DE102018115231A1 - Exhaust gas mixer and exhaust gas treatment system with such an exhaust gas mixer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Abgasmischer (24) für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors (10). Der Abgasmischer (24) weist einen Verstellaktuator (22) auf, über welchen die Position der Segmente (38, 42, 46) des Abgasmischers (24) verstellbar ist. Es ist vorgesehen, dass die Segmente (38, 42, 46) des Abgasmischers (24) über Gelenke (42) miteinander verbunden sind, derart, dass über den Verstellaktuator (22) die Segmente (38, 42, 46) des Abgasmischers (24) von einer Durchlassstellung in eine Mischstellung verstellbar sind.Die Erfindung betrifft ferner ein Abgasnachbehandlungssystem (12) für einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Dosierelement (20) zum Eindosieren eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal (14) des Verbrennungsmotors (10) sowie einem solchen Abgasmischer (24).The invention relates to an exhaust gas mixer (24) for an exhaust gas system of an internal combustion engine (10). The exhaust gas mixer (24) has an adjustment actuator (22), via which the position of the segments (38, 42, 46) of the exhaust gas mixer (24) can be adjusted. It is provided that the segments (38, 42, 46) of the exhaust gas mixer (24) are connected to one another via joints (42) such that the segments (38, 42, 46) of the exhaust gas mixer (24 The exhaust gas aftertreatment system (12) for an internal combustion engine (10) with a metering element (20) for metering a reducing agent into the exhaust gas duct (14) of the internal combustion engine (10) and such an exhaust gas mixer (24).
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasmischer zum Vermischen von einem Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit dem Abgas eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung der Abgase eines Verbrennungsmotors.The invention relates to an exhaust gas mixer for mixing a reducing agent for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with the exhaust gas of an internal combustion engine and an exhaust gas aftertreatment system for exhaust gas aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.The current exhaust gas legislation, which will become increasingly stringent in the future, places high demands on raw engine emissions and exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further decrease in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permissible nitrogen oxide emissions represent a challenge for the engine developers. In gasoline engines, exhaust gas cleaning is carried out in a known manner using a three-way catalytic converter and the three-way Catalyst upstream and downstream further catalysts. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines, which have an oxidation catalytic converter, a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for the separation of soot particles and, if appropriate, further catalytic converters. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because the use of pure ammonia is complex, a synthetic, aqueous urea solution is usually used in vehicles, which is mixed with the hot exhaust gas stream in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. This mixing heats the aqueous urea solution, the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust gas duct. A commercially available, aqueous urea solution generally consists of 32.5% urea and 67.5% water.
Um eine hinreichende Vermischung zwischen dem Reduktionsmittel und dem Abgas des Verbrennungsmotors vor Eintritt in den SCR-Katalysator zu erreichen, ist in der Abgasanlage eine hinreichende Mischstrecke vorzusehen. Daher werden neben einem motornahem Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung gegebenenfalls ein oder mehrere weitere SCR-Katalysatoren in einer motorfernen Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet. In order to achieve sufficient mixing between the reducing agent and the exhaust gas of the internal combustion engine before entering the SCR catalytic converter, an adequate mixing section must be provided in the exhaust system. Therefore, in addition to a particle filter close to the engine with an SCR coating, one or more further SCR catalysts are optionally arranged in an underbody layer of a motor vehicle remote from the engine.
Nachteilig an einer solchen Position ist jedoch, dass in einer solchen motorfernen Position nur schwierig die notwendigen Temperaturen erreicht werden können.A disadvantage of such a position, however, is that the necessary temperatures can only be reached with difficulty in such a position remote from the motor.
Aus dem Stand der Technik sind ferner in der Abgasanlage angeordnete Mischelemente bekannt, welche für turbulente Strömungsverhältnisse und somit für eine gute Durchmischung von Abgas und Reduktionsmittel führen. Durch die Mischelemente kann die Mischstrecke verkürzt werden oder bei gleicher Mischstreckenlänge eine bessere Durchmischung von Abgas und Reduktionsmittel vor Eintritt in den SCR-Katalysator erreicht werden.Mixing elements arranged in the exhaust system are also known from the prior art, which lead to turbulent flow conditions and thus to good mixing of exhaust gas and reducing agent. The mixing section can be shortened by the mixing elements or better mixing of exhaust gas and reducing agent can be achieved before entering the SCR catalytic converter with the same mixing section length.
Aus der
Die
Darüber hinaus offenbart die
Nachteilig an einer solchen Lösung ist, dass das Drehen der Leitschaufeln zu einer relativ starken Versperrung des Querschnitts des Abgaskanals führt und der Abgasgegendruck entsprechend stark ansteigt.A disadvantage of such a solution is that the rotation of the guide vanes leads to a relatively strong blockage of the cross section of the exhaust gas duct and the exhaust gas back pressure rises accordingly.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Durchmischung von Abgas und Reduktionsmittel zu verbessern und den Strömungswiderstand in Betriebssituationen zu senken, in denen kein Reduktionsmittel eindosiert wird.The object of the invention is to improve the mixing of exhaust gas and reducing agent and to reduce the flow resistance in operating situations in which no reducing agent is metered in.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Abgasmischer für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors gelöst, wobei der Abgasmischer einen Verstellaktuator umfasst, mit welchem die Segmente des Abgasmischers von einer Mischstellung in eine Durchlassstellung verstellbar sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest zwei Segmente des Abgasmischers über wenigstens ein Gelenk miteinander verbunden sind. Dadurch kann der Strömungsquerschnitt auf einfache Art und Weise zwischen einer turbulenzoptimierten Mischstellung, in welcher eine bestmögliche Vermischung von Abgas und Reduktionsmittel erreicht wird, und einer Durchlassstellung, in welcher ein strömungsgünstiger Durchlass erreicht ist, variiert werden. Insbesondere kann der Abgasgegendruck reduziert werden, wenn kein Reduktionsmittel eindosiert wird.According to the invention, this object is achieved by an exhaust gas mixer for an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine, the exhaust gas mixer comprising an adjustment actuator with which the segments of the exhaust gas mixer can be adjusted from a mixing position to a passage position. According to the invention it is provided that at least two segments of the exhaust gas mixer at least one joint are connected. As a result, the flow cross section can be varied in a simple manner between a turbulence-optimized mixing position, in which the best possible mixing of exhaust gas and reducing agent is achieved, and a passage position, in which a flow-favorable passage is achieved. In particular, the exhaust gas back pressure can be reduced if no reducing agent is metered in.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungsbaugruppe möglich.The features listed in the dependent claims allow advantageous further developments and improvements of the exhaust gas aftertreatment assembly specified in the independent claim.
In einer bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgasmischer ein erstes Endsegment, ein Mittelsegment und ein zweites Endsegment aufweist, wobei das Mittelsegment jeweils über ein Gelenk mit einem der Endsegmente verbunden ist. Durch drei- oder mehrteilige Segmente des Abgasmischers kann der Strömungsquerschnitt vielfältig variiert werden, sodass gegenüber den bekannten Mischern mit verdrehbaren Leitschaufeln mehr und unterschiedliche Funktionsstellungen eingestellt werden können. Dadurch lässt sich die Anzahl an möglichen Strömungsquerschnitten vergrößern, was die Funktionalität des Abgasmischers erweitert.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the exhaust gas mixer has a first end segment, a middle segment and a second end segment, the middle segment being connected to one of the end segments via a joint. The flow cross section can be varied in a variety of ways by three-part or multi-part segments of the exhaust gas mixer, so that more and different functional positions can be set compared to the known mixers with rotatable guide vanes. This allows the number of possible flow cross sections to be increased, which extends the functionality of the exhaust gas mixer.
Ein einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Abgasmischers ist vorgesehen, dass ein Öffnen des Gelenkwinkels des zweiten Gelenks ein gleichzeitiges Öffnen des Gelenkwinkels des ersten Gelenks bewirkt. Durch eine funktionelle Verbindung der Gelenke kann das Öffnen und Schließen der Segmente vereinfacht werden, wodurch der Abgasmischer auf einfache Art und Weise aus der Mischstellung in die Durchlassstellung verstellt werden kann.An advantageous further development of the exhaust gas mixer provides that opening the joint angle of the second joint results in simultaneous opening of the joint angle of the first joint. A functional connection of the joints can simplify the opening and closing of the segments, as a result of which the exhaust gas mixer can be easily adjusted from the mixing position to the open position.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Verstellaktuator über mindestens ein Verstellmittel mit einem der Gelenke verbunden ist. Als Verstellmittel ist vorzugsweise eine Welle oder ein Schieber vorgesehen, welche über den Verstellaktuator, insbesondere einen Elektromotor, aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung verstellt werden können. Dafür führt ein Ansteuern des Verstellaktuators dazu, dass der Gelenkwinkel zwischen den Segmenten vergrößert oder verkleinert wird.It is particularly preferred if the adjustment actuator is connected to one of the joints via at least one adjustment means. A shaft or a slide is preferably provided as the adjustment means, which can be adjusted from a first position to a second position via the adjustment actuator, in particular an electric motor. For this purpose, actuating the adjustment actuator means that the joint angle between the segments is increased or decreased.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasmischers ist vorgesehen, dass der Abgasmischer mehrere parallel zueinander angeordnete Mischelemente aufweist, wobei die Mischelemente jeweils ein erstes Endsegment, ein Mittelsegment und ein zweites Endsegment aufweisen. Um die Mischwirkung über den gesamten Strömungsquerschnitt des Abgaskanals zu erreichen, ist vorgesehen, dass der Abgasmischer mehrere parallel zueinander angeordnete Mischelemente aufweist.In a preferred embodiment of the exhaust gas mixer, it is provided that the exhaust gas mixer has a plurality of mixing elements arranged parallel to one another, the mixing elements each having a first end segment, a middle segment and a second end segment. In order to achieve the mixing effect over the entire flow cross section of the exhaust gas duct, it is provided that the exhaust gas mixer has a plurality of mixing elements arranged parallel to one another.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Segmente des Abgasmischers mit einer ablagerungsminimierenden Struktur oder ablagerungsminimierenden Beschichtung versehen sind. Durch eine ablagerungsminimierende Struktur, beispielsweise eine Noppenstruktur oder eine Haifischhaut-artige Struktur können Ablagerungen durch auskristallisierenden Harnstoff vermieden oder zumindest verringert werden. Dadurch wird die Gefahr verringert, dass sich der Abgaskanal im Bereich des Abgasmischers mit Ablagerungen zusetzt und somit der Strömungsquerschnitt verringert wird, was zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks und somit zu einem Anstieg des Verbrauchs führen würde.In a further improvement of the invention, it is provided that the segments of the exhaust gas mixer are provided with a structure that minimizes deposits or a coating that minimizes deposits. A deposit-minimizing structure, for example a nub structure or a sharkskin-like structure, can prevent or at least reduce deposits by crystallizing urea. This reduces the risk that the exhaust gas channel becomes clogged with deposits in the area of the exhaust gas mixer and thus the flow cross section is reduced, which would lead to an increase in the exhaust gas back pressure and thus to an increase in consumption.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasmischers ist vorgesehen, dass die Endsegmente über einen Seilzug miteinander verbunden sind. Dabei ist vorzugsweise an den Gelenken ein Führungskanal für den Seilzug vorgesehen, um die Position des Seilzugs zu fixieren und eine Beschädigung der Segmente des Abgasmischers zu vermeiden. Durch einen Seilzug kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise erreicht werden, dass die Endsegmente des Abgasmischers aufgeklappt werden, sodass der Abgasmischer in einfacher Weise verstellt werden kann.In a preferred embodiment of the exhaust gas mixer, it is provided that the end segments are connected to one another via a cable pull. In this case, a guide channel for the cable pull is preferably provided on the joints in order to fix the position of the cable pull and to avoid damaging the segments of the exhaust gas mixer. A cable pull can be used in a simple and inexpensive manner to open the end segments of the exhaust gas mixer so that the exhaust gas mixer can be adjusted in a simple manner.
Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasmischer sowie mit einem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors stromaufwärts des Abgasmischers angeordneten Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in einen Abgaskanal des Abgasnachbehandlungssystems und einem stromabwärts des Abgasmischers angeordneten SCR-Katalysator oder Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorgeschlagen. Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem kann sowohl eine hervorragende Durchmischung von Abgas und Reduktionsmittel erreicht werden, als auch der Strömungswiderstand reduziert werden, sodass die Abgasemissionen und der Verbrauch des Verbrennungsmotors verringert werden können.According to the invention, an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine with an exhaust gas mixer according to the invention and with a metering element arranged in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine upstream of the exhaust gas mixer for metering a reducing agent into an exhaust gas duct of the exhaust gas aftertreatment system and an SCR catalyst or particle filter with a coating for selective purposes Catalytic reduction of nitrogen oxides proposed. An exhaust gas aftertreatment system according to the invention can both achieve excellent mixing of exhaust gas and reducing agent and also reduce the flow resistance, so that the exhaust gas emissions and the consumption of the internal combustion engine can be reduced.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Öffnungswinkel der Gelenke in einem ersten Betriebszustand des Dosierelements, in welchem kein Reduktionsmittel in den Abgaskanal eindosiert wird, gegenüber den Öffnungswinkeln der Gelenke in einem zweiten Betriebszustand, in welchem Reduktionsmittel eindosiert wird, vergrößert sind.In a preferred embodiment of the exhaust gas aftertreatment system, it is provided that the opening angles of the joints in a first operating state of the metering element, in which no reducing agent is metered into the exhaust gas duct, are increased compared to the opening angles of the joints in a second operating state, in which reducing agent is metered in.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verstellaktuator über eine Signalleitung mit einem Steuergerät des Verbrennungsmotors verbunden ist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise in Abhängigkeit der Betriebssituation des Verbrennungsmotors die Stellung des Abgasmischers verstellt werden, ohne dass ein zusätzliches Steuergerät benötigt wird. In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the adjustment actuator is connected to a control unit of the internal combustion engine via a signal line. As a result, the position of the exhaust gas mixer can be adjusted in a simple manner depending on the operating situation of the internal combustion engine, without the need for an additional control unit.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage und einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und -
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasmischers mit einem Verstellaktuator und einem Verstellmittel, welches mit den Gelenken des Abgasmischers verbunden ist.
-
1 an internal combustion engine with an exhaust system and an exhaust gas aftertreatment system according to the invention; and -
2 an embodiment of an exhaust gas mixer according to the invention with an adjustment actuator and an adjustment means which is connected to the joints of the exhaust gas mixer.
Stromabwärts des Katalysators
Der Abgasmischer
In
Das Verstellelement
In der Durchlassstellung II wird die Eindosierung von Reduktionsmittel verringert oder komplett eingestellt. Dabei sind die Gelenke
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 1212
- Abgasnachbehandlungssystemaftertreatment system
- 1414
- Abgaskanalexhaust duct
- 1616
- Turbineturbine
- 1818
- Oxidationskatalysator oxidation catalyst
- 2020
- Dosierelementmetering
- 2222
- Verstellaktuatoradjustment actuator
- 2424
- Abgasmischerexhaust mixer
- 2626
- Verstellmitteladjustment
- 2828
- SCR-Katalysator SCR catalyst
- 3030
- Mischstreckemixing section
- 3232
- Abgasstromexhaust gas flow
- 3434
- Reduktionsmittelreducing agent
- 3636
- Partikelfilter mit SCR-BeschichtungParticle filter with SCR coating
- 3838
- erstes Endsegment first end segment
- 4040
- erstes Gelenkfirst joint
- 4242
- Mittelsegmentmiddle segment
- 4444
- zweites Gelenksecond joint
- 4646
- zweites Endsegmentsecond end segment
- 4848
- Signalleitung signal line
- 5050
- Steuergerätcontrol unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102010045156 A1 [0006]DE 102010045156 A1 [0006]
- DE 102015011410 A1 [0007]DE 102015011410 A1 [0007]
- DE 102015201378 A1 [0008]DE 102015201378 A1 [0008]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GULDE & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWALTSKANZL, DE |
|
R163 | Identified publications notified |