DE102018215906A1 - Exhaust line for exhaust gas aftertreatment - Google Patents
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Abstract
Ein Abgasstrang (1) zur Aufnahme und Weiterleitung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (2) umfasst einen ersten Kanal (6a) und einen zweiten Kanal (6b). Der erste Kanal (6a) ist ausgebildet, einen ersten Teil der Abgase des Verbrennungsmotors (2) aufzunehmen und einem Abgasturbolader (8) zuzuführen. Der zweite Kanal (6b) ist ausgebildet, einen zweiten Teil der Abgase des Verbrennungsmotors (2) aufzunehmen und an dem Abgasturbolader (8) vorbeizuführen. An dem zweiten Kanal (6b) ist eine Einspitzvorrichtung (12) vorgesehen, die ausgebildet ist, ein Reduktionsmittel (13) in den zweiten Kanal (6b) einzuspritzen.An exhaust line (1) for receiving and forwarding exhaust gases from an internal combustion engine (2) comprises a first channel (6a) and a second channel (6b). The first channel (6a) is designed to receive a first part of the exhaust gases of the internal combustion engine (2) and to feed it to an exhaust gas turbocharger (8). The second channel (6b) is designed to receive a second part of the exhaust gases from the internal combustion engine (2) and to lead it past the exhaust gas turbocharger (8). An injection device (12) is provided on the second channel (6b) and is designed to inject a reducing agent (13) into the second channel (6b).
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang zur Aufnahme und Weiterleitung von Abgasen eines Verbrennungsmotors.The invention relates to an exhaust line for receiving and forwarding exhaust gases from an internal combustion engine.
Stand der TechnikState of the art
Zur Nachbehandlung der Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, sind SCR-Systeme („SCR“ = „Selective Catalytic Reaction“) bekannt, die eingesetzt werden, um die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide (NOx) zu reduzieren.SCR systems ("SCR" = "Selective Catalytic Reaction") are known for the aftertreatment of the exhaust gases from internal combustion engines, in particular diesel engines, which are used to reduce the nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gases.
Bei diesen Systemen wird vor einem SCR-Katalysator, der in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist, mittels eines sogenannten Dosierventils eine Harnstoffwasserlösung in den Abgasstrang eingespritzt. Durch physikalische und chemische Prozesse wird aus dem Harnstoff, der in der Wasserharnstofflösung enthalten ist, unter Einwirkung der Wärme des Abgases Ammoniak (NH3) gebildet. In einem stromabwärts der Dosierstelle angeordneten SCR-Katalysator reagiert der so gebildete Ammoniak mit den in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden (NOx) zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O). Dadurch werden die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide verringert.In these systems, a urea water solution is injected into the exhaust gas system in front of an SCR catalytic converter, which is arranged in an exhaust gas line of the internal combustion engine, by means of a so-called metering valve. Through physical and chemical processes, ammonia (NH 3 ) is formed from the urea contained in the water urea solution under the influence of the heat of the exhaust gas. In an SCR catalytic converter arranged downstream of the metering point, the ammonia thus formed reacts with the nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gases to form nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O). This reduces the nitrogen oxides contained in the exhaust gases.
In dem Abgasstrang kann auch ein Abgasturbolader (ATL) vorgesehen sein. Die Turbine des ATL wandelt die Abgasenthalpie teilweise in mechanische Leistung um, um das Verdichterrad des ATLs anzutreiben. Das so angetriebene Verdichterrad steigert die Frischluftzufuhr des Motors, was eine Erhöhung der zulässigen Kraftstoffeinspritzmenge erlaubt. Dadurch ist eine Leistungssteigerung des Motors im Vergleich zur nicht-turboaufgeladenen Aufführung möglich.An exhaust gas turbocharger (ATL) can also be provided in the exhaust line. The turbine of the ATL partially converts the exhaust gas enthalpy into mechanical power to drive the ATL's compressor wheel. The compressor wheel driven in this way increases the fresh air supply to the engine, which permits an increase in the permissible fuel injection quantity. This enables an increase in engine performance compared to the non-turbocharged version.
Ist der Abgasturbolader in der Strömungsrichtung der Abgase vor dem oder den Katalysator(en) angeordnet, hat die thermische Masse des ATLs zur Folge, dass die Betriebstemperatur des Katalysators beim Kaltstart des Verbrennungsmotors verzögert erreicht wird. Die Wärme der Abgase wird zunächst zum Teil an in die Bauteile des Abgasturboladers abgegeben, wodurch sich die Abgase abkühlen. Den stromabwärts des ATLs angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere dem SCR-Katalysator, fehlt dadurch in dieser Betriebsphase des Verbrennungsmotors die Wärme, um schnell ihre benötigte Betriebstemperatur zu erreichen. Unterhalb dieser Betriebstemperatur ist im SCR-Katalysator nur eine verringerte Reduzierung der Stickoxide möglich.If the exhaust gas turbocharger is arranged upstream of the catalytic converter (s) in the flow direction of the exhaust gases, the thermal mass of the ATL has the result that the operating temperature of the catalytic converter is reached with a delay when the internal combustion engine is cold started. The heat of the exhaust gases is initially partially released into the components of the exhaust gas turbocharger, as a result of which the exhaust gases cool down. The exhaust gas aftertreatment components arranged downstream of the ATL, in particular the SCR catalytic converter, therefore lack the heat in this operating phase of the internal combustion engine in order to quickly reach their required operating temperature. Below this operating temperature, only a reduced reduction in nitrogen oxides is possible in the SCR catalytic converter.
Wird der Abgasturbolader in der Strömungsrichtung der Abgase hinter dem Katalysator angeordnet, wird durch den von dem Katalysator bewirkten Druckverlust der Abgase stromabwärts des Katalysators die Leistung des Abgasturboladers und damit auch die Leistung des Verbrennungsmotors reduziert. Darüber hinaus können in den Abgasen verbliebene Reduktionsmittelreste eine erhöhte Korrosion des Abgasturboladers und eine vorzeitige Alterung des Öls zur Folge haben. Durch prinzipbedingte Leckagen von der Abgasseite hin zum Ölkreislaufs des ATLs können Reduktionsmittelreste das Öl kontaminieren.If the exhaust-gas turbocharger is arranged downstream of the catalytic converter in the flow direction of the exhaust gases, the pressure loss of the exhaust gases caused by the catalytic converter downstream of the catalytic converter reduces the output of the exhaust-gas turbocharger and thus also the output of the internal combustion engine. In addition, residual reducing agent remaining in the exhaust gases can result in increased corrosion of the exhaust gas turbocharger and premature aging of the oil. Due to principle-related leaks from the exhaust gas side to the oil circuit of the ATL, residues of reducing agents can contaminate the oil.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Abgasstrang zur Verfügung zu stellen, der es ermöglicht, sowohl einen Katalysator zur Abgasnachbehandlung als auch einen Abgasturbolader effizient zu betreiben.It is an object of the invention to provide an exhaust system that enables both a catalytic converter for exhaust gas aftertreatment and an exhaust gas turbocharger to be operated efficiently.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Abgasstrang, der zur Aufnahme und Weiterleitung von Abgasen eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist, einen ersten Kanal (Abgasturbolader-Kanal) und einen zweiten Kanal (Bypass-Kanal). Der erste Kanal (Abgasturbolader-Kanal) ist ausgebildet, um einen ersten Teil der Abgase des Verbrennungsmotors aufzunehmen und einem Abgasturbolader zuzuführen. Der zweite Kanal (Bypass-Kanal) ist ausgebildet, um einen zweiten Teil der Abgase des Verbrennungsmotors aufzunehmen und an dem Abgasturbolader vorbeizuführen, so dass er nicht durch den Abgasturbolader strömt. An dem zweiten Kanal ist eine Einspitzvorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, ein Reduktionsmittel in den zweiten Kanal einzuspritzen.According to one exemplary embodiment of the invention, an exhaust line, which is designed to receive and forward exhaust gases from an internal combustion engine, comprises a first channel (exhaust gas turbocharger channel) and a second channel (bypass channel). The first duct (exhaust gas turbocharger duct) is designed to receive a first part of the exhaust gases of the internal combustion engine and to supply it to an exhaust gas turbocharger. The second channel (bypass channel) is designed to receive a second part of the exhaust gases of the internal combustion engine and to bypass the exhaust gas turbocharger so that it does not flow through the exhaust gas turbocharger. An injection device is provided on the second channel and is designed to inject a reducing agent into the second channel.
In einem Abgasstrang, der gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet ist, werden die durch den ersten Kanal strömenden Abgase ohne Druckverlust in den Abgasturbolader eingespeist, so dass sie diesen effizient antreiben können.In an exhaust line, which is designed according to an exemplary embodiment of the invention, the exhaust gases flowing through the first channel are fed into the exhaust gas turbocharger without pressure loss, so that they can drive it efficiently.
Die durch den zweiten Kanal strömenden Abgase können mit hoher Temperatur, insbesondere ohne im Abgasturbolader Wärme verloren zu haben, einen stromabwärts im Abgasstrang angeordneten Katalysator erreichen. Der Katalysator wird so von den durch den zweiten Kanal strömenden Abgasen in kurzer Zeit auf seine Betriebstemperatur erhitzt. Der Katalysator kann daher auch nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors schnell mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden, so dass die geforderten Schadstoffkonvertierungsraten nach kurzer Zeit erreicht werden können.The exhaust gases flowing through the second channel can reach a catalytic converter arranged downstream in the exhaust gas line at high temperature, in particular without having lost heat in the exhaust gas turbocharger. The catalyst is thus heated to its operating temperature in a short time by the exhaust gases flowing through the second channel. The catalytic converter can therefore be operated quickly with a high degree of efficiency even after a cold start of the internal combustion engine, so that the required pollutant conversion rates can be achieved in a short time.
Dem Abgasturbolader-Kanal können, beispielsweise für eine Abgasrückführung (AGR), reduktionsmittelfreie Abgase entnommen werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass in den Abgasen enthaltenes Reduktionsmittel zu Schäden in der Abgasrückführung, insbesondere Korrosionsschäden, führt.Exhaust gas free of reducing agents can be removed from the exhaust gas turbocharger duct, for example for exhaust gas recirculation (EGR). On in this way it can be prevented that reducing agent contained in the exhaust gases leads to damage in the exhaust gas recirculation, in particular corrosion damage.
In einer Ausführungsform werden die durch den ersten Kanal und die durch den zweiten Kanal strömenden Abgase an einer Mischstelle, die stromabwärts des Abgasturboladers und der Einspitzvorrichtung ausgebildet ist, zusammengeführt. Die durch den ersten Kanal und die durch den zweiten Kanal strömenden Abgase können so gemeinsam einem (SCR-) Katalysator zugeführt werden, der stromabwärts der Mischstelle im Abgasstrang angeordnet ist. Auf diese Weise können die Stickoxide des gesamten Abgasstromes des Verbrennungsmotors effizient in einem einzigen Katalysator reduziert werden.In one embodiment, the exhaust gases flowing through the first channel and through the second channel are brought together at a mixing point which is formed downstream of the exhaust gas turbocharger and the injection device. The exhaust gases flowing through the first channel and through the second channel can thus be fed together to a (SCR) catalyst which is arranged downstream of the mixing point in the exhaust line. In this way, the nitrogen oxides of the entire exhaust gas flow of the internal combustion engine can be reduced efficiently in a single catalytic converter.
In einer Ausführungsform ist in dem zweiten Kanal stromaufwärts der Mischstelle eine verstellbare Mischklappe vorgesehen, die es ermöglicht, den Abgasstrom durch den zweiten Kanal zu drosseln. Alternativ oder zusätzlich kann eine Mischklappe in dem zweiten Kanal vorgesehen sein.In one embodiment, an adjustable mixing flap is provided in the second channel upstream of the mixing point, which makes it possible to throttle the exhaust gas flow through the second channel. Alternatively or additionally, a mixing flap can be provided in the second channel.
In einer Ausführungsform ist zusätzlich eine Steuerung vorgesehen, die ausgebildet ist, die Mischklappe(n) gezielt zu verstellen, um das Verhältnis zwischen den Abgasströmen, die durch den ersten und den zweiten Kanal strömen, auf einen vorgegebenen Wert einzustellen.In one embodiment, a control is additionally provided which is designed to specifically adjust the mixing flap (s) in order to set the ratio between the exhaust gas flows which flow through the first and the second channel to a predetermined value.
Das Verhältnis zwischen den Abgasströmen, die durch die beiden Kanäle strömen, kann auf diese Weise, insbesondere in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors und/oder des Abgasturboladers, gezielt eingestellt werden, um die Effizienz des Verbrennungsmotors und/oder der Abgasnachbehandlung zu erhöhen.The ratio between the exhaust gas flows that flow through the two channels can be specifically adjusted in this way, in particular depending on the current operating state of the internal combustion engine and / or the exhaust gas turbocharger, in order to increase the efficiency of the internal combustion engine and / or the exhaust gas aftertreatment.
Insbesondere kann in einer Startphase des Verbrennungsmotors ein großer Anteil der Abgase durch den zweiten Kanal geführt werden, um den Katalysator schnell auf seine Betriebstemperatur zu erwärmen. Nachdem der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann der durch den Abgasturbolader strömende Anteil der Abgase erhöht und der am Abgasturbolader vorbei geführte Anteil reduziert werden, um die Aufladung und damit die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.In particular, in a starting phase of the internal combustion engine, a large proportion of the exhaust gases can be led through the second channel in order to quickly heat the catalytic converter to its operating temperature. After the catalytic converter has reached its operating temperature, the portion of the exhaust gases flowing through the exhaust gas turbocharger can be increased and the portion guided past the exhaust gas turbocharger can be reduced in order to increase the supercharging and thus the performance of the internal combustion engine.
In einer Ausführungsform ist der Abgasstrang teilweise oder vollständig aus Edelstahl, z.B. 1.4301, gefertigt, um Verschleiß, insbesondere Korrosion, des Abgasstranges, durch das eingespritzte Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak gebildet aus wässriger Harnstofflösung, zu vermeiden.In one embodiment, the exhaust line is partially or entirely made of stainless steel, e.g. 1.4301, manufactured in order to avoid wear, in particular corrosion, of the exhaust line through the injected reducing agent, in particular ammonia formed from an aqueous urea solution.
In einer Ausführungsform ist der Abgasstrang teilweise oder vollständig als Blechkonstruktion, insbesondere aus Edelstahl-Blechen, ausgebildet. Eine Blechkonstruktion hat ein geringeres Gewicht und eine geringere thermische Masse als ein beispielsweise aus Grauguss ausgebildeter Abgasstrang. Auf diese Weise kann die optimale Betriebstemperatur des Katalysators noch schneller erreicht werden.In one embodiment, the exhaust line is designed partially or completely as a sheet metal construction, in particular made of stainless steel sheets. A sheet metal construction is lighter in weight and has a lower thermal mass than an exhaust line made of gray cast iron, for example. In this way, the optimal operating temperature of the catalyst can be reached even faster.
In einer Ausführungsform ist der erste Kanal innerhalb des zweiten Kanals angeordnet, d.h. der erste Kanal ist von dem zweiten Kanal umschlossen. Durch derart ineinander angeordnete Kanäle kann ein erfindungsgemäßer Abgasstrang besonders platzsparend realisiert werden. Die Anordnung ermöglicht außerdem, dass die Kanalwand, auf die die eingespritzte Wasserharnstofflösung auftrifft, durch Abgase, die auf der anderen Seite an der Kanalwand entlang strömen, aufgeheizt und warmgehalten wird. Dies begünstigt die Ammoniakbildung.In one embodiment, the first channel is located within the second channel, i.e. the first channel is enclosed by the second channel. An exhaust line according to the invention can be realized in a particularly space-saving manner by channels arranged one inside the other. The arrangement also enables the duct wall, which is struck by the injected water urea solution, to be heated and kept warm by exhaust gases that flow along the duct wall on the other side. This favors the formation of ammonia.
In einer Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor mehrere Zylinder auf, und der Auslass jedes Zylinders ist sowohl mit dem ersten Kanal als auch mit dem zweiten Kanal verbunden, so dass die Abgase jedes Zylinders sowohl in den ersten Kanal als auch in den zweiten Kanal abgegeben werden.In one embodiment, the internal combustion engine has a plurality of cylinders and the outlet of each cylinder is connected to both the first duct and the second duct, so that the exhaust gases of each cylinder are emitted into both the first duct and the second duct.
In einer Ausführungsform weist der Abgasstrang eine Abgasrückführung auf, durch die ein Teil der Abgase vor (stromaufwärts) oder hinter (stromabwärts) dem Abgasturbolader aus dem Abgasturbolader-Kanal entnommen und der Frischgasseite des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Die zurückgeführten Abgase können durch einen Kühler geführt werden, um die Abgase zu kühlen, bevor sie dem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Dadurch, dass die zurückgeführten Abgase dem reduktionsmittelfreien Teil der Abgase entnommen werden, kann vermieden werden, dass in den Abgasen enthaltenes Reduktionsmittel Schäden, insbesondere Korrosionsschäden an der Abgasrückführung und/oder am Kühler verursacht.In one embodiment, the exhaust gas line has an exhaust gas recirculation, through which a part of the exhaust gases upstream (upstream) or downstream (downstream) of the exhaust gas turbocharger is removed from the exhaust gas turbocharger duct and fed to the fresh gas side of the internal combustion engine. The recirculated exhaust gases can be passed through a cooler to cool the exhaust gases before they are fed to the internal combustion engine. Because the recirculated exhaust gases are removed from the reducing agent-free part of the exhaust gases, it can be avoided that the reducing agent contained in the exhaust gases causes damage, in particular corrosion damage, to the exhaust gas recirculation and / or to the cooler.
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Abgasstrangs werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben.Exemplary embodiments of an exhaust line according to the invention are described in more detail below with reference to the attached figure.
FigurenbeschreibungFigure description
Die Figur zeigt in einer schematischen Darstellung einen Verbrennungsmotor
Der in der Figur gezeigte Verbrennungsmotor
Der Abgaskanal
In dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Kanal
Der erste Kanal (Abgasturbolader-Kanal)
Der zweite Kanal
Stromabwärts des Abgasturboladers
An dem zweiten Kanal
Stromabwärts der Mischstelle
Stromaufwärts der Mischstelle
Es ist eine Steuerung
Die beiden Kanäle
Die Kanäle
Der in der Figur gezeigte Abgasstrang
Die in den Verbrennungsmotor
Dadurch, dass die zurückgeführten Abgase dem reduktionsmittelfreien Abgasturbolader-Strom entnommen werden, der durch den Abgasturbolader-Kanal
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |