüssigen Hilfsmittels in die Abgasleitung oder vor Turbine, finden im Wesentlichen die Prozesse Wandfilmbildung, Reflexion, mechanische Zerstäubung und Verdampfung statt. Die Wandfilmbildung wird verursacht durch das Anhaften des flüssigen Hilfsmittels an einer Gehäusewand der Abgasleitung oder Turbine. Besonders verstärkt wird die Wandfilmbildung im spiralförmigen Turbinengehäuse an der radial zur Spiralform nach außen gerichteten Wand des Strömungskanals, Zentrifugalkräfte auf das einströmende Abgas samt eingebrachtem Hilfsmittel, hervorgerufen durch das spiralförmige Turbinengehäuse, verursachen eine starke Wandfilmbildung entlang der Spiralform. Der Prozess der Reflexion entsteht durch das Abprallen von Tropfen des Hilfsmittels an einer Gehäusewand zurück in Richtung Abgasstrom. Die mechanische Zerstäubung ist das Zerteilen des flüssigen Hilfsmittels in feinste Tröpfchen beim Einbringen in den Abgasstrom. Die Verdampfung der reflektierten und mechanisch zerstäubten Tropfen findet im heißen Abgasstrom relativ schnell statt. Beim flüssigen Hilfsmittel, welches den Wandfilm bildet setzt eine sogenannte Wandfilmverdampfung ein, die aber im Vergleich zu der vorgenannten Verdampfung der Tropfen länger dauert. Die Folge ist bei niedriger Last der Brennkraftmaschine mit daraus resultierenden niedrigen Abgastemperaturen, dass der Weg bzw. die Zeit für die Verdampfung des Hilfsmittels bis zum Verlassen der HD-Turbine gerade ausreicht, aber eine Gleichverteilung über den Querschnitt der Abgasleitung nicht gegeben ist. Vorteilhafterweise ermöglicht die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in der HD-Turbine die o. g. Verdampfung des eingespritzten Hilfsmittels. Die ND-Turbine übernimmt die Funktion eines Gasmischers des vorher verdampften Hilfsmittels. Das Resultat ist auf einer kurzen Strecke eine optimale Gleichverteilung des Hilfsmittels über den gesamten Querschnitt der Abgasleitung. Daraus folgt eine gleichmäßige Anströmung des stromabwärts angeordneten Abgaskatalysators mit einem optimalen chemischen Umsatz bei kleinstmöglichem Bauraum und kürzester Mischstrecke für das Hilfsmittel. Ähnlich sind die Verhältnisse beim Eindüsen eines gasförmigen Hilfsmittels. Durch den gasförmigen Zustand muss zwar keine Verdampfung mehr stattfinden, die Gleichverteilung ist aber trotzdem nicht gegeben. Durch die Zentrifugalkräfte im spiralförmigen Turbinengehäuse ist auch hier die Konzentration des Gases an der nach außen gerichteten Wand des Strömungskanals wesentlich höher als im restlichen Querschnitt.According to the invention, an internal combustion engine having a first turbine is provided, which is arranged in an exhaust pipe to which a catalytic converter is connected downstream, in addition to a first means arranged upstream of the first turbine for introducing an auxiliary means. In this case, at least one second turbine is arranged on the internal combustion engine between the first turbine and the catalytic converter, in which case the first turbine is a high-pressure (HP) turbine and the second turbine is a low-pressure (LP) turbine and the first upstream of the HP turbine Device for introducing the aid is attached. When introducing a liquid auxiliary into the exhaust pipe or before turbine, essentially the processes of wall film formation, reflection, mechanical atomization and evaporation take place. The wall film formation is caused by the adhesion of the liquid auxiliary to a housing wall of the exhaust pipe or turbine. The wall film formation in the spiral turbine housing is particularly intensified on the wall of the flow channel which is directed radially outward in the spiral shape. Centrifugal forces on the incoming exhaust gas together with the auxiliary aid caused by the spiral turbine housing cause strong wall film formation along the spiral shape. The process of reflection is caused by the bouncing of drops of the aid on a housing wall back towards the exhaust stream. The mechanical atomization is the division of the liquid aid into the finest droplets when introduced into the exhaust gas flow. The evaporation of the reflected and mechanically atomized drops takes place relatively quickly in the hot exhaust gas stream. In the case of the liquid auxiliary which forms the wall film, a so-called wall-film evaporation sets in, which, however, lasts longer in comparison with the abovementioned evaporation of the drops. The result is at low load of the internal combustion engine with resulting low exhaust gas temperatures that the way or the time for the evaporation of the aid to leave the HP turbine just enough, but a uniform distribution over the cross section of the exhaust pipe is not given. Advantageously, the internal combustion engine according to the invention in the HP turbine enables the above-mentioned evaporation of the injected auxiliary. The ND turbine takes over the Function of a gas mixer of the previously evaporated auxiliary. The result is an optimal uniform distribution of the auxiliary over the entire cross section of the exhaust pipe over a short distance. This results in a uniform flow of the downstream arranged catalytic converter with an optimal chemical conversion in the smallest possible space and shortest mixing distance for the tool. The conditions when injecting a gaseous auxiliary are similar. Although the gaseous state does not require any evaporation, the uniform distribution is nevertheless not given. Due to the centrifugal forces in the spiral turbine housing, the concentration of the gas at the outwardly directed wall of the flow channel is also substantially higher than in the remaining cross section.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die ND-Turbine Teil eines Abgasturboladers.According to a preferred embodiment of the invention, the LP turbine is part of an exhaust gas turbocharger.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die ND-Turbine Teil einer Nutzturbine. Selbstverständlich werden die o. g. Vorteile nicht nur durch Turbinen von Abgasturboladern erzielt, auch sogenannte Nutzturbinen, beispielsweise zur Stromerzeugung, sind zur Lösung der Aufgabe geeignet.According to a further preferred embodiment of the invention, the LP turbine is part of a power turbine. Of course, the o. G. Benefits not only achieved by turbines of turbochargers, so-called utility turbines, for example, for power generation, are suitable for solving the problem.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der HD- und ND-Turbine eine zweite Einrichtung zum Einbringen des Hilfsmittels angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass abhängig vom Lastbereich und Betriebszustand der Brennkraftmaschine zusätzlich Hilfsmittel eingebracht werden kann, wenn Strömungs- und Temperaturverhältnisse eine ausreichende Vermischung in einer Turbine allein sicher stellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die einzubringende Menge des Hilfsmittels auf zwei Einrichtungen verteilt wird, was einen größeren Regelbereich und eine höhere Genauigkeit bei kleinen Dosiermengen ermöglicht.According to a further preferred embodiment of the invention, a second device for introducing the auxiliary means is arranged between the HP and LP turbine. The advantage here is that depending on the load range and operating condition of the internal combustion engine additional aids can be introduced if flow and temperature conditions ensure sufficient mixing in a turbine alone. A further advantage is that the amount of aid to be introduced is distributed over two devices, which allows a larger control range and a higher accuracy with small dosing quantities.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist stromabwärts zumindest einer der Einrichtungen zum Einbringen des Hilfsmittels und stromaufwärts zumindest einer Turbine eine zusätzliche Abgasnachbehandlungs-(AGN)Komponente mit oxidativer Wirkung angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass mit der zusätzlichen AGN-Komponente mit oxidativer Wirkung, beispielsweise eines Oxidationskatalysators, die Zersetzung und/oder Oxidation des Hilfsmittels, für den stromabwärts der ND-Turbine angeordneten Abgaskatalysator, noch zusätzlich direkt nach dem Einbringen unterstützt wird, und somit die Mischung in den Turbinen noch schneller vonstatten geht. Bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Hilfsmittel unterstützt die sich durch die Oxidation erhöhende Abgasenthalpie die Abgasturbolader beim Hochlaufen der Drehzahl. Damit ist in Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine ein kurzeitiges Verstärken der Leistung der Brennkraftmaschine möglich.According to a further preferred embodiment of the invention, downstream of at least one of the devices for introducing the auxiliary and upstream of at least one turbine, an additional exhaust gas aftertreatment (AGN) component with oxidative action is arranged. The advantage here is that with the additional AGN component with oxidative effect, for example an oxidation catalyst, the decomposition and / or oxidation of the auxiliary, for the downstream of the ND turbine arranged exhaust gas catalyst is additionally supported directly after the introduction, and thus the mixture in the turbines is even faster. When hydrocarbons are used as an auxiliary agent, the exhaust gas enthalpy, which increases by the oxidation, supports the exhaust gas turbochargers when the engine starts up. Thus, in acceleration phases of the internal combustion engine, a short-term boosting of the power of the internal combustion engine is possible.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist stromabwärts der HD-Turbine, aber vor dem Abgaskatalysator, eine dritte Einrichtung zum Einbringen von Luft oder destilliertem Wasser angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass damit zusätzlich Luft zur Oxidation des Hilfsmittels eingebracht werden kann. Die damit verbundene Erhöhung der Abgasenthalpie unterstützt die Abgasturbolader in Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine. Andererseits ist durch das Einbringen von Luft oder destilliertem Wasser in gewissen Lastbereichen der Brennkraftmaschine eine gezielte Kühlung des Abgases sowie der stromabwärts folgenden Bauteile möglich.According to a further preferred embodiment of the invention, a third device for introducing air or distilled water is arranged downstream of the HP turbine, but before the catalytic converter. The advantage here is that in addition air can be introduced for the oxidation of the auxiliary. The associated increase in exhaust enthalpy supports the exhaust gas turbocharger in acceleration phases of the internal combustion engine. On the other hand, the introduction of air or distilled water in certain load ranges of the internal combustion engine targeted cooling of the exhaust gas and the downstream components is possible.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest um eine der Turbinen eine Umgehungsleitung mit einer regelbaren Absperrvorrichtung angeordnet. Mit einer oder mehreren Umgehungsleitungen samt evtl. darin angeordneten regelbaren Absperrventilen ist eine gezielte Abgasführung in der Abgasleitung möglich. Damit ist abhängig vom Lastbereich und Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine gezielte Temperaturbeeinflussung eines oder mehrerer Abgaskatalysatoren möglich. Beispielweise ist durch eine zeitweise Umgehung des Abgases einer Turbine eine schnellere Aufheizung eines nachfolgenden Abgaskatalysators möglich, der somit schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Mischung und Gleichverteilung des Hilfsmittels unterstützt die Umgehung der Turbine auch dieses Ziel. Der Grund liegt in der Abnahme des Turbinenwirkungsgrades, wenn nicht mehr das gesamte Abgas in die Turbine fließt. Der verringerte Turbinenwirkungsgrad bewirkt einen höheren Drall am Turbinenaustritt, dieser unterstützt wiederum die Mischung und Gleichverteilung des Hilfsmittels. Dieser Effekt ist nur im mittleren und oberen Lastbereich nutzbar, im unteren Lastbereich ist der Drall dafür nicht ausreichend.According to a further preferred embodiment of the invention, a bypass line with a controllable shut-off device is arranged at least one of the turbines. With one or more bypass lines including any arranged therein controllable shut-off valves a targeted exhaust system in the exhaust pipe is possible. Thus, depending on the load range and operating state of the internal combustion engine, a targeted temperature influencing of one or more catalytic converters is possible. For example, by a temporary bypass of the exhaust gas of a turbine faster heating of a subsequent catalytic converter is possible, which thus reaches its operating temperature faster. In order to improve the mixture and uniform distribution of the aid, the bypass of the turbine also supports this goal. The reason lies in the decrease of the turbine efficiency, when not all the exhaust gas flows into the turbine. The reduced turbine efficiency causes a higher swirl at the turbine outlet, this in turn supports the mixing and equal distribution of the auxiliary. This effect is usable only in the middle and upper load range, in the lower load range the twist is not sufficient for it.
Gemäß einer werteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zum Einbringen von Hilfsmittel, Luft oder destilliertem Wasser ein Injektor. Der Vorteil dabei ist, dass damit eine genaue Dosierung des Hilfsmittels, der Luft oder des destillierten Wassers und gezieltes Einbringen in die Strömung des Abgases möglich ist. Zusätzlich gestattet ein Injektor ein getaktetes Einspritzen zur noch besseren Zersetzung des Hilfsmittels.According to another preferred embodiment of the invention, the device for introducing auxiliaries, air or distilled water is an injector. The advantage of this is that it allows an accurate metering of the auxiliary agent, the air or the distilled water and targeted introduction into the flow of the exhaust gas. In addition, an injector allows pulsed injection for even better decomposition of the tool.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel ein flüssiges oder gasförmiges Oxidationsmittel, oder ein flüssiges oder gasförmiges Reduktionsmittel. According to a further preferred embodiment of the invention, the auxiliary is a liquid or gaseous oxidizing agent, or a liquid or gaseous reducing agent.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen.According to a further preferred embodiment of the invention, the auxiliary is a mixture of hydrocarbons.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.According to a further preferred embodiment of the invention, the auxiliary is a mixture of carbon monoxide and hydrogen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel eine Harnstoffwasserlösung.According to a further preferred embodiment of the invention, the aid is a urea water solution.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel Ammoniakgas. Der Vorteil bei den gasförmigen Hilfsmitteln ist, dass diese nicht mehr verdampft werden müssen und daher die Gleichverteilung durch die zweistufige Abgasturboladergruppe optimal hergestellt werden kann.According to a further preferred embodiment of the invention, the aid is ammonia gas. The advantage of the gaseous auxiliaries is that they no longer have to be evaporated and therefore the uniform distribution can be optimally produced by the two-stage exhaust gas turbocharger group.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem das Hilfsmittel im mittleren und oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine über die erste und zweite Einrichtung eingebracht wird. Im mittleren und oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine kann der Mehrbedarf an Hilfsmittel gegenüber dem niedrigen Lastbereich zusätzlich über diese zweite Einrichtung eingebracht und dabei auch noch genauer im Einspritzstrahl dosiert werden. Der Vorteil dabei ist, dass im mittleren und oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und Druckpulsationen des Abgases in der Abgasleitung sehr hoch sind. In diesen Lastbereichen genügt eine Turbine allein zu einer gleichzeitigen Verdampfung und Gleichverteilung des Hilfsmittels, um einen stromabwärts der ND-Turbine angeordneten Abgaskatalysator gleichmäßig zu beaufschlagen.According to a further aspect of the invention, a method for operating an internal combustion engine is proposed, in which the auxiliary is introduced in the middle and upper load range of the internal combustion engine via the first and second device. In the middle and upper load range of the internal combustion engine, the additional requirement for auxiliary equipment compared to the low load range can additionally be introduced via this second device and thereby also be dosed more accurately in the injection jet. The advantage here is that in the middle and upper load range of the internal combustion engine, the temperature, the flow velocity and pressure pulsations of the exhaust gas in the exhaust pipe are very high. In these load ranges, a turbine alone suffices for simultaneous vaporization and uniform distribution of the auxiliary to uniformly apply a catalytic converter arranged downstream of the LP turbine.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem das Hilfsmittel im niedrigen Lastbereich ausschließlich über die erste Einrichtung eingebracht wird. Im niedrigen Lastbereich ergibt sich der Vorteil, dass trotz niederer Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Druckpulsationen des Abgases die Verdampfung und Mischung des Hilfsmittels durch die Ausgestaltung der Erfindung optimal ist. Selbstverständlich ist auch das Einbringen des Hilfsmittels im gesamten Lastdiagramm über die erste Einrichtung möglich.According to a further aspect of the invention, a method for operating an internal combustion engine is proposed, in which the auxiliary in the low load range is introduced exclusively via the first device. In the low load range, there is the advantage that despite the low temperature, flow velocity and pressure pulsations of the exhaust gas, the evaporation and mixing of the auxiliary agent is optimal due to the embodiment of the invention. Of course, the introduction of the aid in the entire load diagram on the first device is possible.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below.
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- HochdruckturbineHigh-pressure turbine
- 33
- NiederdruckturbineLow-pressure turbine
- 44
- Abgasleitungexhaust pipe
- 55
- erste Einrichtung, zum Einbringen von Hilfsmittelfirst device for introducing aids
- 66
- Injektorinjector
- 77
- zweite Einrichtung, zum Einbringen von Hilfsmittelsecond device for introducing aids
- 88th
- Injektorinjector
- 99
- zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente mit oxidativer Wirkungadditional exhaust aftertreatment component with oxidative effect
- 1010
- zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente mit oxidativer Wirkungadditional exhaust aftertreatment component with oxidative effect
- 1111
- dritte Einrichtung, zum Einbringen von Luft oder destilliertem Wasserthird device for introducing air or distilled water
- 1212
- Injektorinjector
- 1313
- Umgehungsleitungbypass line
- 1414
- Umgehungsleitungbypass line
- 1515
- regelbare Absperrvorrichtungadjustable shut-off device
- 1616
- regelbare Absperrvorrichtungadjustable shut-off device
- 1717
- Strömungsrichtung AbgasFlow direction exhaust gas
- 1818
- Abgaskatalysatorcatalytic converter
- 1919
- Lastkurveload curve
- 2020
- unterer Lastbereichlower load range
- 2121
- mittlerer Lastbereichmedium load range
- 2222
- oberer Lastbereichupper load range
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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