DE102022000400A1 - Device for exhaust aftertreatment with mass flow control - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasaufheizung der Abgase eines Verbrennungsmotors (1) mit einem Pyrolysereaktor (4), in den zumindest ein Teilmassenstrom des Abgases des Verbrennungsmotors (1) eingeleitet wird, wobei der Pyrolysereaktor (4) zumindest ein Vlies (14) aufweist, welches mit Kraftstoff beaufschlagt wird, wobei der Kraftstoff verdampft und zumindest teilweise in dem Pyrolysereaktor (4) mit einem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor (4) eingeleiteten Abgasmassenstromes durch Oxidation exotherm reagiert, insbesondere um eine genügend hohe Temperatur für eine Pyrolyse bereitzustellen, wobei der Pyrolysereaktor (4) in einem Bypass (3) parallel zu einem Hauptabgasstrang (2) eines Verbrennungsmotors (1) angeordnet ist, wobei der Hauptabgasstrang (2) stromab eines Abzweiges zum Abgaseintritt (11) des Pyrolysereaktors (4) eine regelbare Drosselstelle (5) aufweist, mittels derer der Gegendruck im Hauptabgasstrang (2) geregelt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgasaufheizung der Abgase eines Verbrennungsmotors mit einem Pyrolysereaktor.The invention relates to a device for heating the exhaust gases of an internal combustion engine (1) with a pyrolysis reactor (4) into which at least a partial mass flow of the exhaust gas of the internal combustion engine (1) is introduced, the pyrolysis reactor (4) having at least one fleece (14), which is charged with fuel, the fuel evaporating and at least partially reacting exothermally in the pyrolysis reactor (4) with an oxygen content of the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor (4) by oxidation, in particular in order to provide a sufficiently high temperature for pyrolysis, the pyrolysis reactor (4) is arranged in a bypass (3) parallel to a main exhaust line (2) of an internal combustion engine (1), the main exhaust line (2) having a controllable throttle point (5) downstream of a branch to the exhaust gas inlet (11) of the pyrolysis reactor (4). , by means of which the back pressure in the main exhaust line (2) can be regulated. Furthermore, the invention relates to a method for heating the exhaust gases of an internal combustion engine with a pyrolysis reactor.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasaufheizung der Abgase eines Verbrennungsmotors mit einem Pyrolysereaktor, in den zumindest ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, wobei der Pyrolysereaktor zumindest ein Vlies aufweist, welches mit Kraftstoff beaufschlagt wird, wobei der Kraftstoff verdampft und zumindest teilweise in dem Pyrolysereaktor mit einem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Abgasmassenstromes durch Oxidation exotherm reagiert, insbesondere um eine genügend hohe Temperatur für eine Pyrolyse bereitzustellen.The invention relates to a device for heating the exhaust gases of an internal combustion engine with a pyrolysis reactor into which at least part of the exhaust gas of the internal combustion engine is introduced, the pyrolysis reactor having at least one fleece which is impinged with fuel, the fuel evaporating and at least partly in the Pyrolysis reactor reacts exothermally with an oxygen content of the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor by oxidation, in particular in order to provide a sufficiently high temperature for pyrolysis.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgasaufheizung der Abgase eines Verbrennungsmotors mit einem Pyrolysereaktor.Furthermore, the invention relates to a method for heating the exhaust gases of an internal combustion engine with a pyrolysis reactor.
Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Aus der
Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen ist es, dass zunächst eine elektrische Beheizung des gesamten Reaktionsraums erfolgt, um den darin befindlichen Katalysator auf ein Temperaturniveau aufzuheizen, ab dem eine Oxidation des eingeleiteten Kraftstoffes selbsttätig ablaufen kann. Hierfür ist eine sehr hohe elektrische Leistung erforderlich. Durch die sehr hohen Stromstärken, die durch die Wabenstruktur des Katalysators fließen, kann es zu Beschädigungen der Wabenstruktur und des elektrischen Anschlusses des Metallkatalysators im Reaktionsraum kommen.A disadvantage of the known devices is that the entire reaction chamber is first electrically heated in order to heat the catalytic converter located therein to a temperature level from which oxidation of the fuel introduced can take place automatically. This requires a very high electrical power. The very high currents flowing through the honeycomb structure of the catalytic converter can damage the honeycomb structure and the electrical connection of the metal catalytic converter in the reaction chamber.
Ein weiterer Nachteil beim Stand der Technik ist es, dass es mittels der üblicherweise verwendeten Drosselklappe in dem die Vorrichtung aufnehmenden Bypass nicht oder nur unzureichend möglich ist, den Teilmassenstrom des Abgases, der über die Vorrichtung geleitet wird, konstant zu halten, was jedoch für eine effektive Anwendung der Vorrichtung erforderlich ist.Another disadvantage of the prior art is that it is not possible or only insufficiently possible to keep the partial mass flow of the exhaust gas, which is passed through the device, constant by means of the throttle valve commonly used in the bypass accommodating the device effective use of the device is required.
Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (englisch: selective catalyic reduction, abgekürzt: SCR), sogenannte SCR-Katalysatoren, werden eingesetzt, um die Stickoxydemission von Dieselmotoren, Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Industrieanlagen und dergleichen zu vermindern. Hierzu wird ein Reduktionsmittel mit einer Dosiervorrichtung in das Abgassystem eingedüst. Als Reduktionsmittel dient Ammoniak oder eine Ammoniaklösung oder ein anderes Reduktionsmittel.Catalysts for selective catalytic reduction (English: selective catalytic reduction, abbreviated: SCR), so-called SCR catalysts, are used to reduce the nitrogen oxide emissions from diesel engines, furnaces, waste incineration plants, industrial plants and the like. For this purpose, a reducing agent is injected into the exhaust system with a dosing device. Ammonia or an ammonia solution or another reducing agent is used as the reducing agent.
Da das Mitführen von Ammoniak in Fahrzeugen sicherheitskritisch ist, wird Harnstoff in wässriger Lösung mit üblicherweise 32,5 % Harnstoffanteil, insbesondere gemäß DIN 70070, eingesetzt. Im Abgas zersetzt sich der Harnstoff bei Temperaturen oberhalb von 150° Celsius in gasförmiges Ammoniak und CO2. Parameter für die Zersetzung des Harnstoffes sind im Wesentlichen Zeit (Verdampfungs- und Reaktionszeit), Temperatur und Tröpfchengröße der eingedüsten Harnstofflösung. In diesen SCR-Katalysatoren wird durch selektive katalytische Reduktion der Ausstoß von Stickoxyden um etwa 90 % reduziert.Since the carriage of ammonia in vehicles is safety-critical, urea is used in an aqueous solution, usually with a urea content of 32.5%, in particular in accordance with DIN 70070. In the exhaust gas, the urea decomposes at temperatures above 150° Celsius into gaseous ammonia and CO 2 . The main parameters for the decomposition of the urea are time (evaporation and reaction time), temperature and droplet size of the injected urea solution. In these SCR catalytic converters, the emission of nitrogen oxides is reduced by around 90% through selective catalytic reduction.
Mit dem Begriff der Reduktionsmittellösung oder des Reduktionsmittels ist jedes zur selektiven katalytischen Reduktion geeignete Reduktionsmittel umfasst, vorzugsweise kommt hierzu eine Harnstofflösung gemäß DIN 70070 zum Einsatz. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.The term reducing agent solution or reducing agent includes any reducing agent suitable for selective catalytic reduction; a urea solution according to DIN 70070 is preferably used for this purpose. However, the invention is not limited to this.
Bei den bekannten Abgasnachbehandlungssystemen zur selektiven katalytischen Reduktion können sich die relativ niedrigen Temperaturen der Abgase z. B. bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, d.h. bevor die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors erreicht ist, ungünstig auf die Funktionsweise eines SCR-Katalysators auswirken.In the known exhaust aftertreatment systems for selective catalytic reduction, the relatively low temperatures of the exhaust gases z. B. at a cold start of the combustion engine, i.e. before the operating temperature of the combustion engine is reached, have an unfavorable effect on the functioning of an SCR catalytic converter.
Nach der Einspritzung des Harnstoffs in wässriger Lösung in den Abgasstrang muss für die SCR-Reaktion zunächst Ammoniak (NH3) gebildet werden. Hierbei wird das reduzierend wirkende Ammoniak durch die thermische Zersetzung von Harnstoff (Thermolyse) und die Hydrolyse der entstehenden Isocyansäure freigesetzt.After the urea has been injected into the exhaust system in an aqueous solution, ammonia (NH 3 ) must first be formed for the SCR reaction. Here, the reducing ammonia is released through the thermal decomposition of urea (thermolysis) and the hydrolysis of the resulting isocyanic acid.
In der ersten Reaktion, der Thermolyse, wird durch den Einfluss der Temperatur Harnstoff in Ammoniak (NH3) und Isocyansäure (HNCO) umgewandelt. Im zweiten Schritt folgt unter Anwesenheit von Wasser die Hydrolyse, in der die Isocyansäure ebenfalls in Ammoniak unter Bildung von Kohlendioxid (CO2) umgewandelt wird. Relativ niedrige Temperaturen, wie sie beispielsweise beim Kaltstart des Verbrennungsmotors vorliegen, können den Ablauf dieser Reaktionen verlangsamen.In the first reaction, thermolysis, urea is converted into ammonia (NH 3 ) and isocyanic acid (HNCO) due to the influence of temperature. In the second step, hydrolysis follows in the presence of water, in which the isocyanic acid is also converted into ammonia with the formation of carbon dioxide (CO 2 ). Relatively low temperatures, such as when the combustion engine is started cold, can slow down these reactions.
Um die Effektivität der selektiven katalytischen Reduktion im Abgasstrang zu gewährleisten, muss daher das Temperaturniveau des Abgases bei einem Kaltstart möglichst schnell auf ein gewisses katalysatorbeschichtungsspezifisches Temperaturniveau, z.B. ca. 230°C, angehoben werden.In order to ensure the effectiveness of the selective catalytic reduction in the exhaust system, the temperature level of the exhaust gas must therefore be reduced to a certain level as quickly as possible during a cold start catalyst coating-specific temperature level, for example about 230 ° C, are raised.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Abgasaufheizung der Abgase eines Verbrennungsmotors mit einem Pyrolysereaktor derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile überwunden werden und eine schnelle und effektive Inbetriebsetzung des Pyrolysereaktors bei einem möglichst konstanten Massenstrom des über den Pyrolysereaktors geleiteten Teilmassenstromes des Abgases ermöglicht wird.The object of the invention is therefore to develop a device for heating the exhaust gases of an internal combustion engine with a pyrolysis reactor in such a way that the disadvantages mentioned are overcome and rapid and effective commissioning of the pyrolysis reactor is made possible with a mass flow of the partial mass flow of the exhaust gas conducted via the pyrolysis reactor that is as constant as possible becomes.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to
Besonders vorteilhaft bei der Vorrichtung zur Abgasaufheizung der Abgase eines Verbrennungsmotors mit einem Pyrolysereaktor, in den zumindest ein Teilmassenstrom des Abgases des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, wobei der Pyrolysereaktor zumindest ein Vlies aufweist, welches mit Kraftstoff beaufschlagt wird, wobei der Kraftstoff verdampft und zumindest teilweise in dem Pyrolysereaktor mit einem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Abgasmassenstromes durch Oxidation exotherm reagiert, insbesondere um eine genügend hohe Temperatur für eine Pyrolyse bereitzustellen, ist es, dass der Pyrolysereaktor in einem Bypass parallel zu einem Hauptabgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei der Hauptabgasstrang stromab eines Abzweiges zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors eine regelbare Drosselstelle aufweist, mittels derer der Gegendruck im Hauptabgasstrang geregelt werden kann.Particularly advantageous in the device for heating the exhaust gases of an internal combustion engine with a pyrolysis reactor, into which at least a partial mass flow of the exhaust gas of the internal combustion engine is introduced, the pyrolysis reactor having at least one fleece which is impinged with fuel, the fuel evaporating and at least partially in the pyrolysis reactor reacts exothermally with an oxygen content of the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor by oxidation, in particular in order to provide a sufficiently high temperature for pyrolysis, the pyrolysis reactor is arranged in a bypass parallel to a main exhaust line of an internal combustion engine, with the main exhaust line downstream of a branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor has a controllable throttle point, by means of which the back pressure in the main exhaust line can be controlled.
Bei dieser regelbaren Drosselstelle kann es sich insbesondere um eine verstellbare Drosselklappe handeln.This controllable throttle point can in particular be an adjustable throttle valve.
Durch die Anordnung des Pyrolysereaktors in einem Bypass parallel zu einem Hauptabgasstrang eines Verbrennungsmotors wird der Pyrolysereaktor somit in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors integriert. Durch die Anordnung einer Drosselstelle in dem Hauptabgasstrang stromab eines Abzweiges zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors kann der Gegendruck im Hauptabgasstrang geregelt werden. Durch diese Regelung des Gegendruckes im Hauptabgasstrang kann somit gleichzeitig der am Abzweig zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors anliegende Druck geregelt werden. Der über den im Bypass angeordneten Pyrolysereaktor geleitete Teilmassenstrom des Abgases des Verbrennungsmotors stellt sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen dem Druck am Abzweig zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors und dem Druck am Austritt des Pyrolysereaktors zum Hauptabgasstrang ein. Mit anderen Worten: Über die Regelung des Gegendruckes im Hauptabgasstrang kann somit der über den Bypass und damit der über den Pyrolysereaktor geleitete Teilmassenstrom des Abgases des Verbrennungsmotors auf das gewünschte Niveau eingestellt und konstant gehalten werden.By arranging the pyrolysis reactor in a bypass parallel to a main exhaust system of an internal combustion engine, the pyrolysis reactor is thus integrated into an exhaust system of an internal combustion engine. The back pressure in the main exhaust line can be regulated by arranging a throttle point in the main exhaust line downstream of a branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor. This regulation of the counter-pressure in the main exhaust line can thus simultaneously regulate the pressure present at the branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor. The partial mass flow of the exhaust gas of the internal combustion engine conducted via the pyrolysis reactor arranged in the bypass is dependent on the pressure difference between the pressure at the branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor and the pressure at the outlet of the pyrolysis reactor to the main exhaust line. In other words: By controlling the back pressure in the main exhaust line, the partial mass flow of the exhaust gas of the internal combustion engine that is routed via the bypass and thus via the pyrolysis reactor can be adjusted to the desired level and kept constant.
Der Abzweig vom Abgastrakt zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors kann Leitelemente zur Strömungsführung aufweisen. Dabei kann der Abzweig zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors derart ausgerichtet sein, dass die Strömung zu dem Abzweig bzw. in den Bypass entgegen gerichtet zur Hauptströmungsrichtung im Abgastrakt erfolgt. Insbesondere kann hierzu ein Ringblech und/oder ein Rohrbogen angeordnet sein, das/der in den Abgastrakt hineinragt und in den Abgaseintritt des Pyrolysereaktors mündet.The branch from the exhaust tract to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor can have guide elements for flow control. The branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor can be aligned in such a way that the flow to the branch or into the bypass takes place in the opposite direction to the main flow direction in the exhaust tract. In particular, a ring plate and/or a pipe bend can be arranged for this purpose, which protrudes into the exhaust tract and opens into the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor.
Alternativ oder kumulativ kann die Einleitung des erhitzten Abgases aus dem Pyrolysereaktor zurück in den Abgastrakt aus dem Bypass mit oder entgegen der Hauptströmungsrichtung im Abgastrakt erfolgen. Der Abzweig vom Abgastrakt zum Abgasaustritt des Pyrolysereaktors kann Leitelemente zur Strömungsführung aufweisen. Insbesondere kann hierzu ein Ringblech und/oder ein Rohrbogen ausgehend vom Abgasaustritt des Pyrolysereaktors angeordnet sein, das/der in den Abgastrakt hineinragt und in den Abgastrakt mündet.Alternatively or cumulatively, the heated exhaust gas can be introduced from the pyrolysis reactor back into the exhaust gas section from the bypass with or counter to the main flow direction in the exhaust gas section. The branch from the exhaust tract to the exhaust gas outlet of the pyrolysis reactor can have guide elements for guiding the flow. In particular, a ring plate and/or a pipe bend can be arranged for this purpose, starting from the exhaust gas outlet of the pyrolysis reactor, which projects into the exhaust gas tract and opens into the exhaust gas tract.
Vorzugsweise handelt es sich bei der regelbaren Drosselstelle um eine verstellbare Prallplatte, insbesondere kann es sich um eine verstellbare Prallplatte mit einem Membranstellantrieb handeln. Ferner kann es sich um eine magnetisch verstellbare Prallplatte handeln.The controllable throttle point is preferably an adjustable baffle plate, in particular it can be an adjustable baffle plate with a diaphragm actuator. Furthermore, it can be a magnetically adjustable baffle plate.
Bei einer Drosselstelle mittels Prallplatte wirkt durch die Strömungsgeschwindigkeit (dynamischer Druck) und den Staudruck (statischer Druck) eine Kraft auf die verstellbare Prallplatte. Die Verstellung der Prallplatte kann über eine Membran erfolgen, welche per Unterdruck oder per Überdruck durch Druckluft verstellt werden kann. Hierfür kann insbesondere das üblicherweise bei einem Nutzfahrzeug vorhandene Druckluftsystem genutzt werden.With a throttling point using a baffle plate, a force acts on the adjustable baffle plate due to the flow velocity (dynamic pressure) and the dynamic pressure (static pressure). The flapper can be adjusted via a membrane, which can be adjusted by means of negative pressure or positive pressure using compressed air. In particular, the compressed air system that is usually present in a commercial vehicle can be used for this purpose.
Die verstellbare Prallplatte weist über das Verhältnis Hub / Durchmesser eine exponentielle Funktion auf. Dabei ist die Kraft auf die Prallplatte über dem Hub nicht linear. Mit zunehmendem Strömungswiderstand nimmt auch die Kraft zu, so dass diesem ein kraftgebender bzw. kraftregelnder Stellantrieb entgegenwirkt und diesen verstellen kann. Diese Verstellung erfolgt ohne Zeitverzug und hilft somit auf direktem Wege der Regelung des Differenzdrucks und damit der Regelung des über den Pyrolysereaktor geleiteten Teilmassenstroms des Abgases des Verbrennungsmotors.The adjustable baffle plate has an exponential function via the stroke/diameter ratio. The force on the flapper over the stroke is not linear. With increasing flow resistance, the force also increases, so that a force-providing or force-regulating actuator counteracts this and can adjust it. This adjustment takes place without delay and thus helps directly to regulate the differential pressure and thus the regulation of the Pyrolysis reactor conducted partial mass flow of the exhaust gas of the internal combustion engine.
Ferner kann es sich bei der regelbaren Drosselstelle um einen Rohraustritt mit einer verstellbaren Schließklappe handeln, insbesondere um eine verstellbare Schließklappe mit einem Stellmotor zur Positionierung der Schließklappe über dem Rohraustritt.Furthermore, the controllable throttle point can be a pipe outlet with an adjustable closing flap, in particular an adjustable closing flap with a servomotor for positioning the closing flap over the pipe outlet.
Bei einer Drosselstelle mittels Schließklappe, bei der beispielsweise eine Schwenkachse an einer Seite des Hauptabgasstrangs angeordnet ist, wirkt ebenfalls durch die Strömungsgeschwindigkeit und den Staudruck eine Kraft auf die Klappe.In the case of a throttle point by means of a closing flap, in which, for example, a pivot axis is arranged on one side of the main exhaust line, a force also acts on the flap due to the flow velocity and the dynamic pressure.
Der Antrieb kann hier über einen Stellmotor erfolgen, mittels dessen die Schließklappe positioniert wird.The drive can take place here via a servomotor, by means of which the closing flap is positioned.
In dem für den Pyrolysereaktor nötigen Druckbereich ist der statische Druck viel höher als der durch die Strömungsgeschwindigkeit erreichte dynamische Druck. Der statische Druck ist also maßgebend für die Höhe der Kraft, die dem Stellmotor entgegenwirkt. Hier wird vorzugsweise ein derartiger Antrieb gewählt, der nicht die Position, sondern eine geregelte Kraft ausgibt. Somit ist die Korrektur bei Abgasmassenstromänderungen sofort und automatisch gegeben.In the pressure range required for the pyrolysis reactor, the static pressure is much higher than the dynamic pressure achieved by the flow rate. The static pressure is therefore decisive for the magnitude of the force that counteracts the servomotor. In this case, a drive is preferably chosen that does not output the position, but a controlled force. This means that the correction for changes in the exhaust gas mass flow is immediate and automatic.
Dabei steht nicht die Geometrie der Drosseleinrichtung als Schließkappe oder Prallplatte im Vordergrund, sondern die Tatsache, dass durch den statischen Druck eine Gegenkraft auf den Stellantrieb wirkt und diesen in seiner Position verändern kann und eine sofortige Korrektur erfolgt. Hierdurch kann der eingestellte Massenstrom über den Bypass konstant gehalten werden. Insbesondere ist es möglich, den Massenstrom über den Bypass auf Null zu regeln, indem die Druckdifferenz über dem Bypass auf Null geregelt wird.The focus here is not on the geometry of the throttle device as a closing cap or baffle plate, but on the fact that the static pressure acts as a counterforce on the actuator and can change its position and an immediate correction is made. As a result, the set mass flow can be kept constant via the bypass. In particular, it is possible to regulate the mass flow to zero via the bypass by regulating the pressure difference across the bypass to zero.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zumindest eine Heizquelle auf, mittels derer der in den Pyrolysereaktor eingeleitete Kraftstoff zumindest teilweise lokal verdampfbar ist und/oder mittels derer der in den Pyrolysereaktor eingeleitete Abgasmassenstrom auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Kraftstoffes erhitzbar ist.In a preferred embodiment, the device has at least one heating source, by means of which the fuel introduced into the pyrolysis reactor can be at least partially vaporized locally and/or by means of which the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor can be heated to a temperature above the evaporation temperature of the fuel introduced into the pyrolysis reactor .
Für die Stickoxidreduktion bei Abgasen von Verbrennungsmotoren mittels eines Abgasnachbehandlungssystems zur selektiven katalytischen Reduktion muss der SCR-Katalysator auf ein gewisses katalysatorbeschichtungsspezifisches Temperaturniveau von beispielsweise ca. 230°C gebracht und während des Motorbetriebes mindestens auf diesem Niveau gehalten werden, damit der SCR-Katalysator in einem guten Wirkungsgradbereich arbeitet. Dadurch können Stickoxide sehr weit reduziert werden und auch die Anforderungen strenger Abgasnormen können erfüllt werden.For the reduction of nitrogen oxides in exhaust gases from internal combustion engines by means of an exhaust gas aftertreatment system for selective catalytic reduction, the SCR catalytic converter must be brought to a certain temperature level specific to the catalytic converter coating, for example approx good efficiency range works. As a result, nitrogen oxides can be reduced to a large extent and the requirements of strict emission standards can also be met.
Das besonders schnelle Erreichen dieses für eine effektive selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden benötigten Temperaturniveaus wird durch die Erfindung ermöglicht, da es nicht mehr wie beim Stand der Technik erforderlich ist, den Pyrolysereaktor vollständig unter Aufbringung einer hohen elektrischen Leistung zu erhitzen, was einerseits energieintensiv ist als auch andererseits eine erhebliche Zeit beansprucht. Demgegenüber wird bei der Erfindung durch die Anordnung zumindest einer Heizquelle lediglich der in den Pyrolysereaktor eingeleitete Kraftstoff zumindest teilweise lokal verdampft und/oder es wird der in den Pyrolysereaktor eingeleitete Abgasmassenstrom auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Kraftstoffes erhitzt. Beide Möglichkeiten können alternativ oder kumulativ angewandt werden.The invention enables this temperature level, which is required for an effective selective catalytic reduction of nitrogen oxides, to be reached particularly quickly, since it is no longer necessary, as in the prior art, to heat the pyrolysis reactor completely by applying a high level of electrical power, which is energy-intensive on the one hand on the other hand, takes a considerable amount of time. In contrast, in the case of the invention, by arranging at least one heating source, only the fuel introduced into the pyrolysis reactor is at least partially vaporized locally and/or the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor is heated to a temperature above the vaporization temperature of the fuel introduced into the pyrolysis reactor. Both options can be used alternatively or cumulatively.
Da nicht mehr der gesamte Pyrolysereaktor elektrisch aufgeheizt werden muss, kann die aufwändige und kostenintensive elektrische Installation und Elektronik weitgehend entfallen.Since the entire pyrolysis reactor no longer has to be heated electrically, the complex and cost-intensive electrical installation and electronics can largely be omitted.
Da nicht mehr der elektrische Strom zum Aufheizen durch einen metallischen Katalysator im Reaktionsraum fließen muss, kann dieser Träger der katalytischen Beschichtung auch aus nichtmetallischem Material bestehen. Hierfür eignet sich z.B. ein Keramikträger oder Siliciumcarbid-Träger. Diese Träger müssen nun auch nicht kostenintensiv und aufwendig elektrisch isoliert installiert werden, sondern können einfacher und kostengünstiger im Reaktionsraum fixiert werden.Since the electrical current no longer has to flow through a metallic catalyst in the reaction space for heating, this support for the catalytic coating can also consist of non-metallic material. A ceramic carrier or silicon carbide carrier, for example, is suitable for this. These carriers do not have to be installed in a cost-intensive and complex manner with electrical insulation, but can be fixed in the reaction space more simply and cost-effectively.
Durch die zumindest teilweise Verdampfung des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Kraftstoffes setzt die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Abgasmassenstromes ein und die Vorrichtung erhitzt sich hierdurch selbsttätig weiter.Due to the at least partial evaporation of the fuel introduced into the pyrolysis reactor, the oxidation of the fuel with the oxygen content of the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor begins and the device thereby continues to heat up automatically.
Vorzugsweise handelt es sich bei zumindest einer Heizquelle um eine elektrische Glühkerze.At least one heating source is preferably an electric glow plug.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Pyrolysereaktor einen Reaktionsraum mit einem Katalysator mit oxidationsfördernder Beschichtung auf, wobei die Glühkerze derart angeordnet ist, dass sich mittels der Glühkerze der Reaktionsraum lokal auf eine Temperatur erhitzen lässt, die oberhalb der beschichtungsspezifischen Temperatur für den Oxidationsbeginn liegt.In a preferred embodiment, the pyrolysis reactor has a reaction chamber with a catalyst with an oxidation-promoting coating, the glow plug being arranged in such a way that the glow plug can be used to heat the reaction chamber locally to a temperature that is above the coating-specific temperature for the start of oxidation.
Mit dem Begriff der beschichtungsspezifischen Temperatur für den Oxidationsbeginn ist dabei jene Temperatur bezeichnet, die in Abhängigkeit des Materials der oxidationsfördernden Beschichtung des Katalysators in dem Reaktionsraum erforderlich ist, um die Oxidation des eingeleiteten Kraftstoffes in Gang zu setzen.The term "coating-specific temperature" for the start of oxidation refers to the temperature that is required in the reaction chamber, depending on the material of the oxidation-promoting coating of the catalytic converter, in order to initiate the oxidation of the fuel introduced.
Bevorzugt ist die Glühkerze derart angeordnet, dass sich mittels der Glühkerze das Vlies lokal auf eine Temperatur erhitzen lässt, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des eingeleiteten Kraftstoffes liegt, insbesondere kann die Glühkerze stromauf oder stromab des Vlieses in Strömungsrichtung des Kraftstoffes angeordnet sein.The glow plug is preferably arranged in such a way that the fleece can be heated locally to a temperature above the evaporation temperature of the fuel introduced by means of the glow plug. In particular, the glow plug can be arranged upstream or downstream of the fleece in the flow direction of the fuel.
Hierdurch erfolgt eine lokale Erhitzung des Vlieses in unmittelbarer räumlicher Nähe zu der Glühkerze. An dieser Stelle des Vlieses beginnt die Verdampfung des Kraftstoffes und durch die einsetzende Oxidation in dem ebenfalls lokal aufgeheizten Reaktionsraum erfolgt eine weitere Erhitzung des Vlieses und des gesamten Pyrolysereaktors, bis eine selbstständige Verdampfung, Oxidation und Pyrolyse einsetzt, ohne dass es einer weiteren Aufheizung durch die Heizquelle bedarf. Der Strombedarf einer solchen Glühkerze ist dabei sehr gering. Der Reaktionsraum weist einen Katalysator mit oxidationsfördernder Beschichtung auf und bezeichnet jenen Teil des Pyrolysereaktors, in dem die Oxidation des Kraftstoffs erfolgt und die Pyrolyse des Kraftstoffs gestartet und im Pyrolysereaktor(raum) weiter fortgeführt wird.This results in local heating of the fleece in the immediate spatial vicinity of the glow plug. At this point of the fleece, the evaporation of the fuel begins and the onset of oxidation in the reaction chamber, which is also locally heated, causes the fleece and the entire pyrolysis reactor to be heated further until automatic evaporation, oxidation and pyrolysis begin without further heating by the heating source required. The power requirement of such a glow plug is very low. The reaction chamber has a catalyst with an oxidation-promoting coating and denotes that part of the pyrolysis reactor in which the oxidation of the fuel takes place and the pyrolysis of the fuel is started and continued in the pyrolysis reactor (chamber).
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei zumindest einer Heizquelle um eine Flammglühkerze. Eine solche Flammglühkerze kann dabei mit oder ohne zusätzliche Verbrennungsluft betrieben werden. Das heißt, dass die Flammglühkerze mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Abgasmassenstromes betrieben werden kann. Alternativ oder kumulativ kann zusätzliche Verbrennungsluft von außen zugeführt werden.In a preferred embodiment, at least one heat source is a flame glow plug. Such a flame glow plug can be operated with or without additional combustion air. This means that the flame glow plug can be operated with the oxygen content of the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor. Alternatively or cumulatively, additional combustion air can be supplied from outside.
Vorzugsweise ist zumindest eine Heizquelle in Strömungsrichtung des Abgasmassenstromes stromauf des Pyrolysereaktors angeordnet, insbesondere kann eine Flammglühkerze in Strömungsrichtung des Abgasmassenstromes stromauf des Pyrolysereaktors angeordnet sein.At least one heating source is preferably arranged upstream of the pyrolysis reactor in the flow direction of the exhaust gas mass flow; in particular, a flame glow plug can be arranged in the flow direction of the exhaust gas mass flow upstream of the pyrolysis reactor.
Vorzugsweise erfolgt eine Erhitzung des zum Pyrolysereaktor abgeleiteten Abgases mittels einer Flammglühkerze vor der Einleitung des Abgasmassenstromes in den Pyrolysereaktor.The exhaust gas diverted to the pyrolysis reactor is preferably heated by means of a flame glow plug before the exhaust gas mass flow is introduced into the pyrolysis reactor.
Die Erhitzung des Abgases auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes bewirkt somit die Verdampfung des Kraftstoffes, durch die daraufhin einsetzende Oxidation erfolgt eine weitere Erhitzung des gesamten Pyrolysereaktors, bis eine selbstständige Verdampfung, Oxidation und Pyrolyse einsetzt, ohne dass es einer weiteren Aufheizung des Abgases durch die Heizquelle bedarf.The heating of the exhaust gas to a temperature above the vaporization temperature of the fuel thus causes the fuel to vaporize; the subsequent oxidation causes the entire pyrolysis reactor to be heated further until automatic evaporation, oxidation and pyrolysis begins without the exhaust gas being heated any further required by the heating source.
Bevorzugt ist die Flammglühkerze derart angeordnet, dass sich der in den Pyrolysereaktor eingeleitete Abgasmassenstrom stromauf des Pyrolysereaktors auf eine Temperatur erhitzen lässt, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Kraftstoffes liegt.The flame glow plug is preferably arranged in such a way that the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor can be heated upstream of the pyrolysis reactor to a temperature which is above the evaporation temperature of the fuel introduced into the pyrolysis reactor.
Dabei können zumindest eine Heizquelle in Form einer elektrischen Glühkerze insbesondere am Kraftstoffeinlass des Pyrolysereaktors und zumindest eine Heizquelle in Form einer Flammglühkerze insbesondere am Abgaseinlass des Pyrolysereaktors alternativ oder kumulativ angeordnet sein.At least one heating source in the form of an electric glow plug, in particular at the fuel inlet of the pyrolysis reactor, and at least one heating source in the form of a flame glow plug, in particular at the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor, can be arranged alternatively or cumulatively.
Vorzugsweise weist der Pyrolysereaktor einen Reaktionsraum mit einem Katalysator mit oxidationsfördernder Beschichtung auf, wobei das Trägermaterial des Katalysators zur Oxidation des Kraftstoffs aus einem elektrisch nichtleitenden Material, insbesondere aus Keramik oder Siliciumcarbid, besteht.The pyrolysis reactor preferably has a reaction chamber with a catalyst with an oxidation-promoting coating, the carrier material of the catalyst for oxidizing the fuel being made of an electrically non-conductive material, in particular ceramic or silicon carbide.
Besonders bevorzugt ist der der Katalysator mittels einer Blähmatte im Reaktionsraum oder mit anderen einfachen Mitteln fixiert.The catalyst is particularly preferably fixed in the reaction chamber by means of an expanded mat or by other simple means.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Pyrolysereaktor stromab des Abgaseinlasses eine Blende mit einer Mehrzahl von Durchtrittsbohrungen auf.In a preferred embodiment, the pyrolysis reactor has an orifice plate with a plurality of passage bores downstream of the exhaust gas inlet.
Diese Blende dient dazu, den Abgasmassenstrom in Richtung auf das Vlies zu richten und eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung über dem Querschnitt des Pyrolysereaktors herbeizuführen.This orifice serves to direct the exhaust gas mass flow in the direction of the fleece and to bring about a uniform velocity distribution over the cross section of the pyrolysis reactor.
Besonders bevorzugt weist der Pyrolysereaktor stromab des Abgaseinlasses eine Blende mit einer Mehrzahl von Durchtrittsbohrungen auf, wobei zumindest einem Teil der Durchtrittsbohrungen jeweils ein sich verjüngender Strömungskanal oder eine Lavaldüse nachgeschaltet ist.Particularly preferably, the pyrolysis reactor downstream of the exhaust gas inlet has an orifice plate with a plurality of through-holes, with at least some of the through-holes being followed by a tapering flow channel or a Laval nozzle.
Durch derartige Düsen an den Bohrungen der Blende wird das Abgas in Richtung auf das Vlies beschleunigt. Die Düsen dienen somit dazu, den Abgasmassenstrom in Richtung auf das Vlies zu richten und lokal zu beschleunigen.The exhaust gas is accelerated in the direction of the fleece through such nozzles on the bores of the orifice. The nozzles thus serve to direct the exhaust gas mass flow in the direction of the fleece and to accelerate it locally.
Das eingelassene Abgas strömt auf seinem Weg zum Vlies durch den heißen Reaktionsraum zwischen Blende und Vlies und nimmt dabei dessen durch Verbrennung erzeugte Wärme mit und transportiert diese zum Vlies.On its way to the fleece, the admitted exhaust gas flows through the hot reaction space between the orifice plate and the fleece, absorbing it in the process heat generated by combustion and transports it to the fleece.
Besonders bevorzugt ist der Pyrolysereaktor konzentrisch zu einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet, wobei der Abgaseinlass zu dem Pyrolysereaktor durch eine Mehrzahl von Öffnungen, insbesondere tiefgezogenen Öffnungen, über dem Umfang des Abgasstranges gebildet ist.The pyrolysis reactor is particularly preferably arranged concentrically to an exhaust line of the internal combustion engine, the exhaust gas inlet to the pyrolysis reactor being formed by a plurality of openings, in particular deep-drawn openings, over the circumference of the exhaust line.
Vorzugsweise ist der Pyrolysereaktor konzentrisch zu einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet, wobei der Abgasauslass des Pyrolysereaktors durch eine Mehrzahl von Öffnungen, insbesondere tiefgezogenen Öffnungen, über dem Umfang des Abgasstranges gebildet ist.The pyrolysis reactor is preferably arranged concentrically to an exhaust line of the internal combustion engine, the exhaust gas outlet of the pyrolysis reactor being formed by a plurality of openings, in particular deep-drawn openings, over the circumference of the exhaust line.
Diese Mehrzahl von insbesondere tiefgezogenen Öffnungen, die den Abgaseinlass zu dem Pyrolysereaktor und/oder den Abgasauslass des Pyrolysereaktors bilden, können jeweils in einer oder mehreren Querschnittsebenen entlang des Strömungskanals des Abgasstrangs ausgebildet sein.This plurality of particularly deep-drawn openings, which form the exhaust gas inlet to the pyrolysis reactor and/or the exhaust gas outlet of the pyrolysis reactor, can each be formed in one or more cross-sectional planes along the flow channel of the exhaust line.
Durch die Ausbildung dieser Öffnungen in Form tiefgezogener Öffnungen über dem Umfang des Hauptabgasstranges kann diesen Öffnungen eine entsprechende die Bypassströmung beeinflussende Geometrie gegeben werden, um eine besonders homogene Bypassströmung auszubilden und den Differenzdruck einer offenen Drosselvorrichtung auszugleichen.By designing these openings in the form of deep-drawn openings over the circumference of the main exhaust line, these openings can be given a geometry that influences the bypass flow in order to form a particularly homogeneous bypass flow and to compensate for the differential pressure of an open throttle device.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Hauptabgasstrang stromab eines Abzweiges zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors eine verstellbare Drosselklappe auf, die von einer Schließstellung in eine parallel zur Strömungsrichtung im Abgastrakt stehende Öffnungsstellung und darüber hinaus weiter verdrehbar und einstellbar ist.In a preferred embodiment, the main exhaust system has an adjustable throttle valve downstream of a branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor, which can be rotated and adjusted from a closed position to an open position parallel to the direction of flow in the exhaust system and beyond.
Vorzugsweise weist der Hauptabgasstrang stromab eines Abzweiges zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors eine verstellbare Drosselklappe auf, die in Bezug auf einen Abzweig, insbesondere eine Mehrzahl von Öffnungen, die den Abgaseinlass zu dem Pyrolysereaktor bildet/bilden, derart positioniert ist, dass der Abzweig/die Öffnungen durch ein Weiterdrehen der Drosselklappe über die Öffnungsstellung hinaus im Windschatten der Drosselklappe liegen.Preferably, the main exhaust line has an adjustable throttle valve downstream of a branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor, which is positioned in relation to a branch, in particular a plurality of openings, which form/form the exhaust gas inlet to the pyrolysis reactor, such that the branch/openings pass through turning the throttle valve beyond the open position will be in the slipstream of the throttle valve.
In der Öffnungsstellung ist die Drosselklappe parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases im Abgastrakt ausgerichtet. Durch ein weiteres Verdrehen der Drosselklappe über diese Öffnungsstellung hinaus kann die Drosselklappe soweit verdreht werden, dass der Abzweig zum Abgaseinlass des Pyrolysereaktors, insbesondere mehrere Öffnungen zum Abgaseinlass des Pyrolysereaktors hin, im Windschatten der Drosselklappe liegen. Hierdurch können die lokalen Druckverhältnisse an der Drosselklappe im Abgastrakt in vorteilhafter Weise genutzt werden, um einen Druckausgleich über dem Pyrolysereaktor herbeizuführen und hierdurch den Teilmassenstrom des Abgases, der den Pyrolysereaktor durchströmt, auf Null herunter zu regeln.In the open position, the throttle valve is aligned parallel to the main flow direction of the exhaust gas in the exhaust tract. By turning the throttle valve further beyond this open position, the throttle valve can be rotated so far that the branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor, in particular several openings to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor, are in the slipstream of the throttle valve. As a result, the local pressure conditions at the throttle valve in the exhaust tract can be used in an advantageous manner to bring about a pressure equalization over the pyrolysis reactor and thereby regulate the partial mass flow of the exhaust gas flowing through the pyrolysis reactor down to zero.
Vorzugsweise ist/sind stromab des Pyrolysereaktors in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors ein Oxidationskatalysator und/oder ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden angeordnet. Mittels eines solchen Oxidationskatalysators und/oder mittels eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden erfolgt die weitere Abgasnachbehandlung zur Verringerung von Schadstoffen im Abgas, wobei mittels des vorgeschalteten Pyrolysereaktors eine Anhebung des Temperaturniveaus im Abgas insbesondere in Kaltstartphasen auf das erforderliche Niveau für einen optimalen Arbeitsbereich des Oxidationskatalysators und/oder des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden erfolgt.An oxidation catalytic converter and/or a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides is/are preferably arranged downstream of the pyrolysis reactor in an exhaust system of the internal combustion engine. By means of such an oxidation catalytic converter and/or by means of a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, the exhaust gas is further treated to reduce pollutants in the exhaust gas, with the upstream pyrolysis reactor raising the temperature level in the exhaust gas, especially in cold start phases, to the level required for an optimal working range of the Oxidation catalyst and / or the catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides takes place.
Besonders vorteilhaft bei dem Verfahren zur Abgasaufheizung der Abgase eines Verbrennungsmotors mit einem Pyrolysereaktor, in den zumindest ein Teilmassenstrom des Abgases des Verbrennungsmotors eingeleitet wird, wobei der Pyrolysereaktor zumindest ein Vlies aufweist, welches mit Kraftstoff beaufschlagt wird, wobei der Kraftstoff verdampft und zumindest teilweise in dem Pyrolysereaktor mit einem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Abgasmassenstromes durch Oxidation exotherm reagiert, insbesondere um eine genügend hohe Temperatur für eine Pyrolyse bereitzustellen, ist es, dass der Pyrolysereaktor in einem Bypass parallel zu einem Hauptabgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei der Hauptabgasstrang stromab eines Abzweiges zum Abgaseintritt des Pyrolysereaktors eine Drosselstelle aufweist, mittels derer der Gegendruck im Hauptabgasstrang geregelt wird.Particularly advantageous in the method for heating the exhaust gases of an internal combustion engine with a pyrolysis reactor, into which at least a partial mass flow of the exhaust gas of the internal combustion engine is introduced, the pyrolysis reactor having at least one fleece which is impinged with fuel, the fuel evaporating and at least partially in the pyrolysis reactor reacts exothermally with an oxygen content of the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor by oxidation, in particular in order to provide a sufficiently high temperature for pyrolysis, the pyrolysis reactor is arranged in a bypass parallel to a main exhaust line of an internal combustion engine, with the main exhaust line downstream of a branch has a throttle point for the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor, by means of which the back pressure in the main exhaust line is regulated.
Über die Regelung des Gegendrucks im Hauptabgasstrange wird gleichzeitig der Druck am Abgaseintritt zum Pyrolysereaktor und damit der sich einstellende Teilmassenstrom des Abgases des Verbrennungsmotors, der über den Pyrolysereaktor geleitet wird, eingestellt. Hierdurch kann dieser in den Pyrolysereaktor eingeleitete Abgasmassenstrom konstant gehalten werden.By controlling the back pressure in the main exhaust line, the pressure at the exhaust gas inlet to the pyrolysis reactor and thus the resulting partial mass flow of the exhaust gas from the internal combustion engine, which is routed via the pyrolysis reactor, are adjusted at the same time. As a result, this exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor can be kept constant.
Vorzugsweise wird mittels zumindest einer Heizquelle der in den Pyrolysereaktor eingeleitete Kraftstoff zumindest teilweise lokal verdampft und/oder mittels der Heizquelle wird der in den Pyrolysereaktor eingeleitete Abgasmassenstrom auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Kraftstoffes erhitzt.Preferably, the fuel introduced into the pyrolysis reactor is at least partially vaporized locally by means of at least one heating source and/or the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor is reduced to a Temperature heated above the evaporation temperature of the fuel introduced into the pyrolysis reactor.
Durch die zumindest teilweise Verdampfung des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Kraftstoffes setzt die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor eingeleiteten Abgasmassenstromes ein und die Vorrichtung erhitzt sich hierdurch selbsttätig weiter.Due to the at least partial evaporation of the fuel introduced into the pyrolysis reactor, the oxidation of the fuel with the oxygen content of the exhaust gas mass flow introduced into the pyrolysis reactor begins and the device thereby continues to heat up automatically.
Dabei erfolgt beispielsweise eine lokale Erhitzung des Vlieses und eines Reaktionsraumes des Pyrolysereaktors mittels einer Glühkerze als Heizquelle. An dieser Stelle des Vlieses beginnt die Verdampfung des Kraftstoffes. Durch die direkt an dieser Position einsetzende Oxidation im Reaktionsraum des Pyrolysereaktors erfolgt eine weitere Erhitzung des Vlieses, des Reaktionsraumes und des gesamten Pyrolysereaktors, bis eine selbstständige Verdampfung, Oxidation und Pyrolyse einsetzt, ohne dass es einer weiteren Aufheizung durch die Heizquelle bedarf. Der Strombedarf einer solchen Glühkerze ist dabei sehr gering. Der Reaktionsraum weist einen Katalysator mit oxidationsfördernder Beschichtung auf und bezeichnet jenen Teil des Pyrolysereaktors, in dem die Oxidation des Kraftstoffs erfolgt und die Pyrolyse des Kraftstoffs gestartet und im Pyrolysereaktor(raum) weiter fortgeführt wird.In this case, for example, the fleece and a reaction chamber of the pyrolysis reactor are locally heated by means of a glow plug as the heat source. At this point of the fleece, the evaporation of the fuel begins. Due to the oxidation in the reaction space of the pyrolysis reactor that starts directly at this position, the fleece, the reaction space and the entire pyrolysis reactor are heated further until automatic evaporation, oxidation and pyrolysis start without the need for further heating by the heat source. The power requirement of such a glow plug is very low. The reaction chamber has a catalyst with an oxidation-promoting coating and denotes that part of the pyrolysis reactor in which the oxidation of the fuel takes place and the pyrolysis of the fuel is started and continued in the pyrolysis reactor (chamber).
Alternativ oder kumulativ erfolgt die Erhitzung des Abgases auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes und bewirkt somit die Verdampfung des Kraftstoffes. Durch die daraufhin einsetzende Oxidation erfolgt eine weitere Erhitzung des gesamten Pyrolysereaktors, bis eine selbstständige Verdampfung, Oxidation und Pyrolyse einsetzt, ohne dass es einer weiteren Aufheizung des Abgases durch die Heizquelle bedarf.Alternatively or cumulatively, the exhaust gas is heated to a temperature above the vaporization temperature of the fuel and thus causes the vaporization of the fuel. The oxidation that then begins causes the entire pyrolysis reactor to be heated further until automatic evaporation, oxidation and pyrolysis begins, without the need for further heating of the exhaust gas by the heat source.
Bevorzugt ist die Drosselstelle durch eine drehbare Drosselklappe gebildet, wobei durch die geometrische Positionierung der Drosselklappe in Bezug zu den Einlassöffnungen des Pyrolysereaktors diese Einlassöffnungen durch Drehung der Drosselklappe über die Offenstellung der Drosselklappe hinaus in deren Windschatten gebracht werden und/oder wobei durch die geometrische Positionierung der Drosselklappe in Bezug zu den Auslassöffnungen des Pyrolysereaktors diese Auslassöffnungen durch Drehung der Drosselklappe über die Offenstellung der Drosselklappe hinaus in deren Windschatten gebracht werden, um damit den Differenzdruck am Pyrolysereaktor auf Null zu bringen.The throttle point is preferably formed by a rotatable throttle valve, with the geometric positioning of the throttle valve in relation to the inlet openings of the pyrolysis reactor bringing these inlet openings into their slipstream by rotating the throttle valve beyond the open position of the throttle valve and/or with the geometric positioning of the Throttle valve in relation to the outlet openings of the pyrolysis reactor, these outlet openings are brought into the slipstream by rotating the throttle valve beyond the open position of the throttle valve, in order to bring the differential pressure across the pyrolysis reactor to zero.
In der Öffnungsstellung ist die Drosselklappe parallel zur Hauptströmungsrichtung des Abgases im Abgastrakt ausgerichtet. Durch ein weiteres Verdrehen der Drosselklappe über diese Öffnungsstellung hinaus kann die Drosselklappe soweit verdreht werden, dass der Abzweig zum Abgaseinlass des Pyrolysereaktors, insbesondere mehrere Öffnungen zum Abgaseinlass des Pyrolysereaktors hin, im Windschatten der Drosselklappe liegen. Alternativ oder kumulativ können die Auslassöffnungen vom Abgasauslass des Pyrolyseraktors derart positioniert sein, dass diese Auslassöffnungen bei über die Öffnungsstellung hinaus verdrehter Drosselklappe im Windschatten der Drosselklappe liegen.In the open position, the throttle valve is aligned parallel to the main flow direction of the exhaust gas in the exhaust tract. By turning the throttle valve further beyond this open position, the throttle valve can be rotated so far that the branch to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor, in particular several openings to the exhaust gas inlet of the pyrolysis reactor, are in the slipstream of the throttle valve. Alternatively or cumulatively, the outlet openings from the exhaust gas outlet of the pyrolysis reactor can be positioned in such a way that these outlet openings lie in the slipstream of the throttle valve when the throttle valve is twisted beyond the open position.
Hierdurch können die lokalen Druckverhältnisse an der Drosselklappe im Abgastrakt in vorteilhafter Weise genutzt werden, um einen Druckausgleich über dem Pyrolysereaktor herbeizuführen und hierdurch den Teilmassenstrom des Abgases, der den Pyrolysereaktor durchströmt, auf Null herunter zu regeln.As a result, the local pressure conditions at the throttle valve in the exhaust tract can be used in an advantageous manner to bring about a pressure equalization over the pyrolysis reactor and thereby regulate the partial mass flow of the exhaust gas flowing through the pyrolysis reactor down to zero.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend erläutert. Es zeigen:
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1 Ein Anlagenschema eines Verbrennungsmotors mit Abgasstrang und Komponenten zur Abgasnachbearbeitung; -
2 eine erste Ausführungsform eines Pyrolysereaktors; -
3 eine zweite Ausführungsform eines Pyrolysereaktors; -
4 eine dritte Ausführungsform eines Pyrolysereaktors; -
5 einen Ausschnitt des Anlagenschemas nach1 ; -
6 eine erste Ausführungsform einer Drosselstelle im Abgasstrang; -
6a die erste Ausführungsform einer Drosselstelle im Abgasstrang mit alternativ positionierten Abzweigstellen; -
7 eine zweite Ausführungsform einer Drosselstelle im Abgasstrang; -
8 eine dritte Ausführungsform einer Drosselstelle im Abgasstrang; -
9 eine erste Ausführungsform eines konzentrisch zum Abgasstrang angeordneten Pyrolysereaktors; -
10 eine zweite Ausführungsform eines konzentrisch zum Abgasstrang angeordneten Pyrolysereaktors;
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1 A system diagram of a combustion engine with exhaust system and components for exhaust aftertreatment; -
2 a first embodiment of a pyrolysis reactor; -
3 a second embodiment of a pyrolysis reactor; -
4 a third embodiment of a pyrolysis reactor; -
5 a section of the system diagram1 ; -
6 a first embodiment of a throttle point in the exhaust system; -
6a the first embodiment of a throttle point in the exhaust line with alternatively positioned branch points; -
7 a second embodiment of a throttle point in the exhaust system; -
8th a third embodiment of a throttle point in the exhaust system; -
9 a first embodiment of a pyrolysis reactor arranged concentrically to the exhaust line; -
10 a second embodiment of a pyrolysis reactor arranged concentrically to the exhaust line;
In den Figuren sind identische Bauteile mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Darstellungen sind jeweils schematisch.In the figures, identical components are marked with identical reference symbols. The illustrations are each schematic.
Stromab des Bypasses 3 mit dem Pyrolysereaktor 4 weist der Abgasstrang 2 des Verbrennungsmotors 1 einen Oxidationskatalysator 6 und einen SCR-Katalysator 7 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxyden auf. In einer nicht dargestellten Alternative weist der Abgasstrang ferner einen Dieselpartikelfilter (DPF) auf.Downstream of the
Bekanntermaßen können sich die relativ niedrigen Temperaturen der Abgase z.B. bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1, d.h. bevor die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors 1 erreicht ist, ungünstig auf die Funktionsweise des SCR-Katalysators 7 auswirken.As is known, the relatively low temperatures of the exhaust gases can have an unfavorable effect on the functioning of the SCR
Um die Effektivität der selektiven katalytischen Reduktion im Abgasstrang zu gewährleisten, muss daher das Temperaturniveau des Abgases bei einem Kaltstart möglichst schnell angehoben werden. Für die Stickoxidreduktion bei Abgasen von Verbrennungsmotoren mittels eines Abgasnachbehandlungssystems zur selektiven katalytischen Reduktion muss der SCR-Katalysator auf ein gewisses katalysatorbeschichtungsspezifisches Temperaturniveau von beispielsweise 230°C gebracht und während des Motorbetriebes mindestens auf diesem Niveau gehalten werden, damit der SCR-Katalysator in einem guten Wirkungsgradbereich arbeitet. Dadurch können Stickoxide sehr weit reduziert werden und auch die Anforderungen strenger Abgasnormen können erfüllt werden.In order to ensure the effectiveness of the selective catalytic reduction in the exhaust system, the temperature level of the exhaust gas must be raised as quickly as possible during a cold start. For the reduction of nitrogen oxides in exhaust gases from internal combustion engines by means of an exhaust gas aftertreatment system for selective catalytic reduction, the SCR catalytic converter must be brought to a certain temperature level specific to the catalytic converter coating, for example 230°C, and maintained at least at this level during engine operation so that the SCR catalytic converter is in a good efficiency range is working. As a result, nitrogen oxides can be reduced to a large extent and the requirements of strict emission standards can also be met.
Hierzu wird ein Teilmassenstrom des Abgases des Verbrennungsmotors 1 über den Bypass 3 des Abgasstrangs 2 über den Pyrolysereaktor 4 geleitet und in dem Pyrolysereaktor erhitzt. Anschließend wird der in dem Pyrolysereaktor 4 erhitzte Teilmassenstrom des Abgases zurück in den Abgasstrang 2 eingeleitet und mit dem übrigen Abgasmassenstrom vermischt. Dieser Teilmassenstrom aus dem Pyrolysereaktor 4 kann bei Magerbetrieb mit Lambda > 1 die Abgase des darin vollständig verbrannten (oxidierten) Kraftstoffs enthalten oder zusätzlich noch die Pyrolyseprodukte des nicht darin verbrannten Kraftstoffanteils bei Lambda < 1. Zuerst wird der Oxidationskatalysator 6 mit der vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs auf eine genügend hohe Temperatur gebracht. Später werden dann die Pyrolyseprodukte bei Lambda < 1 mit dem übrigen Abgasmassenstrom zum Oxidationskatalysator 6 transportiert, um dort deren Oxidation durchzuführen. Hierdurch stellt sich das geforderte Temperaturniveau ein. Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele eines solchen Pyrolysereaktors 4 anhand der
Weiter verfügt das Gehäuse über eine Zuführung 13 für die Einleitung von Kraftstoff in das Gehäuse 10 des Pyrolysereaktors. Unmittelbar stromab der Kraftstoffzuführung ist in dem Gehäuse 10 ein Vlies 14 angeordnet, in welchem sich der eingeleitete Kraftstoff verteilt.The housing also has a
Unmittelbar neben dem Vlies 14 ist eine elektrisch angesteuerte Glühkerze 15 als Heizquelle angeordnet, mittels derer bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 eine lokale Erhitzung des Vlieses 14 erfolgt, sodass ein Teil des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Kraftstoffs verdampft.Directly next to the
Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 wird zunächst mittels der Glühkerze 15 als Heizquelle nur ein kleiner mittiger Teil des Vlieses 14 und des Reaktionsraumes 19 aufgeheizt.
Dann wird mit wenig Kraftstoff dieser Teil des Vlieses 14 befüllt, welcher an dieser Position verdampft und im Reaktionsraum 19 mit dem Sauerstoff des eingeleiteten Abgases reagiert. Dort wird die Wärme im Reaktionsraum 19 von innen nach außen über den Radius transportiert und es kann mehr Kraftstoff dosiert werden, bis der ganze Reaktionsraum 19 und der Pyrolysereaktor 4 erhitzt ist und die volle Heizleistung genutzt werden kann.When the internal combustion engine 1 is started from cold, only a small central part of the
This part of the
Durch die zumindest teilweise Verdampfung des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Kraftstoffes setzt die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Abgasmassenstromes ein und die Vorrichtung erhitzt sich hierdurch selbsttätig weiter.Due to the at least partial evaporation of the fuel introduced into the
Dabei ist die Glühkerze 15 derart angeordnet, dass sich mittels der Glühkerze 15 das Vlies 14 lokal auf eine Temperatur erhitzen lässt, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des eingeleiteten Kraftstoffes liegt, wobei die Glühkerze 15 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach
Hierdurch erfolgt wie erläutert eine lokale Erhitzung des Vlieses 14 in unmittelbarer räumlicher Nähe zu der Glühkerze 15. An dieser Stelle des Vlieses 14 beginnt die Verdampfung des Kraftstoffes und durch die einsetzende Oxidation in dem ebenfalls lokal aufgeheizten Reaktionsraum 19 erfolgt eine weitere Erhitzung des Vlieses 14 und des gesamten Pyrolysereaktors 4, bis eine selbstständige Verdampfung, Oxidation und Pyrolyse einsetzt, ohne dass es einer weiteren Aufheizung durch die Heizquelle bedarf. Der Strombedarf einer solchen Glühkerze 15 ist dabei sehr gering. Der Reaktionsraum 19 weist einen Katalysator mit oxidationsfördernder Beschichtung auf und bezeichnet jenen Teil des Pyrolysereaktors 4, in dem die Oxidation des Kraftstoffs erfolgt und die Pyrolyse des Kraftstoffs gestartet und im Pyrolysereaktor(raum) weiter fortgeführt wird.As explained, this results in local heating of the
Dabei erfolgt ein Zuströmen der eingeleiteten sauerstoffreichen Abgase entlang der Pfeile 16 in den Raum 17, in dem die Verdampfung des Kraftstoffes und die Orientierung der Rückströmung entlang der Pfeile 18 erfolgt. Innerhalb des Reaktionsraumes 19 erfolgt die Oxidation. Anschließend wird das auf diese Weise erhitzte Abgas über den Sammelraum 20 und den Ausgang 12 zurück in den Abgasstrang geleitet.The introduced oxygen-rich exhaust gases flow along the
Das in das Gehäuse 10 über den Eingang 11 eingeleitete Abgas wird zunächst in einem Beruhigungsraum 21 zur Druckgleichverteilung beruhigt und sodann über eine Trennwand 22 mit gleichverteilt angeordneten Bohrungen in Richtung auf den Reaktionsraum 19 gerichtet und beschleunigt. Durch die Bohrungen in der Trennwand 22 erfolgt somit die gezielte Erzeugung lokal erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten in dem eingeleiteten Abgas, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Pyrolyse in dem Pyrolysereaktor zu erhöhen und die Qualität der Reaktion der Pyrolyse zu erhöhen.The exhaust gas introduced into the
Zu Beginn des Betriebes erfolgt somit bei diesem Ausführungsbeispiel eine lokale Erhitzung eines Teilbereiches des Vlieses 14 bis auf eine Temperatur, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des eingeleiteten Kraftstoffes liegt, wodurch die Reaktionen der Oxidation bzw. der Pyrolyse einsetzen und die gesamte Vorrichtung selbsttätig weiter erhitzt wird.At the start of operation, in this exemplary embodiment, a partial area of
Die zweite Ausführungsform eines Pyrolysereaktors 4 gemäß
Der Pyrolysereaktor 4 weist wiederum ein Gehäuse 10 mit einem Eingang 11 für die Zuleitung von sauerstoffreichem Abgas über den in
Weiter verfügt das Gehäuse über eine Zuführung 13 für die Einleitung von Kraftstoff in das Gehäuse 10 des Pyrolysereaktors. Unmittelbar stromab der Kraftstoffzuführung ist in dem Gehäuse 10 ein Vlies 14 angeordnet, in welchem sich der eingeleitete Kraftstoff verteilt.The housing also has a
Bei der zweiten Ausführungsform des Pyrolysereaktors 4 gemäß
Mittels der Flammglühkerze 23 erfolgt bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 eine Erhitzung des eingeleiteten Abgases auf ein Temperaturniveau oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes. Infolgedessen verdampft der in den Pyrolysereaktor 4 eingeleitete Kraftstoff und die Oxidation im ebenfalls erhitzten Reaktionsraum 19 setzt ein.When the internal combustion engine 1 is started cold, the
Der eingeleitete Kraftstoff verteilt sich über das Vlies 14, verdampft infolge der Erhitzung aufgrund der Beaufschlagung mit erhitztem Abgas und reagiert im Pyrolysereaktor 4 mit dem Sauerstoff des eingeleiteten Abgases. Dort wird die Wärme im Pyrolysereaktor 4 von innen nach außen über den Radius transportiert und es kann wiederum mehr Kraftstoff dosiert werden, bis der ganze Pyrolysereaktor 4 erhitzt ist und die volle Heizleistung genutzt werden kann. The fuel introduced is distributed over the
Durch die Verdampfung des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Kraftstoffes setzt die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Abgasmassenstromes ein und die Vorrichtung erhitzt sich hierdurch selbsttätig weiter.Due to the evaporation of the fuel introduced into the
Im Unterschied zur erstem Ausführungsform gemäß
Dabei erfolgt ein Zuströmen der eingeleiteten sauerstoffreichen Abgase entlang der Pfeile 16 in den Raum 17, in dem die Verdampfung des Kraftstoffes und die Orientierung der Rückströmung entlang der Pfeile 18 erfolgt. Innerhalb des Reaktionsraumes 19 erfolgt die Oxidation. Anschließend wird das auf diese Weise erhitzte Abgas über den Sammelraum 20 und den Ausgang 12 zurück in den Abgasstrang geleitet.The introduced oxygen-rich exhaust gases flow along the
Die Besonderheit bei dieser Ausführungsform gemäß
Das in das Gehäuse 10 über den Eingang 11 eingeleitete Abgas wird wiederum zunächst in einem Beruhigungsraum 21 zur Druckgleichverteilung beruhigt und sodann über eine Trennwand 22 mit gleichverteilt angeordneten Bohrungen in Richtung auf den Reaktionsraum 19 gerichtet und beschleunigt. Durch die Bohrungen in der Trennwand 22 erfolgt somit die gezielte Erzeugung lokal erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten in dem eingeleiteten Abgas, um das sauerstoffreiche Abgas zum Vlies 14, zumindest bis in den Reaktionsraum 19 zu fördern, damit dort ständig genügend Sauerstoff für die Oxidation vorliegt. Dies gewährleistet eine genügend hohe Temperatur, um die Qualität der Reaktion der Pyrolyse zu erhöhen.The exhaust gas introduced into the
Zu Beginn des Betriebes erfolgt somit bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß
Bei dem in
Der Pyrolysereaktor 4 weist ein Gehäuse 10 mit einem Eingang 11 für die Zuleitung von sauerstoffreichem Abgas über den in
Weiter verfügt das Gehäuse über eine Zuführung 13 für die Einleitung von Kraftstoff in das Gehäuse 10 des Pyrolysereaktors. Unmittelbar stromab der Kraftstoffzuführung ist in dem Gehäuse 10 ein Vlies 14 angeordnet, in welchem sich der eingeleitete Kraftstoff verteilt.The housing also has a
Unmittelbar neben dem Vlies 14 ist eine elektrisch angesteuerte Glühkerze 15 als Heizquelle angeordnet, mittels derer bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 eine lokale Erhitzung des Vlieses 14 erfolgt, sodass ein Teil des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Kraftstoffs verdampft.Directly next to the
Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 wird zunächst mittels der Glühkerze 15 als Heizquelle nur ein kleiner mittiger Teil des Vlieses 14 und des Reaktionsraumes 19 aufgeheizt. Dann wird mit wenig Kraftstoff dieser Teil des Vlieses 14 befüllt, welcher an dieser Position verdampft und im Reaktionsraum 19 mit dem Sauerstoff des eingeleiteten Abgases reagiert. Dort wird die Wärme im Reaktionsraum 19 von innen nach außen über den Radius transportiert und es kann mehr Kraftstoff dosiert werden, bis der Reaktionsraum 19 sowie ferner der ganze Pyrolysereaktor 4 erhitzt ist und die volle Heizleistung genutzt werden kann.When the internal combustion engine 1 is started from cold, only a small central part of the
Durch die zumindest teilweise Verdampfung des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Kraftstoffes setzt die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Abgasmassenstromes ein und die Vorrichtung erhitzt sich hierdurch selbsttätig weiter.Due to the at least partial evaporation of the fuel introduced into the
Dabei ist die Glühkerze 15 derart angeordnet, dass sich mittels der Glühkerze 15 das Vlies 14 lokal auf eine Temperatur erhitzen lässt, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des eingeleiteten Kraftstoffes liegt, wobei die Glühkerze 15 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach
Hierdurch erfolgt wie erläutert eine lokale Erhitzung des Vlieses 14 in unmittelbarer räumlicher Nähe zu der Glühkerze 15. An dieser Stelle des Vlieses 14 beginnt die Verdampfung des Kraftstoffes und durch die einsetzende Oxidation erfolgt eine weitere Erhitzung des Vlieses 14 und des gesamten Pyrolysereaktors 4, bis eine selbstständige Verdampfung, Oxidation und Pyrolyse einsetzt, ohne dass es einer weiteren Aufheizung durch die Heizquelle bedarf. Der Strombedarf einer solchen Glühkerze 15 ist dabei sehr gering. As explained, this results in local heating of the
Dabei erfolgt ein Zuströmen der eingeleiteten sauerstoffreichen Abgase entlang der Pfeile 16 in den Raum 17, in dem die Verdampfung des Kraftstoffes und die Orientierung der Rückströmung entlang der Pfeile 18 erfolgt. Innerhalb des Reaktionsraumes 19 erfolgt die Oxidation. Anschließend wird das auf diese Weise erhitzte Abgas über den Sammelraum 20 und den Ausgang 12 zurück in den Abgasstrang geleitet.The introduced oxygen-rich exhaust gases flow along the
Unterstützt wird das schnelle Einsetzen der Oxidation nach einem Kaltstart durch eine Erhitzung des eingeleiteten Abgases mittels der Flammglühkerze 23 im Eingang 11.The rapid onset of oxidation after a cold start is supported by heating the introduced exhaust gas using the
Über den Eingang 11 wird sauerstoffreiches Abgas aus dem nicht dargestellten Abgasstrang 2 über den Bypass 3 in den Pyrolysereaktor 4 eingeleitet. Die Flammglühkerze 23 wird mit demselben Kraftstoff betrieben wie der Verbrennungsmotor 1 und verfügt über eine entsprechende hier nicht dargestellte Kraftstoffzuleitung und Ansteuerung des Flammkerzenbetriebes.Oxygen-rich exhaust gas from the exhaust line 2 (not shown) is introduced into the
Mittels der Flammglühkerze 23 erfolgt bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 eine Erhitzung des eingeleiteten Abgases auf ein Temperaturniveau oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes. Infolgedessen verdampft der in den Pyrolysereaktor 4 eingeleitete Kraftstoff schneller und die Oxidation im ebenfalls erhitzten Reaktionsraum 19 setzt ein.When the internal combustion engine 1 is started cold, the
Der eingeleitete Kraftstoff verteilt sich über das Vlies 14, verdampft infolge der Erhitzung aufgrund der Beaufschlagung mit erhitztem Abgas deutlich schneller und reagiert im Pyrolysereaktor 4 mit dem Sauerstoff des eingeleiteten Abgases. Dort wird die Wärme im Pyrolysereaktor 4 von innen nach außen über den Radius transportiert und es kann wiederum mehr Kraftstoff dosiert werden, bis der ganze Pyrolysereaktor 4 erhitzt ist und die volle Heizleistung genutzt werden kann.The introduced fuel is distributed over the
Durch die gleichzeitige lokale Erhitzung des Vlieses 14 mittels der Glühkerze 15 und die Erhitzung des eingeleiteten Abgases mittels der Flammglühkerze 23 erfolgt insgesamt eine schnellere Verdampfung des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Kraftstoffes und damit ein noch schnelleres Einsetzen der Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleitete Abgasmassenstromes bei einem Kaltstart. Nach dem Einsetzen der Oxidation in dem Reaktionsraum 19 erhitzt sich die Vorrichtung selbsttätig weiter.The simultaneous local heating of the
Das in das Gehäuse 10 über den Eingang 11 eingeleitete Abgas wird zunächst in einem Beruhigungsraum 21 zur Druckgleichverteilung beruhigt und sodann über eine Trennwand 22 mit gleichverteilt angeordneten Bohrungen in Richtung auf den Reaktionsraum 19 gerichtet und beschleunigt. Durch die Bohrungen in der Trennwand 22 erfolgt somit die gezielte Erzeugung lokal erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten in dem eingeleiteten Abgas, um das sauerstoffreiche Abgas zum Vlies 14, zumindest bis in den Reaktionsraum 19 zu fördern, damit dort ständig genügend Sauerstoff für die Oxidation vorliegt. Dies gewährleistet eine genügend hohe Temperatur, um die Qualität der Reaktion der Pyrolyse zu erhöhen.The exhaust gas introduced into the
Den Bohrungen in der Trennwand sind sich verjüngende Düsen 24 zur weiteren Beschleunigung der Strömung des Abgases in Richtung auf den Reaktionsraum 19 nachgeschaltet.Downstream of the bores in the dividing wall are tapered
Besonders vorteilhaft sind hier die kleinen Düsen 24 der Trennwand 22. Durch den geringeren Kontakt mit der Rückströmung kann hier auf eine geringere Strömungsgeschwindigkeit am Düsenausgang gegangen werden, ohne dabei die Strömungsgeschwindigkeit durch den Kat zu reduzieren.The
Da die Strömungsgeschwindigkeit maßgeblich vom Differenzdruck über den Düsen 24 abhängig ist, kann der Druck vor der Trennwand gesenkt werden. Der maximal nötige Abgasmassenstrom durch Pyrolysereaktor 4 wird also mit geringerem Druck erreicht. Hierdurch wird also der benötigte Abgasdruck am Eingang 11 vor dem Pyrolysereaktor 4 reduziert, was bedeutet, dass der gesamte dem Motor entgegenstehende Abgasgegendruck reduziert wird. Hieraus resultiert eine Kraftstoffersparnis. Dies ist unabhängig davon, ob eine Glühkerze 15, Flammglühkerze 23 oder eine Kombination verschiedener Heizquellen Verwendung findet.Since the flow rate is largely dependent on the differential pressure across the
Abweichend von den erläuterten Ausführungsbeispielen können die Heizquellen in Form einer oder mehrerer Glühkerzen 15 und/oder einer oder mehrerer Flammglühkerzen 23 oder weitere Heizquellen an anderen geeigneten Stellen des Pyrolysereaktors 4 angeordnet werden.Deviating from the exemplary embodiments explained, the heat sources can be arranged in the form of one or more glow plugs 15 and/or one or more flame glow plugs 23 or other heat sources at other suitable points of the
Zu Beginn wird der Pyrolysereaktor 4 in der Kaltstartphase mager betrieben, d.h. ohne Kraftstoffüberschuss. Nach Erreichen der beschichtungsspezifischen Temperatur für die Oxidation mit hohem Umsetzungsgrad der Pyrolyseprodukte im Oxidationskatalysator 6 kann und wird auf Fettbetrieb im Pyrolysereaktor 4 hochgefahren. Nach Erreichen des für eine effektive katalytische Reduktion von Stickoxiden erforderlichen Temperaturniveaus des SCR-Katalysators 7 erfolgt immer wieder eine Umschaltung des Betriebes des Pyrolysereaktors 4 zwischen Fett- und Magerbetrieb, um die Temperatur im SCR-Katalysator 7 auf dem erforderlichen Temperaturniveau für eine effektive katalytische Reduktion von Stickoxiden zu halten. Das heißt, es findet immer wieder ein Übergang von Fettzum Magerbetrieb statt, d.h. zu einem Betrieb mit hohem Luftüberschuss.At the beginning, the
Um bei der Umschaltung von Fett- nach Magerbetrieb keine Überhitzung im Pyrolysereaktor 4 zu bekommen, muss die Verbrennungsleistung ungefähr der wärmeabführenden Leistung des an der Verbrennung nicht beteiligten Gases entsprechen, damit die Temperatur nicht weiter ansteigt.In order to avoid overheating in the
Da Kraftstoff im Vlies 14 im Überfluss vorhanden ist, reicht es nicht, die Kraftstoffzufuhr einfach abzustellen, denn dann wird langsam von einem fetten Betrieb kommend der stöchiometrische Bereich mit Lambda=1 erreicht und die kühlende Wirkung der Verdampfung und dessen weitere Dampferwärmung fehlt zur Kühlung bei immer noch gleicher Leistung der Verbrennung.Since there is an excess of fuel in
Mehr Abgas durch den Pyrolysereaktor 4 zu schicken, heißt auch mehr Sauerstoff, entsprechend höher ist dann auch die Heizleistung, was zum Temperaturanstieg führt.Sending more exhaust gas through the
Eine sichere Methode ist daher, die Kraftstoffzufuhr zu stoppen und den Sauerstoffanteil so weit zu reduzieren, dass die Verbrennungsleistung so unterhalb der Leistung über Wärmeabgabe durch Strahlung und Wärmeleitung gehalten wird. Dadurch wird eine Temperaturerhöhung verhindert. Dies wird dadurch erreicht, dass der Gegendruck im Abgasstrang 2 stromab des Abzweiges zum Bypass 3 mittels der Drosselstelle 5 so eingestellt wird, dass die Druckdifferenz über dem Pyrolysereaktor 4 gleich Null oder nahezu Null wird. Infolge der Druckdifferenz über dem Pyrolysereaktor 4 gleich Null oder nahezu Null bricht die Abgasströmung über dem Pyrolysereaktor 4 zusammen. Das bedeutet, dass kein sauerstoffreiches Abgas mehr in den Pyrolysereaktor 4 eingeleitet wird. Infolgedessen endet die Pyrolyse des verbliebenen Kraftstoffes und es endet die Wärmefreisetzung.A safe method is therefore to stop the fuel supply and reduce the oxygen content to such an extent that the combustion performance is kept below the performance via heat loss through radiation and conduction. This prevents an increase in temperature. This is achieved in that the back pressure in the
Dabei ist es unerheblich, in welcher Richtung der geringe Gasvolumenstrom durch den Pyrolysereaktor 4 strömt, es kann auch rückwärts sein. Denn nun wird der Kraftstoff fast nur noch verdampft und wo der brennbare Kraftstoffdampf am Pyrolysereaktor4 heraus gefördert wird, also über den Eintritt 11 oder den Austritt 12, ist unerheblich, denn beide Seiten führen den Kraftstoffdampf mit dem anderen Motorabgas zum nachgeschalteten Oxidationskatalysator 6, der im fetten Betrieb des Pyrolysereaktors 4 mit Kraftstoffüberschuss schon die ganze Zeit den Kraftstoffdampf bzw. das brennbare Gas der Pyrolyse oxidiert hat. Der nachgeschaltete Oxidationskatalysator 6 war bereits vor der Fett-Mager-Umschaltung des Pyrolysereaktors 4 auf genügend hoher Temperatur, um alle nicht verbrannten Anteile im Abgas umzusetzen.It is irrelevant in which direction the small gas volume flow flows through the
Um wie zuvor erläutert die Saustoffzufuhr zum Pyrolysereaktor 4 bei der Umschaltung vom fetten zum mageren Betrieb des Pyrolysereaktors 4 zu reduzieren, wird der Gegendruck im Abgasstrang 2 so eingestellt, dass die Druckdifferenz über dem Pyrolysereaktor 4 gleich Null oder nahezu Null wird.In order to reduce the oxygen supply to the
Hierzu ist es hilfreich oder gar nötig, den Gaseintritt zum Bypass 3 in den Eingang 11 zu erschweren, hier dargestellt mit dem Leitblech 40. Dieses Leitblech 40 kann auch als Rohrbogen ausgeführt sein. Die Strömungsrichtung, dargestellt mit dem Pfeil 41 am Eintritt 11, ist damit entgegengesetzt zur Abgasströmung im Abgasstrang 2. Das gleiche gilt für den Gasaustritt 12. Dieser ist so zu positionieren, dargestellt mit dem Rohrbogen 42, dass der Gasaustritt 12 der Strömung aus der offenen Drosselstelle kommend, hier Klappe 5, entgegen gerichtet ist, dargestellt mit dem Pfeil 43. Durch diese Anordnung werden an der Eintrittsstelle und Austrittsstelle des Pyrolysereaktors 4 kleine Differenzdrücke erzeugt, die ungefähr dem Druckfall über der offenen Klappe 5 entsprechen, allerdings entgegengesetzt. Damit liegt direkt am Pyrolysereaktor 4 kein bzw. kaum Differenzdruck an und die Abgasströmung durch ihn ist nahezu Null.To this end, it is helpful or even necessary to make it more difficult for the gas to enter the
Hierzu wird der Gegendruck im Abgasstrang 2 mittels der Drosselstelle 5 mit einem Stellglied 25 über den Stellantrieb 26 geregelt und entsprechend eingestellt.For this purpose, the back pressure in the
In den folgenden
In den
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Bei der Drosselklappe 29 wird durch den Antrieb 30 der Winkel fest vorgegeben und der Stellwinkel wird nicht von der Strömung oder dem Druckfall beeinflusst. Die Drosselklappe 29 weist über den Stellwinkel eine sehr exponentielle Funktion auf. Den Differenzdruck über der Drosselklappe 29 zu regeln, ist entsprechend schwierig, da sowohl bei den unterschiedlichen Abgasmassenströmen als auch unterschiedlichen Differenzdrucksollwerten sowohl der flache Teil als auch der steile Teil des Strömungswiderstandes genutzt werden muss.In the case of the
Einen gegenüber einer solchen Drosselklappe 29 deutlich vorteilhafteren Verlauf des Druckabfalls über dem Verstellweg des Stellgliedes weisen eine verstellbare Prallplatte oder eine verstellbare Klappe an einem Rohraustritt auf.An adjustable baffle plate or an adjustable flap at a pipe outlet has a significantly more advantageous profile of the pressure drop over the adjustment path of the actuator compared to such a
Im Ausführungsbeispiel der
Bei dem in
Bei dieser Drosselstelle mittels Prallplatte 31 wirkt durch die Strömungsgeschwindigkeit (dynamischer Druck) und den Staudruck (statischer Druck) eine Kraft auf die verstellbare Prallplatte.In the case of this throttle point by means of a
Die Prallplatte 31 weist über das Verhältnis Hub/Durchmesser h/d ebenfalls eine exponentielle Funktion auf. Allerdings ist hier auch die Kraft auf die Prallplatte 31 nicht über dem Hub h linear. Mit zunehmendem Strömungswiderstand nimmt auch die Kraft zu, so dass diesem ein Kraftgebender/Kraftregelnder Stellantrieb entgegenwirkt und diesen verstellen kann. Diese Verstellung erfolgt ohne Zeitverzug und hilft somit auf direktem Wege der Regelung des Differenzdrucks.The
Bei einer nicht dargestellten Alternative erfolgt die Verstellung der Prallplatte 31 magnetisch mittels eines Elektromagneten.In an alternative that is not shown, the adjustment of the
Bei dem in
Bei einer Drosselstelle mittels einer Klappe 33, wobei die Schwenkachse der Klappe 33 an einer Seite angeordnet ist, wirkt ebenfalls durch die Strömungsgeschwindigkeit und den Staudruck eine Kraft auf die Klappe 33. Der Antrieb erfolgt hier über einen Stellmotor 34, der eine gewisse Kraft aufbringt, um die Klappe 33 in Position zu bringen.In the case of a throttling point by means of a
In dem für den Pyrolysereaktor 4 nötigen Druckbereich ist der statische Druck viel höher als der durch die Strömungsgeschwindigkeit erreichte dynamische Druck. Der statische Druck ist also maßgebend für Höhe der Kraft, die dem Stellmotor 34 entgegenwirkt. Es ist daher ein Antrieb gewählt, der nicht die Position, sondern eine geregelte Kraft ausgibt. Somit ist die Korrektur bei Abgasmassenstromänderungen sofort und automatisch gegeben.In the pressure range required for the
Dabei ist nicht die Geometrie der Drosseleinrichtung als Klappe oder Prallplatte im Vordergrund, sondern die Tatsache, dass durch den statischen Druck eine Gegenkraft auf den Stellantrieb wirkt und diesen in seiner Position verändern kann und eine sofortige Korrektur dieser Positionierung erfolgt.The focus here is not on the geometry of the throttle device as a flap or baffle plate, but on the fact that the static pressure exerts a counterforce on the actuator and can change its position, and this positioning is corrected immediately.
Die
Der Eintritt erfolgt im Windschatten entgegen der Strömungsrichtung im Abgasstrang 2. Der Austritt erfolgt ebenfalls entgegen der Strömungsrichtung im Abgasstrang 2. Durch diese Anordnung lässt sich ein Druckausgleich über dem Eintritt 11 und dem Austritt 12 des Pyrolysereaktors 4 mittels der stromab des Eintritts 11 im Abgasstrang 2 angeordneten Drosselstelle 5 erzeugen, um den Differenzdruck am Pyrolysereaktor 4 nahezu auf Null zu regeln, d.h. die Sauerstoffzufuhr zum Pyrolysereaktor bei der Umschaltung vom fetten zum mageren Betrieb herunter zu fahren, wie dies oben erläutert wurde. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drosselstelle 5 durch eine verstellbare Drosselklappe im Abgasstrang 2 gebildet.The entry takes place in the slipstream against the direction of flow in the
Die Erhitzung des zum Pyrolysereaktor 4 abgeleiteten Teilmassenstroms des Abgases erfolgt mittels der Flammglühkerze 23. Anschließend wird das erhitzte Abgas beruhigt und durch die Blende 22 mit einer Mehrzahl von Bohrungen geleitet und in Richtung auf den Reaktionsraum 19 gleichverteilt. Die Blende 22 ist konzentrisch zum Abgasstrang 2 angeordnet. Der Reaktionsraum 19 ist konzentrisch zum Abgasstrang 2 angeordnet. Zwischen dem konzentrischen Gehäuse 10 des Pyrolysereaktors 4 und dem konzentrisch zum Abgasstrang 2 angeordneten Reaktionsraum 19 ist ebenfalls konzentrisch ein Vlies 14 angeordnet, welches über die Kraftstoffzuleitung 13 mit Kraftstoff beaufschlagt wird.The partial mass flow of the exhaust gas diverted to the
Der Reaktionsraum 19 weist einen Wabenkatalysator mit eingedrückten Kanalübertritten auf, wobei zwischen den Mantellagen wiederum ein Vlies angeordnet werden kann, um Tröpfchen aufzufangen.The
Mittels der Flammglühkerze 23 erfolgt bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 eine Erhitzung des eingeleiteten Abgases auf ein Temperaturniveau oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes. Infolgedessen verdampft der in den Pyrolysereaktor 4 eingeleitete Kraftstoff und die Oxidation setzt ein.When the internal combustion engine 1 is started cold, the
Der eingeleitete Kraftstoff verteilt sich über das Vlies 14, verdampft infolge der Erhitzung aufgrund der Beaufschlagung mit erhitztem Abgas und reagiert im Pyrolysereaktor 4 mit dem Sauerstoff des eingeleiteten Abgases. Durch die Verdampfung des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Kraftstoffes setzt die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Abgasmassenstromes ein und die Vorrichtung erhitzt sich hierdurch selbsttätig weiter.The fuel introduced is distributed over the
Die Einleitung des mittels des Pyrolysereaktors 4 erhitzten Abgases zurück in den Abgasstrang 2 erfolgt über eine Mehrzahl von in mehreren axialen Ebenen angeordneten tiefgezogenen Löchern, die den Ausgang 12 bilden. Die den Ausgang 12 bildenden tiefgezogenen Löcher sind in ihrer Orientierung in Bezug auf die den Eingang 11 bildenden tiefgezogenen Löcher entgegengesetzt ausgerichtet. Diese Ausrichtung unterstützt den Druckausgleich nahe Null über dem Pyrolysereaktor 4.The exhaust gas heated by means of the
Die in
Der Eintritt erfolgt im Windschatten entgegen der Strömungsrichtung im Abgasstrang 2. Durch diese Anordnung lässt sich ein Druckausgleich über dem Eintritt 11 und dem Austritt 12 des Pyrolysereaktors 4 mittels der stromab des Eintritts 11 im Abgasstrang 2 angeordneten Drosselstelle 5 erzeugen, um die Sauerstoffzufuhr zum Pyrolysereaktor bei der Umschaltung vom fetten zum mageren Betrieb herunter zu fahren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß
Hier ist es vorteilhaft, dass die Drosselklappe der Drosselstelle 5 nicht nur gleich der Strömung ausgerichtet werden kann, also vollständig geöffnet, sondern darüber hinaus weitergedreht werden kann, wie dies mit der gestrichelten Position der Drosselklappe in
Die Erhitzung des zum Pyrolysereaktor 4 abgeleiteten Teilmassenstroms des Abgases erfolgt mittels der Flammglühkerze 23. Anschließend wird das erhitzte Abgas beruhigt und durch die Blende 22 mit einer Mehrzahl von Bohrungen geleitet und in Richtung auf den Reaktionsraum 19 beschleunigt. Die Blende 22 ist konzentrisch zum Abgasstrang 2 angeordnet. Der Reaktionsraum 19 ist konzentrisch zum Abgasstrang 2 angeordnet. Zwischen dem konzentrischen Gehäuse 10 des Pyrolysereaktors 4 und dem konzentrisch zum Abgasstrang 2 angeordneten Reaktionsraum 19 ist ebenfalls konzentrisch ein Vlies 14 angeordnet, welches über die Kraftstoffzuleitung 13 mit Kraftstoff beaufschlagt wird.The partial mass flow of the exhaust gas diverted to the
Der Reaktionsraum 19 weist einen Wabenkatalysator mit eingedrückten Kanalübertritten auf, wobei zwischen den Mantellagen wiederum ein Vlies angeordnet werden kann, um Tröpfchen aufzufangen.The
Mittels der Flammglühkerze 23 erfolgt bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 eine Erhitzung des eingeleiteten Abgases auf ein Temperaturniveau oberhalb der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes. Infolgedessen verdampft der in den Pyrolysereaktor 4 eingeleitete Kraftstoff und die Oxidation setzt ein.When the internal combustion engine 1 is started cold, the
Der eingeleitete Kraftstoff verteilt sich über das Vlies 14, verdampft infolge der Erhitzung aufgrund der Beaufschlagung mit erhitztem Abgas und reagiert im Pyrolysereaktor 4 mit dem Sauerstoff des eingeleiteten Abgases. Durch die Verdampfung des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Kraftstoffes setzt die Oxidation des Kraftstoffes mit dem Sauerstoffanteil des in den Pyrolysereaktor 4 eingeleiteten Abgasmassenstromes ein und die Vorrichtung erhitzt sich hierdurch selbsttätig weiter.The fuel introduced is distributed over the
Die Einleitung des mittels des Pyrolysereaktors 4 erhitzten Abgases zurück in den Abgasstrang 2 erfolgt über eine Mehrzahl von in mehreren axialen Ebenen angeordneten tiefgezogenen Löchern, die den Ausgang 12 bilden. Die den Ausgang 12 bildenden tiefgezogenen Löcher sind in ihrer Orientierung in Bezug auf die den Eingang 11 bildenden tiefgezogenen Löcher wiederum entgegengesetzt ausgerichtet. Diese Ausrichtung unterstützt den Druckausgleich nahe Null über dem Pyrolysereaktor 4.The exhaust gas heated by means of the
Durch die beiden Ausführungsformen gemäß den
Durch eine entsprechende Positionierung des Eintritts 11 und des Ausgangs 12 relativ zu der Drosselklappe 29 können die lokalen Druckverhältnisse an der Drosselklappe 29 in vorteilhafter Weise genutzt werde. Hilfreich sind hierbei die optional einzusetzenden Leitelemente 40, 42 zur Strömungsführung. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass auch eine insgesamt preiswerte Anordnung gewählt werden kann, da es durch die Ausnutzung der lokalen Druckverhältnisse im Ergebnis nicht mehr zwingend erforderlich ist, dass die Drosselklappe 29 in geschlossener Position zwingend präzise abdichtet. Durch die Anordnung des Pyrolysereaktors 4 seitlich vom Abgastrakt 2 anstelle der bisher verwendeten Anordnung auf dem Abgastrakt wird der benötigte Bauraum deutlich verkleinert.By appropriately positioning the
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- DE 102010049957 A1 [0003]DE 102010049957 A1 [0003]
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