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.

Figure DE102019004384A1_0000
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.
Figure DE102019004384A1_0000

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 claim 7.

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 DE 10 2008 032 600 A1 hingewiesen werden, bei welcher ein Brenner vorgesehen ist, welcher eine eigene Frischgaszufuhr für die Verbrennung umfasst. Die DE 10 2016 014 254 A1 beschreibt das Warmhalten eines Katalysators über einen elektrisch beheizten Luftstrom bei einem Hybridfahrzeug, wenn nicht genug Abgas mit entsprechend hoher Temperatur bei der Abgasreinigungseinrichtung ankommt.Frequently, in addition to the exhaust gas cleaning device, burners are arranged in the exhaust systems in order to regenerate the exhaust gas cleaning device or to heat it up to a certain temperature or to keep it at a certain temperature level. In this context, the DE 10 2008 032 600 A1 are pointed out, in which a burner is provided, which comprises its own fresh gas supply for the combustion. The DE 10 2016 014 254 A1 describes keeping a catalytic converter warm via an electrically heated air flow in a hybrid vehicle if not enough exhaust gas with a correspondingly high temperature arrives at the exhaust gas cleaning device.

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 claim 7. Advantageous refinements and developments of the device result from the dependent claims 2 to 6, with respect to the method from the dependent claims 8 to 10.

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.
Show:
  • 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 1 ist ein schematisch angedeuteter Verbrennungsmotor 1 zu erkennen, wie er beispielsweise zum vollständigen oder teilweisen Antrieb eines Fahrzeugs, beispielsweise eines schienenlosen oder schienengebundenen Landfahrzeugs oder auch eines Luft- oder Wasserfahrzeugs, zum Einsatz kommen kann. Aus dem Verbrennungsmotor 1 führt eine Abgasleitung 2 das Abgas des Verbrennungsmotors 1 zu einer Abgasreinigungseinrichtung 3 und von dort in die Umgebung. In der Abgasleitung 2 ist außerdem rein beispielhaft und optional eine Abgasturbine 4 angeordnet. Diese steht mit einem Verdichter 5 über eine Welle in Verbindung ebenso wie mit einem optional angedeuteten Elektromotor 6. Hierdurch ist es möglich, elektrische Energie über die Turbine 4, bei einem generatorischen Betrieb des Elektromotors 6, zurückzugewinnen und/oder über die Turbine 4 Energie zum Antrieb des Verdichters 5 bereitzustellen. Außerdem kann über den Motor 6 zusätzliche Energie zum Antrieb des Verdichters 5 bereitgestellt werden, wenn dies erforderlich ist und eine entsprechende elektrische Energiespeichereinrichtung in dem Fahrzeug zur elektrischen Versorgung des Elektromotors 6 vorhanden ist. Über den Verdichter 5, welcher ebenfalls nur eine denkbare Option der Zuluftseite darstellt, wird Zuluft gefördert und über eine Frischgasleitung 7 zu dem Verbrennungsmotor 1 gefördert. Die angesaugte Zuluft, welche auch als Frischgas bezeichnet wird, wird dann in dem Verbrennungsmotor 1 mit einem geeigneten Brennstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel, entsprechend umgesetzt, um die gewünschte mechanische Leistung zu generieren. Das Abgas der dabei stattfindenden Verbrennung in dem Verbrennungsmotor 1 gelangt dann, wie bereits erwähnt, über die Abgasleitung 2, die optionale Turbine 4 und die Abgasreinigungseinrichtung 3 in die Umgebung.In the representation of the 1 is a schematically indicated internal combustion engine 1 to recognize how he, for example, to complete or partial drive of a vehicle, for example a rail-less or rail-bound land vehicle or an aircraft or water vehicle. From the internal combustion engine 1 leads an exhaust pipe 2 the exhaust gas of the internal combustion engine 1 to an exhaust gas cleaning device 3 and from there to the surrounding area. In the exhaust pipe 2 is also purely exemplary and optionally an exhaust gas turbine 4 arranged. This stands with a compressor 5 via a shaft in connection as well as with an optionally indicated electric motor 6 , This makes it possible to use the turbine to generate electrical energy 4 , with generator operation of the electric motor 6 to recover and / or via the turbine 4 Energy to drive the compressor 5 provide. It can also use the engine 6 additional energy to drive the compressor 5 be provided if this is necessary and a corresponding electrical energy storage device in the vehicle for the electrical supply of the electric motor 6 is available. About the compressor 5 , which is also only one conceivable option on the supply air side, supply air is conveyed and via a fresh gas line 7 to the internal combustion engine 1 promoted. The intake air, which is also called fresh gas, is then drawn into the internal combustion engine 1 appropriately implemented with a suitable fuel, for example gasoline or diesel, in order to generate the desired mechanical output. The exhaust gas from the combustion taking place in the internal combustion engine 1 then, as already mentioned, reaches the exhaust pipe 2 , the optional turbine 4 and the exhaust gas purification device 3 in the nearby areas.

Als ein erstes Beispiel, ohne sie darauf einzuschränken, soll die Abgasreinigungseinrichtung 3 ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion sein, welcher auch als SCR-Katalysator bezeichnet wird. Seine optimale Betriebstemperatur liegt unterhalb einer Temperaturgrenze von ca. 450° C. Bei entsprechend hoher Leistung des Verbrennungsmotors 1 wird die Temperatur des Abgases auch nach dem Entspannen in der optionalen Turbine 4 typischerweise oberhalb dieser Temperatur von 450° C liegen, beispielsweise in der Größenordnung von 600° C. Ein auf 600° C aufgeheizter SCR-Katalysator als Abgasreinigungseinrichtung 3 hat dabei jedoch eine sehr viel schlechtere Umsatzrate als ein unterhalb der Temperaturgrenze von 450° C arbeitender SCR-Katalysator. Aus diesem Grund ist es vorgesehen, dass die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung 2 vor dem Erreichen der Abgasreinigungseinrichtung 3 entsprechend abgekühlt wird. Hierfür wären prinzipiell Wärmetauscher jeglicher Art denkbar. Vorzugsweise erfolgt die Abkühlung jedoch über die Zufuhr von Frischgas. Dieses Frischgas kann nun auf verschiedene Arten bis in den Bereich der Abgasleitung 2 und insbesondere in den Bereich der Abgasreinigungseinrichtung 3 gefördert werden. Eine erste mögliche Art besteht darin, dass mehr Frischgas als eigentlich notwendig durch die Frischgasleitung 7 dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt und durch diesen hindurchgeführt wird. Dadurch kühlt das Abgas in der Abgasleitung 2 und damit letztlich die Abgasreinigungseinrichtung 3 ab. Alternativ zu dieser Durchführung des zusätzlichen Frischgases zur Abkühlung des Abgases in der Abgasleitung 2 durch den Verbrennungsmotor 1 kann dieses im Bypass um den Verbrennungsmotor 1 geführt werden. Das Frischgas strömt dazu über eine Bypassleitung 8 mit einem Bypassventil 9 um den Verbrennungsmotor 1 herum direkt aus der Frischgasleitung 7 in die Abgasleitung 2. Insbesondere kann hierfür eine ohnehin vorhandene Abgasrückführung, insbesondere die Hochdruckabgasrückführung, im inversen Betrieb genutzt werden. As a first example, without restricting it, the exhaust gas purification device 3 a catalyst for selective catalytic reduction, which is also referred to as an SCR catalyst. Its optimal operating temperature is below a temperature limit of approx. 450 ° C. With a correspondingly high performance of the internal combustion engine 1 is the temperature of the exhaust gas even after relaxing in the optional turbine 4 are typically above this temperature of 450 ° C., for example in the order of 600 ° C. An SCR catalytic converter heated to 600 ° C. as an exhaust gas cleaning device 3 However, it has a much worse conversion rate than an SCR catalytic converter working below the temperature limit of 450 ° C. For this reason, it is provided that the temperature of the exhaust gas in the exhaust pipe 2 before reaching the exhaust gas cleaning device 3 is cooled accordingly. In principle, heat exchangers of any kind would be conceivable for this. However, cooling is preferably carried out by supplying fresh gas. This fresh gas can now be in various ways down to the area of the exhaust pipe 2 and in particular in the area of the exhaust gas purification device 3 be promoted. A first possible way is that more fresh gas than is actually necessary through the fresh gas line 7 the internal combustion engine 1 fed and passed through this. This cools the exhaust gas in the exhaust pipe 2 and ultimately the exhaust gas purification device 3 from. As an alternative to this implementation of the additional fresh gas for cooling the exhaust gas in the exhaust pipe 2 through the internal combustion engine 1 can bypass the internal combustion engine 1 be performed. The fresh gas flows through a bypass line 8th with a bypass valve 9 around the internal combustion engine 1 around directly from the fresh gas line 7 into the exhaust pipe 2 , In particular, an already existing exhaust gas recirculation, in particular the high-pressure exhaust gas recirculation, can be used for this in inverse operation.

Eine weitere in der Darstellung der 1 eingezeichnete Option ist die Zufuhr des Frischgases aus der Umgebung oder, wie hier dargestellt, aus der Frischgasleitung 7 über eine Frischgaspumpe 10. Die in der Darstellung der 1 angedeutete Frischgaspumpe 10 ist als elektrische Frischgaspumpe 10 ausgeführt. Über ein Steuergerät 11 lässt sie sich entsprechend ansteuern, um so die Rate an Frischgas und letztlich das zugeführte Volumen an Frischgas in das Abgas in der Abgasleitung 2 zu steuern. Damit lässt sich die Temperatur des Abgases in Strömungsrichtung vor der Abgasreinigungseinrichtung 3 einstellen. Die Steuerung erfolgt nun insbesondere temperaturgesteuert, indem die Temperatur des Abgases bzw. des Gemischs aus Abgas und Frischgas über einen Temperatursensor 12 in Strömungsrichtung vor der Abgasreinigungseinrichtung 3 entsprechend erfasst wird. Über das Steuergerät 11 kann dann die Frischgaspumpe 10 so angesteuert werden, dass die Menge an Frischgas zugeführt wird, welche benötigt wird, um die Temperatur des Abgases unter die vorgegebene Temperaturgrenze von beispielsweise 450° C beim SCR-Katalysator als Abgasreinigungseinrichtung 3 zu senken. Das Steuergerät 11 kann auch die Ventileinrichtung 9 in der Bypassleitung entsprechend ansteuern, um über diese Art die Frischgasmenge, welche die Abgasleitung 2 erreicht, entsprechend einzustellen. Eine weitere Steuermöglichkeit bezieht sich auf den optionalen Elektromotor 6, welcher ebenfalls so angesteuert werden kann, dass der Verdichter 5, sofern er denn vorhanden ist, die entsprechend benötigte größere Menge an Frischgas, als für die Verbrennung im Verbrennungsmotor 1 notwendig ist, fördert.Another in the representation of the 1 The option shown is the supply of fresh gas from the environment or, as shown here, from the fresh gas line 7 via a fresh gas pump 10 , The in the representation of the 1 indicated fresh gas pump 10 is as an electric fresh gas pump 10 executed. Via a control unit 11 it can be controlled accordingly, in order to increase the fresh gas rate and ultimately the fresh gas volume fed into the exhaust gas in the exhaust pipe 2 to control. This allows the temperature of the exhaust gas in the flow direction in front of the exhaust gas cleaning device 3 to adjust. The control is now in particular temperature-controlled by the temperature of the exhaust gas or the mixture of exhaust gas and fresh gas via a temperature sensor 12 in the flow direction in front of the exhaust gas cleaning device 3 is recorded accordingly. Via the control unit 11 can then the fresh gas pump 10 are controlled so that the amount of fresh gas is supplied which is required to keep the temperature of the exhaust gas below the predetermined temperature limit of, for example, 450 ° C. for the SCR catalytic converter as an exhaust gas cleaning device 3 to lower. The control unit 11 can also the valve device 9 Activate accordingly in the bypass line in order to use this type to determine the amount of fresh gas that the exhaust line 2 reached, adjust accordingly. Another control option relates to the optional electric motor 6 , which can also be controlled so that the compressor 5 , if it is available, the correspondingly larger amount of fresh gas than for combustion in the internal combustion engine 1 is necessary.

Neben den beschriebenen Optionen ist es nun auch denkbar, dass die Frischgaspumpe als passive Frischgaspumpe 13 ausgebildet ist. Eine solche passive Frischgaspumpe 13 anstelle der in 1 beschriebenen Frischgaspumpe 10 ist in der Darstellung der 2 prinzipmäßig angedeutet. Sie kann beispielsweise aus einer Verengung des Querschnitts der Abgasleitung 2 aufgebaut sein. Diese Querschnittsverengung ist in der Darstellung der 2 mit 14 bezeichnet. Das durch diese Querschnittsverengung 14 strömende Abgas in der Abgasleitung 2 wird dadurch seine Geschwindigkeit erhöhen und einen Unterdruck erzeugen, entsprechend dem allseits bekannten Venturi-Effekt. Über eine Zufuhrleitung 15 mit einer Ventileinrichtung 16, welche ebenfalls von dem Steuergerät 11 angesteuert sein kann, lässt sich dann der Querschnitt der Zufuhrleitung 15 entsprechend steuern, sodass eine geeignete Menge an Luft angesaugt wird, sodass sich im Bereich des Temperatursensors 12, welcher den Querschnitt mittelbar regelt, die gewünschte Temperatur einstellt.In addition to the options described, it is now also conceivable that the fresh gas pump as a passive fresh gas pump 13 is trained. Such a passive fresh gas pump 13 instead of in 1 Fresh gas pump described 10 is in the representation of the 2 indicated in principle. You can, for example, from a narrowing of the Cross section of the exhaust pipe 2 be constructed. This narrowing of the cross-section is shown in the 2 designated with 14. This is due to this narrowing of the cross-section 14 flowing exhaust gas in the exhaust pipe 2 will increase its speed and create a vacuum, according to the well-known Venturi effect. Via a supply line 15 with a valve device 16 , which is also from the control unit 11 can be controlled, then the cross section of the supply line 15 control accordingly so that a suitable amount of air is sucked in so that it is in the area of the temperature sensor 12 which indirectly controls the cross-section, sets the desired temperature.

Eine weitere Möglichkeit zur Zufuhr von Frischgas zur Abkühlung des Abgases ist in 3 angedeutet. 3 zeigt einen an sich bekannten herkömmlichen Brenner 17 in der Abgasleitung 2 in Strömungsrichtung vor der Abgasreinigungseinrichtung 3. Diesem Brenner 17 wird beispielsweise über eine Frischgaspumpe 10 Frischgas unabhängig vom Verbrennungsmotor 1 zugeführt, um den Brenner entsprechend ansteuern zu können und ihn mit dem gewünschten Lambdawert betreiben zu können. Neben dem über die Frischgaspumpe 10 zugeführten Frischgas wird dem Brenner außerdem über eine mit 18 bezeichnete Leitung Brennstoff zugeführt. In bestimmten Situationen, beispielsweise zur Regeneration von Katalysatoren und/oder zum Freibrennen von Partikelfiltern, wird ein solcher Brenner 17 eingesetzt. Ist ein derartiger Brenner 17 vorhanden, dann kann dieser in einer Situation, in der kein Brennstoff über die Leitung 18 zugeführt wird, der Brenner 17 also nicht brennt, genutzt werden, um Frischgas über die für den Brenner ohnehin vorhandene Frischgaspumpe zuzuführen und damit wiederum temperaturgesteuert, wie es in der Darstellung der 1 bereits erläutert war, die Temperatur des Gemisches aus Abgas und zugeführtem Frischgas unter den vorgegebenen Temperaturgrenzwert zu senken.Another possibility for supplying fresh gas for cooling the exhaust gas is in 3 indicated. 3 shows a conventional burner known per se 17 in the exhaust pipe 2 in the flow direction in front of the exhaust gas cleaning device 3 , That burner 17 is, for example, a fresh gas pump 10 Fresh gas independent of the internal combustion engine 1 supplied in order to be able to control the burner accordingly and to be able to operate it with the desired lambda value. In addition to that via the fresh gas pump 10 Fresh gas supplied is also fed to the burner via a line denoted by 18. In certain situations, for example for the regeneration of catalysts and / or to burn off particle filters, such a burner 17 used. Is such a burner 17 then this can be in a situation where there is no fuel on the line 18 is fed to the burner 17 So does not burn, can be used to supply fresh gas via the fresh gas pump that is already available for the burner and thus again temperature-controlled, as shown in the illustration of the 1 was already explained to lower the temperature of the mixture of exhaust gas and fresh gas supplied below the predetermined temperature limit.

Als ein weiteres Beispiel, ebenfalls ohne sie darauf einzuschränken, soll die Abgasreinigungseinrichtung 3 ein Partikelfilter, insbesondere ein Dieselpartikelfilter sein. Der Aufbau kann auch hier wie in den Figuren gezeigt realisiert sein. Wenn eine solcher Dieselpartikelfilter voll ist, wird er gemäß dem Stand der Technik durch Wechsel des Brennverfahrens geregelt freigebrannt. Geregelt heißt, dass die Temperaturen vor Dieselpartikelfilter geregelt werden, um den Rußabbrand unter Kontrolle zu halten. Bei vollem Dieselpartikelfilter zum Beispiel wird dieser mit niedrigeren Abgastemperaturen von ca. 550-600° C gereinigt. Je leerer der Dieselpartikelfilter wird, auf desto höhere Eintrittstemperaturen , von z.B. 600-700° C wird die Abgastemperatur geregelt, um den Dieselpartikelfilter schneller zu reinigen. Würde man nämlich bei vollem Dieselpartikelfilter mit zu hohen Abgastemperaturen von mehr als 600°C in den Dieselpartikelfilter gehen, dann könnte durch diverse Kettenreaktionen ein unkontrollierter Rußabbrand stattfinden, was unter anderem auch zur Bauteilschädigung führen kann. Um dies zu vermeiden wird für die Regeneration des Dieselpartikelfilters gezielt ein Regenerationsbrennverfahren im Verbrennungsmotor 1 angesteuert, um den Ruß kontrolliert abbrennen zu lassen. As another example, also without restricting it, the exhaust gas purification device 3 a particle filter, in particular a diesel particle filter. The structure can also be realized here as shown in the figures. If such a diesel particle filter is full, it is burned in a controlled manner according to the prior art by changing the combustion process. Controlled means that the temperatures in front of the diesel particulate filter are controlled in order to keep the soot burn-up under control. With a full diesel particle filter, for example, it is cleaned with lower exhaust gas temperatures of approx. 550-600 ° C. The emptier the diesel particulate filter, the higher the inlet temperature, e.g. 600-700 ° C, the exhaust gas temperature is regulated in order to clean the diesel particulate filter faster. If you were to go into the diesel particulate filter with a full diesel particulate filter with exhaust gas temperatures too high of more than 600 ° C, uncontrolled soot burn-off could occur through various chain reactions, which could also lead to component damage. In order to avoid this, a regeneration combustion process in the internal combustion engine is specifically used for the regeneration of the diesel particle filter 1 controlled to allow the soot to burn off in a controlled manner.

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 1 angesteuert wird kann sich der Ruß im Dieselpartikelfilter unkontrolliert entzünden.However, in engine operation at full load and in areas close to the full load, the exhaust gas can develop temperatures> 600 ° C upstream of the diesel particulate filter. Without a regeneration is desired and therefore without a regeneration combustion process in the internal combustion engine 1 is controlled, the soot in the diesel particulate filter can ignite in an uncontrolled manner.

Die oben im Rahmen des SCR-Katalysators als Abgasreinigungseinrichtung 3 beschriebene Abkühlung des Abgases kann nun auf für den Partikelfilter als Abgasreinigungseinrichtung 3 vorteilhaft genutzt werden. Damit lassen sich die Temperaturen vor der Abgasreinigungseinrichtung 3, hier als dem Dieselpartikelfilter auf weniger als 600°C zu kühlen, so dass keine Gefahr des unkontrollierten Rußabbrands und der sich daraus ergebenden ungewollten Exothermie im Dieselpartikelfilter besteht. Somit kann sichergestellt werden, dass der Dieselpartikelfilter nur dann regeneriert wird, wenn gezielt das Regenerationsbrennverfahren im Verbrennungsmotor 1 angesteuert wird.The above as part of the SCR catalytic converter as an exhaust gas purification device 3 Cooling of the exhaust gas described can now for the particle filter as an exhaust gas purification device 3 be used to advantage. This allows the temperatures upstream of the exhaust gas cleaning device 3 to cool down here as the diesel particulate filter to less than 600 ° C, so that there is no risk of uncontrolled soot burn-off and the resulting unwanted exotherm in the diesel particulate filter. This ensures that the diesel particulate filter is only regenerated if the regeneration combustion process in the internal combustion engine is targeted 1 is controlled.

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 3 auch dann zu erzielen, wenn die Temperaturen der Abgase aus dem Verbrennungsmotor 1 hierfür eigentlich zu hoch wären. Hierdurch lassen sich unerwünscht hohe Emissionen in leistungsintensiven Fahrzuständen des Fahrzeugs deutlich reduzieren. Der konstruktive Aufwand kann dabei klein gehalten werden, da bei einigen der Ausführungsbeispiele auf ohnehin vorhandene Komponenten gesetzt werden kann, welche lediglich über eine neue Art der Temperatursteuerung für den Zweck der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt bzw. angesteuert werden müssen.All in all, this results in a very simple and efficiently functioning structure, with a high cleaning rate via the safe operation of the exhaust gas cleaning device 3 can also be achieved when the temperatures of the exhaust gases from the internal combustion engine 1 would actually be too high for this. This can significantly reduce undesirably high emissions in high-performance driving conditions of the vehicle. The design effort can be kept small, since in some of the exemplary embodiments it is possible to rely on components which are present anyway and which are only provided by a new type of temperature control for the purpose of the invention Device or the inventive method must be used or controlled.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102008032600 A1 [0003]DE 102008032600 A1 [0003]
  • DE 102016014254 A1 [0003]DE 102016014254 A1 [0003]

Claims (10)

Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (1) mit einer Abgasleitung (2) und wenigstens einer Abgasreinigungseinrichtung (3) in der Abgasleitung (2), dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases vor der wenigstens einen Abgasreinigungseinrichtung (3) eine Kühlvorrichtung für das Abgas angeordnet ist.Device for cleaning exhaust gases of an internal combustion engine (1) with an exhaust gas line (2) and at least one exhaust gas cleaning device (3) in the exhaust gas line (2), characterized in that in the flow direction of the exhaust gas in front of the at least one exhaust gas cleaning device (3) a cooling device for the Exhaust gas is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung bezüglich ihrer Kühlleistung schaltbar ausgeführt ist.Device after Claim 1 , characterized in that the cooling device is designed to be switchable with regard to its cooling capacity. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung als eine Vorrichtung zur Zufuhr von Frischgas ausgebildet ist.Device after Claim 1 or 2 , characterized in that the cooling device is designed as a device for supplying fresh gas. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Zufuhr von Frischgas eine Frischgaspumpe (10, 13) und/oder einen schaltbaren Bypass (8) verdichteter Luft um den Verbrennungsmotor (1) umfasst.Device after Claim 3 , characterized in that the device for supplying fresh gas comprises a fresh gas pump (10, 13) and / or a switchable bypass (8) of compressed air around the internal combustion engine (1). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein ohnehin vorhandener Brenner (17) mit frei regelbarer Frischgaszufuhr im nicht brennenden Betrieb als die Vorrichtung zur Zufuhr von Frischgas dient.Device after Claim 3 , characterized in that an existing burner (17) with freely controllable fresh gas supply in non-burning operation serves as the device for supplying fresh gas. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinrichtung (3) wenigstens einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und/oder einen Partikelfilter umfasst.Device according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the exhaust gas purification device (3) comprises at least one catalytic converter for selective catalytic reduction (SCR) and / or a particle filter. Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (1) mit einer im Abgasstrom nach dem Verbrennungsmotor (1) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die der Abgasreinigungseinrichtung (3) zuströmenden Abgase in Strömungsrichtung vor der Abgasreinigungseinrichtung (3) abgekühlt werden, falls ihre Temperatur eine vorgegebene Temperaturgrenze überschreitet.Method for cleaning exhaust gases of an internal combustion engine (1) with an exhaust gas cleaning device (3) arranged in the exhaust gas stream after the internal combustion engine (1), characterized in that the exhaust gases flowing to the exhaust gas cleaning device (3) are cooled in the flow direction in front of the exhaust gas cleaning device (3) if their temperature exceeds a predetermined temperature limit. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturgrenze für einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) mit ca. 450° C und/oder für einen Partikelfilter mit ca. 600°C vor der Abgasreinigungseinrichtung (3) vorgegeben wird.Procedure according to Claim 7 , characterized in that the temperature limit for a catalytic converter for selective catalytic reduction (SCR) is set at approx. 450 ° C and / or for a particle filter at approx. 600 ° C in front of the exhaust gas cleaning device (3). Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung als aktive Abkühlung durch eine temperaturgeregelte Zufuhr von Frischgas durch den Verbrennungsmotor (1) oder in einem Bypass (8) um den Verbrennungsmotor (1) erfolgt:Procedure according to Claim 7 or 8th , characterized in that the cooling takes place as active cooling by a temperature-controlled supply of fresh gas by the internal combustion engine (1) or in a bypass (8) around the internal combustion engine (1): Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch eine aktive temperaturgeregelte Zufuhr von Frischgas über eine aktive oder passive Frischgaspumpe (10, 13) in Strömungsrichtung zwischen dem Verbrennungsmotor (1) und der Abgasreinigungseinrichtung (3) erfolgt.Procedure according to Claim 7 or 8th , characterized in that the cooling takes place by an active temperature-controlled supply of fresh gas via an active or passive fresh gas pump (10, 13) in the flow direction between the internal combustion engine (1) and the exhaust gas cleaning device (3).
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