DE19835565A1 - Vehicle exhaust gas treatment unit with reversible gas flow-path controlled temperature profile, for reduction and degradation of nitrogen oxides, hydrocarbons, and sulfur dioxide - Google Patents
Vehicle exhaust gas treatment unit with reversible gas flow-path controlled temperature profile, for reduction and degradation of nitrogen oxides, hydrocarbons, and sulfur dioxideInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nachbehandlung der Motorabgase einer Brennkraftmaschine, und betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nachbehandlung der Rußpartikel sowie der Stickoxide.The invention relates to a device and a method for aftertreatment of the Engine exhaust gases from an internal combustion engine, and particularly relates to a device and a Process for the aftertreatment of soot particles and nitrogen oxides.
Bekannte NOx-Katalysatoren absorbieren die während des Magerbetriebs eines Motors erzeugten Stickoxide und reduzieren das gespeicherte NOx während eines Fettbetriebs des Motors, wobei die bekannten Verfahren diskontinuierlich sind und das Speichern und Reduzieren der Stickoxide in zeitlich unterschiedlichen Phasen abläuft. Um ein derartiges Verfahren durchführen zu können, muß der Speicher nach einer gewissen Zeit aufgrund seiner endlichen Aufnahmekapazität entleert werden. Dies geschieht entweder nach Ablauf einer fest vorgegebenen Zeit oder es muß der Füllungsgrad des Katalysators bestimmt werden. Wird der Speicher nach Ablauf einer fest vorgegebenen Zeit regeneriert, so hat dies den Nachteil, daß aus Sicherheitsgründen die Speicherkapazität des Katalysators nicht voll ausgenutzt wird, so daß kein optimaler Motorbetrieb hinsichtlich Verbrauch und Abgas verhalten möglich ist. Wird der Speicher regeneriert, wenn ein bestimmter Füllungsgrad des Speichers erreicht ist, so hat dies den Nachteil, daß eine zusätzliche Vorrichtung benötigt wird, die den Füllungsgrad des NOx-Speicherkatalysators bestimmt. Dabei ist die exakte Bestimmung des Füllungsgrades des Speichers schwierig, so daß auch hier auf den rege nerativen Betrieb umgeschaltet wird, wenn der Speicher noch nicht vollständig gefüllt ist. Dies führt letztlich ebenfalls zu einem nicht optimalen Betrieb des Motors. Ferner gilt für beide Verfahren, daß während des Fettbetriebs des Motors kein optimales Abgasverhalten erzielt und für den zyklischen Motorbetrieb eine komplizierte Motorsteuerung benötigt wird.Known NOx catalysts absorb that during the lean operation of an engine generated nitrogen oxides and reduce the stored NOx during a rich operation of the Motors, the known methods are discontinuous and the storage and Reduction of nitrogen oxides occurs in different phases. To such a thing To be able to carry out procedures, the memory has to wait for a certain time its finite absorption capacity can be emptied. This happens either after expiration a predetermined time or the degree of filling of the catalyst must be determined become. If the memory is regenerated after a fixed predetermined time, this has the disadvantage that the storage capacity of the catalyst is not full for safety reasons is exploited so that no optimal engine operation in terms of consumption and exhaust gas behavior is possible. Is the memory regenerated when a certain filling level of the Memory is reached, this has the disadvantage that an additional device is required is determined, the degree of filling of the NOx storage catalyst. The exact one Determination of the degree of filling of the memory difficult, so that here too on the brisk nerative operation is switched when the memory is not completely filled. Ultimately, this also leads to less than optimal operation of the engine. Furthermore applies to both methods that during the rich operation of the engine no optimal exhaust behavior achieved and a complicated motor control is required for cyclic motor operation.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung des Abgasstroms einer Brennkraftmaschine zu entwickeln, die einen optimaleren Motorbetrieb ermöglichen. Ferner soll im Fall eines NOx-Speicher-Reduktions katalysators ein einfaches Verfahren zur Desulfatisierung geschaffen werden.The invention is therefore based on the object of a device and a method for Treatment of the exhaust gas flow of an internal combustion engine to develop a enable optimal engine operation. Furthermore, in the case of a NOx storage reduction catalyst a simple process for desulfating can be created.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 18 und 21 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The invention is solved by the features of claims 1, 18 and 21. Preferred Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nachbehandlung der Motorabgase eine Brennkraftmaschine weist einen Körper oder Monolithen mit vom Abgas durchströmten Ka nälen auf, der im Abgasstrom drehbar angeordnet ist. Unter Monolith wird hier ein Körper verstanden, der einstückig aus Keramik, aus metallischen Trägermaterialien oder aus ke ramischen oder metallischen Segmenten, die in einer Aufnahmestruktur angeordnet sind, bestehen kann.The device according to the invention for the aftertreatment of the engine exhaust gases Internal combustion engine has a body or monolith with Ka through which the exhaust gas flows channels, which is rotatably arranged in the exhaust gas flow. Monolith is a body here understood that in one piece from ceramic, from metallic carrier materials or from ke ramischen or metallic segments, which are arranged in a receiving structure, can exist.
Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung einen Filter, der drehbar angeordnet sein kann, wobei sich der Filter insbesondere mit dem Monolithen drehen kann.Preferably, the device comprises a filter which can be rotatably arranged, wherein the filter can rotate especially with the monolith.
Ferner weist die Vorrichtung einen Zuströmkanal auf, der mit einem Teil (B1) der Kanäle des Körpers in Strömungsverbindung steht. Ferner ist eine Strömungsverbindung vorgesehen ist, die mit dem von dem Zuströmkanal angeströmten Teil B1 der Kanäle ausgangsseitig in Verbindung steht und diesen strömungsmäßig mit einem Teil B2 der Kanäle verbindet, der nicht mit dem Zuströmkanal in Strömungsverbindung steht.Furthermore, the device has an inflow channel which is connected to a part (B1) of the channels of the Body is in fluid communication. A flow connection is also provided, that on the output side with the part B1 of the channels flowed against by the inflow channel Connection is established and connects this in terms of flow to part B2 of the channels, which is not in flow connection with the inflow channel.
Vorzugsweise ist der Körper oder Monolith in zwei Bereiche B1, B2 unterteilt ist, wobei das Abgas an der vorderen Stirnfläche des Körpers in den ersten Bereichs B1 eintritt, an der hinteren Stirnfläche des ersten Bereichs B1 austritt, durch den dort angebrachten Filter hindurchtritt, in eine Stirnfläche des zweiten Bereichs B2 eintritt und den zweiten Bereich B2 an der anderen Stirnfläche 2 verläßt, wobei der Körper 4 sich während der Durchströmung um eine Achse parallel zur Strömungsrichtung des Abgasstroms dreht. Ferner kann der Ab gasstrom nach dem Austritt aus der hinteren Stirnfläche des ersten Bereichs und dem Durchtritt durch den Filter eine 180°-Wendung erfahren und durch den Filter wieder in die hintere Stirnfläche des Körpers im zweiten Bereich B2 eintreten. Preferably, the body or monolith is divided into two areas B1, B2, the exhaust gas entering the first area B1 on the front face of the body, exiting on the rear face of the first area B1, passing through the filter attached there, into one End face of the second area B2 enters and leaves the second area B2 on the other end face 2 , the body 4 rotating during the flow around an axis parallel to the flow direction of the exhaust gas stream. Furthermore, the exhaust gas flow after exiting the rear end face of the first region and passing through the filter can undergo a 180 ° turn and enter the rear end face of the body in the second region B2 through the filter.
Vorzugsweise wird die Unterteilung des Speicherkatalysators bzw. des Monolithen in den ersten und den zweiten Bereich B1, B2 durch eine Wand bewirkt wird, die den eintretenden Abgasstrom in den ersten Bereich B1 des Monolithen leitet.The subdivision of the storage catalytic converter or of the monolith into the first and the second area B1, B2 is effected by a wall that the incoming Exhaust gas flows into the first area B1 of the monolith.
Ferner kann die Brennkraftmaschine eine direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum aufweisen und/oder eine Dieselkraftstoffmaschine sein.Furthermore, the internal combustion engine can directly inject fuel into the combustion chamber have and / or be a diesel fuel machine.
Vorzugsweise weist der Filter ein Heizelement auf, um den Filter beispielsweise nach einem Kaltstart auf die notwendige Temperatur zu bringen. Nach Erreichen der erforderlichen Temperatur von ca. 200°C kann das Heizelement abgeschaltet werden. Grundsätzlich ist eine zusätzliche Zuheizung nur dann vorgesehen, wenn die motorischen Bedingungen (Abgastemperatur) nicht zu einem Rußabbrand führen. Insbesondere kann die erforderliche Temperatur zur Schadstoffumsetzung alternativ oder unterstützend auch durch geeignet gewählte motorische Parameter (Einspritzmenge, Einspritzverlauf, Nacheinspritzung) schnell erreicht werden, auch hier werden die motorischen Parameter auf ihre Normalbedingungen zurückgeführt, wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist.The filter preferably has a heating element, for example after a filter Bring cold start to the necessary temperature. After reaching the required The temperature can be switched off at a temperature of approx. 200 ° C. Basically is Additional heating is only provided if the engine conditions (Exhaust gas temperature) do not lead to soot burn-off. In particular, the required Alternative or supportive temperature for the conversion of pollutants also suitable selected engine parameters (injection quantity, injection process, post-injection) quickly be achieved, again the motor parameters are based on their normal conditions returned when the desired temperature is reached.
Ferner weist die Vorrichtung ein feststehendes Gehäuse auf, in dem der sich um seine Längsachse drehende Körper (4) angeordnet ist. Die Drehung des Körpers kann durch eine Antriebseinheit bewirkt werden, wobei als Antriebseinheit ein Elektromotor verwendet werden kann. Die Rotationsgeschwindigkeit des Körpers beträgt vorzugsweise ca. 0,3 bis 10 U/min. Es ist jedoch auch möglich den Körper bzw. den Monolithen nach Art einer Turbine durch den Gasdruck des einströmenden Abgases zu drehen.The device also has a fixed housing in which the body ( 4 ) rotating about its longitudinal axis is arranged. The rotation of the body can be brought about by a drive unit, wherein an electric motor can be used as the drive unit. The rotational speed of the body is preferably approximately 0.3 to 10 rpm. However, it is also possible to rotate the body or the monolith in the manner of a turbine by means of the gas pressure of the inflowing exhaust gas.
Vorzugsweise ist der Körper zur Schadstoffreduzierung, insbesondere zur Reduktion von NOx, HC und/oder CO, zumindest teilweise katalytisch beschichtet, wobei der Körper aus Metall oder Keramik ist. Vorzugsweise ist der Körper (4) ein Monolith.The body for reducing pollutants, in particular for reducing NOx, HC and / or CO, is preferably at least partially catalytically coated, the body being made of metal or ceramic. The body ( 4 ) is preferably a monolith.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Nachverbrennung der Rußpartikel im
Abgasstrom eines Dieselmotors, wobei im Abgasstrom ein Körper angeordnet ist, der in
Abgasströmungsrichtung mit Kanälen durchzogen und in zwei Bereiche B1, B2 unterteilt ist,
weist die folgenden Schritte auf:
Leiten des Abgasstroms in die vordere Stirnfläche des ersten Bereiches B1,
Leiten des Abgasstroms an der hinteren Stirnfläche des ersten Bereiches B1 in eine
Stirnfläche 5 des zweiten Bereiches B2 und Austreten des Abgasstroms an der anderen
Stirnfläche des zweiten Bereiches B2, und
Drehens des Körpers während des Betriebs um eine Achse, so daß die Kanäle vom
ersten Bereich B1 in den zweiten Bereich B2 wechseln.The method according to the invention for the continuous afterburning of the soot particles in the exhaust gas stream of a diesel engine, wherein a body is arranged in the exhaust gas stream, which has channels in the exhaust gas flow direction and is divided into two areas B1, B2, has the following steps:
Directing the exhaust gas flow into the front end face of the first area B1,
Directing the exhaust gas flow on the rear end face of the first area B1 into an end face 5 of the second area B2 and exiting the exhaust gas flow on the other end face of the second area B2, and
Rotating the body about an axis during operation so that the channels change from the first area B1 to the second area B2.
Vorzugsweise wird der Körper mit einer solchen Geschwindigkeit um seine Achse gedreht, daß eine Erwärmung des zweiten Bereichs B2 durch den Abgasstrom zu einer Erwärmung des Abgasstroms durch den ersten Bereich führt.The body is preferably rotated about its axis at such a speed that that heating of the second region B2 by the exhaust gas flow leads to heating of the exhaust gas flow through the first area.
Ferner wird eine Retention oder Rückhaltung der Rußpartikel des Abgasstroms an einem Filter bewirkt, der zwischen der hinteren Stirnfläche der ersten Bereichs B1 und der abgaseingangsseitigen Stirnfläche des zweiten Bereichs B2 angeordnet ist, und die Umdrehungsgeschwindigkeit so gewählt wird, daß das Maximum der Temperaturfront sich in etwa an dem Filter befindet.Furthermore, a retention or retention of the soot particles of the exhaust gas flow on one Filter that acts between the rear face of the first area B1 and Exhaust gas inlet end face of the second region B2 is arranged, and the Rotation speed is chosen so that the maximum of the temperature front is in is located on the filter.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Desulfatierung einer Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine wird zu Beginn der Desulfatisierung die Rotation des Körpers bei gleichzeitiger Erhöhung der Schadstoffmenge im Abgas ver langsamt oder ausgesetzt, bis ein entstehendes Temperaturmaximum in oder durch den zweiten Bereich B2, insbesondere nahe der abgasaustrittsseitigen Stirnfläche des zweiten Bereichs B2 gewandert ist, wird der Körper gedreht bis der zweite Bereich B2 die Stelle des ersten Bereichs zumindest überwiegend einnimmt, so daß das Temperaturmaximum über wiegend im ersten Bereich liegt, und wird die Rotation ausgesetzt, bis das Temperaturma ximum zumindest in den zweiten Bereich B2 gelangt ist, und wird die Nacheinspritzung her untergesetzt und der Körper erneut gedreht.In the inventive method for desulfating a device for Aftertreatment of the exhaust gases of an internal combustion engine begins at the beginning of the desulfation ver rotation of the body while increasing the amount of pollutants in the exhaust gas slow or exposed until an emerging temperature maximum in or through the second area B2, in particular near the exhaust gas outlet-side end face of the second Area B2 has migrated, the body is rotated until the second area B2 the place of occupies the first area at least predominantly, so that the temperature maximum above lies primarily in the first range, and the rotation is suspended until the temperature measure ximum has at least reached the second area B2, and the post-injection will take place below and the body turned again.
Die Verlangsamung der Drehung bzw. der Stopp des Körpers kann mehrmals wiederholt werden, bis im wesentlichen alle Bereiche entschwefelt sind.The slowdown of the rotation or the stop of the body can be repeated several times until essentially all areas have been desulfurized.
Die kontinuierliche Rotation des Körpers wird wieder aufgenommen, wenn das Tem peraturmaximum sich in etwa an der Schnittstelle der beiden Bereiche B1, B2 befindet. Continuous rotation of the body resumes when the tem temperature maximum is approximately at the interface of the two areas B1, B2.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das entsprechende Verfahren weist zu
sammenfassend die folgenden Vorteile auf:
Durch die gute Wärmerückgewinnung aufgrund der Rotation des Monolithen und der
Strömungsumkehr des Abgases wird eine kontinuierliche Rußnachverbrennung erzielt, die
energetische Vorteile bietet.In summary, the device according to the invention and the corresponding method have the following advantages:
Due to the good heat recovery due to the rotation of the monolith and the flow reversal of the exhaust gas, continuous soot afterburning is achieved, which offers energetic advantages.
Eine kontinuierliche Rußverbrennung ist wesentlich einfacher und effektiver als ein dis kontinuierliches Verfahren.Continuous soot combustion is much easier and more effective than dis continuous process.
Es tritt kein gefährliches spontanes Zünden von angesammeltem Ruß auf.There is no dangerous spontaneous ignition of accumulated soot.
Das System weist einen geringeren Druckverlust auf als Systeme mit einseitig verschlos senen Kanälen.The system has a lower pressure drop than systems with one-sided locking channels.
Der für den Rußfilter als Wärmetauscher verwendete Monolith wird durch eine entspre chende Beschichtung als NOx-Speicher verwendet.The monolith used for the soot filter as a heat exchanger is replaced by a Appropriate coating used as NOx storage.
Aufgrund der Abgastemperaturerhöhung erzielt der Katalysator eine höhere Effektivität.Due to the increase in exhaust gas temperature, the catalytic converter achieves greater effectiveness.
Eine Desulfatierung des NOx-Speicherkatalysators ist möglich.Desulfation of the NOx storage catalytic converter is possible.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.A preferred embodiment of the invention is described below with reference to the drawings explained.
Fig. 1a zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen NOx-Katalysator, Fig. 1a shows a cross section through an inventive NOx catalyst,
Fig. 1b zeigt eine Ansicht des Katalysators der Fig. 1b von unten, FIG. 1b shows a view of the catalyst of Fig. 1b from below,
Fig. 2 zeigt Temperaturprofile des drehenden Monolithen für drei unterschiedliche Kanäle, Fig. 2 shows temperature profiles of the rotating monoliths for three different channels,
Fig. 3 zeigt die Wanderung der Temperaturfront zu Beginn der Desulfatierung, Fig. 3 shows the migration of the temperature front at the start of desulfation,
Fig. 4 zeigt die Wanderung der Temperaturfront während der Desulfatierung, und Fig. 4 shows the migration of the temperature front during desulfation, and
Fig. 5 zeigt die Wanderung der Temperaturfront beim Abklingen der Desulfatierung. Fig. 5 shows the migration of the temperature front at the decay of the desulfation.
Die Fig. 1a und 1b zeigen einen Querschnitt und eine Ansicht von unten einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasbehandlung. FIGS. 1a and 1b show a cross section and a bottom view of a preferred embodiment of the device for exhaust gas treatment.
Über einen Zuströmkanal 1 wird die erste Hälfte der vorderen Stirnfläche 2 eines von Kanälen 3 durchzogenen Monolithen 4 mit dem von einem Motor (nicht dargestellt) kommenden Abgas beaufschlagt. Das Motorabgas durchströmt in diesem Bereich, im fol genden erster Bereich B1 genannt, den Monolithen 4 von vorne nach hinten. An der Rück seite des Monolithen 4 tritt das Abgas durch die erste Hälfte der hinteren Stirnfläche 5 in eine Filtermatte 6 ein und wird nach Durchtritt durch die Filtermatte 6 um 180° umgelenkt (Umlenkung 7) und tritt durch die zweite Hälfte der hinteren Stirnfläche 5 in die zweite Hälfte des Monolithen 4 ein, im folgenden zweiter Bereich B2 genannt, durchströmt diese von hinten nach vorne und tritt dann durch die zweite Hälfte der vorderen Stirnfläche 2 in den Abströmkanal 8 ein zur Weiterleitung zum Schalldämpfer (nicht dargestellt). Während der Durchströmung dreht sich der Monolith 4 in Umfangsrichtung, d. h. um eine Achse parallel zur Strömungsrichtung des Abgases. Ferner ist der Monolith 4 in seinem unteren Teil T1 mit einer inerten Oberfläche oder Beschichtung versehen, während er in seinem oberen und i. a. größeren Teil T2 mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist und daher als NOx-Speicherkatalysator wirkt. Die katalytische Beschichtung kann sich auch über den gesamten Monolithen 4 erstrecken.The exhaust gas coming from an engine (not shown) is applied to the first half of the front end face 2 of a monolith 4 with channels 3 via an inflow channel 1 . The engine exhaust flows in this area, hereinafter called the first area B1, the monolith 4 from the front to the rear. On the rear side of the monolith 4 , the exhaust gas enters through the first half of the rear end face 5 into a filter mat 6 and is deflected by 180 ° after passing through the filter mat 6 (deflection 7 ) and enters through the second half of the rear end face 5 in the second half of the monolith 4 , hereinafter referred to as the second region B2, flows through it from the rear to the front and then enters the outflow channel 8 through the second half of the front end face 2 for forwarding to the muffler (not shown). During the flow, the monolith 4 rotates in the circumferential direction, ie around an axis parallel to the flow direction of the exhaust gas. Furthermore, the monolith 4 is provided with an inert surface or coating in its lower part T1, while it is provided with a catalytic coating in its upper and generally larger part T2 and therefore acts as a NOx storage catalytic converter. The catalytic coating can also extend over the entire monolith 4 .
Die Rotation des Monolithen 4 wird durch einen geeigneten elektrischen Antrieb 9 realisiert. Dazu wird der Monolith 4 auf einer drehbar gelagerten Welle 10 montiert, welche vom oben genannten Antrieb 9 in Rotation versetzt wird. Bei Verwendung eines Elektromotors kann die Rotationsgeschwindigkeit mit Hilfe von geeigneten Informationen aus dem Motorsteuergerät an den Betriebszustand des Fahrzeugmotors angepaßt werden. Darüber hinaus können durch freie Regelbarkeit der Rotation gezielte Regenerationsmaßnahmen eingeleitet werden, was noch im folgenden genauer erläutert wird.The rotation of the monolith 4 is realized by a suitable electric drive 9 . For this purpose, the monolith 4 is mounted on a rotatably mounted shaft 10 , which is set in rotation by the above-mentioned drive 9 . When using an electric motor, the rotational speed can be adapted to the operating state of the vehicle engine using suitable information from the engine control unit. In addition, targeted regeneration measures can be initiated by freely regulating the rotation, which will be explained in more detail below.
Zum Schutz der Antriebseinheit 9 dient eine Abdeckhaube 11, die gleichfalls den Austritt von Abgasen verhindert, falls es an der Wellendurchführung zu Gasleckage kommen sollte. A cover 11 serves to protect the drive unit 9 and likewise prevents exhaust gases from escaping in the event of gas leakage at the shaft bushing.
Ferner ist der Monolith 4 in einem feststehenden Gehäuse 12 angeordnet, wobei das Gehäuse 12 eine Kuppel 13 aufweist, die die Umlenkung 7 des Gasstroms bewirkt.Furthermore, the monolith 4 is arranged in a fixed housing 12 , the housing 12 having a dome 13 which causes the gas flow to be deflected 7 .
Bei dem der Vorrichtung zugrunde liegenden Verfahren handelt es sich um eine kontinuierliche Nachverbrennung der Rußpartikel in der Filtermatte 6. Diese Nachverbren nung läuft in sauerstoffreicher Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 500°C (katalytisch unterstützt) bzw. 600°C (nicht katalytisch unterstützt) ab. Das Motorabgas und die Filtermatte 6 müssen auf diese Temperatur aufgeheizt werden.The method on which the device is based is a continuous afterburning of the soot particles in the filter mat 6 . This post-combustion takes place in an oxygen-rich atmosphere at temperatures between 500 ° C (catalytically supported) and 600 ° C (not catalytically supported). The engine exhaust and the filter mat 6 must be heated to this temperature.
Die Rußpartikel werden in der Filtermatte 6 gefangen und haben dort genügend Zeit vollständig oxidiert zu werden. Durch das Weiterdrehen der Filtermatte 6 wird ein zu starkes Anreichern mit Partikeln im Bereich B1 vermieden.The soot particles are caught in the filter mat 6 and have enough time to be completely oxidized there. By turning filter mat 6 further, excessive accumulation of particles in area B1 is avoided.
Die Abgastemperatur des Dieselmotors ist bei niedriger und mittlerer Last zu niedrig um im System eine genügend hohe Temperatur für den Abbrand der Rußpartikel zu erreichen. Bei einem Kaltstart des Fahrzeuges, also vollständig ausgekühlter Abgasanlage, wird die Filtermatte 6 durch eine zusätzliche Wärmequelle (nicht dargestellt) aufgeheizt. Hierfür ist eine in der Filtermatte 6 integrierte elektrischen Heizung (nicht dargestellt) vorgesehen, die nach Erreichen der erforderlichen Temperatur von ca. 200°C abgeschaltet werden kann. Die Heizung ist nur dann notwendig, wenn die motorischen Bedingungen nicht zu einem Rußabbrand führen. Außerdem kommt der Einsatz von sogenannten Flammkerzen, wie sie in dieselbetriebenen PKW-Standheizungen eingesetzt werden, in Frage.The exhaust gas temperature of the diesel engine is too low at low and medium loads to reach a sufficiently high temperature in the system for the soot particles to burn up. In the event of a cold start of the vehicle, that is to say a completely cooled exhaust system, the filter mat 6 is heated by an additional heat source (not shown). For this purpose, an electrical heater (not shown) integrated in the filter mat 6 is provided, which can be switched off after the required temperature of approximately 200 ° C. has been reached. Heating is only necessary if the motor conditions do not lead to soot burn-off. In addition, the use of so-called flame candles, such as those used in diesel-powered car parking heaters, can be considered.
Wird nun die aufgeheizte Filtermatte 6 von Motorabgas durchströmt, wird ein Teil dieser Wärme in den oberen Teil des Katalysators (Monoliths 4) transportiert. Die Filtermatte 6 wird nicht bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur von 600°C aufgeheizt, sondern nur solange, bis sich der obere Teil des Monoliths 4 auf Zündtemperatur befindet. Die Zündtemperatur (ca. 200°C) ist die Temperatur, bei der die katalytische Umsetzung der sich im Abgas befindlichen Produkte unvollständiger Verbrennung (CO, HC, H2) beginnt. Die weitere Temperaturerhöhung erfolgt dann durch die freiwerdende Reaktionswärme bei der Umsetzung der erwähnten Abgasbestandteile. Diese Maßnahme ist energetisch wesentlich effektiver als eine vollständige elektrische Aufheizung. If engine exhaust gas now flows through the heated filter mat 6 , part of this heat is transported into the upper part of the catalytic converter (monolith 4 ). The filter mat 6 is not heated until the working temperature of 600 ° C. is reached, but only until the upper part of the monolith 4 is at the ignition temperature. The ignition temperature (approx. 200 ° C) is the temperature at which the catalytic conversion of the incomplete combustion products (CO, HC, H 2 ) in the exhaust gas begins. The further increase in temperature then takes place due to the heat of reaction released during the implementation of the exhaust gas components mentioned. This measure is energetically much more effective than complete electrical heating.
Die Filtermatte 6 muß so beschaffen sein, daß die Rußpartikel bis zum Erreichen der Verbrennungstemperatur in der Filtermatte 6 zurückgehalten werden können. So gelangen auch während des Anfahrens der Vorrichtung keine Rußpartikel in die Umgebung.The filter mat 6 must be such that the soot particles can be retained in the filter mat 6 until the combustion temperature is reached. So no soot particles get into the environment even when the device is started up.
Ferner wird die Aufheizung des Systems oberhalb der Zündtemperatur nach einem Kaltstart, ebenso die während des Betriebs benötigte Wärme, um das System auf dem erforderlichen Temperaturniveau zu halten, durch die katalytische Umsetzung von Produkten aus unvollständiger Verbrennung erreicht. Die dafür erforderlichen Konzentrationen liegen in der Regel jedoch über denen, die bei regulärem Motorlauf freigesetzt werden. Durch Verwendung einer Common-Rail Einspritzanlage werden durch gezielte Nacheinspritzung die erforderlichen Konzentrationen erreicht. Hierfür verfügt das System über eine entsprechende Steuerung.Furthermore, the heating of the system above the ignition temperature after a cold start, as well as the heat required during operation to keep the system at the required level Maintain temperature level through the catalytic conversion of products incomplete combustion reached. The concentrations required for this are in the However, rule over those that are released during regular engine running. By The use of a common rail injection system will result in targeted post-injection required concentrations reached. The system has a corresponding one for this Control.
Der vordere Teil T1 des Monoliths 4 der Fig. 1a dient lediglich zum Wärmeaustausch und ist nicht katalytisch aktiv. Der mittlere und hintere Teil T2 des Monoliths 4 befindet sich in der Regel in einem Temperaturbereich von 250-500°C und wird durch eine entsprechende katalytische Beschichtung als Katalysator zur Entfernung der Stickoxide benutzt. Es kommen sowohl kontinuierlich wirkende Katalysatoren auf Platin- bzw. Zeolith-Basis in Frage, wie auch Speicherkatalysatoren.The front part T1 of the monolith 4 of FIG. 1a is only used for heat exchange and is not catalytically active. The middle and rear part T2 of the monolith 4 is generally in a temperature range of 250-500 ° C. and is used as a catalyst for removing the nitrogen oxides by means of a corresponding catalytic coating. Both continuously acting catalysts based on platinum or zeolite are possible, as are storage catalysts.
Zur Regeneration des mit Stickoxiden beladenen Speicherkatalysators (Monolith 4 mit entsprechender Beschichtung) muß eine reduzierende Atmosphäre herrschen. Diese Abgaszusammensetzung mit einem Luftverhältnis von λ < 1 wird ebenfalls durch Nachein spritzung mittels Common-Rail in ausgewählten Betriebspunkten des Motors erreicht oder bei nicht Common-Rail Motoren durch geeignet gewählte motorische Parameter erzeugt.A reducing atmosphere must prevail for the regeneration of the storage catalyst loaded with nitrogen oxides (monolith 4 with appropriate coating). This exhaust gas composition with an air ratio of λ <1 is also achieved by post-injection using common rail at selected operating points of the engine or, in the case of non-common rail engines, is generated by suitably selected engine parameters.
Fig. 1b zeigt eine Ansicht von unten der Vorrichtung nach Fig. 1a, in der die vordere Stirnfläche 2 mit den Kanälen 3 des Monolithen 4 in dem Gehäuse 12 sichtbar ist. Die Un terteilung des Monolithen in einen ersten Bereich B1 und einen zweiten Bereich B2 wird durch eine Wand 14 bewirkt, die den zugeführten Abgasstrom in der ersten Bereich B1 des Monolithen 4 leitet. Diese Wand 14 wird durch eine entsprechende Ausformung der Ab deckhaube 11 gebildet. Die Abgasstromrichtung in dieser Ansicht ist durch Pfeile 15 und die Drehrichtung des Monolithen 4 um die Welle 10 durch einen Pfeil 16 dargestellt. Ferner sind die Orte dreier Kanäle K1, K2 und K3 dargestellt, die später zur Erläuterung der Tem peraturfronten in dem Monolithen 4 benötigt werden. FIG. 1b shows a bottom view of the device according to Fig. 1a, in which the front end face 2 is visible to the channels 3 of the monolith 4 in the housing 12. The subdivision of the monolith into a first region B1 and a second region B2 is brought about by a wall 14 which guides the exhaust gas flow supplied in the first region B1 of the monolith 4 . This wall 14 is formed by a corresponding shape from the hood 11 . The exhaust gas flow direction in this view is represented by arrows 15 and the direction of rotation of the monolith 4 around the shaft 10 by an arrow 16 . Furthermore, the locations of three channels K1, K2 and K3 are shown, which will later be required to explain the temperature fronts in the monolith 4 .
Fig. 2 zeigt Temperaturprofile dreier unterschiedlicher Kanäle K1, K2, K3 des Monolithen. Es wird bei den Modellrechnungen von einer angenommenen Abgastemperatur von ca. 100°C ausgegangen. Fig. 2 shows temperature profiles of three different channels K1, K2, K3 of the monolith. The model calculations assume an exhaust gas temperature of approx. 100 ° C.
Zur Nachverbrennung der in der Filtermatte gespeicherten Rußpartikel müssen Motorabgas und Filtermatte auf 500-600°C aufgeheizt werden. Für einen energetisch sinnvollen Betrieb des Systems ist ein sehr hoher Grad der Wärmerückgewinnung erforderlich. Durch die Rotation eines Wärme speichernden Mediums, hier des Monoliths, in Verbindung mit der Strömungsumkehr kann dieser Effekt erreicht werden (Regenerator-Prinzip). Es stellen sich für verschiedene Kanäle des Monolithen Temperaturprofile ein wie sie in Fig. 2 gezeigt sind. Zum Verständnis dieser Abbildung stelle man sich den Bereich B1, die Filtermatte und den Bereich B2 in Reihe geschaltet vor. Beim Durchströmen des Systems werden die einzelnen Bereiche in dieser Reihenfolge vom Gas durchströmt. Ohne Rotation würde die Temperaturfront aus dem Systems hinausgetrieben. Durch die Drehung des Monolithen wird die Temperaturfont immer wieder in das System zurückgetrieben. Im Mittel entsteht ein periodisch stationäres Profil, dessen Maximum im Bereich der Filtermatte liegt.In order to afterburn the soot particles stored in the filter mat, the engine exhaust gas and filter mat must be heated to 500-600 ° C. A very high degree of heat recovery is required for energy-efficient operation of the system. This effect can be achieved by rotating a heat-storing medium, here the monolith, in connection with the flow reversal (regenerator principle). There are temperature profiles for different channels of the monolith as shown in FIG. 2. To understand this figure, imagine the area B1, the filter mat and the area B2 connected in series. When flowing through the system, the gas flows through the individual areas in this order. Without rotation, the temperature front would be driven out of the system. By turning the monolith, the temperature font is driven back into the system again and again. On average, a periodically stationary profile is created, the maximum of which lies in the area of the filter mat.
In der Fig. 2 ist die Temperatur T [°C] gegenüber der Ortskoordinate x [m] eines Kanals des Monolithen aufgetragen. Dabei wird ein betrachteter Kanal des Monolithen dadurch gebildet, indem, wie bereits geschildert, der Bereich B2 des Monolithen gedanklich nach oben geklappt wird, d. h. der erste Bereich B1, die Filtermatte und der zweite Bereich B2 werden hintereinander angeordnet, so daß sich für das durchströmende Gas ein "gerader" Kanal ergibt. Folglich wird zur Erläuterung und Berechnung angenommen, daß ein Kanal des Bereichs B1 mit seinem zur Drehachse punktsymmetrisch angeordneten Kanal des Bereichs B2 verbunden wäre.In FIG. 2, the temperature T [° C] with respect to the coordinate x [m] is applied a channel of the monolith. Here, a channel of the monolith under consideration is formed by, as already described, the area B2 of the monolith being mentally folded up, that is to say the first area B1, the filter mat and the second area B2 are arranged one behind the other so that the flow through them Gas gives a "straight" channel. It is consequently assumed for the purpose of explanation and calculation that a channel of the area B1 would be connected to its channel of the area B2 arranged symmetrically with respect to the axis of rotation.
Die Kurve zum Zeitpunkt t0 der Fig. 2 zeigt das Temperaturprofil eines Kanal K1, der gerade aus dem Bereich B2 kommend in den Bereich B1 eingedreht wurde und nun mit Abgas beaufschlagt wird (siehe Fig. 1 b). Die zur Vereinfachung der Berechnung angenommene Abgastemperatur von 100°C ist dann kälter als die Temperatur des Kanals K1, der aufgrund der katalytischen Umsetzung von HC, CO, H2 vorher an seinem Ausgang im Bereich B2 eine Temperatur von ca. 200°C hatte. Zu erkennen ist, daß die maximale Temperatur des Kanals K1 sich vor der gestrichelt dargestellten Schnittstelle (180° Umkehrbereich 7) der Bereiche B1 und B2 befindet, die sich in den Figuren am Ort x = 0,2 befindet.The curve at time t0 in FIG. 2 shows the temperature profile of a channel K1, which was just turned into area B1 coming from area B2 and is now subjected to exhaust gas (see FIG. 1b). The exhaust gas temperature of 100 ° C assumed to simplify the calculation is then colder than the temperature of channel K1, which previously had a temperature of approx. 200 ° C at its exit in area B2 due to the catalytic conversion of HC, CO, H 2 . It can be seen that the maximum temperature of the channel K1 is in front of the dashed interface (180 ° reversal area 7 ) of the areas B1 and B2, which is located at the location x = 0.2 in the figures.
Ein Weiterdrehen des Monolithen um 90° führt zu dem Kanal K2. Bedingt durch die Kühlung der vorderen Stirnfläche des Bereichs B1 des Monolithen ist die Temperatur am Anfang des Kanals gefallen und das Maximum der Temperaturfront hat sich zur Mitte, d. h. dem Bereich der Filtermatte, verschoben.A further rotation of the monolith by 90 ° leads to channel K2. Due to the cooling The front face of area B1 of the monolith is the temperature at the beginning of the Channel fell and the maximum of the temperature front has moved towards the middle, i.e. H. the area the filter mat.
Ein erneutes Weiterdrehen des Monolithen um annähernd 90° führt zu einem Kanal K3, der sich gerade noch im Bereich B1 befindet und kurz vor dem Überwechseln in den Bereich B2 steht. Der Eingang des Kanals K3 hat jetzt die Abgastemperatur von 100°C angenommen, aber das Maximum der Temperaturfront liegt bereits im zweiten Bereich B2 des Monolithen. Würde der Kanal K3 nicht in den zweiten Bereich B2 überwechseln, beispielsweise wenn keine Drehung ausgeführt würde, so würde die Temperaturfront aus dem Monolithen herauswandern. Das Überwechseln des Kanals K3 in den zweiten Bereich B2 bedeutet, daß das Ende des Kanals K3 in den Bereich B1 wandert und zu einem Eingang wird. Mit anderen Worten, der Vorgang beginnt wieder mit dem Kanal K1, der gerade in den Bereich B1 gewechselt ist. Auf diese Weise wird die Temperaturfront durch die Drehung in dem Monolithen gehalten und im Mittel befindet sich das Maximum der Temperaturfront in dem Bereich der Abgasumlenkung um 180°, in dem sich die Filtermatte befindet.A further turning of the monolith by approximately 90 ° leads to a channel K3 which is just in area B1 and shortly before moving to area B2 stands. The entrance of channel K3 has now reached the exhaust gas temperature of 100 ° C, but the maximum of the temperature front is already in the second area B2 of the monolith. Would the channel K3 not change to the second area B2, for example if If no rotation were carried out, the temperature front would be made from the monolith wander out. The change of the channel K3 into the second area B2 means that the end of channel K3 moves into area B1 and becomes an entrance. With others Words, the process begins again with channel K1, which is currently in area B1 has changed. In this way, the temperature front through the rotation in the Monoliths held and on the average is the maximum of the temperature front in the Area of the exhaust gas deflection by 180 ° in which the filter mat is located.
Die Fig. 3-5 zeigen anhand von Temperaturprofilen eines Kanals der als hintereinander geschaltet betrachteten Bereiche B1 und B2 des Monolithen den Verlauf der Desulfatierung eines als NOx-Speicherkatalysators ausgelegten Monolithen. FIGS. 3-5 based on temperature profiles of a channel of a cascaded considered areas B1 and B2 of the monolith the course of desulfation of a designed as a NOx storage catalytic converter monolith.
Bei Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff muß von Zeit zu Zeit eine Desulfatierung des Katalysators durchgeführt werden. Dies geschieht auf thermischem Wege bei Temperaturen oberhalb 650°C in leicht reduzierender Atmosphäre (λ = 0.98-0.95). Wie bereits oben erwähnt, kann durch Nacheinspritzung eine fast beliebige Temperaturerhöhung erreicht werden. Durch geeignete Steuerung von Rotation und Nacheinspritzung kann eine Temperaturfront über den Monolith in der Art getrieben werden, daß jeder Bereich für die erforderliche Zeit von ca. 20 bis 300 Sekunden auf den benötigten hohen Temperaturen gehalten werden kann. Dies ist in den Fig. 3-5 dargestellt. When using sulfur-containing fuel, the catalyst must be desulfated from time to time. This takes place thermally at temperatures above 650 ° C in a slightly reducing atmosphere (λ = 0.98-0.95). As already mentioned above, an almost arbitrary increase in temperature can be achieved by post-injection. By suitably controlling rotation and post-injection, a temperature front can be driven over the monolith in such a way that each area can be kept at the required high temperatures for the required time of approximately 20 to 300 seconds. This is shown in Figs. 3-5.
Fig. 3 zeigt den Beginn einer Desulfatierung am Beispiel eines Kanals, beispielsweise des Kanals K1 der Fig. 2, anhand der zeitlichen Entwicklung der Temperaturfront in diesem Kanal. Dargestellt ist der örtliche Verlauf der Temperaturfront, wobei der Ort x = 0,2 die Schnittstelle der Bereiche B1 und B2, d. h. der Ort der Filtermatte, darstellt. Zu Beginn der Desulfatierung, dargestellt durch die Kurve zum Zeitpunkt t0, wird die Rotation bei gleichzeitiger Erhöhung der Nacheinspritzung solange ausgesetzt, bis die Temperaturfront von ca. 700°C im Bereich B2 bis kurz vor den Abströmkanal gewandert ist (Zeitpunkte t1-t4). Allgemein gilt für die Darstellung in den Fig. 3-5: t0<t1<. . .t20. FIG. 3 shows the beginning of desulfation using the example of a channel, for example channel K1 of FIG. 2, based on the temporal development of the temperature front in this channel. The local course of the temperature front is shown, the location x = 0.2 representing the interface of the areas B1 and B2, ie the location of the filter mat. At the beginning of the desulfation, shown by the curve at time t0, the rotation is suspended while increasing the post-injection until the temperature front has moved from approx. 700 ° C in the area B2 to just before the outflow channel (times t1-t4). The following generally applies to the representation in FIGS. 3-5: t0 <t1 <. . .t20.
Zu dem Zeitpunkt t4 wird der Monolith um 180° gedreht und die zeitliche Entwicklung der Temperaturfront ist in Fig. 4 für die Zeiten t5 bis t14 dargestellt. Nun befinden sich die hohen Temperaturen im Bereich B1. Die Rotation wird erneut solange ausgesetzt, bis die Temperaturfront die Bereiche B1 und B2 durchlaufen hat. Jetzt war jeder Bereich des Mo nolithen den benötigten hohen Temperaturen ausgesetzt. Die Nacheinspritzung wird wieder heruntergesetzt.At time t4, the monolith is rotated by 180 ° and the development of the temperature front over time is shown in FIG. 4 for times t5 to t14. Now the high temperatures are in the B1 range. The rotation is again suspended until the temperature front has passed through areas B1 and B2. Now every area of the monolith was exposed to the high temperatures required. The post-injection is reduced again.
Nun wird der Monolith erneut um 180° gedreht und es sind die Temperaturprofile für die Zeitpunkte t15 bis t20 in der Fig. 5 dargestellt. Ist das Maximum der Temperaturfront wieder am Ort des Filterelements (x = 0,2) zum Zeitpunkt t20 angelangt, so ist die Desulfatierung beendet und es wird wieder zur kontinuierlichen Rotation übergegangen.Now the monolith is rotated again by 180 ° and the temperature profiles for the times t15 to t20 are shown in FIG. 5. When the maximum of the temperature front has returned to the location of the filter element (x = 0.2) at time t20, the desulfation has ended and the process of continuous rotation is started again.
Der Energieaufwand für die Desulfatierung ist im Vergleich zu herkömmlichen Systemen deutlich geringer.The energy expenditure for desulfation is compared to conventional systems much lower.
Sollte die Zeitspanne, in der sich der katalytisch beschichtete Teil des Körpers auf der Desulfatierungstemperatur befunden hat, für eine vollständige Desulfatierung nicht ausrei chend gewesen sein, so kann der gesamte Vorgang entsprechend oft wiederholt werden. Should the period of time in which the catalytically coated part of the body on the Desulfation temperature has not been sufficient for complete desulfation the entire process can be repeated a corresponding number of times.
11
Zuströmkanal
Inflow channel
22nd
vordere Stirnfläche
front face
33rd
Kanäle
channels
44th
Monolith
monolith
55
hintere Stirnfläche
rear face
66
Filtermatte
Filter mat
77
Umlenkung
Redirection
88th
Abströmkanal
Outlet channel
99
Antrieb
drive
1010th
Welle
wave
1111
Abdeckhaube
Cover
1212th
Gehäuse
casing
1313
Kuppel
dome
1414
Wand
wall
1515
Strömungsrichtung Abgas
Exhaust gas flow direction
1616
Drehrichtung Monolith
B1 erster Bereich
B2 zweiter Bereich
T1 inerter Teil des Monolithen
T2 katalytisch wirksamer Teil des Monolithen
K1 erster Kanal
K2 zweiter Kanal
K3 dritter Kanal
t0-t20 Zeitpunkte
T Temperatur
x Ort
Direction of rotation monolith
B1 first area
B2 second area
T1 inert part of the monolith
T2 catalytically active part of the monolith
K1 first channel
K2 second channel
K3 third channel
t0-t20 times
T temperature
x location
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19835565A DE19835565A1 (en) | 1998-08-06 | 1998-08-06 | Vehicle exhaust gas treatment unit with reversible gas flow-path controlled temperature profile, for reduction and degradation of nitrogen oxides, hydrocarbons, and sulfur dioxide |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19835565A DE19835565A1 (en) | 1998-08-06 | 1998-08-06 | Vehicle exhaust gas treatment unit with reversible gas flow-path controlled temperature profile, for reduction and degradation of nitrogen oxides, hydrocarbons, and sulfur dioxide |
Publications (1)
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DE19835565A1 true DE19835565A1 (en) | 2000-02-10 |
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