DE102013220055A1 - Exhaust gas treatment device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungseinrichtung (1) mit einem Eintrittsrohr (2) zum Einleiten eines Verbrennungsabgases, einem Austrittsrohr zum Ausleiten des Verbrennungsabgases, mindestens einem einerseits mit dem Eintrittsrohr (2) und andererseits mit dem Austrittsrohr strömungstechnisch verbundenes Abgasbehandlungselement (4, 5) zum Behandeln des Verbrennungsabgases, einer das Abgasbehandlungselement (4, 5) umschließenden Ummantelung (7, 8) mit einem Außenmantel (7) und einem in dem Außenmantel (7) angeordneten Innenmantel (8) zum Ummanteln des Abgasbehandlungselements (4, 5), mindestens einer mit der Ummantelung (7, 8) fest verbundenen Bodenplatte (9, 10) mit einem Außenboden (9) und einem in dem Außenboden (9) angeordneten Innenboden (10) zum stirnseitigen Abschließen der Ummantelung (7, 8) und einer in Verlängerung des Innenmantels (8) gebildeten Dehnungsfuge zum Ausgleichen einer Längenausdehnung des Innenmantels (8) in Richtung der Bodenplatte (9, 10). Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor (23) mit einer solchen Einrichtung (1).The invention relates to an exhaust gas treatment device (1) with an inlet pipe (2) for introducing a combustion exhaust gas, an outlet pipe for discharging the combustion exhaust gas, at least one on the one hand with the inlet pipe (2) and on the other hand with the outlet pipe fluidly connected exhaust treatment element (4, 5) for treating the combustion exhaust gas, a jacket (7, 8) enclosing the exhaust gas treatment element (4, 5) with an outer jacket (7) and an inner jacket (8) arranged in the outer jacket (7) for enveloping the exhaust gas treatment element (4, 5), at least one the sheath (7, 8) fixedly connected bottom plate (9, 10) with an outer bottom (9) and in the outer bottom (9) arranged inner bottom (10) for closing the end of the sheath (7, 8) and an extension of the inner shell (8) formed expansion gap for compensating for a longitudinal expansion of the inner shell (8) in the direction of the bottom plate (9, 10). The invention further relates to an internal combustion engine (23) with such a device (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.The invention relates to an exhaust gas treatment device according to the preamble of
Verfahren zur mechanischen, katalytischen oder chemischen Reinigung der Verbrennungsabgase von Feuerungs-, Müllverbrennungs- oder anderen Industrieanlagen, Gasturbinen oder Motoren werden in der Abgastechnik unter dem Sammelbegriff der Abgasnachbehandlung zusammengefasst. Eine gemäß dem Stand der Technik durchgeführte Abgasnachbehandlung, optional in Kombination mit weiteren, die Gemischbildung oder die Verbrennung beeinflussenden Maßnahmen, mindert den Schadstoffausstoß konventioneller Verbrennungsmotoren deutlich.Methods for the mechanical, catalytic or chemical cleaning of the combustion gases of combustion, waste incineration or other industrial plants, gas turbines or engines are summarized in the exhaust gas technology under the collective term exhaust aftertreatment. An exhaust aftertreatment carried out according to the prior art, optionally in combination with other measures influencing mixture formation or combustion, significantly reduces the pollutant emissions of conventional internal combustion engines.
Während etwa für Kraftfahrzeuge mit Ottomotoren sogenannte geregelte 3-Wege-Katalysatoren in zahlreichen Staaten seit Langem von der für die Teilnahme am öffentlichen Straßenverkehr gesetzlich vorgeschriebenen Mindestausstattung umfasst sind, sah der Stand der Technik für die Abgase vergleichbarer Dieselmotoren über viele Jahre nur eine unzureichende Abgasnachbehandlung vor, da das im Vergleich zu Ottomotoren höhere Luft-Kraftstoffverhältnissen dieser Motorvariante besondere funktionale Anforderungen an entsprechende Einrichtungen stellt. Hinzu kommt, dass die Last des Dieselmotors nicht wie beim Ottomotor durch eine Anpassung des Gesamtvolumens des Luft-Kraftstoff-Gemischs, sondern lediglich mittels Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge eingestellt wird. Durch eine Begrenzung der Kraftstoffzufuhr lässt sich im Falle gattungsgemäßer Dieselmotoren also lediglich eine geringfügige Beeinflussung der Partikelemission realisieren.While for motor vehicles with gasoline engines, so-called controlled 3-way catalytic converters in many countries have long been covered by the minimum equipment required by law for public road traffic, the state of the art for exhaust fumes of comparable diesel engines for many years only provided insufficient exhaust aftertreatment because the higher air-fuel ratio of this engine variant compared to gasoline engines makes special functional demands on corresponding devices. In addition, the load of the diesel engine is not adjusted as in the Otto engine by adjusting the total volume of the air-fuel mixture, but only by changing the injected amount of fuel. By limiting the fuel supply can be realized in the case of generic diesel engines so only a slight effect on the particle emission.
Der strengen gesetzlichen Limitierung derartiger Partikelemissionen begegnet der Stand der Technik daher mit Rußfiltern, welche nach der Zusammensetzung der zu filternden Teilchen auch als Rußpartikelfilter (RPF) oder nach deren Herkunft als Dieselrußpartikelfilter (DPF) bezeichnet werden und eine Reduzierung der im ausgestoßenen Abgasstrom verbleibenden Konzentration dieser Verbrennungsrückstände bezwecken. Der Reduzierung der Schadstoffemission dient auch ein Katalysator (Kat), der in Kombination mit einem Dieselmotor häufig dem Wirkprinzip des sogenannten Oxidationskatalysators oder der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) entspricht. Derartige Filter, Katalysatoren oder thermische Reaktoren seien hier unter dem Begriff „Abgasbehandlungseinrichtung“ zusammengefasst.The strict legal limitation of such particle emissions, the prior art therefore meets with soot filters, which are referred to the composition of the particles to be filtered as the soot particle filter (RPF) or after their origin as a diesel soot particulate filter (DPF) and a reduction in the exhaust gas stream remaining concentration of these Combustion residues aim. The reduction of the pollutant emission is also a catalyst (Kat), which often corresponds to the operating principle of the so-called oxidation catalyst or selective catalytic reduction (SCR) in combination with a diesel engine. Such filters, catalysts or thermal reactors are summarized here under the term "exhaust gas treatment device".
Als wesentliche Anforderung an gattungsgemäße Abgasbehandlungseinrichtungen, deren Effektivität in hohem Maße an die Erreichung und Einhaltung spezifischer Betriebs- oder Reinigungstemperaturen gekoppelt ist, erweisen sich vor diesem Hintergrund die thermische Belastungsfähigkeit und Wärmedämmung. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine für einen breiten Betriebstemperaturbereich geeignete Abgasbehandlungseinrichtung zu schaffen, deren Hülle den Verlust von Wärmeenergie auf ein Mindestmaß reduziert. Die Erfindung stellt sich darüber hinaus der Aufgabe, einen entsprechenden Verbrennungsmotor bereitzustellen.As an essential requirement of generic exhaust treatment devices whose effectiveness is highly coupled to the achievement and compliance with specific operating or cleaning temperatures, prove the thermal load capacity and thermal insulation against this background. The invention is therefore based on the object to provide a suitable for a wide operating temperature range exhaust gas treatment device whose shell reduces the loss of heat energy to a minimum. The invention also has the task of providing a corresponding internal combustion engine.
Diese Aufgaben werden durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.These objects are achieved by a device having the features of
Die Erfindung fußt demnach auf dem Grundgedanken, das Gehäuse einer Abgasbehandlungseinrichtung im Hinblick auf mögliche thermisch induzierte mechanische Spannungen zu optimieren, die im Betrieb eines Verbrennungsmotors durch die vom Verbrennungsabgas transportierte Wärme verursacht werden. Diese aus dem Brennraum entweichende thermische Energie überträgt sich im Rahmen der Abgasnachbehandlung vom Verbrennungsabgas auf die im heißen Abgasstrom angeordneten Rußpartikelfilter, Katalysatoren und nachgelagerte Bauelemente.The invention is therefore based on the idea to optimize the housing of an exhaust gas treatment device with regard to possible thermally induced mechanical stresses caused by the heat transported from the combustion exhaust gas during operation of an internal combustion engine. This escaping from the combustion chamber thermal energy is transferred in the context of exhaust aftertreatment from the combustion exhaust gas to the arranged in the hot exhaust stream soot filters, catalysts and downstream components.
Innerhalb der zur Abgasnachbehandlung eingesetzten, die vorgenannten Elemente umfassenden Baugruppe mag die solchermaßen zugeführte Abwärme zwar grundsätzlich vorteilhaft zur Erreichung der technisch erforderlichen hohen Betriebstemperaturen genutzt werden. Unter diesem Gesichtspunkt sieht die Erfindung zum Zwecke der Wärmedämmung ein doppelwandiges Gehäuse vor, welches die entsprechende Einrichtung gegenüber der kühleren Umgebung thermisch isoliert.Although the waste heat supplied in this way can be used to achieve the technically required high operating temperatures within the assembly used for exhaust gas aftertreatment and comprising the abovementioned elements. From this point of view, the invention provides for the purpose of thermal insulation before a double-walled housing, which thermally insulated the corresponding device relative to the cooler environment.
Dennoch trägt die erfindungsgemäße Anordnung den durch die resultierende inhomogene Temperaturverteilung innerhalb der einzelnen Gehäusekomponenten hervorgerufenen temporären thermischen Spannungen, die sich durch die spezifischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der für die Gehäusewandungen verwendeten Werkstoffe ergeben, auf geschickte Weise Rechnung. Insofern liegt der Erfindung insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass der – unmittelbar oder mittelbar von Verbrennungsabgas aufgeheizte – Innenmantel der in Rede stehenden Einrichtung einer im Vergleich zum ihn umgebenden Außenmantel ungleich höheren Aufheizung unterworfen ist. Im Ergebnis unterliegt der Innenmantel somit einer beträchtlichen thermodynamischen Expansion, welche sich im Wesentlichen proportional auf sämtliche Abmessungen des Innenmantels und daher – absolut betrachtet – vorrangig auf sein Längenmaß auswirkt.Nevertheless, the arrangement according to the invention skilfully takes into account the temporary thermal stresses caused by the resulting inhomogeneous temperature distribution within the individual housing components, which result from the specific coefficients of thermal expansion of the materials used for the housing walls. In this respect, the invention is based, in particular, on the knowledge that the inner jacket of the device in question, which has been heated directly or indirectly by combustion exhaust gas, is subject to a considerably higher heating compared to the outer jacket surrounding it. As a result, the inner shell is thus subject to a considerable thermodynamic expansion, which has a substantially proportional effect on all dimensions of the inner shell and therefore - in absolute terms - primarily on its length measure.
Die auf diesem Wege verursachte Druckspannung in Längsrichtung des Innenmantels führt im Falle eines herkömmlichen Gehäuses im günstigsten Fall lediglich zu einer plastischen und/oder elastischen Verformung der die Ummantelung stirnseitig abschließenden Bodenplatte, welche beim späteren Abkühlen der Einrichtung mehr oder weniger in ihre ursprüngliche Gestalt zurückkehrt. Überschreiten derartige Spannungen jedoch in ihrer Summe die Festigkeit des der Bodenplatte zugrunde liegenden Materials, kann dessen Versagen die strukturelle Integrität des gesamten Gehäuses gefährden. The compression stress in the longitudinal direction of the inner shell caused in this way leads in the case of a conventional housing in the best case only to a plastic and / or elastic deformation of the shell end face final base plate, which more or less returns to its original shape during the subsequent cooling of the device. However, if such stresses in their sum exceed the strength of the material underlying the bottom plate, its failure can jeopardize the structural integrity of the entire case.
Vor diesem Hintergrund weist eine erfindungsgemäße Einrichtung, um das physikalische Phänomen der Längenausdehnung des Innenmantels in Richtung der Bodenplatte auszugleichen, in Verlängerung des besagten Innenmantels einen gewollten oder toleranzbedingten Spalt oder Zwischenraum auf, wie er gemeinhin und auch im Folgenden als Bewegungsfuge, Dilatationsfuge, Dehnfuge oder Dehnungsfuge bezeichnet und etwa auf dem Fachgebiet der Baukonstruktion zur Vermeidung durch sogenannte Zwängungen hervorgerufener Spannungsrisse in unterschiedlichsten Gewerken Anwendung findet. Diese Unterbrechung verleiht der Ummantelung einen beweglichen Sitz, welcher etwaige Verschiebungen zwischen Innen- und Außenmantel innerhalb systembedingter Grenzen „aufzufangen“ vermag. Eine solche Konfiguration schließt die Möglichkeit eines losen Kontakts des Innenmantels zu anderen Gehäuseteilen nicht aus.Against this background, a device according to the invention, in order to compensate for the physical phenomenon of longitudinal expansion of the inner shell in the direction of the bottom plate, in extension of said inner shell on a desired or tolerance gap or clearance, as commonly and also as a movement joint, dilatation, expansion joint or Designated expansion joint and about in the field of building construction to avoid so-called constraints caused by stress cracks in various trades application applies. This interruption gives the shroud a movable seat, which is able to "catch" any shifts between the inner and outer sheath within systemic limits. Such a configuration does not exclude the possibility of loose contact of the inner shell with other housing parts.
Mechanische Spannungen seitens des Gehäuses lassen sich gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch weiter vermindern, dass Innen- oder Außenmantel in der – etwa aus dem Flugzeugbau bekannten – Halbschalenbauweise ausgeführt und im Wege eines geeigneten Fügeverfahrens dauerhaft verbunden werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das verbindungstechnische Formelement des sogenannten Falzes oder der Bördelung zum Einsatz kommen, welches die Vorzüge der umrissenen Halbschalenbauweise mit jenen einer hohen Dichtigkeit gegenüber dem durch die Einrichtung nachzubehandelnden Verbrennungsabgas verbindet.According to an advantageous embodiment of the invention, mechanical stresses on the part of the housing can be further reduced by designing the inner or outer jacket in the half-shell construction, which is known for instance from the aircraft industry, and permanently connected by means of a suitable joining method. For this purpose, for example, the connection-technical form element of the so-called fold or the flanging can be used, which combines the advantages of the outlined half-shell construction with those of a high density against the post-treated by the device combustion exhaust gas.
Die angestrebte Wärmedämmung der Ummantelung kann dabei mittels einer zwischen Innen- und Außenmantel eingeschlossenen Isolationsmatte zusätzlich verbessert werden, um die kontinuierlichen Katalyse- und Reinigungsprozesse innerhalb der Einrichtung weiter zu begünstigen. Ein geeigneter hochelastischer und temperaturwechselbeständiger technischer Schaumstoff, etwa auf der Basis des gebräuchlichen Polyethylens (PE) oder Polyurethans (PU, PUR), verhilft einer solchen Matte zu beträchtlicher Druckfestigkeit und vorteilhaften Dämmeigenschaften. Zudem vermag eine derartige Isolationsmatte, sofern sie bereits im Rahmen der Montage zwischen Innen- und Außenmantel zusammengepresst wird, eine nicht unwesentliche Vorspannung des Innenmantels in Richtung des Innenbodens der Einrichtung zu bewirken. Eine ansonsten in deren Betrieb zu befürchtende durch Vibration des vorgelagerten Motors verursachte Geräuschentwicklung in Gestalt eines vorübergehenden oder andauernden Klapperns der gegeneinander schlagenden Gehäuseelemente lässt sich auf diese Weise weitgehend ausschließen.The desired thermal insulation of the casing can be additionally improved by means of an enclosed between the inner and outer sheath insulation mat to further favor the continuous catalytic and cleaning processes within the device on. A suitable highly elastic and thermal shock resistant technical foam, for example based on the customary polyethylene (PE) or polyurethane (PU, PUR), helps such a mat to considerable compressive strength and advantageous insulating properties. In addition, such insulation mat, if it is already compressed in the context of assembly between the inner and outer shells, a not insignificant bias of the inner shell in the direction of the inner bottom of the device to effect. An otherwise in their operation to be feared caused by vibration of the upstream engine noise in the form of a temporary or continuous rattling of the mutually striking housing elements can be largely excluded in this way.
Als ausschlaggebend für die Spannungsfreiheit der Gesamtanordnung erweist sich indes die bezüglich der einzelnen Gehäusebauteile angewandte mechanische Verbindungstechnik. Insoweit ist vorrangig an einen – etwa im Wege des Lötens, Klebens, Vulkanisierens, insbesondere aber des Schweißens herbeizuführenden – Stoffschluss zwischen Außenmantel und Bodenplatte zu denken, der einen dauerhaften Zusammenhalt dieser Elemente mithilfe der atomaren oder molekularen Kräfte der zugrundeliegenden Werkstoffe gewährleistet. Ergänzend kommt eine vergleichbare Fügeverbindung zwischen Innen- und Außenboden in Betracht, um die Ausbreitung von Körperschall innerhalb der Bodenplatte zu begrenzen.Decisive for the absence of voltage of the overall arrangement, however, proves the applied with respect to the individual housing components mechanical connection technology. In that regard, it is primarily a matter of thinking about a material connection between the outer shell and the base plate, for example by means of soldering, gluing, vulcanization, but especially welding, which ensures a lasting cohesion of these elements by means of the atomic or molecular forces of the underlying materials. In addition, a comparable joint connection between inner and outer bottom into consideration, in order to limit the propagation of structure-borne noise within the bottom plate.
Eine bevorzugte Ausführungsform vermeidet dabei die Bildung der aus dem Bereich der Bauphysik bekannten konstruktiven Wärme- oder Kältebrücken, welche andernfalls ein unerwünschtes Entweichen thermischer Energie aus dem Gehäuseinneren in Zonen niedrigen Wärmedurchgangswiderstandes begünstigen könnten. Kritisch ist insofern die Gestaltung etwaiger Einschraubmuttern oder Gewindebuchsen, welche Ummantelung, Bodenplatte, Abdeckung oder andere Gehäusekomponenten der Einrichtung durchziehen mögen. In diesen Problemzonen empfiehlt sich eine spezifische maßliche Beziehung zwischen der toleranzbehafteten Buchse zu den diese aufnehmenden Bohrungen. Erfindungsgemäß lässt sich darüber hinaus auch der umlaufende Rand einer die Abgasbehandlungselemente schützenden Abdeckung unter dem Gesichtspunkt der Wärmedämmung optimieren.A preferred embodiment avoids the formation of known from the field of building physics constructive heat or cold bridges, which could otherwise favor an undesirable escape of thermal energy from the housing interior in zones of low heat transfer resistance. In this respect, the design of any screw-in nuts or threaded bushes, which shell, bottom plate, cover or other housing components of the device may be critical. In these problem areas, a specific dimensional relationship between the toleranced bushing to these receiving bores is recommended. Moreover, according to the invention, the circumferential edge of a cover protecting the exhaust gas treatment elements can also be optimized from the point of view of thermal insulation.
Eine derartige Gewindebuchse kann etwa zum Einschrauben einer geeigneten Harnstoffdüse genutzt werden, wie sie im Rahmen der sogenannten selektiven katalytischen Reduktion (SCR) insbesondere in der Fahrzeugtechnik zum Einsatz kommt, um den Stickoxidausstoß gattungsgemäßer Dieselmotoren zu senken. Der Wirkungsgrad der Emissionsminderung lässt sich so – im Vergleich zu einer reinen Rußpartikelfilterung oder der alternativen Verwendung eines Stickoxid-Speicherkatalysators zum selben Zweck – beträchtlich erhöhen, ohne den Rahmen verbrauchsgünstiger Verbrennungsverhältnisse des vorgelagerten Motors zu verlassen.Such a threaded bush can be used, for example, for screwing in a suitable urea nozzle, as used in so-called selective catalytic reduction (SCR), in particular in vehicle technology, in order to reduce the nitrogen oxide emissions of generic diesel engines. Emission reduction efficiency can thus be significantly increased compared to pure soot particle filtration or the alternative use of a nitrogen oxide storage catalyst for the same purpose, without departing from the scope of fuel efficient combustion ratios of the upstream engine.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematischIt show, each schematically
Die
Deutlicher wird dieses Wirkprinzip anhand des in
Als erfindungswesentlich erweist sich indes der Aufbau der Abgasbehandlungseinrichtung
In dieser in
Eine konstruktive Gemeinsamkeit sämtlicher Ausführungsformen der
Die besagte erste Schweißnaht
Eine weitere Abwandlung stellt die Konstruktion der Bodenplatte
Auch die Einzelheit
Die in
Unterschiedliche Varianten erlaubt abermals die Ausgestaltung der Einzelheit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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