DE102019004384A1 - Device and method for cleaning exhaust gases - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (1) mit einer Abgasleitung (2) und wenigstens einer Abgasreinigungseinrichtung (3) in der Abgasleitung (2). Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases vor der wenigstens einen Abgasreinigungseinrichtung (3) eine Kühlvorrichtung für das Abgas angeordnet ist. The invention relates to a device for cleaning exhaust gases of an internal combustion engine (1) with an exhaust pipe (2) and at least one exhaust gas cleaning device (3) in the exhaust pipe (2). The device according to the invention is characterized in that a cooling device for the exhaust gas is arranged upstream of the at least one exhaust gas purification device (3) in the flow direction of the exhaust gas.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors nach der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art.The invention relates to a device for cleaning exhaust gases from an internal combustion engine according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1. In addition, the invention relates to a method for cleaning exhaust gases from an internal combustion engine according to the type defined in more detail in the preamble of
Die Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden Abgasreinigungseinrichtungen in den Abgassträngen bzw. Abgasleitungen der Verbrennungsmotoren eingesetzt, um unerwünschte Stoffe nachträglich zu oxidieren oder anderweitig umzusetzen, um so schädliche Emissionen in die Umgebung zu reduzieren. Ein typisches Beispiel für eine solche Abgasreinigungseinrichtung, ohne eine solche im Sinne der Erfindung hierauf einzuschränken, wäre zum Beispiel ein sogenannter SCR-Katalysator, also ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion. Über solche Katalysatoren kann beispielsweise durch die Zugabe von Harnstoff Stickoxid in den Abgasen reduziert werden. Ein weiteres Beispiel wäre ein Partikelfilter, insbesondere eine Dieselpartikelfilter, welcher vorwiegende Rußpartikel ausfiltert und von Zeit zu wieder „freigebrannt“ wird.The cleaning of exhaust gases from internal combustion engines is so far known from the prior art. Typically, exhaust gas purification devices are used in the exhaust gas lines or exhaust gas lines of the internal combustion engines in order to subsequently oxidize or otherwise convert undesired substances, so as to reduce harmful emissions to the environment. A typical example of such an exhaust gas purification device, without restricting it in the sense of the invention, would be, for example, a so-called SCR catalytic converter, ie a catalytic converter for selective catalytic reduction. Such catalysts can be used, for example, to reduce nitrogen oxide in the exhaust gases by adding urea. Another example would be a particle filter, in particular a diesel particle filter, which filters out predominant soot particles and is “burned free” from time to time.
Häufig sind in den Abgassystemen dabei zusätzlich zur Abgasreinigungseinrichtung Brenner angeordnet, um die Abgasreinigungseinrichtung zu regenerieren oder auf eine bestimmte Temperatur aufzuheizen oder auch auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten. In diesem Zusammenhang kann auf die
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es ferner bekannt, dass Abgasreinigungseinrichtungen, insbesondere Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion, nur in bestimmten Temperaturfenstern ideal arbeiten. So ist beispielsweise bei einem SCR-Katalysator ein Temperaturfenster mit Temperaturen von bis 450° C ideal, da dann eine optimale Umsetzung des Stickoxids stattfindet. Wird die Abgastemperatur bei höherer Last höher und steigt beispielsweise auf 600° C an, dann gehen die Raten der umgesetzten Stoffe auf ca. 60% zurück, jeweils bezogen auf die Temperatur vor dem SCR-Katalysator.It is also known from the general prior art that exhaust gas purification devices, in particular catalysts for selective catalytic reduction, only work ideally in certain temperature windows. For example, with an SCR catalytic converter, a temperature window with temperatures of up to 450 ° C is ideal, because then an optimal conversion of the nitrogen oxide takes place. If the exhaust gas temperature becomes higher with a higher load and rises to 600 ° C, for example, the rates of the reacted substances decrease to approx. 60%, in each case based on the temperature upstream of the SCR catalytic converter.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors anzugeben.The object of the present invention is to provide an improved device and an improved method for cleaning exhaust gases from an internal combustion engine.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6, bezüglich des Verfahrens aus den abhängigen Ansprüchen 8 bis 10.According to the invention, this object is achieved by a device with the features in claim 1 and a method with the features in
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasleitung und wenigstens einer Abgasreinigungseinrichtung in der Abgasleitung sieht es erfindungsgemäß vor, dass in Strömungsrichtung des Abgases vor der wenigstens einen Abgasreinigungseinrichtung eine Kühlvorrichtung für das Abgas angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, das Abgas entsprechend abzukühlen, wenn dies aufgrund einer relativ hohen Motorleistung des Verbrennungsmotors bei Temperaturen oberhalb eines vorgegebenen Temperaturgrenzwerts, welcher beim Beispiel des SCR-Katalysators bei ca. 450° C liegt, aufgeheizt worden ist. Durch die Kühlvorrichtung kann das Abgas dann entsprechend abgekühlt werden, sodass die Umsatzrate in der Abgasreinigungseinrichtung auch für diesen Betriebsfall deutlich verbessert werden kann. Ein alternative Anwendung kann das Kühlen des Abgases für einem Partikelfilter, insbesondere einem Dieselpartikelfilter sein. Dabei ist es so, dass eine solcher von Zeit zu Zeit regeneriert wird. Dabei werden angelagerte Partikel kontrolliert abgebrannt. Bei Abgastemperaturen von mehr als 600°C und nahezu vollem Partikelfilter kann es jedoch auch zu einem unkontrollierten Rußabbrand kommen, was unter anderem auch zur Bauteilschädigung führen kann. Über die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung lässt sich auch dies vermeiden.The device according to the invention for cleaning exhaust gases of an internal combustion engine with an exhaust pipe and at least one exhaust gas cleaning device in the exhaust pipe provides, according to the invention, that a cooling device for the exhaust gas is arranged upstream of the at least one exhaust gas cleaning device in the flow direction of the exhaust gas. This makes it possible to cool the exhaust gas accordingly if it has been heated up due to a relatively high engine output of the internal combustion engine at temperatures above a predetermined temperature limit, which in the example of the SCR catalytic converter is approximately 450 ° C. The exhaust gas can then be cooled accordingly by the cooling device, so that the conversion rate in the exhaust gas cleaning device can also be significantly improved for this type of operation. An alternative application can be the cooling of the exhaust gas for a particle filter, in particular a diesel particle filter. It is the case that one is regenerated from time to time. Accumulated particles are burned off in a controlled manner. At exhaust gas temperatures of more than 600 ° C and almost full particle filter, however, uncontrolled soot burn-off can also occur, which can also lead to component damage. This can also be avoided via the cooling device according to the invention.
Die Kühlvorrichtung ist dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezüglich ihrer Kühlleistung schaltbar ausgeführt. Die Kühlvorrichtung, welche beispielsweise einen Wärmetauscher oder insbesondere eine Einrichtung zur Zufuhr von Frischgas in den Abgasstrom sein kann, ist also schaltbar ausgeführt, um so die geforderte Kühlleistung bereitzustellen und die Temperatur, beispielsweise bei einer Abgastemperatur von 550° C vor einem SCR-Katalysator, als Abgasreinigungseinrichtung, auf ca. 400 bis 450° C zu reduzieren. Eine weitere Reduktion ist einerseits nicht notwendig und eine sehr starke Reduktion beispielsweise auf weniger als 250° C würde den Umsatz ebenfalls nachteilig beeinflussen. Bei einem Partikelfilter lägen die beispielhaften Temperaturen höher, z.B. bei 700° C und bei einer Reduktion auf ca. 580° C durch die Kühlung. Wie bereits erwähnt, kann die Kühlvorrichtung beispielsweise als Wärmetauscher oder ähnliches ausgebildet sein. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist die Kühlvorrichtung insbesondere als eine Vorrichtung zur Zufuhr von Frischgas ausgebildet. Eine solche Vorrichtung zur Zufuhr von Frischgas führt also Frischgas, welches also nicht Abgas des Verbrennungsmotors ist, zu. Dieses Frischgas kühlt dann das Abgas entsprechend ab. Die Vorrichtung zur Zufuhr von Frischgas kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung als Frischgaspumpe, beispielsweise als passive oder aktive elektrisch angesteuerte Frischgaspumpe, realisiert sein und/oder einen schaltbaren Bypass verdichteter Luft um den Verbrennungsmotor umfassen. Vorverdichtete Luft, welche beispielsweise über einen Turbolader verdichtet ist, kann also um den Verbrennungsmotor herum im Bypass, beispielsweise über eine invers genutzte Hochdruckabgasrückführung in den Abgasstrom gelangen, um die Temperatur des Abgases entsprechend zu reduzieren und damit dieses vor dem Einströmen in die Abgasreinigungseinrichtung entsprechend abzukühlen.According to a very advantageous development of the device according to the invention, the cooling device is switchable in terms of its cooling capacity. The cooling device, which can be, for example, a heat exchanger or, in particular, a device for supplying fresh gas into the exhaust gas stream, is designed to be switchable in order to provide the required cooling capacity and the temperature, for example at an exhaust gas temperature of 550 ° C. in front of an SCR catalytic converter, as an exhaust gas cleaning device, to be reduced to approx. 400 to 450 ° C. On the one hand, a further reduction is not necessary, and a very strong reduction, for example to less than 250 ° C., would also adversely affect sales. For a particle filter, the exemplary temperatures would be higher, for example at 700 ° C and with a reduction to approx. 580 ° C due to the cooling. As already mentioned, the cooling device can be designed, for example, as a heat exchanger or the like. According to In a very advantageous development of the idea, the cooling device is designed in particular as a device for supplying fresh gas. Such a device for supplying fresh gas thus supplies fresh gas, which is therefore not exhaust gas from the internal combustion engine. This fresh gas then cools the exhaust gas accordingly. According to a very advantageous development, the device for supplying fresh gas can be implemented as a fresh gas pump, for example as a passive or active electrically controlled fresh gas pump, and / or can comprise a switchable bypass of compressed air around the internal combustion engine. Pre-compressed air, which is compressed, for example, via a turbocharger, can thus get into the exhaust gas flow around the internal combustion engine in the bypass, for example via an inversely used high-pressure exhaust gas recirculation, in order to reduce the temperature of the exhaust gas accordingly and to cool it accordingly before it flows into the exhaust gas cleaning device ,
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Idee sieht es ferner vor, dass ein ohnehin vorhandener Brenner, welcher beispielsweise als Flammbrenner oder katalytischer Brenner ausgebildet ist und zur Regeneration von Bauteilen der Abgasreinigungseinrichtung dient, als Vorrichtung zur Zufuhr von Frischgas genutzt werden kann. Anstelle der reinen Zufuhr des frei regelbaren Frischgasstroms zum Brenner während der Verbrennung wird dieser im nicht brennenden Betrieb als Einrichtung zur Zufuhr von Frischgas genutzt, um so über die für den Brenner ohnehin vorhandene Regelung eine geregelte Menge an Frischgas zuzuführen, um die gewünschte Temperatur des Abgases im Bereich vor der Abgasreinigungseinrichtung und damit letztlich in der Abgasreinigungseinrichtung selbst einzustellen.A very advantageous further development of the idea also provides that an existing burner, which is designed, for example, as a flame burner or catalytic burner and serves to regenerate components of the exhaust gas cleaning device, can be used as a device for supplying fresh gas. Instead of the pure supply of the freely controllable fresh gas flow to the burner during the combustion, this is used in non-burning operation as a device for supplying fresh gas, in order to supply a regulated amount of fresh gas in order to achieve the desired temperature of the exhaust gas via the regulation which is already present for the burner in the area in front of the exhaust gas purification device and thus ultimately in the exhaust gas purification device itself.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit einer im Abgasstrom nach dem Verbrennungsmotor angeordneten Abgasreinigungseinrichtung sieht es dementsprechend vor, dass die der Abgasreinigungseinrichtung zuströmenden Abgase in Strömungsrichtung vor der Abgasreinigungseinrichtung abgekühlt werden, und zwar falls ihre Temperatur eine vorgegebene Temperaturgrenze überschreitet. Die Kühlung erfolgt also temperaturgesteuert, insbesondere indem gemessene Temperaturen, vorzugsweise unmittelbar vor der Abgasreinigungseinrichtung, genutzt werden, um die Kühlung, sei es eine Kühlung in einem Wärmetauscher oder die Kühlung durch die Zufuhr von Frischgas, entsprechend zu beeinflussen, um so die gewünschten Temperaturen sicherzustellen.The method according to the invention for cleaning exhaust gases of an internal combustion engine with an exhaust gas cleaning device arranged in the exhaust gas stream downstream of the internal combustion engine accordingly provides that the exhaust gases flowing to the exhaust gas cleaning device are cooled in the flow direction upstream of the exhaust gas cleaning device, specifically if their temperature exceeds a predetermined temperature limit. The cooling is therefore temperature-controlled, in particular by using measured temperatures, preferably directly in front of the exhaust gas cleaning device, to influence the cooling, be it cooling in a heat exchanger or cooling by supplying fresh gas, in order to ensure the desired temperatures ,
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Temperaturgrenze für einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion mit ca. 450° C von dem Katalysator vorgegeben wird. Diese Temperaturgrenze stellt sicher, dass bei Abgasen knapp unterhalb dieser Temperaturgrenze eine optimale Umsatzrate durch den Katalysator erzielt wird. Bei einem Partikelfilter wäre die Temperaturgrenze mit ca. 600°C vorgesehen, um so einem unkontrollierten Abbrand, insbesondere auch bei einem fast vollen Partikelfilter, zu verhindern.According to a very advantageous development of the method according to the invention, it is provided that the temperature limit for a catalyst for selective catalytic reduction is set by the catalyst at approximately 450 ° C. This temperature limit ensures that the catalytic converter achieves an optimal conversion rate for exhaust gases just below this temperature limit. In the case of a particle filter, the temperature limit would be around 600 ° C in order to prevent uncontrolled burn-up, especially when the particle filter is almost full.
Wie bereits beim vorrichtungsgemäßen Aufbau erwähnt, kann die aktive Abkühlung dabei über die Zufuhr von Frischgas erfolgen, welche vorzugsweise temperaturgeregelt erfolgt. Die Zufuhr des Frischgases kann dabei durch den Verbrennungsmotor selbst oder im Bypass um diesen herum erfolgen. Eine Alternative wäre eine aktive oder passive Frischgaspumpe, welche in Strömungsrichtung zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgasreinigungseinrichtung angeordnet ist und dort das Frischgas entsprechend zuführt. Eine aktive Frischgaspumpe könnte beispielsweise eine elektrische Pumpe sein, welche das Frischgas direkt oder über einen nicht betriebenen Brenner in das Abgas eindosiert, und zwar über eine entsprechende Temperaturregelung, um so je nach gemessener Temperatur eine entsprechende Menge an Frischgas zuzuführen. Eine Alternative könnte auch eine passive Frischgaspumpe sein, welche beispielsweise über eine Verengung der Abgasleitung in der Art eines Venturirohrs Frischgas selbsttätig ansaugt. Um die Menge des Frischgases entsprechend zu regeln, wäre hier eine hinsichtlich ihres durchströmbaren Querschnitts steuerbare Ventileinrichtung oder dergleichen notwendig, um die Frischgaszufuhr entsprechend regeln zu können und die gewünschte Temperatur vor der Abgasreinigungseinrichtung einstellen zu können.As already mentioned in the construction according to the device, the active cooling can take place by supplying fresh gas, which is preferably temperature-controlled. The fresh gas can be supplied by the internal combustion engine itself or in the bypass around it. An alternative would be an active or passive fresh gas pump, which is arranged in the flow direction between the internal combustion engine and the exhaust gas cleaning device and supplies the fresh gas there accordingly. An active fresh gas pump could be an electric pump, for example, which doses the fresh gas into the exhaust gas directly or via a burner that is not operated, specifically by means of a corresponding temperature control, in order to supply a corresponding amount of fresh gas depending on the measured temperature. An alternative could also be a passive fresh gas pump, which draws in fresh gas automatically, for example, by narrowing the exhaust line in the manner of a Venturi tube. In order to regulate the amount of fresh gas accordingly, a valve device or the like that is controllable with respect to its cross-section would be necessary in order to be able to regulate the fresh gas supply accordingly and to be able to set the desired temperature upstream of the exhaust gas cleaning device.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous refinements of the device according to the invention and of the method according to the invention also result from the remaining dependent subclaims and are clear from the exemplary embodiments which are described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Zuluftseite und Abgasseite mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer denkbaren Ausführungsform; -
2 eine schematische Darstellung einer passiven Frischgaspumpe; und -
3 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
1 a schematic representation of an internal combustion engine with supply air and exhaust side with the device according to the invention in a conceivable embodiment; -
2 a schematic representation of a passive fresh gas pump; and -
3 a representation of a further embodiment of the device according to the invention.
In der Darstellung der
Als ein erstes Beispiel, ohne sie darauf einzuschränken, soll die Abgasreinigungseinrichtung
Eine weitere in der Darstellung der
Neben den beschriebenen Optionen ist es nun auch denkbar, dass die Frischgaspumpe als passive Frischgaspumpe
Eine weitere Möglichkeit zur Zufuhr von Frischgas zur Abkühlung des Abgases ist in
Als ein weiteres Beispiel, ebenfalls ohne sie darauf einzuschränken, soll die Abgasreinigungseinrichtung
Jetzt kann es aber im motorischen Betrieb bei Volllast und volllastnahen Bereichen, dazu kommen, dass das Abgas vor dem Dieselpartikelfilter Temperaturen > 600°C entstehen. Ohne das eine Regeneration gewünscht ist und damit ohne dass ein Regenerationsbrennverfahren im Verbrennungsmotor
Die oben im Rahmen des SCR-Katalysators als Abgasreinigungseinrichtung
Des Weiteren kann man sich vorstellen, dass man über die geregelte Zufuhr von kaltem Frischgas, die Abgastemperaturen vor dem Dieselpartikelfilter auf Temperaturen regelt, die den Abgastemperaturen während einer gezielten Regeneration des Dieselpartikelfilters entsprechen. Somit könnte man die ohnehin schon vorhandenen „hohen“ Abgastemperaturen nutzen, um den Dieselpartikelfilter kontrolliert und temperaturgeregelt zu reinigen, auch außerhalb von den Zuständen, in denen das Regenerationsbrennverfahren aktiv ist.Furthermore, one can imagine that the regulated supply of cold fresh gas regulates the exhaust gas temperatures upstream of the diesel particle filter to temperatures that correspond to the exhaust gas temperatures during a specific regeneration of the diesel particle filter. Thus, one could use the already existing “high” exhaust gas temperatures in order to clean the diesel particle filter in a controlled and temperature-controlled manner, even outside of the conditions in which the regeneration combustion process is active.
Alles in allem entsteht so ein sehr einfacher und effizient funktionierender Aufbau, um eine hohe Reinigungsrate über die bzw. einen sicheren Betrieb der Abgasreinigungseinrichtung
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