DE102018200326A1 - aftertreatment system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasstrang (12) eines Abgasnachbehandlungssystems (10) für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen. Der Abgasstrang (12) umfasst ein Abgasrohr (60), welches einen SCR-Katalysator (14) umfasst und in welches mittels eines Dosiermoduls (18) ein Betriebs-/Hilfsstoff (76) eindosiert wird. Das Abgasrohr (60) umfasst eine im Eindosierungsbereich (80) des Betriebs-/Hilfsstoffes (76) angeordnete elektrisch beheizte Wandfläche (68)

Figure DE102018200326A1_0000
The invention relates to an exhaust gas line (12) of an exhaust aftertreatment system (10) for self-igniting internal combustion engines. The exhaust gas line (12) comprises an exhaust pipe (60) which comprises an SCR catalytic converter (14) and into which an operating / auxiliary substance (76) is metered in by means of a metering module (18). The exhaust pipe (60) comprises an electrically heated wall surface (68) arranged in the metering region (80) of the operating / auxiliary substance (76).
Figure DE102018200326A1_0000

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasstrang eines Abgasnachbehandlungssystems für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen, auf ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasstrangs eines Abgasnachbehandlungssystems sowie auf eine Verwendung des Abgasstrangs.The invention relates to an exhaust system of an exhaust aftertreatment system for self-igniting internal combustion engines, to a method for operating an exhaust system of an exhaust aftertreatment system and to a use of the exhaust system.

Stand der TechnikState of the art

Die selektive katalytische Reduktion (SCR) der Stickoxide im Abgas selbstzündender Kraftmaschinen ist Stand der Technik. Dabei können bei niedrigen Temperaturen in der Abgasanlage Probleme durch eine unvollständige Verdampfung des Betriebs-/Hilfsstoffes auftreten, die unter anderem die Bildung von Ablagerungen zur Folge haben, bis hin zur Verblockung der Abgasanlage sowie Korrosion von Komponenten der Abgasanlage. Des Weitern verhindert die zum Verdampfen des Betriebs-/Hilfsstoffes benötigte Mindesttemperatur des Abgases von ca. 200°C den Einsatz eines SCR-Katalysators bei niedrigen Abgastemperaturen, die insbesondere direkt nach dem Start der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine auftreten, ebenso wie möglicherweise auch bei deren niedrigen Motorlastpunkten oder -Bereichen. Dadurch bestehen Schwierigkeiten, die Grenzwerte, die mit einer zukünftig einhergehenden Abgasgesetzgebung vorgegebenen werden können, einzuhalten.The selective catalytic reduction (SCR) of the nitrogen oxides in the exhaust gas of self-igniting engines is state of the art. In this case, at low temperatures in the exhaust system problems due to incomplete evaporation of the operating / auxiliary substance occur, which among other things have the formation of deposits result, to the blocking of the exhaust system and corrosion of components of the exhaust system. Furthermore, the minimum temperature of the exhaust gas of about 200 ° C. required for evaporating the operating / auxiliary substance prevents the use of an SCR catalytic converter at low exhaust gas temperatures, which occur in particular directly after the start of the self-igniting internal combustion engine, and possibly also at their low engine load points or ranges. As a result, there are difficulties to comply with the limit values that can be specified with future emissions legislation.

Eine bekannte Abhilfemaßnahme gegen zu niedrige Abgastemperaturen stellt die Verwendung eines elektrisch beheizten Katalysators dar, der das Abgas über seinen gesamten Querschnitt aufheizt. Nachteil dieser Vorgehensweise ist die sehr hohe benötigte elektrische Leistung, das Auftreten sehr hoher Herstellkosten und die beschränkte Lebensdauer des Katalysators.A known remedy against low exhaust gas temperatures is the use of an electrically heated catalyst which heats the exhaust gas over its entire cross section. Disadvantage of this procedure is the very high electrical power required, the occurrence of very high production costs and the limited life of the catalyst.

In einer Weiterentwicklung des beheizten SCR-Katalysators wird lediglich ein Teilstrom des Abgases durch den Katalysator gelenkt und aufgeheizt, so dass nicht mehr der gesamte Abgasstrom aufgeheizt werden muss. Dadurch wird der Bedarf an elektrischer Leistung reduziert, ferner kann eine Reduktion der Baugröße des Katalysators erreicht werden, was sich auch auf Kosten und Lebensdauer positiv auswirken kann. Hingegen ist die Entnahme und Wiedereinleitung des Teilstromes des Abgases sehr aufwendig und fordert zusätzliche Maßnahmen.In a further development of the heated SCR catalyst, only a partial flow of the exhaust gas is directed through the catalyst and heated, so that no longer the entire exhaust gas flow must be heated. As a result, the need for electrical power is reduced, and a reduction in the size of the catalyst can be achieved, which can also have a positive effect on costs and service life. By contrast, the removal and re-introduction of the partial flow of the exhaust gas is very expensive and requires additional measures.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Abgasstrang eines Abgasnachbehandlungssystems für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Abgasrohr, welches einen SCR-Katalysator umfasst und in welches mittels eines Dosiermoduls ein Betriebs-/Hilfsstoff eindosiert wird, vorgeschlagen, wobei das Abgasrohr eine im Eindosierungsbereich des Betriebs-/Hilfsstoffes angeordnete elektrisch beheizte Wandfläche umfasst.According to the invention, an exhaust system of an exhaust aftertreatment system for internal combustion engines with an exhaust pipe, which comprises an SCR catalyst and in which by means of a dosing an operating / excipient is metered proposed, wherein the exhaust pipe comprises a arranged in the dosing of the operating / auxiliary electrically heated wall surface ,

Im Vergleich zu Abgasnachbehandlungssystemen, die einen beheizten Katalysator einsetzen, kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene am Abgasrohr im Bereich der Eindosierungsstelle des Betriebs-/Hilfsstoffes angeordnete elektrisch beheizte Wandfläche, die als Verdampfer dient, ein deutlich geringerer elektrischer Energieverbrauch realisiert werden, da eine relativ geringe Beheizung des Abgasstroms realisiert wird. Infolge einer kleinen beheizten Fläche ist der bauliche Aufwand relativ gering und eine direkte Integration der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in das Abgasnachbehandlungssystem einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine möglich. Die oben stehend aufgetretenen Probleme bezüglich der Haltbarkeit und der Korrosion können vermieden werden.Compared to exhaust aftertreatment systems that use a heated catalyst, can be realized by the present invention proposed on the exhaust pipe in the dosing of the operating / excipient electrically heated wall surface, which serves as an evaporator, a significantly lower electrical energy consumption, since a relatively low heating the exhaust gas flow is realized. As a result of a small heated surface, the structural complexity is relatively low and a direct integration of the proposed solution according to the invention in the exhaust aftertreatment system of a self-igniting internal combustion engine possible. The above problems with durability and corrosion can be avoided.

In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegt die elektrisch beheizte Wandfläche in einem Bereich einer Rohrwand des Abgasrohres im Abgasstrang, der in einer reduzierten Wandstärke ausgeführt ist. Dadurch kann ein möglichst schnelles Aufheizen erreicht werden, wobei ein bevorzugter Wert wie die reduzierte Wandstärke zwischen 0,3 mm und 1 mm, bevorzugt bei etwa 0,5 mm liegt. Da diese relativ dünne Wandstärke nur auf einer beschränkten Fläche der Rohrwand möglich ist, kann die mechanische Stabilität des Abgasrohres von den Bereichen außerhalb der als Verdampfer wirkenden elektrisch beheizten Fläche übernommen werden. Im Bereich der elektrisch beheizten Wandfläche ist eine thermische Isolierung mit integriertem mechanischem Schutz gegen Beschädigungen von außen sehr vorteilhaft. Insbesondere wird vorgeschlagen, die elektrisch beheizte Wandfläche von der Außenseite der Rohrwand des Abgasrohrs her zu beheizen. Dadurch ist die eigentliche Beheizung in Gestalt eines elektrischen Heizers durch die Rohrwand des Abgasrohres getrennt. Dadurch entfällt einerseits der Bedarf für eine Stromdurchführung durch die Rohrwand des Abgasrohres, andererseits ist der Heizleiter, der die elektrisch beheizte Wandfläche temperiert, vor Korrosion geschützt.In an advantageous development of the solution proposed according to the invention, the electrically heated wall surface lies in a region of a pipe wall of the exhaust pipe in the exhaust gas line, which is embodied in a reduced wall thickness. This allows the fastest possible heating to be achieved, with a preferred value such as the reduced wall thickness between 0.3 mm and 1 mm, preferably about 0.5 mm. Since this relatively thin wall thickness is possible only on a limited area of the pipe wall, the mechanical stability of the exhaust pipe can be taken over by the areas outside the electrically heated area acting as evaporator. In the area of the electrically heated wall surface, thermal insulation with integrated mechanical protection against damage from the outside is very advantageous. In particular, it is proposed to heat the electrically heated wall surface from the outside of the pipe wall of the exhaust pipe. As a result, the actual heating in the form of an electric heater is separated by the pipe wall of the exhaust pipe. This eliminates the one hand, the need for a current feedthrough through the pipe wall of the exhaust pipe, on the other hand, the heating element, which tempered the electrically heated wall surface, protected against corrosion.

In vorteilhafter Weise verläuft auf der Außenseite der Rohrwand in der elektrisch beheizten Wandfläche mindestens ein elektrischer Heizleiter derart, dass dieser im Wesentlichen mäanderförmig verläuft und dadurch die in reduzierter Wandstärke ausgeführte elektrisch beheizte Wandfläche der Rohrwand des Abgasrohres äußerst effektiv beheizt.In an advantageous manner, at least one electrical heating conductor runs on the outside of the tube wall in the electrically heated wall surface in such a way that it substantially meandering and thereby extremely effectively heats the electrically heated wall surface of the tube wall of the waste gas pipe which is designed in reduced wall thickness.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist die elektrisch beheizte Wandfläche in der Rohrwand des Abgasrohres so beschaffen, dass dieser einen Winkelbereich zwischen 0° bis 180° überstreicht. Die Größe der Wandfläche orientiert sich dabei am Auftreffbereich des Sprühnebels aus dem Dosiermodul, insbesondere dessen Injektor. Die Anwendung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist auch in Systemen möglich, bei denen die Injektion des Betriebs-/Hilfsstoffes in einem Bereich der Abgasanlage erfolgt, der deutlich von der Form eines Rohres abweicht, so zum Beispiel in die Verdickung eines Abgasrohres in Form einer Mischkammer. In a further development of the solution proposed according to the invention, the electrically heated wall surface in the pipe wall of the exhaust pipe is such that it covers an angle range between 0 ° and 180 °. The size of the wall surface is oriented at the impact area of the spray from the metering module, in particular its injector. The application of the proposed solution according to the invention is also possible in systems in which the injection of the operating / auxiliary substance takes place in a region of the exhaust system which deviates significantly from the shape of a pipe, for example in the thickening of an exhaust pipe in the form of a mixing chamber.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasstrangs eines Abgasnachbehandlungssystems mit nachfolgenden Verfahrensschritten:

  • a) Messung der Temperatur der als Verdampfer elektrisch beheizten Wandfläche mittels eines Temperatursensors oder durch Auswertung des elektrischen Widerstandes des Heizleiters,
  • b) Einstellung der Temperatur der elektrisch beheizten Wandfläche auf eine Temperatur zwischen 200°C und 280°C, bevorzugt 250°C, um ein Maximum an Wärme an den Betriebs-/Hilfsstoff zu übertragen, oder
  • c) Einstellung der Temperatur der elektrisch beheizten Wandfläche auf einer Temperatur oberhalb von 250°C, um eine Sekundärzerstäubung des Betriebs-/Hilfsstoffes im Strömungsquerschnitt des Abgasrohres zu erreichen.
In addition, the invention relates to a method for operating an exhaust system of an exhaust aftertreatment system with the following method steps:
  • a) measurement of the temperature of the electrically heated as evaporator wall surface by means of a temperature sensor or by evaluation of the electrical resistance of the heating element,
  • b) setting the temperature of the electrically heated wall surface to a temperature between 200 ° C and 280 ° C, preferably 250 ° C, to transfer a maximum of heat to the operating / auxiliary substance, or
  • c) setting the temperature of the electrically heated wall surface at a temperature above 250 ° C in order to achieve a secondary atomization of the operating / auxiliary substance in the flow cross-section of the exhaust pipe.

Von Vorteil ist es, die Temperatur der als Verdampfer wirkenden elektrisch beheizten Fläche zum Beispiel auf 250°C zu beschränken, damit die elektrisch erzeugte Heizleistung effektiv auf die Tropfen des Betriebs-/Hilfsstoffes übertragen werden kann. Damit kann dem Leidenfrost-Effekt entgegengetreten werden, wonach sich bei hohen Temperaturen zwischen den Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes und der als Verdampfer wirkenden elektrisch beheizten Wandfläche des Abgasrohrs ein Dampfpolster bildet, so dass die Tropfen des Betriebs-/Hilfsstoffes zum großen Teil abprallen und nur wenig Energie aus der als Verdampfer wirkenden elektrisch beheizten Fläche auf die Tropfen des Betriebs-/Hilfsstoffes übertragen wird.It is advantageous to limit the temperature of the electrically heated surface acting as evaporator, for example, to 250 ° C, so that the electrically generated heating power can be effectively transferred to the drops of the operating / auxiliary substance. Thus, the Leidenfrost effect can be counteracted, according to which forms at high temperatures between the droplets of the operating / auxiliary material and acting as an evaporator electrically heated wall surface of the exhaust pipe, a vapor cushion, so that the drops of the operating / auxiliary material bounce to a large extent and only little energy is transferred from the acting as an evaporator electrically heated surface on the drops of the operating / auxiliary material.

Andererseits besteht die Möglichkeit, gemäß Verfahrensschritt c) zu verfahren und die als Verdampfer wirkende elektrisch beheizte Wandfläche auf relativ hohen Temperaturen zu bringen, um eine gute Sekundärzerstäubung der Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes auf der als Verdampfer wirkenden beheizten Fläche zu erreichen, um zum Beispiel eine möglich gleichmäßige Verteilung des Betriebs-/Hilfsstoffes über den Strömungsquerschnitt des Abgasrohres zu erreichen.On the other hand, it is possible to proceed according to process step c) and to bring the acting as an evaporator electrically heated wall surface at relatively high temperatures in order to achieve a good secondary atomization of the droplets of the operating / auxiliary material acting on the evaporator heated surface, for example to achieve a possible uniform distribution of the operating / auxiliary material over the flow cross-section of the exhaust pipe.

Bei Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens liegt die Temperatur gemäß Verfahrensschritt c) in einem Temperaturbereich zwischen 320°C und 370°C. In Ergänzung zur Beeinflussung der Temperatur der als Verdampfer wirkenden elektrisch beheizten Wandfläche kann es auch nützlich sein, die Geschwindigkeit der Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes aus dem Dosiermodul in den Strömungsquerschnitt des Abgasrohres zu beeinflussen.In a further development of the method proposed according to the invention, the temperature in process step c) is in a temperature range between 320 ° C. and 370 ° C. In addition to influencing the temperature of the acting as an evaporator electrically heated wall surface, it may also be useful to influence the speed of the droplets of the operating / auxiliary material from the dosing into the flow cross section of the exhaust pipe.

Eine Beeinflussung der Geschwindigkeit kann durch Druckvariation am Dosiermodul erfolgen, wobei bei einem erhöhten Druck im Dosiermodul die Austrittsgeschwindigkeit des Betriebs-/Hilfsstoffes erhöht wird, was zu einer verbesserten Zerstäubung des Betriebs-/Hilfsstoffes führt. Bei den momentan am Markt verfügbaren Versorgungsteilen liegen die Obergrenzen für den Druck zum Beispiel bei 5 bar oder 9 bar, wobei in Zukunft möglicherweise auch Versorgungsteile mit höherem Maximaldruck von bis zu 25 bar und mehr zur Verfügung stehen können.Influencing the speed can be achieved by pressure variation at the metering module, wherein at an increased pressure in the metering module, the exit speed of the operating / auxiliary substance is increased, which leads to an improved atomization of the operating / auxiliary substance. In the case of the supply parts currently available on the market, the upper limits for the pressure are, for example, 5 bar or 9 bar, although in the future supply parts with a higher maximum pressure of up to 25 bar and more may also be available.

Daneben besteht dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren weiter folgend die Möglichkeit, die Austrittsgeschwindigkeit der Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes aus dem Dosiermodul durch einen niedrigen Druck am Dosiermodul zu verringern, wodurch die Verdampfung des Betriebs-/Hilfsstoffes begünstigt wird. Eine Untergrenze für den Druck liegt beispielsweise bei 1,5 bar. Insgesamt gesehen ist ein möglichst großer Bereich für den Druck anzustreben.In addition, the method proposed according to the invention further comprises the possibility of reducing the exit velocity of the droplets of the operating / auxiliary substance from the dosing module by a low pressure on the dosing module, whereby the evaporation of the operating / auxiliary substance is favored. A lower limit for the pressure is for example 1.5 bar. Overall, the largest possible area for printing should be sought.

Schließlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung des Abgasstranges in einem Abgasnachbehandlungssystem für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine.Finally, the present invention relates to the use of the exhaust line in an exhaust aftertreatment system for a self-igniting internal combustion engine.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind vor allem darin zu erblicken, dass im Vergleich zu einem Abgasnachbehandlungssystem ohne Heizkatalysator eine Verdampfung des Betriebs-/Hilfsstoffes bei niedrigen Abgastemperaturen erfolgt, was wiederum die Ausbildung von Ablagerungen vermeidet sowie auftretende Korrosion im Bereich der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche. Damit kann die Reduktion von NOx auch bei niedrigen Abgastemperaturen sichergestellt werden. Im Vergleich zu Abgasnachbehandlungssystemen, bei denen der SCR-Katalysator beheizt wird, kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ein deutlich verringerter elektrischer Energieverbrauch erreicht werden, da der Abgasstrom im Abgasrohr relativ gering beheizt wird. Es lässt sich ein wesentlich geringerer baulicher Aufwand infolge einer kleiner ausgelegten elektrisch beheizten Fläche erzielen, so dass eine direkte Integration der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung in ein Abgasnachbehandlungssystem möglich wird. Des Weiteren lassen sich durch die bei Lösung gemäß des Standes der Technik aufgetretenen Probleme vermeiden, dahingehend, dass die Haltbarkeit verbessert wird und Korrosion gar nicht auftritt.The advantages of the present invention are mainly to be seen in that compared to an exhaust aftertreatment system without heating catalyst evaporation of the operating / auxiliary material takes place at low exhaust gas temperatures, which in turn avoids the formation of deposits and corrosion occurring in the area serving as an evaporator electrically heated wall surface. Thus, the reduction of NOx can be ensured even at low exhaust gas temperatures. Compared to exhaust aftertreatment systems, in which the SCR catalyst is heated, a significantly reduced electrical energy consumption can be achieved by the proposed solution according to the invention, since the exhaust gas flow in the exhaust pipe is heated relatively low. It can be a significantly lower construction costs due to a achieve smaller designed electrically heated area, so that a direct integration of the proposed invention solution in an exhaust aftertreatment system is possible. Furthermore, the problems encountered in the solution according to the prior art can be avoided in that the durability is improved and corrosion does not occur at all.

Aufgrund des Umstandes, dass die elektrisch beheizte Wandfläche von der Außenseite des Abgasrohrs her beheizt wird, entfällt das Erfordernis einer Stromdurchführung durch die Rohrwand des Abgasrohres, so dass der auf der elektrisch beheizten Wandfläche angeordnete Heizleiter dauerhaft vor Korrosion geschützt ist.Due to the fact that the electrically heated wall surface is heated from the outside of the exhaust pipe forth, eliminates the need for a current feed through the pipe wall of the exhaust pipe, so that the arranged on the electrically heated wall heating element is permanently protected from corrosion.

Bezüglich der Temperaturmessung der elektrisch beheizten Wandfläche des Abgasrohres ist als Vorteil zu nennen, dass eine Temperaturmessung nicht durch einen separaten, ein diskretes Bauteil darstellenden Temperatursensor erfolgt, sondern dass zur Einsparung dieses Temperatursensors der elektrische Widerstand des Heizleiters ausgewertet werden kann, da dieser im Allgemeinen temperaturabhängig ist, wobei die Auswertung dahingehend erfolgt, dass der Widerstand aus angelegter Spannung und der Stromstärke bestimmt wird. Alternativ dazu kann die Heizleistung auch ohne Temperatursignal aufgrund von Kennfeldern gesteuert werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von Abgastemperatur, Motorluft, Massenstrom sowie aktuell eingestellter Dosiermenge des Betriebs-/Hilfsstoffes.With regard to the temperature measurement of the electrically heated wall surface of the exhaust pipe is to mention as an advantage that a temperature measurement is not carried out by a separate, a discrete component performing temperature sensor, but that can be evaluated to save this temperature sensor, the electrical resistance of the heating, since this is generally temperature-dependent is, wherein the evaluation is made so that the resistance of the applied voltage and the current is determined. Alternatively, the heating power can be controlled without temperature signal due to maps, for example, depending on the exhaust gas temperature, engine air, mass flow and currently set dosing of the operating / auxiliary material.

Figurenlistelist of figures

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. With reference to the drawing, the invention will be described below in more detail.

Es zeigt:

  • 1 die Komponenten eines Abgasnachbehandlungssystems einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine und
  • 2 eine Detaildarstellung des Abgasrohres des Abgasstranges eines Abgasnachbehandlungssystems mit einer exemplarisch angedeuteten elektrisch beheizten Wandfläche.
It shows:
  • 1 the components of an exhaust aftertreatment system of a self-igniting internal combustion engine and
  • 2 a detailed representation of the exhaust pipe of the exhaust line of an exhaust aftertreatment system with an exemplified electrically heated wall surface.

Ausführungsvariantenvariants

1 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem 10 für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine. 1 shows an exhaust aftertreatment system 10 for a self-igniting internal combustion engine.

Das Abgasnachbehandlungssystem 10 umfasst einen Abgasstrang 12, in dem ein SCR-Katalysator 14 enthalten ist. Der SCR-Katalysator arbeitet gemäß des Prinzips der selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Verfahren). In einem Abgasstrom 16, der den Abgasstrang 12 durchströmt, wird über ein Dosiermodul 18 ein Betriebs-/Hilfsstoff eindosiert, bevorzugt in Art eines feine Tröpfchen enthaltenen Sprühnebels in diesen eingebracht. Bei dem Betriebs-/Hilfsstoff handelt es sich insbesondere um ein unterhalb von -11°C Außentemperatur gefrierende Harnstoff-Wasser-Lösung, die unter dem Handelsnamen AdBlue® bekannt ist.The exhaust aftertreatment system 10 includes an exhaust system 12 in which an SCR catalyst 14 is included. The SCR catalyst operates according to the principle of selective catalytic reduction (SCR process). In an exhaust gas flow 16 that the exhaust tract 12 flows through, is via a dosing 18 an operating / excipient metered, preferably introduced in the manner of a fine droplets contained spray into this. The operating / auxiliary substance is, in particular, a urea-water solution freezing below -11 ° C. outside temperature, which is known under the trade name AdBlue®.

Wie aus 1 hervorgeht, wird beispielsweise das Dosiermodul 18 über einen Kühlfluidkreislauf 20 der Verbrennungskraftmaschine temperiert. Der Eindosierungsstelle des Betriebs-/Hilfsstoffes durch das Dosiermodul 18 ist ein erster Temperatursensor 22 vorgeschaltet. Über eine Druckleitung 24, die durch eine im Allgemeinen elektrisch ausgeführte Heizung 26 beheizbar ist, wird das Dosiermodul 18 vom Versorgungsteil 28 mit dem Betriebs-/Hilfsstoff zur Eindosierung versorgt.How out 1 shows, for example, the dosing 18 via a cooling fluid circuit 20 the internal combustion engine tempered. The dosing point of the operating / auxiliary substance through the dosing module 18 is a first temperature sensor 22 upstream. Via a pressure line 24 by a generally electrically running heater 26 is heated, the dosing is 18 from the supply part 28 supplied with the operating / auxiliary substance for metering.

Das Abgasnachbehandlungssystem 10 umfasst darüber hinaus ein Steuergerät 30. Wie aus 1 weiter hervorgeht, steht das Versorgungsteil 28 über eine Rücklaufleitung 32 mit einem Vorratstank 36 in Verbindung. Im Vorratstank 36 wird der gefrierfähige Betriebs-/Hilfsstoff bevorratet. Der Flüssigkeitsstand innerhalb des Vorratstankes 36 wird durch einen Füllstandssensor 38 ermittelt. Im Boden des Vorratsbehälters 36 zweigt eine Saugleitung 34, die ebenso wie die Rücklaufleitung 32 durch eine bevorzugt als elektrische Heizung 26 ausgebildete Heizung bei Heizluft, ab. Die Temperatur des im Vorratstank 36 bevorrateten Betriebs-/Hilfsstoffes wird durch einen Temperatursensor 40 erfasst. Der Vorratstank 36 wird über eine Heizleitung 42 beheizt, so dass der in diesem aufgenommene Betriebs-/Hilfsstoff nicht gefriert.The exhaust aftertreatment system 10 also includes a controller 30 , How out 1 continues to show, is the supply part 28 via a return line 32 with a storage tank 36 in connection. In the storage tank 36 the freezer is stored. The fluid level inside the storage tank 36 is through a level sensor 38 determined. In the bottom of the storage tank 36 branches a suction line 34 as well as the return line 32 by a preferred as an electric heater 26 trained heating with heating air, from. The temperature of the storage tank 36 stocked operational / Hilfsstoffes is by a temperature sensor 40 detected. The storage tank 36 is via a heating cable 42 heated, so that in this recorded operating / auxiliary material does not freeze.

Das Steuergerät 30 des Abgasnachbehandlungssystems 10 umfasst eine Anzahl von Sensoranschlüssen 44, ebenso wie eine Anzahl von Aktuatoranschlüssen 46. Über die Sensoranschlüsse 44 bzw. die Aktuatoranschlüsse 46 werden die einzelnen Komponenten, so zum Beispiel das Dosiermodul 18 gesteuert und Füllstände bzw. Temperaturen erfasst. Das Steuergerät 30 kommuniziert über einen ersten CAN-Bus 48 mit der Verbrennungskraftmaschine und nutzt einen zweiten CAN-Bus 50 zu Diagnosezwecken.The control unit 30 the exhaust aftertreatment system 10 includes a number of sensor ports 44 as well as a number of actuator connections 46 , About the sensor connections 44 or the actuator connections 46 become the individual components, so for example the dosing module 18 controlled and detected levels or temperatures. The control unit 30 communicates via a first CAN bus 48 with the internal combustion engine and uses a second CAN bus 50 for diagnostic purposes.

Aus der Darstellung gemäß 1 geht des Weiteren hervor, dass stromab des SCR-Katalysators 14 im Abgasstrang 12 der Verbrennungskraftmaschine ein zweiter Temperatursensor 52 angeordnet ist, dem wiederum ein NOx-Sensor 54 nachgeschaltet ist.From the illustration according to 1 further notes that downstream of the SCR catalyst 14 in the exhaust system 12 the internal combustion engine, a second temperature sensor 52 is arranged, in turn, a NOx sensor 54 is connected downstream.

2 zeigt die Darstellung einer als Verdampfer wirkenden elektrisch beheizten Fläche in der Rohrwand 64 eines Abgasrohres 60. 2 shows the representation of acting as an evaporator electrically heated surface in the pipe wall 64 an exhaust pipe 60 ,

Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass im Abgasstrang 12 des Abgasnachbehandlungssystems 10 ein Abgasrohr 60 enthalten ist. Das Abgasrohr 60 ist symmetrisch zu seiner Symmetrieachse 74 ausgebildet und begrenzt einen Strömungsquerschnitt 62. Das Abgasrohr 60 ist durch eine Rohrwand 64 gebildet und wird vom Abgasstrom 16 in Strömungsrichtung 66 passiert. In der Rohrwand 64 des Abgasrohres 60 ist eine als Verdampfer wirkende elektrisch beheizbare Wandfläche 68 ausgebildet. Diese erstreckt sich in Umfangsrichtung 72 entlang der Rohrwand 64. Die in 2 angedeutete, entsprechend der Krümmung der Rohrwand 64 des Abgasrohres 60 gekrümmte elektrisch beheizbare Wandfläche 68 erstreckt sich in der in 2 dargestellten Ausführungsvariante von 0° bis etwas mehr als 90°, d.h. entsprechend eines Viertel Kreisbogens, wobei Bereiche bis zu ca. einem halben Kreisbogen von ca. 180° auftreten können. The representation according to 2 can be seen that in the exhaust system 12 the exhaust aftertreatment system 10 an exhaust pipe 60 is included. The exhaust pipe 60 is symmetrical to its axis of symmetry 74 designed and limits a flow cross-section 62 , The exhaust pipe 60 is through a pipe wall 64 is formed and is from the exhaust stream 16 in the flow direction 66 happens. In the pipe wall 64 of the exhaust pipe 60 is an electrically heatable wall surface acting as an evaporator 68 educated. This extends in the circumferential direction 72 along the pipe wall 64 , In the 2 indicated, according to the curvature of the pipe wall 64 of the exhaust pipe 60 curved electrically heated wall surface 68 extends into the in 2 illustrated embodiment of 0 ° to slightly more than 90 °, ie corresponding to a quarter circular arc, with areas up to about half a circular arc of about 180 ° can occur.

2 ist zu entnehmen, dass sich auf einer Außenseite 82 der Rohrwand 64 auf der elektrisch beheizten Wandfläche 68 ein Heizleiter befindet. Dieser ist beispielsweise in Form eines mehrere Bögen beschreibenden Mäanders ausgebildet, so dass die elektrisch beheizte Wandfläche 68 möglichst vollflächig von der Außenseite 82 her beheizbar ist. In vorteilhafter Weise und um ein möglichst schnelles Aufheizen zu ermöglichen, ist es nützlich, die Rohrwand 64 des Abgasrohres 60 in dem Bereich, in dem die elektrisch beheizte Wandfläche 68 ausgebildet ist, besonders dünn zu gestalten. Die Wanddicke der Rohrwand 64 des Abgasrohres 60 beträgt in dem Bereich, in dem die elektrisch beheizte Wandfläche 68 ausgebildet ist, eine Wandstärke zwischen 0,3 mm und 1 mm, bevorzugt 0,5 mm. Da diese dünne Wandstärke der Rohrwand 64 nur aus einer beschränkten Fläche nötig ist, kann die mechanische Stabilität des Abgasrohres 60 an den Bereichen außerhalb der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche 68 übernommen werden. Im Bereich der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche 68 ist eine Isolierung mit integriertem mechanischem Schutz gegen Beschädigung von der Außenseite 82 her besonders vorteilhaft. 2 it can be seen that on an outside 82 the pipe wall 64 on the electrically heated wall surface 68 a heating conductor is located. This is designed, for example, in the form of a meander describing a plurality of bows, so that the electrically heated wall surface 68 as completely as possible from the outside 82 is heated ago. In an advantageous manner and to allow the fastest possible heating, it is useful to the pipe wall 64 of the exhaust pipe 60 in the area where the electrically heated wall surface 68 is designed to be particularly thin. The wall thickness of the pipe wall 64 of the exhaust pipe 60 is in the range in which the electrically heated wall surface 68 is formed, a wall thickness between 0.3 mm and 1 mm, preferably 0.5 mm. Because this thin wall thickness of the pipe wall 64 Only from a limited area is necessary, the mechanical stability of the exhaust pipe 60 at the areas outside of serving as an evaporator electrically heated wall surface 68 be taken over. In the area of serving as an evaporator electrically heated wall surface 68 is an insulation with integrated mechanical protection against damage from the outside 82 ago particularly advantageous.

Der Darstellung gemäß 2 ist darüber hinaus zu entnehmen, dass aus dem oberhalb des Abgasrohres 60 angeordneten Dosiermodul 18 innerhalb eines Eindosierungsbereiches 80 der Betriebs-/Hilfsstoff 76 in Form von Sprühstrahlen 78, die auf die elektrisch beheizte Wandfläche 68 gerichtet sind, eindosiert wird.The representation according to 2 In addition, it can be seen that from above the exhaust pipe 60 arranged metering module 18 within a metering area 80 the operating / auxiliary material 76 in the form of sprays 78 on the electrically heated wall surface 68 are directed, is metered.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Abgasstrang 12 bzw. das in diesem als Verdampfer wirkende elektrisch beheizte Wandfläche 68 wird gemäß den nachfolgenden Verfahrensschritten betrieben:

  • a) Messung der Temperatur der als Verdampfer elektrisch beheizten Wandfläche 68 mittels eines Temperatursensors oder durch Auswertung des elektrischen Widerstandes des Heizleiters 70,
  • b) Einstellung der Temperatur der elektrisch beheizten Wandfläche 68 auf eine Temperatur zwischen 200°C und 280°C, bevorzugt 250°C, um ein Maximum an Wärme an den Betriebs-/Hilfsstoff 76 zu übertragen, oder
  • c) Einstellung der Temperatur der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche 68 auf eine Temperatur oberhalb von 250°C, um eine Sekundärzerstäubung des Betriebs-/Hilfsstoffes 76 im Strömungsquerschnitt 62 des Abgasrohres zu erreichen.
The inventively proposed exhaust system 12 or in this acting as an evaporator electrically heated wall surface 68 is operated according to the following process steps:
  • a) Measurement of the temperature of the electrically heated as an evaporator wall surface 68 by means of a temperature sensor or by evaluation of the electrical resistance of the heating conductor 70 .
  • b) Setting the temperature of the electrically heated wall surface 68 to a temperature between 200 ° C and 280 ° C, preferably 250 ° C, to a maximum of heat to the operating / auxiliary material 76 to transfer, or
  • c) adjustment of the temperature of serving as an evaporator electrically heated wall surface 68 to a temperature above 250 ° C, to a secondary atomization of the operating / auxiliary substance 76 in the flow cross-section 62 to reach the exhaust pipe.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrensschritt c) ist von Vorteil, die Temperatur der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche 68 aus dem Beispiel 250°C zu beschränken, damit die erzeugte Heizleistung effektiv auf die Tropfen in den Sprühstrahlen 78 des Betriebs-/Hilfsstoffes 76 übertragen werden kann. Durch diese Temperaturbeschränkung kann dem Leidenfrost-Effekt Rechnung getragen werden, wonach bei hohen Temperaturen sich zwischen den Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes 76 und der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche 68 ein Dampfpolster bildet, so dass die Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes größtenteils abprallen und nur wenig Energie aus der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche 68 auf die Tröpfchen übertragen wird.In the method step c) proposed according to the invention, the temperature of the electrically heated wall surface serving as evaporator is advantageous 68 from the example 250 ° C to restrict, so that the generated heat output effectively on the drops in the spray jets 78 of the operating / auxiliary substance 76 can be transferred. This temperature limitation allows the Leidenfrost effect to be taken into account, according to which at high temperatures between the droplets of the operating / auxiliary substance 76 and serving as an evaporator electrically heated wall surface 68 forms a vapor cushion, so that the droplets of the operating / auxiliary bounce mostly and little energy from serving as an evaporator electrically heated wall surface 68 is transferred to the droplets.

Alternativ kann es nützlich sein, gemäß des Verfahrensschrittes c) die als Verdampfer dienende elektrisch beheizte Wandfläche 68 auf hohe Temperaturen zu bringen, von ca. 320°C bis 370°C, um eine gute Sekundärzerstäubung der Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes 76 aus der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche zu erreichen, damit zum Beispiel eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Betriebs-/Hilfsstoffes im Strömungsquerschnitt 62 des Abgasrohres 60 erreicht werden kann.Alternatively, it may be useful, in accordance with process step c), to use the electrically heated wall surface serving as evaporator 68 to bring high temperatures, from about 320 ° C to 370 ° C, to a good secondary atomization of the droplets of the excipient 76 to reach from serving as an evaporator electrically heated wall surface, so for example the most uniform distribution of the operating / auxiliary substance in the flow cross-section 62 of the exhaust pipe 60 can be reached.

Die Ergänzung zur Einstellung der Temperatur gemäß der Verfahrensschritte b) und alternativ c), kann nützlich sein, die Austrittsgeschwindigkeit der Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes 76 in den Sprühstrahlen 78 zu beeinflussen. Dazu bietet sich eine Druckänderung am Dosiermodul 18 an. Bei hohen Drücken am Dosiermodul 18 erhalten die Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes 76 in den Sprühstrahl 78 höhere Geschwindigkeiten, was zu einem größeren Anteil abprallender Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes 76 führt, mithin eine bessere Zerstäubung desselben im Strömungsquerschnitt 62 ermöglicht. Dagegen führt ein niedriger Druck am Dosiermodul 18 im Eindosierungsbereich 80 zu niedrigen Geschwindigkeiten der als in Sprühstrahlen 78 enthaltenen Tröpfchen des Betriebs-/Hilfsstoffes 76 und damit zu erhöhtem Wärmeübertrag aus der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche 68, was wiederum zu einer verbesserten Verdampfung führt.The supplement for adjusting the temperature according to the process steps b) and alternatively c), may be useful, the exit velocity of the droplets of the operating / auxiliary material 76 in the sprays 78 to influence. In addition a pressure change offers itself at the metering module 18 on. At high pressures on the dosing module 18 get the droplets of the operating / auxiliary material 76 in the spray 78 higher speeds, resulting in a larger proportion of rebounding droplets of the operating / auxiliary material 76 leads, therefore, a better atomization of the same in the flow cross-section 62 allows. On the other hand, a low pressure leads to the dosing module 18 in the dosing area 80 at low speeds than in spray jets 78 contained droplets of the operating / auxiliary substance 76 and thus to increased heat transfer from serving as an evaporator electrically heated wall surface 68 , which in turn leads to improved evaporation.

Zur Messung der Temperatur der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche 68 kann ein Temperatursensor verwendet werden. Bei Einsparung eben jenen Sensors kann aber auch der elektrische Widerstand des mindestens einen Heizleiters 70, der die elektrisch beheizte Wandfläche 68 von der Außenseite 82 durch das Abgasrohr 60 her beheizt ausgewertet werden. Der elektrische Widerstand ist im Allgemeinen temperaturabhängig und auswertbar dahingehend, dass der Widerstand auf angelegter Spannung und resultierender Stromstärke bestimmt werden kann. Alternativ kann die Heizleistung auch ohne Temperatursignal aufgrund von Kennfeldern gesteuert werden. Dazu bieten sich beispielsweise Kennfelder von Abgastemperatur, Motorluft, Massenstrom sowie aktuelle Dosiermenge des Betriebs-/Hilfsstoffes 76, die in das Abgasrohr 60 im Eindosierungsbereich 80 eindosiert wird, an.For measuring the temperature of serving as an evaporator electrically heated wall surface 68 a temperature sensor can be used. When saving just those sensors but can also be the electrical resistance of the at least one heat conductor 70 holding the electrically heated wall surface 68 from the outside 82 through the exhaust pipe 60 heated to be evaluated. The electrical resistance is generally temperature dependent and evaluable in that the resistance can be determined on the applied voltage and resulting current. Alternatively, the heating power can be controlled without temperature signal due to maps. This can be done, for example, maps of exhaust gas temperature, engine air, mass flow and current dosing amount of the operating / auxiliary material 76 in the exhaust pipe 60 in the dosing area 80 is metered on.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

Claims (11)

Abgasstrang (12) eines Abgasnachbehandlungssystems (10) für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen mit einem Abgasrohr (60), welches einen SCR-Katalysator (14) umfasst und in welches mittels eines Dosiermodules (18) ein Betriebs-/Hilfsstoff (76) eindosiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (60) eine in einem Eindosierungsbereich (80) des Betriebs-/Hilfsstoffes (76) angeordnete, elektrisch beheizte Wandfläche (68) umfasst.Exhaust line (12) of an exhaust aftertreatment system (10) for self-igniting internal combustion engines with an exhaust pipe (60), which comprises an SCR catalyst (14) and in which by means of a metering module (18) an operating / auxiliary material (76) is metered, characterized in that the exhaust pipe (60) comprises an electrically heated wall surface (68) arranged in a metering region (80) of the operating / auxiliary substance (76). Abgasstrang (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch beheizte Wandfläche (68) in einem Bereich einer Rohrwand (64) des Abgasrohres (60) liegt, der in reduzierter Wandstärke ausgeführt ist.Exhaust line (12) according to Claim 1 , characterized in that the electrically heated wall surface (68) is located in a region of a pipe wall (64) of the exhaust pipe (60), which is designed in reduced wall thickness. Abgasstrang (12) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierte Wandstärke der Rohrwand (64) zwischen 0,3 mm und 1,0 mm, bevorzugt 0,5 mm beträgt.Exhaust line (12) according to Claim 2 , characterized in that the reduced wall thickness of the tube wall (64) is between 0.3 mm and 1.0 mm, preferably 0.5 mm. Abgasstrang (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch beheizte Wandfläche (68) von der Außenseite (82) der Rohrwand (64) aus beheizt wird.Exhaust line (12) according to Claim 1 , characterized in that the electrically heated wall surface (68) from the outside (82) of the tube wall (64) is heated from. Abgasstrang (12) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite (82) der Rohrwand (64) ein mindestens ein elektrischer Heizleiter (70) angeordnet ist, der im Wesentlichen mäanderförmig verläuft.Exhaust line (12) according to Claim 4 , characterized in that on the outer side (82) of the tube wall (64), a at least one electrical heating conductor (70) is arranged, which extends substantially meandering. Abgasstrang (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch beheizte Wandfläche (68) in Umfangsrichtung (72) der Rohrwand (64) einen Winkelbereich von 0° bis 180° überstreicht.Exhaust line (12) according to Claim 1 , characterized in that the electrically heated wall surface (68) in the circumferential direction (72) of the tube wall (64) sweeps over an angle range of 0 ° to 180 °. Verfahren zum Betrieb eines Abgasstrangs (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Messung der Temperatur der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche (68) mittels eines Temperatursensors oder durch Auswertung des elektrischen Widerstandes mindestens eines Heizleiters (70), b) Einstellung der Temperatur der elektrisch beheizten Wandfläche (68) auf eine Temperatur zwischen 200°C und 280°C, bevorzugt 250°C, um ein Maximum an Wärme an den Betriebs-/Hilfsstoff (76) zu übertragen, oder c) Einstellung der Temperatur der als Verdampfer dienenden elektrisch beheizten Wandfläche (68) auf eine Temperatur oberhalb von 250°C, um eine Sekundärzerstäubung des Betriebs-/Hilfsstoffes (76) im Strömungsquerschnitt (62) des Abgasrohres zu erreichen.Method for operating an exhaust gas line (12) according to one of the preceding claims with the following method steps: a) measuring the temperature of the electrically heated wall surface (68) serving as evaporator by means of a temperature sensor or by evaluating the electrical resistance of at least one heating conductor (70), b) adjusting the temperature of the electrically heated wall surface (68) to a temperature between 200 ° C and 280 ° C, preferably 250 ° C, in order to transfer a maximum of heat to the operating / auxiliary substance (76), or c) setting the temperature of serving as an evaporator electrically heated wall surface (68) to a temperature above 250 ° C, to achieve a secondary atomization of the operating / auxiliary substance (76) in the flow cross-section (62) of the exhaust pipe. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur gemäß Verfahrensschritt c) in einem Temperaturbereich zwischen 320°C und 370°C liegt.Method according to Claim 7 , characterized in that the temperature according to process step c) is in a temperature range between 320 ° C and 370 ° C. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austrittsgeschwindigkeit des Betriebs-/Hilfsstoffes (76) aus dem Dosiermodul (18) in den Strömungsquerschnitt (62) des Abgasrohres (60) beeinflusst wird.Method according to Claim 7 , characterized in that an exit speed of the operating / auxiliary substance (76) from the metering module (18) in the flow cross section (62) of the exhaust pipe (60) is influenced. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei erhöhtem Druck, bevorzugt mindestens 5 bar bis 9 bar im Dosiermodul (18) die Austrittsgeschwindigkeit des Betriebs-/Hilfsstoffes (76) erhöht wird, was zu einer verbesserten Zerstäubung des Betriebs-/Hilfsstoffes (76) führt.Method according to Claim 9 , characterized in that at elevated pressure, preferably at least 5 bar to 9 bar in the dosing (18), the exit velocity of the operating / auxiliary substance (76) is increased, resulting in improved atomization of the operating / auxiliary substance (76). Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem niedrigen Druck von ca. 1,5 bar am Dosiermodul (18) die Austrittsgeschwindigkeit des Betriebs-/Hilfsstoffes (76) verringert wird, wodurch die Verdampfung des Betriebs-/Hilfsstoffes (76) begünstigt wird.Method according to Claim 9 , characterized in that at a low pressure of about 1.5 bar on the metering module (18), the exit velocity of the operating / auxiliary substance (76) is reduced, whereby the evaporation of the operating / Hilfsstoffes (76) is favored.
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