DE102014206907A1 - Emission control system for diesel engines - Google Patents
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Abstract
Eine Abgasreinigungsanlage (10) für einen Verbrennungsmotor, vorzugsweise einen Dieselmotor, ist beschrieben, mit einem Katalysator (12), einer Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung (26), einer Mischvorrichtung (24) zum Vermischen des Reduktionsmittels mit Abgasen und einem SCR-Filter (14), die insbesondere stromabwärts von einem Abgasturbolader angeordnet sind. Zwischen dem Katalysator (12) und dem SCR-Filter (14) ist ein Abgaskanal (16) angeordnet, der einen Eingangsabschnitt (18) aufweist, der so ausgebildet ist, dass da Abgas vom Katalysator (12) zumindest im Eingangsabschnitt (18) vom Eingang des SCR-Filters (14) weggeführt wird.An exhaust gas purification system (10) for an internal combustion engine, preferably a diesel engine, is described, comprising a catalytic converter (12), a reducing agent adding device (26), a mixing device (24) for mixing the reducing agent with exhaust gases and an SCR filter (14). , which are arranged in particular downstream of an exhaust gas turbocharger. Between the catalyst (12) and the SCR filter (14), an exhaust passage (16) is arranged, which has an input portion (18) which is formed so that exhaust gas from the catalyst (12) at least in the input portion (18) from Input of the SCR filter (14) is led away.
Description
Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage.The invention relates to an emission control system.
Es ist bekannt, dass die Verbrennungsgase von Verbrennungsmotoren umwelt- und gesundheitsschädliche Gase und Partikel enthalten und daher immer strengeren Normen und Auflagen unterworfen werden. Insbesondere sind CO2, NOx und Rußpartikel im Visier der Entwickler umweltfreundlicher Verbrennungsmotoren und Anwendungen. Die Bestrebungen sind zum einen auf einen geringeren Verbrauch und zum anderen auf die aktive Reinigung der Verbrennungsabgase gerichtet. Die auf eine Reinigung gerichteten Maßnahmen umfassen Katalysatoren, die eine chemische Veränderung der Schadgase zu einem weniger schädlichen chemischen Element bewirken und Partikel, insbesondere Rußpartikel, ausfiltern. Der Betrieb von Katalysatoren erfordert eine bestimmte erhöhte Betriebstemperatur, sodass es eine Zeit benötigt, bis diese nach einem Kaltstart erreicht wird.It is known that the combustion gases of internal combustion engines contain polluting gases and particles harmful to the environment and health, and are therefore subject to ever stricter standards and requirements. In particular, CO 2 , NOx and soot particles are the target of the developers of environmentally friendly combustion engines and applications. The efforts are directed on the one hand to lower consumption and on the other hand to the active cleaning of the combustion gases. The purifying measures include catalysts which chemically alter the noxious gases to a less harmful chemical element and filter out particulates, especially soot particles. The operation of catalysts requires a certain elevated operating temperature, so it takes a while to reach it after a cold start.
Generell sind aus dem Stand der Technik Abgassysteme bekannt, die einen Katalysator und einen Selective Catalytic Reduction Filter (SCRF) umfassen. Der Katalysator kann dabei wahlweise als Oxidationskatalysator (DOC), als aktiver Stickoxidkatalysator (NSC) oder als passiver Stickoxidspeicherkatalysator (PNA) ausgeführt sein. Der SCRF reduziert gleichzeitig Stickoxidanteile (NOx) und Rußpartikel in Abgasen eines Verbrennungsmotors durch Kombination zweier Technologien in einer, nämlich einen SCR-Katalysator (selective catalytic reduction), der NOx zum Stickstoff und Wasser in Gegenwart eines Katalysators wie Ammoniak reduziert, und einen Partikelfilter (DPF), der die Rußpartikel ausfiltert.In general, exhaust gas systems are known from the prior art, which include a catalyst and a selective catalytic reduction (SCRF). The catalyst can be designed either as an oxidation catalyst (DOC), as an active nitrogen oxide catalyst (NSC) or as a passive nitrogen oxide storage catalyst (PNA). The SCRF simultaneously reduces nitrogen oxides (NOx) and soot particles in exhaust gases of an internal combustion engine by combining two technologies in one, namely a selective catalytic reduction (SCR) catalyst that reduces NOx to nitrogen and water in the presence of a catalyst such as ammonia, and a particulate filter ( DPF), which filters out the soot particles.
Der Katalysator (DOC, NSC oder PNA) und der SCRF sind typischerweise mittels eines Abgasrohres miteinander verbunden, wobei innerhalb des Abgasrohres ein Reduktionsmittel dem Abgas zugeführt wird, um das Abgas zu reinigen. Es hat sich herausgestellt, dass die Effektivität und die Effizienz der Abgasreinigungsprozesse von mehreren Komponenten abhängig sind, die jedoch im Widerspruch zu den allgemeinen Anforderungen stehen, wie kompakte Bauweise.The catalyst (DOC, NSC or PNA) and the SCRF are typically connected to each other by means of an exhaust pipe, wherein within the exhaust pipe, a reducing agent is supplied to the exhaust gas to purify the exhaust gas. It has been found that the effectiveness and efficiency of the exhaust gas purification processes are dependent on several components, which, however, are in contradiction to the general requirements, such as compact design.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, zu schaffen, dessen Abgasreinigung trotz kompakter Bauweise effektiv ist.The invention has for its object to provide an exhaust gas purification system for an internal combustion engine, in particular a diesel engine, the exhaust gas cleaning is effective despite its compact design.
Die Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungsanlage gelöst, die einen Katalysator, eine Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung, eine Mischvorrichtung zum Vermischen des Reduktionsmittels mit Abgasen und einem SCR-Filter umfasst, die insbesondere stromabwärts von einem Abgasturbolader angeordnet sind, wobei zwischen dem Katalysator und dem SCR-Filter ein Abgaskanal angeordnet ist, der einen Eingangsabschnitt aufweist, der so ausgebildet ist, dass das Abgas vom Katalysator zumindest im Eingangsabschnitt vom Eingang des SCR-Filters weggeführt wird. Der Grundgedanke der Erfindung sieht vor, dass das Abgas durch den Abgaskanal zunächst vom SCR-Filter weggeführt wird, das heißt, dass das Abgas nicht die kürzeste Strecke zum Eingang des SCR-Filters nimmt. Das Abgasrohr weist dabei eine Umleitung auf. Hierüber kann eine bessere Lage für die weiteren Komponenten in der Abgasreinigungsanlage realisiert werden. Zudem kann das Abgas generell eine größere Strecke innerhalb des Abgasrohrs trotz des kleinen Bauraums zurücklegen.The object is achieved by an exhaust gas purification system comprising a catalyst, a reducing agent adding device, a mixing device for mixing the reducing agent with exhaust gases and an SCR filter, which are arranged in particular downstream of an exhaust gas turbocharger, wherein between the catalyst and the SCR filter an exhaust passage is arranged, which has an input portion which is formed so that the exhaust gas is led away from the catalyst at least in the input section from the input of the SCR filter. The basic idea of the invention provides that the exhaust gas is initially led away from the SCR filter through the exhaust gas channel, that is to say that the exhaust gas does not take the shortest route to the input of the SCR filter. The exhaust pipe has a diversion. This can be a better location for the other components in the emission control system can be realized. In addition, the exhaust gas can generally travel a greater distance within the exhaust pipe despite the small installation space.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Abgaskanal zudem einen Ausgangsabschnitt sowie einen Mischabschnitt umfasst, der zwischen dem Eingangsabschnitt und dem Ausgangsabschnitt angeordnet ist, wobei der Mischabschnitt einen geringeren Querschnitt als der Eingangs-, der Ausgangsabschnitt, der Ausgang des Katalysators und/oder des Eingangs des SCR-Filters hat. Hierdurch wird erreicht, dass das Abgas im Bereich des Mischabschnitts komprimiert wird, wodurch das Abgas dort besser mit dem Reduktionsmittel vermischt werden kann. Ferner ist das Abgasrohr im Bereich des Mischabschnitts somit kleiner ausgebildet, sodass mehr Bauraum für weitere Komponenten des Abgassystems zur Verfügung steht.An aspect of the invention provides that the exhaust gas duct also comprises an outlet section and a mixing section which is arranged between the inlet section and the outlet section, wherein the mixing section has a smaller cross-section than the inlet, the outlet section, the outlet of the catalyst and / or the Input of the SCR filter has. This ensures that the exhaust gas is compressed in the region of the mixing section, whereby the exhaust gas can be better mixed there with the reducing agent. Furthermore, the exhaust pipe is thus formed smaller in the region of the mixing section, so that more space is available for other components of the exhaust system.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Mischstrecke im Mischabschnitt ausgebildet, der insbesondere einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt und eine starke Krümmung aufweist. Über die Geometrie des Mischabschnitts wird eine große Laufstrecke des Abgases bei kleinem Bauraum erreicht. Ferner kann das Reduktionsmittel mit den Abgasen effektiver und gleichmäßiger vermischt werden. Der kreisrunde oder nahezu kreisrunde Querschnitt verbessert die Gleichmäßigkeit der Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas vor dem Auftreffen auf die nachfolgende Komponente der Abgasreinigungsanlage.According to a further aspect of the invention, a mixing section is formed in the mixing section, which in particular has a substantially circular cross-section and a high curvature. About the geometry of the mixing section, a large running distance of the exhaust gas is achieved in a small space. Further, the reducing agent can be more effectively and uniformly mixed with the exhaust gases. The circular or nearly circular cross section improves the uniformity of the distribution of the reducing agent in the exhaust gas before impinging on the subsequent component of the exhaust gas purification system.
Der Querschnitt des Halteabschnitts kann insbesondere in der Größenordnung der restlichen Abgasrohre liegen. Typischerweise ist der Querschnitt in Abhängigkeit vom Arbeitsvolumen des Verbrennungsmotors vorgegeben.The cross section of the holding section may in particular be of the order of magnitude of the remaining exhaust gas pipes. Typically, the cross section is predetermined depending on the working volume of the internal combustion engine.
Abhängig von dem durch die Abgasreinigungsanlage zu reinigenden Abgasstrom, das heißt proportional zum Arbeitsvolumen des Verbrennungsmotors, kann erfindungsgemäß ein Querschnitt vorgegeben werden. Durch den reduzierten Querschnitt entstehen kleinere äußere Kühlabstrahloberflächen, wodurch die Mischvorrichtung schneller eine höhere Temperatur erreicht. Das Reduktionsmittel kann dadurch effektiver verdampft werden, sodass der Bildung von unverdampften Tröpfchen vorgebeugt wird.Depending on the exhaust gas flow to be cleaned by the exhaust gas purification system, that is to say in proportion to the working volume of the internal combustion engine, a cross section can be predetermined according to the invention. The reduced cross section results in smaller outer Kühlabstrahloberflächen, whereby the mixing device reaches a higher temperature faster. The reducing agent can thereby be evaporated more effectively, so that the formation of non-evaporated droplets is prevented.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Mischelement innerhalb des Mischabschnitts, insbesondere in der Mischstrecke, derart angeordnet, dass eine Nachlaufstrecke zwischen dem Mischelement und dem Eingang des SCR-Filters länger als die Einlaufstrecke zwischen dem Ausgang des Katalysators und dem Mischelement ist. Im Mischelement wird das Abgas mit dem eingebrachten Reduktionsmittel gemischt. Der Mischabschnitt mit geringerem Querschnitt ermöglicht eine kleinere Querschnittfläche für den Mischbereich, wodurch eine gleichmäßigere Verteilung des Reduktionsmittels und Vermischung mit dem Abgas erreichbar ist. Als Folge davon wird eine effektivere Reduktionsreaktion erreicht und somit ein geringerer Anteil des entsprechenden Schadgases, insbesondere NOx.According to a further aspect of the invention, the mixing element within the mixing section, in particular in the mixing section, arranged such that a follow-up distance between the mixing element and the input of the SCR filter is longer than the inlet path between the outlet of the catalyst and the mixing element. In the mixing element, the exhaust gas is mixed with the introduced reducing agent. The mixing section with a smaller cross-section allows a smaller cross-sectional area for the mixing area, whereby a more uniform distribution of the reducing agent and mixing with the exhaust gas can be achieved. As a result, a more effective reduction reaction is achieved, and thus a lower proportion of the corresponding noxious gas, in particular NOx.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung derart angeordnet, dass die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung einen spitzen Winkel zur Abgasstromrichtung aufweist, insbesondere kleiner 70°. Das in den Abgaskanal eingebrachte Reduktionsmittel bremst den Abgasstrom so nicht ab, sondern weist im Wesentlichen die gleiche Strömungsrichtung auf. Dadurch kann die Strahlverwehung minimiert und eine bessere Vermischung bereits vor dem Auftreffen auf die Mischvorrichtung erreicht werden.According to a further aspect of the invention, the reducing agent-adding device is arranged such that the reducing agent-adding device has an acute angle to the exhaust gas flow direction, in particular less than 70 °. The reducing agent introduced into the exhaust gas channel thus does not slow down the exhaust gas flow, but has essentially the same flow direction. As a result, the beam drift can be minimized and a better mixing can be achieved even before the impact on the mixing device.
Insbesondere ist die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung am Abgaskanal angeordnet, wobei der Abgaskanal einen Montageabschnitt für die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung aufweist, der insbesondere als von der Außenfläche des Abgaskanals nach außen abstehendes Sockelelement ausgebildet ist. Hierüber kann sichergestellt werden, dass die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung richtig orientiert angeordnet wird, sodass das Reduktionsmittel in effizienter Weise eingebracht wird, wodurch die Reinigung des Abgases verbessert ist. Durch die Anordnung der Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung an der Außenfläche des Abgaskanals wird zudem erreicht, dass die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung nicht mit anderen Teilen der Abgasreinigungsanlage kollidiert und leicht zugänglich bleibt. Als ein Reduktionsmittel wird bevorzugt eine Harnstoffwasserlösung verwendet.In particular, the reducing agent-adding device is arranged on the exhaust gas passage, wherein the exhaust gas channel has a mounting section for the reducing agent-adding device, which is in particular designed as a base element projecting outwardly from the outer surface of the exhaust gas channel. By doing so, it can be ensured that the reducing agent adding device is properly oriented, so that the reducing agent is efficiently introduced, thereby improving the purification of the exhaust gas. The arrangement of the reducing agent-adding device on the outer surface of the exhaust passage also ensures that the reducing agent-adding device does not collide with other parts of the emission control system and remains easily accessible. As a reducing agent, a urea water solution is preferably used.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Abgaskanal gekrümmt ausgebildet ist, insbesondere durchgehend gekrümmt. Durch die Krümmung kann ein ausreichend langer Mischabschnitt zur Verfügung gestellt werden. Ferner kann der Abgasstrom über die Geometrie des Abgaskanals besser gezielt geleitet werden.Another aspect of the invention provides that the exhaust duct is curved, in particular continuously curved. Due to the curvature, a sufficiently long mixing section can be provided. Furthermore, the exhaust gas flow can be better directed via the geometry of the exhaust gas duct.
Insbesondere kann zwischen dem Eingang des Eingangsabschnitts und dem Ausgang des Ausgangsabschnitts ein Winkel gebildet sein, der im Wesentlichen 90 Grad beträgt oder geringfügig abweichend davon ist. Hierdurch kann eine kompakte Anordnung des Abgassystems erreicht werden. Der Abgaskanal bzw. der Ausgangsabschnitt dient zugleich als ein Einlassstutzen des nachgeschalteten SCRFs. Ebenso kann hierdurch eine nahe Anordnung der Komponenten der Abgasreinigungsanlage untereinander und eine motornahe Anordnung des gesamten Abgassystems ermöglicht werden, die eine schnelle Erwärmung der Katalysatoren und Filter nach einem Kaltstart ermöglicht.In particular, an angle may be formed between the input of the input section and the output of the output section that is substantially 90 degrees or slightly different therefrom. As a result, a compact arrangement of the exhaust system can be achieved. The exhaust passage or the output section also serves as an inlet port of the downstream SCRF. Likewise, this allows a close arrangement of the components of the exhaust gas purification system with each other and a close-coupled arrangement of the entire exhaust system, which allows rapid heating of the catalysts and filters after a cold start.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Mischvorrichtung einen Randspalt zum Halteabschnitt auf. Über den Randspalt kann der Abgasgegendruck bei hohen Massendurchsätzen begrenzt werden.According to a further preferred embodiment, the mixing device has an edge gap to the holding section. The exhaust gas backpressure can be limited at high mass flow rates via the marginal gap.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Eingangsabschnitt und/oder der Ausgangsabschnitt als Fischer-Trichter ausgebildet ist. Fischer-Trichter sind Abgaseinlass- oder Abgasauslassstutzen, welche das von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs kommende Abgas aus einem Rohr mit vergleichsweise kleinem Querschnitt großflächig einer Katalysatorbeschichtung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zuführen. Als düsenartige Übergangsstücke weisen sie einen konisch sich erweiternden Trichter und auslassseitig einen Schrägschnitt des Bauteils auf. Durch den Schrägschnitt wird der Gasfluss im Allgemeinen geschwenkt. Ein Fischer-Trichter kann jedoch umgekehrt ausgebildet sein, wenn er als Abgasauslassstutzen verwendet wird, der das von einem Katalysator kommende Abgas einer weiteren Behandlungseinheit zuführt, wobei sich der Querschnitt verkleinert. Der Eingangsabschnitt ist insbesondere als umgekehrter Fischer-Trichter ausgebildet. Über den als Fischer-Trichter ausgebildeten Eingangs- und Ausgangsabschnitt wird eine große Laufstrecke trotz begrenztem Bauraums erreicht.Another aspect of the invention provides that the input section and / or the output section is designed as a Fischer funnel. Fischer funnels are Abgaseinlass- or Abgasauslassstutzen which supply the coming of an internal combustion engine of a motor vehicle exhaust gas from a tube with a relatively small cross section over a large area of a catalyst coating an exhaust aftertreatment device. As nozzle-like transition pieces, they have a conically widening funnel and on the outlet side an oblique section of the component. The oblique cut generally swivels the gas flow. However, a Fischer funnel may be reversed when used as an exhaust outlet port which supplies exhaust gas from a catalyst to another treatment unit, the cross-section decreasing. The input section is designed in particular as a reverse Fischer funnel. About the trained as a Fischer funnel entrance and exit section a large running distance is achieved despite limited space.
Die Ausführung des Ausgangsabschnitts als ein Fischer-Trichter stellt mit einem schräg zur Stirnfläche des SCR-Filters umgelenkten Abgasstrom sicher, dass die Ablösungen der Gasströmung und eine ungleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels über die Querschnittsfläche des SCR-Filters vermieden werden. Das trifft insbesondere dann zu, wenn nicht das gesamte Reduktionsmittel am Mischelement verdampft und Tröpfchen durchgelassen werden.The design of the output section as a Fischer funnel, with an exhaust flow skewed obliquely to the face of the SCR filter, ensures that gas flow separations and non-uniform distribution of the reductant across the cross-sectional area of the SCR filter are avoided. This is especially true if not all the reducing agent is vaporized at the mixing element and droplets are allowed to pass through.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird.Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description and the drawings, to which reference is made.
Die einzige Zeichnung zeigt eine Abgasreinigungsanlage
Die Abgasreinigungsanlage
Der Abgaskanal
Der Querschnitt des Mischabschnitts
Ferner umfasst die Abgasreinigungsanlage
Im Mischabschnitt
Im Weiteren wird die Wirkungsweise der Abgasreinigungsanlage
Das von einem Verbrennungsmotor erzeugte Abgas wird nach dem Turbolader bevorzugt durch einen als ein umgedrehter Trichter ausgeführten ersten Abgaseinlassstutzen
Im Katalysator
Nach dem Katalysator
Der Eingangsabschnitt
An den Eingangsabschnitt
Generell erstreckt sich der Mischabschnitt
Im Mischabschnitt
Die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung
Die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung
Die Positionierung wird über den Befestigungsabschnitt
Das Reduktionsmittel wird aus der Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung
Wie bereits beschrieben weist der Mischabschnitt
Das Mischelement
Vom Mischelement
Das die Nachlaufstrecke
Die mit dem Reduktionsmittel beaufschlagten Abgase werden im SCR-Filter
Der Ausgangsabschnitt
Ferner kann auf kleinstem Raum eine möglichst große Laufstrecke erreicht werden.Furthermore, the largest possible running distance can be achieved in a small space.
Aus der Zeichnung ist zudem gut zu erkennen, dass der Abgaskanal
Durch die kompakte Anordnung des Abgaskanals
Der Verbindungskanal
Außerdem ergibt sich ein sehr kurzer Abstand zwischen den Komponenten der Abgasreinigungsanlage
Es kann vorgesehen sein, dass die Mischvorrichtung einen Randspalt
Die Reduktionsmittel-Zugabevorrichtung
Dies liegt insbesondere daran, dass der Eingangsabschnitt
Über die gekrümmte Ausführung des Abgasrohres
Die Abgasreinigungsanlage
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