DE202017105126U1 - exhaust gas control system - Google Patents
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Abstract
Abgasleitsystem (1) für einen fremdgezündeten oder einen selbstzündenden Motor (2) mit einer an einen Auslasskrümmer (2.1) des Motors (2) anschließbaren Abgasleitung (2.3), mit einer an einen Einlasskrümmer (2.2) des Motors (2) anschließbaren Einlassleitung (2.4) und mit einer in der Abgasleitung (2.3) angeordneten Turbine (3) mit einem eine Eintrittsöffnung (3.3) aufweisenden Turbinengehäuse (3.1), an welches die Abgasleitung (2.3) anschließt, wobei eine Abgasrückführungsleitung (1.1) vorgesehen ist, die in der Einlassleitung (2.4) mündet, und wobei die Abgasleitung (2.3) mindestens eine Bypass-Leitung (3.2) aufweist, die stromab der Turbine (3) in die Abgasleitung (2.3) mündet, und wobei die Abgasrückführungsleitung (1.1) und die Bypass-Leitung (3.2) stromauf der Turbine (3) eine gemeinsame Abzweigleitung (13) aufweisen und in der Abzweigleitung (13) ein Partikelfilter (13.2) mit einem Partikelfiltergehäuse (13.3) vorgesehen ist, wobei die Abgasrückführungsleitung (1.1) und die Bypass-Leitung (3.2) ein gemeinsames Trennungsstück (13.4) aufweisen und stromab des Trennungsstücks (13.4) getrennt ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (13) am Turbinengehäuse (3.1) oder stromauf des Turbinengehäuses (3.1) an der Abgasleitung (2.3) an einer Abzweigstelle (13.5) abzweigt, wobei eine Abzweig-Ventil-Anordnung (13.1) vorgesehen ist, mittels der die Abzweigleitung (13) geöffnet oder geschlossen werden kann.Exhaust-gas routing system (1) for a spark-ignited or self-igniting engine (2) with an exhaust pipe (2.3) connectable to an exhaust manifold (2.1) of the engine (2), with an intake pipe (2.4) connectable to an intake manifold (2.2) of the engine (2) ) and with a in the exhaust pipe (2.3) arranged turbine (3) having a inlet opening (3.3) having turbine housing (3.1) to which the exhaust pipe (2.3) connects, wherein an exhaust gas recirculation line (1.1) is provided in the inlet line (2.4) opens, and wherein the exhaust pipe (2.3) has at least one bypass line (3.2) which opens downstream of the turbine (3) in the exhaust pipe (2.3), and wherein the exhaust gas recirculation line (1.1) and the bypass line ( 3.2) upstream of the turbine (3) have a common branch line (13) and in the branch line (13) a particulate filter (13.2) with a particulate filter housing (13.3) is provided, wherein the exhaust gas recirculation line (1.1) and the bypass line (3.2) have a common separation piece (13.4) and are formed downstream of the separation piece (13.4) separately, characterized in that the branch line (13) on the turbine housing (3.1) or upstream of the turbine housing (3.1) branches off at the exhaust line (2.3) at a branch point (13.5), wherein a branch-valve arrangement (13.1) is provided, by means of which the branch line (13) can be opened or closed.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasleitsystem für einen fremdgezündeten oder einen selbstzündenden Motor mit einer an einen Auslasskrümmer des Motors anschließbaren Abgasleitung, mit einer an einen Einlasskrümmer des Motors anschließbaren Einlassleitung und mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine mit einem eine Eintrittsöffnung aufweisenden Turbinengehäuse, an welches die weitere Abgasleitung anschließt, wobei eine Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist, die in der Einlassleitung des Motors mündet, und wobei die Abgasleitung mindestens eine Bypass-Leitung für die Turbine aufweist, die stromauf der Turbine abzweigt und stromab der Turbine in die Abgasleitung mündet, und wobei die Abgasrückführungsleitung und die Bypass-Leitung stromauf der Turbine eine gemeinsame Abzweigleitung aufweisen und in der Abzweigleitung ein Partikelfilter mit einem Partikelfiltergehäuse vorgesehen ist, wobei die Abgasrückführungsleitung und die Bypass-Leitung ein gemeinsames Trennungsstück aufweisen und stromab des Trennungsstücks getrennt ausgebildet sind.The invention relates to an exhaust gas guidance system for a spark ignition or a self-igniting engine with an exhaust pipe connectable to an exhaust manifold of the engine, with an inlet pipe connectable to an intake manifold of the engine and with a turbine disposed in the exhaust pipe and having a turbine housing having an intake opening to which the further exhaust pipe is connected, wherein an exhaust gas recirculation line is provided, which opens in the inlet line of the engine, and wherein the exhaust pipe has at least one bypass line for the turbine, which branches off upstream of the turbine and opens downstream of the turbine into the exhaust pipe, and wherein the Exhaust gas recirculation line and the bypass line upstream of the turbine have a common branch line and in the branch line a particulate filter is provided with a particulate filter housing, wherein the exhaust gas recirculation line and the bypass line a common s have separation piece and are formed separately downstream of the separation piece.
Aus der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasleitsystem für einen Motor derart auszubilden und anzuordnen, dass eine verbesserte Abgasdynamik und eine verbesserte Erwärmung der Abgasreinigungsbausteine im Kaltstartbetrieb erreicht werden.The object of the invention is to design and arrange an exhaust gas routing system for an engine in such a way that improved exhaust gas dynamics and improved heating of the exhaust gas purification modules in the cold start mode are achieved.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Abzweigleitung am Turbinengehäuse oder stromauf des Turbinengehäuses an bzw. von der Abgasleitung an einer Abzweigstelle abzweigt, wobei eine Abzweig-Ventil-Anordnung vorgesehen ist, mittels der die Abzweigleitung geöffnet oder geschlossen werden kann.The object is achieved according to the invention in that the branch line branches off at the turbine housing or upstream of the turbine housing to or from the exhaust pipe at a branch point, wherein a branch-valve arrangement is provided, by means of which the branch line can be opened or closed.
Durch die Abzweig-Ventil-Anordnung, die vorzugsweise nahe der Eintrittsöffnung des Turbinengehäuses bzw. nahe des Krümmerausgangs platziert ist, kann im Low-End-Torque-Betrieb des Motors das Volumen der Abzweigleitung sowie das Volumen der daran anschließenden AGR-Leitung und das Volumen der angeschlossenen Bypass-Leitung gegenüber der Abgasleitung abgeschottet werden. Mit der Abschottung dieses Totvolumens wird ein etwaiger nachteiliger Einbruch der Leistung der Turbine vermieden.Through the branch-valve arrangement, which is preferably placed near the inlet opening of the turbine housing or near the manifold outlet, in the low-end torque mode of the engine, the volume of the branch line and the volume of the adjoining EGR line and the volume the connected bypass line to the exhaust pipe are sealed off. With the foreclosure of this dead volume of any adverse collapse of the performance of the turbine is avoided.
Zudem kann im Kaltstart-Betrieb des Motors, wenn die Abzweigleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geöffnet ist, die Abgasleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geschlossen, mithin die Abgasturbine abgeschottet werden. Das Abgas kann über die Abzweigleitung unmittelbar stromauf der Turbine direkt in einen kleinen Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung geleitet werden. Dieser kann entsprechend schnell aufgeheizt werden und seine Light-off-Temperatur erreichen. Während des Kaltstarts des Motors befindet sich dieser im Leerlauf oder allenfalls im Bereich niedriger Motorlast, so dass ein Einsatz der Turbine nicht notwendig ist. Mit dem Erreichen der Light-off-Temperatur kann durch die katalytische exotherme Reaktion auf der Filteroberfläche auch der Regenerationseffekt des Partikelfilters begünstigt werden, wobei aufgrund der Oxidation der Partikel ergänzend Wärme erzeugt wird. Diese kann der Aufheizung der weiteren Abgasanlage und insbesondere des stromab platzierten Haupt-3-Wege-Katalysators dienen. Mit dieser Anordnung kann die Zeit bis zum Erreichen der Light-off-Temperatur der Katalysatoren deutlich, mitunter bis zu 90% im Vergleich zu einer konventionellen Abgasanlage ohne externen Turbinen Bypass verringert werden.In addition, during cold start operation of the engine, when the branch line is opened via the branch valve arrangement, the exhaust line can be closed via the branch valve arrangement, and thus the exhaust gas turbine can be sealed off. The exhaust gas can be passed via the branch line immediately upstream of the turbine directly into a small particle filter with catalytic coating. This can be heated up quickly and reach its light-off temperature. During the cold start of the engine, it is idling or at best in the range of low engine load, so that use of the turbine is not necessary. With the achievement of the light-off temperature can be promoted by the catalytic exothermic reaction on the filter surface and the regeneration effect of the particulate filter, which due to the oxidation of the particles in addition heat is generated. This can serve to heat the other exhaust system and in particular the downstream placed main 3-way catalyst. With this arrangement, the time to reach the light-off temperature of the catalysts can be significantly reduced, sometimes up to 90% compared to a conventional exhaust system without external turbine bypass.
Während und nach dem Motorstart bzw. Motorkaltstart ist die Aufladefunktion des Turboladers noch nicht gegeben, da die Abgasenergie, insbesondere der Abgasdruck in diesen Betriebspunkten zu niedrig ist. Im Gegenteil: Die Abgasturbine stellt einen Strömungswiderstand dar, der den Motorbetrieb beeinträchtigt. Daher kann der Abgasstrom über den beschichteten Partikelfilter der AGR-Strecke und die Bypass-Leitung vollständig bzw. nahezu vollständig an der Turbine vorbei geleitet werden. Durch das Motorabgas erfolgt eine schnellere Erwärmung der Katalysatorbeschichtung des Partikelfilters und damit eine frühere Konvertierung von unverbrannten Verbrennungsprodukten.During and after the engine start or engine cold start the turbocharger has not yet been charged, since the exhaust gas energy, in particular the exhaust pressure in these operating points is too low. On the contrary, the exhaust gas turbine represents a flow resistance that impairs engine operation. Therefore, the exhaust gas flow over the coated particulate filter of the EGR route and the Bypass line are completely or almost completely passed to the turbine over. The engine exhaust gas causes a faster heating of the catalyst coating of the particulate filter and thus an earlier conversion of unburned combustion products.
Wenn ausgehend vom Leerlaufbereich mehr Motorleistung beansprucht wird und der Motor in den Low-End-Torque-Betrieb oder in den Lastbetrieb bzw. den geregelten Boostbetrieb kommt, kann die Turbine wieder zugeschaltet werden. Im gewünschten Zeitpunkt kann die Abzweigleitung geöffnet werden und damit die Abgasrückführungsleitung geöffnet werden, solange der Motor nicht in den Low End Torque Betrieb kommt. Über das stromab liegende AGR-Ventil kann die Abgasrückführung aktiviert und geregelt werden. Im Lastbetrieb kann die nachstehend beschriebene Bypass-Ventil-Anordnung als Wastegate-Ventil verwendet werden. Kommt der Motor in den Low-End-Torque-Betrieb, ist vorzugsweise das Abzweigventil zur Abzweigleitung geschlossen.If more engine power is consumed starting from the idle range and the engine is in the low-end torque mode or in the load mode or the regulated boost mode, the turbine can be switched on again. At the desired time, the branch line can be opened and thus the exhaust gas recirculation line can be opened, as long as the engine does not come into the low end torque mode. The exhaust gas recirculation can be activated and regulated via the downstream EGR valve. In load operation, the bypass valve arrangement described below can be used as a wastegate valve. If the engine is in the low-end torque mode, the branch valve to the branch line is preferably closed.
Als Krümmer wird bezeichnet jedes Gaszusammenführungsorgan, über das die Gasströme zum Motor bzw. vom Motor in Bezug auf die einzelnen Zylinder aufgeteilt bzw. gesammelt werden.The term manifold is used to describe any gas-combining element via which the gas flows to the engine or from the engine are distributed with respect to the individual cylinders.
Als Light-off wird der Zeitpunkt nach Motorstart bezeichnet, bei der die katalytische Reaktion innerhalb des Katalysators im Umfang von mindestens 50% stattfindet. Je eher dieser Zeitpunkt nach Motostart eintritt, desto günstiger bzw. besser ist das Konvertierungsverhalten des Katalysators. Beim Kaltstart besteht grundsätzlich das Problem zu geringer Temperaturen des Katalysators und des damit einhergehenden Wirkungsgradverlustes des Katalysators.Light-off is the time after engine start, during which the catalytic reaction within the catalyst takes place in the extent of at least 50%. The sooner this time comes after engine start, the cheaper or better is the conversion behavior of the catalyst. When cold starting, there is basically the problem of low temperatures of the catalyst and the associated loss of efficiency of the catalyst.
Die vom Motor über den Abgasstrom zur Verfügung gestellte Wärme dient zwar der Aufwärmung des Katalysators. Aber gleichermaßen werden Abgasrohrleitungen und auch die Abgasturbine aufgewärmt. Daher dauert es vor dem Hintergrund der beim Kaltstart begrenzten Wärmemenge und der großen aufzuheizenden Massen entsprechend lange, bis die Light-off-Temperatur des Katalysators erreicht ist.Although the heat provided by the engine via the exhaust gas flow serves to warm up the catalytic converter. But equally exhaust pipes and the exhaust gas turbine are warmed up. Therefore, it takes against the background of the limited amount of heat during cold start and the large masses aufheizenden long enough until the light-off temperature of the catalyst is reached.
Das hier beschriebene Abgasleitsystem weist im Kern ein Abgasrückführsystem (HD-AGR-System) mit einem externen Turbinen-Bypass-System (Wastegate-Funktion) auf. Ein AGR-System besteht in der Regel zumindest aus einer Abgasrückführungsleitung (AGR-Leitung), einem Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) und einer Abgasrückführungsklappe (AGR-Ventil). Das Turbinen-Bypass-System besteht aus zumindest einer außerhalb des Turbinengehäuses befindlichen Bypass-Leitung und einem Bypass-Ventil.The exhaust control system described here basically has an exhaust gas recirculation system (HP-EGR system) with an external turbine bypass system (wastegate function). An EGR system typically consists of at least one exhaust gas recirculation (EGR) line, one exhaust gas recirculation (EGR) cooler, and one exhaust gas recirculation (EGR) valve. The turbine bypass system consists of at least one bypass line located outside the turbine housing and a bypass valve.
Im Rahmen dieser Gebrauchsmusteranmeldung wird unterschieden zwischen drei Betriebszonen eines Motors, dem Kaltstartbetrieb, dem Low-End-Torque-Betrieb und dem Lastbetrieb. Zum Kaltstartbetrieb zählt der Bereich niedriger Motorlast, auch bei betriebswarmen Motor, bei dem die Turbine nicht im Einsatz ist. Der Kaltstartbetrieb könnte demnach auch als „Kaltstart- und Niedriglastbetrieb” bezeichnet werden. Im Low-End-Torque-Betrieb ist die Turbine im Einsatz, gibt aber aufgrund der geringen Abgasenergie nur eine begrenzte Auflade-Leistung ab. Im Lastbetrieb ist die Abgasenergie so groß, dass diese zur Abgabe der geforderten Turbinenleistung ausreicht bzw. diese übersteigt.In the context of this utility model application, a distinction is made between three operating zones of an engine, the cold start operation, the low end torque operation and the load operation. Cold start operation includes the low engine load range, even when the engine is at operating temperature and the turbine is not in use. The cold start operation could therefore also be referred to as "cold start and low load operation". In low-end torque mode, the turbine is in use, but gives due to the low exhaust energy only a limited recharging performance. In load operation, the exhaust gas energy is so great that it is sufficient to deliver the required turbine power or exceeds it.
Vorteilhaft kann es hierzu sein, wenn die Abzweig-Ventil-Anordnung ausgebildet ist als
- a) 3-Wege-Ventil in der Abzweigstelle von Abzweigleitung und Abgasleitung;
- b) Doppel-Ventil-Anordnung mit einem Haupt-Abzweig-Ventil in der Abzweigleitung und einem Neben-Abzweig-Ventil in der Abgasleitung;
- c) Einfach-Ventil-Anordnung mit einem Haupt-Abzweig-Ventil in der Abzweigleitung.
- a) 3-way valve in the branch point of branch line and exhaust pipe;
- b) a dual valve arrangement having a main branch valve in the branch line and a sub branch valve in the exhaust line;
- c) Single valve arrangement with a main branch valve in the branch line.
Während die Varianten a) und b) technische Alternativen darstellen, ist die Variante c) deutlich einfacher ausgestaltet. Die Abgasleitung kann damit zwar nicht geschlossen werden. Dies wird aber dann durch die nachstehend beschriebene Bypass-Ventil-Anordnung erreicht.While variants a) and b) represent technical alternatives, variant c) is much simpler. Although the exhaust pipe can not be closed so. But this is then achieved by the bypass valve arrangement described below.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn eine Abgasturbinenauslassleitung mit einem Strömungsquerschnitt A und mindestens eine Bypass-Ventil-Anordnung vorgesehen sind, wobei die Bypass-Leitung und die Abgasturbinenauslassleitung an der Bypass-Ventil-Anordnung mittel- oder unmittelbar anschließen, wobei über die Bypass-Ventil-Anordnung das Verhältnis zwischen dem Abgasvolumenstrom der Bypass-Leitung und der Abgasturbinenauslassleitung einstellbar ist, wobei über die Bypass-Ventil-Anordnung der Strömungsquerschnitt A der Abgasturbinenauslassleitung um mindestens 90%, idealer Weise um 100% verringerbar ist, so dass die Abgasturbinenauslassleitung nahezu geschlossen bzw. geschlossen ist.In connection with the design and arrangement according to the invention, it can be advantageous if an exhaust gas turbine outlet line with a flow cross-section A and at least one bypass valve arrangement are provided, wherein the bypass line and the exhaust gas turbine outlet line at the bypass valve arrangement medium or connect directly, via the bypass valve arrangement, the ratio between the exhaust gas flow rate of the bypass line and the exhaust gas turbine outlet is adjustable, via the bypass valve arrangement, the flow cross section A of the exhaust gas turbine outlet by at least 90%, ideally by 100% reduced is so that the exhaust gas turbine exhaust pipe is almost closed.
Im Low-End-Torque-Betrieb, wenn die Turbine zum Einsatz kommt, ist die Abgasturbinenauslassleitung bzw. die Abgasleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geöffnet, wobei die Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geschlossen ist. Im Lastbetrieb wird der Abgasvolumenstrom in der Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung betriebspunktabhängig geregelt. Die Bypass-Leitung übernimmt dann die Wastegate-Funktion der Turbine. Ein Turbinen-internes Wastegate-Ventil kann somit entfallen.In low-end torque mode, when the turbine is used, the exhaust gas turbine exhaust pipe is opened via the bypass valve assembly with the bypass line closed via the bypass valve assembly. In load operation, the exhaust gas volume flow in the bypass line is regulated operating point-dependent via the bypass valve arrangement. The bypass line then takes over the wastegate function of the turbine. A turbine-internal wastegate valve can thus be omitted.
Die Kombination aus Bypass-Leitung inklusive Bypass-Ventil-Anordnung und Abgasrückführungsleitung inklusive AGR-Ventil erlaubt eine Anhebung des Abgasvolumenstroms in der Bypass-Leitung bzw. eine Abschottung der Turbine im Kaltstart-Betrieb einerseits und eine unabhängige Steuerung des Abgasvolumenstroms in der Abgasrückführungsleitung andererseits. Sowohl das AGR-Ventil als auch die Bypass-Ventil-Anordnung sind unabhängig voneinander steuerbar, so dass der darüber geführte Abgasvolumenstrom entsprechend steuerbar ist. The combination of bypass line including bypass valve arrangement and exhaust gas recirculation line including EGR valve allows an increase of the exhaust gas flow rate in the bypass line or foreclosure of the turbine in cold start operation on the one hand and an independent control of the exhaust gas flow rate in the exhaust gas recirculation line on the other. Both the EGR valve and the bypass valve arrangement can be controlled independently of one another so that the exhaust gas volume flow guided over them can be controlled accordingly.
Beim Öffnen der Bypass-Leitung wird ein Teil des Abgasstromes an der Turbine vorbei in die Abzweigleitung geführt und somit der durch die Abgasturbine geführte Teil des Abgasstroms reduziert. Somit wird die Regeneration des Partikelfilters in der Abzweigleitung sitzend in Phasen mit geschlossenem AGR-Ventil, wie beispielsweise im Schubbetrieb und in Phasen mit offenem AGR-Ventil, wie beispielsweise im Magerbetrieb möglich.When the bypass line is opened, part of the exhaust gas flow past the turbine is guided into the branch line and thus the part of the exhaust gas flow guided through the exhaust gas turbine is reduced. Thus, the regeneration of the particulate filter in the branch line is seated in phases with closed EGR valve, such as in overrun and in open EGR valve phases, such as in lean operation.
Durch die zusätzlich zuschaltbare Abzweigleitung mit anschließender Bypass-Leitung kann ein Teil des Abgases an der Abgasturbine vorbei geleitet werden. In diesem Fall übernimmt die Abzweigleitung mit der Bypass-Leitung auch die genannte Funktion eines Wastegate-Ventils, wie es bei konventionellen Turboladern im Gehäuse der Turbine bislang integriert ist. Ein integrales Turbo-Wastegate-Ventil ist nicht ausgeschlossen und kann ergänzend vorgesehen sein. Somit sind die Abzweigleitung mit der Bypass-Leitung sowie die AGR-Leitung nicht nur im Kaltstartbetrieb, sondern auch im Lastbetrieb verwendbar, wenn die Abgasenergie die notwendige Antriebsenergie für den Verdichter des Abgasturboladers übersteigt. Auch in diesem Fall kann aufgrund des im Abgas enthaltenen Restsauerstoffs und der hohen Abgastemperatur der Partikelfilter regeneriert werden.By additionally connectable branch line with subsequent bypass line, a portion of the exhaust gas can be passed to the exhaust gas turbine over. In this case, the branch line with the bypass line also assumes the said function of a wastegate valve, as it has been integrated in conventional turbochargers in the housing of the turbine so far. An integral turbo wastegate valve is not excluded and may be provided in addition. Thus, the branch line with the bypass line and the EGR line can be used not only in cold start operation, but also in load operation when the exhaust gas energy exceeds the necessary drive energy for the compressor of the exhaust gas turbocharger. Also in this case, due to the residual oxygen contained in the exhaust gas and the high exhaust gas temperature of the particulate filter can be regenerated.
Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn die Bypass-Ventil-Anordnung ausgebildet ist als
- a) 3-Wege-Ventil in der Anbindungsstelle von Bypass-Leitung und Abgasleitung;
- b) Doppel-Ventil-Anordnung mit einem Haupt-Bypass-Ventil in der Bypass-Leitung und einem Neben-Bypass-Ventil in der Abgasleitung;
- c) Einfach-Ventil-Anordnung mit einem Haupt-Bypass-Ventil in der Bypass-Leitung.
- a) 3-way valve in the connection point of bypass line and exhaust pipe;
- b) double valve arrangement with a main bypass valve in the bypass line and a bypass valve in the exhaust line;
- c) Single valve arrangement with a main bypass valve in the bypass line.
Während die Varianten a) und b) technische Alternativen darstellen, ist die Variante c) deutlich einfacher ausgestaltet. Die Abgasleitung kann damit zwar nicht geschlossen werden. Dies wird aber dann durch die vorstehend beschriebene Abzweig-Ventil-Anordnung erreicht.While variants a) and b) represent technical alternatives, variant c) is much simpler. Although the exhaust pipe can not be closed so. But this is then achieved by the branch-valve arrangement described above.
Entweder ist die Eintrittsöffnung des Turbinengehäuses über die Abzweig-Ventil-Anordnung oder über das Neben-Abzweig-Ventil abschottbar oder alternativ hierzu die Abgasturbinenauslassleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung oder über das Neben-Bypass-Ventil schließbar. Somit kann im Kaltstart-Betrieb ein sehr schnelles Light-off des Katalysators in der Abzweigleitung erreicht werden.Either the inlet opening of the turbine housing via the branch-valve arrangement or via the sub-branch valve can be sealed off or, alternatively, the Abgasturbinenauslassleitung via the bypass valve arrangement or via the secondary bypass valve closable. Thus, in cold start operation, a very fast light-off of the catalyst in the branch line can be achieved.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Trennungsstück als Teil des Partikelfiltergehäuses ausgebildet ist. Somit ist ein einfacher und ein kompakter Aufbau gewährleistet.It may advantageously be provided that the separation piece is formed as part of the particulate filter housing. Thus, a simple and a compact construction is guaranteed.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die Eintrittsöffnung des Turbinengehäuses einen Durchmesser D aufweist und die Abzweig-Ventil-Anordnung oder das Abzweig-Ventil oder die Abzweigstelle stromauf oder stromab mit einem Abstand d zur Eintrittsöffnung angeordnet ist, mit d <= x und 1,5 D <= x <= 4 D. Der Abstand d sollte maximal 500 mm sein. Ein möglichst geringer Abstand hat den Vorteil, dass die in die Abzweigleitung eintretenden Abgase wenig abgekühlt sind. Bei einer Platzierung stromab ist die Abzweig-Ventil-Anordnung am Turbinengehäuse vorgesehen. Letzteres separat angeflanscht oder integral als Teil des Turbinengehäuses. Mit dem geringen Abstand geht eine kürzere Reaktionszeit der AGR-Strecke einher. Zudem entsteht eine kleinere thermische parasitäre Masse, die bei abgeschotteter Abgasturbine im Kaltstartbetrieb erwärmt werden muss.In addition, it may be advantageous if the inlet opening of the turbine housing has a diameter D and the branch valve arrangement or the branch valve or the branch point is arranged upstream or downstream with a distance d to the inlet opening, with d <= x and 1, 5 D <= x <= 4 D. The distance d should be a maximum of 500 mm. The smallest possible distance has the advantage that the exhaust gases entering the branch line are little cooled. When placed downstream, the branch valve assembly is provided on the turbine housing. The latter flanged separately or integrally as part of the turbine housing. The short distance is accompanied by a shorter reaction time of the EGR route. In addition, a smaller thermal parasitic mass, which must be heated in foreclosed exhaust gas turbine in cold start operation.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Eintrittsöffnung des Turbinengehäuses einen Durchmesser D aufweist und das Abzweig-Ventil oder das Haupt-Abzweig-Ventil mit einem Abstand a zur Abzweigstelle angeordnet ist, mit a <= X und 1,0 D <= X <= 10 D. Ein möglichst geringer Abstand hat den Vorteil, dass im Kaltstartbetrieb bei abgeschotteter Turbine das Totvolumen in der Abzweigstrecke möglichst klein ist.It may also be advantageous if the inlet opening of the turbine housing has a diameter D and the branch valve or the main branch valve is arranged at a distance a to the branch point, with a <= X and 1.0 D <= X < = 10 D. The smallest possible distance has the advantage that the dead volume in the branch line is as small as possible during cold start operation with the turbine shut off.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn der Partikelfilter eine katalytisch wirkende Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und NOx aufweist oder der Partikelfilter eine SCR-Beschichtung aufweist, mittels der NOx reduzierbar ist. Somit ist auch im Kaltstart, wenn der gesamte Abgasstrom über die Abzweigleitung geführt wird, eine Reinigung der Abgase gewährleistet.For this purpose, it may be advantageous if the particulate filter has a catalytically active coating for the conversion of CO, HC and NOx or the particulate filter has an SCR coating, by means of which NOx can be reduced. Thus, even in the cold start, when the entire exhaust gas flow is passed through the branch line, a cleaning of the exhaust gases ensured.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn stromab des Partikelfilters ein Kühler innerhalb der Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist, der baulich getrennt vom Partikelfilter ausgeführt ist oder zumindest gegenüber dem Partikelfilter thermisch getrennt ist, und wenn in der Abgasrückführungsleitung stromab des Kühlers ein AGR-Ventil vorgesehen ist, über das der Volumenstrom in der Abgasrückführungsleitung einstellbar ist. Der Kühler ist räumlich bzw. zumindest thermisch vom Partikelfilter getrennt, so dass der Partikelfilter möglichst in weiten motorischen Betriebszuständen hohe Temperaturen aufweist, damit er bei genügend Sauerstoffüberschuss im Abgas durch Oxidation der gefilterten Bestandteile regeneriert. Damit wird ein möglichst großer Arbeitsbereich des Partikelfilters zur Regenerierung erzielt. Der Kühler ist entweder als Abgas-Luft-, als Abgas-Motorkühlwasser- oder als Abgas-Niedertemperaturkühlwasser-Kühler ausgebildet. In besonderen Ausführungsformen können mehrere Kühler der Abgasrückführung, die auch zuschaltbar ausgebildet sein können, in Reihe oder auch parallel angeordnet sein.It may also be advantageous if downstream of the particulate filter, a cooler is provided within the exhaust gas recirculation line, which is structurally separate from the particulate filter or at least thermally separated from the particulate filter, and if in the exhaust gas recirculation line downstream of the radiator, an EGR valve is provided via that the volume flow in the exhaust gas recirculation line is adjustable. The cooler is spatially or at least thermally separated from the particle filter, so that the particulate filter has high temperatures possible in wide engine operating conditions so that it regenerates at sufficient excess oxygen in the exhaust gas by oxidation of the filtered components. This achieves the largest possible working range of the particle filter for regeneration. The radiator is designed either as an exhaust air, exhaust gas engine cooling water or exhaust gas low-temperature cooling water cooler. In particular embodiments, a plurality of exhaust gas recirculation coolers, which may also be switchable, may be arranged in series or in parallel.
Über das AGR-Ventil ist in der Abgasrückführungsleitung betriebspunktabhängig der Abgasmassenstrom einstellbar. Das AGR-Ventil ist vorteilhafterweise stromab des Partikelfilters platziert. In Schubphasen des Motors kann mit dem AGR-Ventil die Regeneration des Partikelfilters über die Menge der rückgeführten Frischluftmenge beeinflusst werden. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das AGR-Ventil stromab des Kühlers vorgesehen ist. Somit wird dieses vor übermäßiger Temperaturbelastung geschützt.Via the EGR valve, the exhaust gas mass flow can be set in the exhaust gas recirculation line depending on the operating point. The EGR valve is advantageously placed downstream of the particulate filter. In overrun phases of the engine, the EGR valve can be used to influence the regeneration of the particulate filter via the amount of recirculated fresh air. In addition, it may be advantageous if the EGR valve is provided downstream of the radiator. Thus, this is protected from excessive temperature load.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Abgasturbinenauslassleitung durch das Partikelfiltergehäuse geführt ist. Damit ist das Abgasleitsystem insgesamt sehr kompakt ausbildbar.Furthermore, it can be advantageous if the exhaust gas turbine outlet line is guided through the particle filter housing. Thus, the exhaust control system is overall very compact formable.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Abgasrückführungsleitung stromauf oder stromab eines Verdichters mündet. Je nach Betriebspunkt sind eine HD-AGR oder eine MD-AGR vorteilhaft. Die Abzweigung der AGR-Leitung stromauf der Turbine gewährleistet höhere Abgastemperaturen, die sich insgesamt positiv auf die Partikelfilterregeneration und die Schadstoffreduktion auswirken. Die Mündung stromab des Verdichters hat den Vorteil, dass die Regelstrecke kürzer ist. Allerdings steht möglicherweise nicht in allen gewünschten Betriebszuständen ein ausreichend hohes Druckgefälle zwischen Abgassystem und Ansaugsystem für die Zuführung der gewünschten rückgeführten Abgasmenge zur Verfügung. Für den Fall, dass eine zusätzliche Kühlung des zurückgeführten Abgases gefordert ist, kann das gereinigte Abgas auch nach dem Verdichter und vor dem Ladeluftkühler dem Ansaugsystem zugeführt werden. Damit wird das Abgas nicht nur im AGR-Kühler, sondern zusätzlich auch im Ladeluftkühler gekühlt. Denkbar ist auch eine Anordnung, in der der Ladeluftkühler so effektiv ausgelegt ist, dass für das rückgeführte Abgas kein AGR-Kühler in der AGR-Leitung erforderlich ist.It may also be advantageous if the exhaust gas recirculation line opens upstream or downstream of a compressor. Depending on the operating point, an HD EGR or an MD EGR are advantageous. The branching of the EGR line upstream of the turbine ensures higher exhaust gas temperatures, which have an overall positive effect on the particle filter regeneration and the pollutant reduction. The mouth downstream of the compressor has the advantage that the controlled system is shorter. However, a sufficiently high pressure gradient between the exhaust system and the intake system may not be available for supplying the desired amount of recirculated exhaust gas in all desired operating states. In the event that additional cooling of the recirculated exhaust gas is required, the purified exhaust gas can also be fed to the intake system after the compressor and before the intercooler. Thus, the exhaust gas is cooled not only in the EGR cooler, but also in the intercooler. Also conceivable is an arrangement in which the intercooler is designed so effectively that no EGR cooler in the EGR line is required for the recirculated exhaust gas.
Die MD-AGR gewährleistet eine große Druckdifferenz innerhalb der AGR-Leitung auch für größere geforderte Abgasrückführungsmengen. Allerdings wird dadurch die Regelstrecke länger als bei der HD-AGR und der Verdichter und die Turbine müssen an die veränderten Massendurchsätze ggf. angepasst werden.The MD-EGR ensures a large pressure difference within the EGR line even for larger required exhaust gas recirculation quantities. However, this makes the controlled system longer than in the case of the HD EGR and the compressor and the turbine must be adapted to the changed mass flow rates if necessary.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Abgasanlage und/oder einen Motor mit einem Abgasleitsystem wie vorgehend beschrieben.The object is also achieved by an exhaust system and / or a motor with an exhaust system as described above.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Motors mit einem Abgasleitsystem oder einer Abgasanlage wie vorgehend beschrieben, bei dem
- a) im Kaltstart-Betrieb des Motors die Abzweigleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geöffnet ist und die Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geöffnet ist und ergänzend – die Abgasleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geschlossen ist oder – die Abgasturbinenauslassleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geschlossen ist;
- b) im Low-End-Torque-Betrieb des Motors die Abgasturbinenauslassleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geöffnet ist, wobei die Abzweigleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geschlossen ist oder wobei die Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geschlossen ist;
- c) im Lastbetrieb des Motors die Abzweigleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geöffnet ist und der Abgasvolumenstrom in der Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung betriebspunktabhängig geregelt ist und die Abgasturbinenauslassleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geöffnet ist.
- a) in cold start operation of the engine, the branch line is opened via the branch-valve arrangement and the bypass line is opened via the bypass valve arrangement and in addition - the exhaust pipe is closed via the branch-valve arrangement or - the Exhaust gas turbine outlet is closed via the bypass valve assembly;
- b) in the low-end torque mode of the engine, the exhaust gas turbine outlet line is opened via the bypass valve arrangement, wherein the branch line is closed via the branch valve arrangement or wherein the bypass line is closed via the bypass valve arrangement is;
- c) in load operation of the engine, the branch line is opened via the branch-valve arrangement and the exhaust gas volume flow in the bypass line via the bypass valve arrangement is controlled operating point dependent and the exhaust gas turbine outlet line is opened via the bypass valve arrangement.
Im Kaltstart-Betrieb wird somit eine Umgehung des Turboladers mit gleichzeitiger Durchströmung des in der EGR-Strecke befindlichen beschichteten Partikelfilters ermöglicht, ohne dass Abgas in die Einlassleitung des Motors gelangt. Damit wird eine schnellere Aufwärmung der Katalysatoren erreicht. Im Low-End-Torque-Betrieb wird das Volumen vor der Turbine klein gehalten, wodurch das Anspringverhalten des Turboladers bei niedrigen Drehzahlen durch die auftretenden Druckpulsationen begünstigt wird. Im Lastbetrieb kann bei zu hoher Abgasenergie für die Turbine der Wastegate-Abgasmassenstrom geregelt werden. Gleichzeitig kann bei gewünschtem AGR-Betrieb der AGR-Massenstrom geregelt werden.In cold start operation, bypassing of the turbocharger with simultaneous flow through the coated particle filter located in the EGR path is thus made possible without exhaust gas entering the inlet line of the engine. This achieves faster heating of the catalysts. In low-end torque mode, the volume in front of the turbine is kept small, whereby the starting behavior of the turbocharger at low speeds is promoted by the pressure pulsations that occur. In load operation can be regulated at excessively high exhaust gas energy for the turbine, the waste gas exhaust gas mass flow. At the same time, with the desired EGR operation, the EGR mass flow can be regulated.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn
- a) im Kaltstart-Betrieb und/oder im Low-End-Torque-Betrieb die Abgasrückführungsleitung über das AGR-Ventil geschlossen ist;
- b) im Lastbetrieb der Abgasvolumenstrom in der Abgasrückführungsleitung über das AGR-Ventil geregelt wird. Mit einer verbesserten AGR-Führung gehen verbesserte Abgaswerte einher.
- a) in cold start operation and / or in low-end torque operation, the exhaust gas recirculation line is closed via the EGR valve;
- b) in load operation, the exhaust gas volume flow in the exhaust gas recirculation line is controlled via the EGR valve. Improved EGR management is accompanied by improved emissions.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Schutzansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:Further advantages and details of the invention are in the protection claims and in Description explained and illustrated in the figures. Show it:
In allen Prinzipskizzen nach den
Die Abgasrückführungsleitung
In der Abzweigleitung
Ferner ist in der AGR-Leitung
In der Einlassleitung
Stromab der Turbine
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Varianten der Abgasrückführung in Abhängigkeit der Abzweigung der AGR-Leitung
Im Schaubild nach
Im Ausführungsbeispiel nach
Gemäß Ausführungsbeispiel
Alternativ zu der Ausbildung als 3-Wege-Ventil kann (gestrichelt dargestellt) als Abzweig-Ventil-Anordnung
Gemäß Ausführungsbeispiel
Alternativ zu der Ausbildung als 3-Wege-Ventil kann (gestrichelt dargestellt) als Abzweig-Ventil-Anordnung
Entsprechend Ausführungsbeispiel
Die Ausführungsbeispiele nach
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Diese Ausbildung der MD-AGR ist auch für das Ausführungsbeispiel nach
Der prinzipielle Aufbau des Abgasleitsystems ist in den
Die Abzweig-Ventil-Anordnung
Die Abzweig-Ventil-Anordnung
Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) unterscheidet sich der Aufbau gegenüber dem Ausführungsbeispiel
Nach
Im Kaltstartbetrieb A sind die Abzweigleitung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Abgassystem/AbgasleitsystemExhaust system / exhaust control system
- 1.11.1
- Abgasrückführungsleitung, AGR-LeitungExhaust gas recirculation line, EGR line
- 1.1'1.1 '
- Abgasrückführungsleitung, AGR-LeitungExhaust gas recirculation line, EGR line
- 1.21.2
- Kühler, AGR-KühlerRadiator, EGR cooler
- 1.31.3
- AGR-VentilAGR valve
- 1.3'1.3 '
- AGR-VentilAGR valve
- 22
- Motorengine
- 2.12.1
- Auslasskrümmerexhaust manifold
- 2.22.2
- Einlasskrümmerintake manifold
- 2.32.3
- Abgasleitungexhaust pipe
- 2.42.4
- Einlassleitunginlet line
- 2.4a2.4a
- FrischluftleitungFresh air line
- 2.4b2.4b
- LadeluftleitungTurbo pipe
- 2.52.5
- LadeluftkühlerIntercooler
- 2.62.6
- Ladeluft-Drosselklappe, Frischluft-DrosselklappeCharge air throttle, fresh air throttle
- 33
- (Abgas-) Turbine(Exhaust) turbine
- 3.13.1
- Turbinengehäuseturbine housing
- 3.23.2
- Bypass-LeitungBypass line
- 3.33.3
- Eintrittsöffnunginlet opening
- 3.43.4
- AbgasturbinenauslassleitungAbgasturbinenauslassleitung
- 3.53.5
- Bypass-Ventil-Anordnung, Bypass-VentilBypass valve assembly, bypass valve
- 3.5a3.5a
- Haupt-Bypass-VentilMain bypass valve
- 3.5b3.5b
- Neben-Bypass-VentilIn addition bypass valve
- 44
- Verdichter, LadeluftverdichterCompressor, charge air compressor
- 55
- Katalysator, 3-Wege-Katalysator, SCR-Katalysator, Oxi-KatalysatorCatalyst, 3-way catalyst, SCR catalyst, oxy-catalyst
- 66
- FrischluftkühlerFresh air coolers
- 77
- Abgasexhaust
- 88th
- Frischluftfresh air
- 1313
-
Abzweigleitung für
1.1 und3.2 Branch line for1.1 and3.2 - 13.113.1
- Abzweig-Ventil-Anordnung, Abzweig-VentilBranch valve assembly, branch valve
- 13.1a13.1a
- Haupt-Abzweig-VentilMain branch valve
- 13.1b13.1b
- Neben-Abzweig-VentilIn addition to branch valve
- 13.213.2
- Partikelfilterparticulate Filter
- 13.313.3
- Partikelfiltergehäuseparticulate filter housing
- 13.413.4
- Trennungsstückseparation pieces
- 13.513.5
- Abzweigstellebranching point
- AA
- StrömungsquerschnittFlow area
- aa
- Abstanddistance
- DD
- Durchmesserdiameter
- dd
- Abstanddistance
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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