SE535773C2 - Arrangemang för att spruta in ett reduktionsmedel i en avgasledning hos en förbränningsmotor - Google Patents

Description

l5 535 773 katalysatom till kvävgas och vattenånga. Med en korrekt dosering av urea kan diesel- motoms utsläpp av kväveoxider i en stor utsträckning reduceras.

Fordon som drivs av en s.k. turbocompoundmotor innefattar en extra turbin i avgas- ledningen nedströms turboaggregatets turbin. Den extra turbinen utvinner även energi ur avgaserna. Denna energi används för att tillhandahålla en extra drift av fordonet.

Turbinen överför den utvurma energin till en drivaxel hos förbränningsmotoms med hjälp av en transmission som kan innefatta en viskokoppling. En turbocompoundmotor har därmed en något högre verkningsgrad än en motsvarande turbomotor. Avgasled- ningen hos en turbocompoundmotor innefattar således två turbiner. Avgasemas tempe- ratur och tryck reduceras därmed i två steg i avgasledningen. Avgasemas temperatur nedströms den andra turbinen är under vissa driñstillfállen inte tillräckligt hög för att förånga urealösningen som sprutas in i avgasledningen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINN INGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett arrangemang hos en för- bränningsmotor som har en avgasledning med två turbiner där en förångning av ett reduktionsmedel möjliggörs under väsentligen alla driftstillstånd.

Detta syfte uppnås med arrangemang av det inledningsvis nämnda slaget, vilket ut- märks av de särdrag som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Enligt förelig- gande uppfinning sprutas således reduktionsmedlet in i avgasledningen i en position nedströms den första turbinen och uppströms den andra turbinen. Då avgaserna expan- derar i en turbin tillhandahåller de en trycksänkning och en temperatursänkning. I detta fall tillhandahåller avgasema således en temperatursänkning i enbart ett steg i den för- sta turbinen innan reduktionsmedlet sprutas in avgasledningen. . Därmed har avgasema under väsentligen alla driftstillstånd en tillräckligt hög temperatur för att förånga re- duktionsmedlet som sprutas in i avgasledningen. Reduktionsmedlet sprutas med fördel in i avgasledningen av ett insprutningsorgan i ett finfördelat tillstånd så att det snabbt värms upp och förångas av de heta avgaserna i avgasledningen. Då reduktionsmedlet förångas bildas med fördel ammoniak som eliminerar kväveoxidema i den nedströms belägna SCR-katalysatorn.

Det finns ytterligare fördelar med att spruta in reduktionsmedlet uppströms den andra turbinen, Avgasemas energiinnehåll är relaterat till avgasemas tryck och temperatur. 535 773 Med en turbin är det möjligt att utnyttja energiinnehållet i avgasemas tryck. Förång- ningen innebär således att reduktionsmedlet övergår i gasform. Eftersom ämnen i gas- form upptar en större volym än i vätskefonn resulterar förângningsprocessen i en tryckökning i avgasledningen uppströms den andra turbinen. Därmed kan ett större tryckfall utnyttjas för att driva den andra turbinen i avgasledningen. En ytterligare för- del med att tillsätta reduktionsmedlet uppströms den andra turbinen är att den roteran- de turbinen kan utnyttjas för att blanda ammoniak och avgaser. Därmed tillhandahålls en väsentligen homogen blandning av exempelvis ammoniak och avgaserna på ett ef- fektivt sätt utan några extra komponenter. Att tillföra reduktionsmedlet uppströms den andra turbinen istället för nedströms den andra turbinen i avgasledningen kan i de fles- ta fall göras till en relativt ringa kostnad.

Enligt en föredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar arrange- manget en hydrolyskatalysator i avgasledningen i en position nedströms insprutnings- organet. Urealösning med handelsnamnet AdBlue består av 32,5 % urea och en reste- rande del vatten. Då AdBlue förångas bildas ammoniak, isocyansyra och vattenånga. I en hydrolyskatalysator reagerar isocyansyran med vatten så att ytterligare ammoniak bildas. Hydrokatalysatorn kan vara anordnad i avgasledningen i en position uppströms den andra turbinen. Därmed omvandlas isocyansyran till ammoniak i avgasledningen uppströms den andra turbinen. Ammoniak och avgaser kan därmed bilda en väsentli- gen homogen blandning redan i den andra turbinen. SCR-katalysatom kan anordnas i avgasledningen i en position relativt nära den andra turbinen.

Enligt en annan utföringsfonn av föreliggande uppfinning innefattar arrangemanget en styrenhet som är anpassad att styra insprutningsmängden av urealösningen i avgasled- ningen. Styrenheten kan med information avseende specifika motorpararnetrar beräkna den mängd av reduktionsmedlet som behöver tillsättas för att halten av kväveoxider i avgaserna ska reduceras optimalt. Styrenheten kan vara en dator eller liknande som innefattar en lämplig programvara för detta ändamål. Arrangemanget innefattar en för- sta temperatursensor som är anpassad att avkärma avgasemas temperatur i avgasled- ningen i en position nedströms den första turbinen och uppströms den andra turbinen.

Denna temperatursensor avkärmer således avgasemas temperatur i anslutning till den position där urealösningen sprutas in. Med hjälp av denna information kan styrenheten avgöra om avgasema har en tillräckligt hög temperatur för att förånga den beräknade mängden av reduktionsmedlet. 535 773 Enligt en annan utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar avgasledningen en första bypassledning med en första ventil med vilket det är möjligt att leda avgaser förbi den första turbinen. Det finns i många fall redan en sådan befintlig bypassledning med ventil (Wastegate) i anslutning till turbiner. För att en turbin inte ska överbelastas släpper en konventionell sådan ventil igenom en del av avgaserna genom bypassled- ningen då belastningen på turbinen blir för stor. I detta fall kan styrenheten vara anpas- sad att mottaga information från den första temperatursensom avseende avgasemas temperatur och att öppna den första ventilen så att avgaser leds förbi den första turbi- nen under tillfällen då avgasema har en för låg temperatur för att förånga urealösning- en. Ventilen kan öppnas så att en bestämd del av avgaserna leds förbi den första turbi- nen. Därmed kan en högre avgastemperatur erhållas i avgasledningen i det område där urealösningen sprutas in. Med hjälp av en sådan ventil kan väsentligen alltid avgasema erhålla en temperatur vid vilket det är möjligt att förånga den urealösning som sprutas in i avgasledningen.

Enligt en annan föredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar arran- gemanget en andra temperatursensor som är anpassad att avkänna avgasernas tempera- tur i avgasledningen i en position nedströms den andra turbinen och en andra bypass- ledning med en andra ventil med vilket det är möjligt att leda avgaser förbi den andra turbinen, varvid styrenheten är anpassad att mottaga information från den andra tempe- ratursensom och att öppna den andra ventilen så att avgaser leds förbi den andra turbi- nen under tillfällen då avgaserna har en för låg temperatur för att en gynnsam reducer- ing av kväveoxider ska erhållas i SCR-katalysatom. För att en SCR-katalysator ska fungera på ett optimalt sätt måste avgaserna ha en temperatur över en lägsta acceptabel temperatur. Avgaserna som når SCR-katalysatom tillhandahåller en första temperatur- sänkning då de expanderar genom den första turbinen, en andra temperatursänkning då de utnyttjas för att förånga urealösningen och en tredje temperatursänkning då de ex- panderar genom den andra turbinen. Det finns därmed alltid en risk att avgasema som når SCR-katalysatorn kyls till en temperatur under den lägsta acceptabla temperaturen.

Om styrenheten mottar sådan information från den andra temperatursensor som indike- rar att detta håller på att ske öppnar styrenheten den andra ventilen så att åtminstone en del av avgasema leds genom den andra bypassledning och därmed förbi den andra tur- binen. Med denna åtgärd kan avgasernas temperatur höjas till en nivå så att en önskad eliminering av kväveoxider kan tillhandahållas i SCR-katalysatorn. 535 773 Enligt en annan föredragen utföringsforrn är den första turbinen förbunden med en kompressor som komprimera: luft som leds till förbränningsmotom. I dag är dieselmo- torer hos tunga fordon väsentligen alltid försedda med ett turboaggregat. Avgasemas tryck kan därmed utnyttjas för att komprimera luft som leds till förbränningsmotorn.

Därmed kan en större mängd luft och bränsle tillföras och förbrärmas i förbrännings- motorn. Den andra turbinen kan vara förbunden med en axel hos förbränningsmotom via en transmission. I detta fall utnyttjas avgasemas tryck som upptas i den andra tur- binen till att tillhandahålla en extra drift av fordonet. Denna typ av förbränningsmotor benämns vanligtvis turbocompoundmotor.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs såsom ett exempel en föredragen utfbringsfonn av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritning, på vilken: Pig. 1 visar ett arrangemang för att spruta in en urealösning i en avgasledning hos en förbrärmingsmotor enligt en uttöringsforrn av föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING Av EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM Av UPPFINNINGEN Pig. 1 visar en förbränningsmotor i form av en dieselmotor 1. Dieselmotorn 1 kan vara avsedd som drivmotor för ett tyngre fordon. Avgasema från dieselmotoms 1 cylindrar leds, via en avgassarnlare 2, till en avgasledning 3. Avgasledningen 3 är försedd med ett turboaggregat som består av en turbin 4 och en kompressor 5. Turbinen 4 är avsedd att omvandla avgasemas energi i avgasledningen 3 till mekaniskt arbete för att driva kompressom 5. En bypassledning 6 sträcker sig runt turbinen. Med hjälp av en ventil 7 kan avgaser ledas genom bypassledningen 6 och således förbi turbinen. Kompressom är avsedd att komprimera luft som leds in i en inloppsledning 8 till dieselmotom 1.

En laddluftkylare 9 är anordnad i inloppsledningen 8 för att kyla den komprimerade luften. Dieselmotom 1 innefattar en returledning 11 för återcirkulation av avgaser. En EGR-ventil 12 är anpassad att reglera mängden avgaser som leds genom returledning- en 11 från avgasledningen 3 till inloppsledningen 8 där de återcirkulerande avgasema blandas med luften i inloppsledningen 8 med hjälp av, exempelvis ett blandningsorgan 13. De återcirkulerande avgasema kyls i åtminstone en EGR-kylare 14 i returledningen 535 773 11 innan de blandas med luften i lufiledningen 8. Blandningen av luft och avgaser leds, via en förgrening 14, till dieselmotorns 1 respektive förbränningsutrymmen.

Avgasledningen 3 har här försetts med en katalytisk avgasrening enligt den metod som benämns SCR (Selective Catalytic Reduction). Denna metod innebär att ett reduk- tionsmedel i form av en urealösning tillförs avgaserna i dieselmotoms avgasledning 3.

Urealösningen lagras i en tank 15 och leds, via en ledning 16, till avgasledningen 3. En styrenhet 17, som kan vara en datorenhet med en lämplig programvara, styr tillfórseln av urealösningen medelst aktivering av en pump 18. Pumpen 18 transporterar urealös- ning till ett insprutningsorgan 19 som sprutar in urealösningen i avgasledningen 3. En icke visad tryckluftskälla kan vara förbunden med insprutningsorganet 19 för att effek- tivisera insprutningsprocessen. Styrenheten 17 kan med infomtation avseende specifi- ka motorparametrar beräkna den mängd av urealösningen som behöver tillsättas för att halten av kväveoxider i avgasema ska reduceras på ett optimalt sätt. Den tillförda urea- lösningen är avsedd att upphettas av avgasema i avgasledningen 3 så att den förångas.

Urealösningen tillförs i en position nedströms turboaggregatets turbin 4 och uppströms en extra turbin 20 i avgasledningen 3. Den extra turbinen 20 är förbunden med en ut- gående axel 21 hos fórbränningsmotor l med hjälp av en schematiskt visad transmis- sion 22 som innefattar en viskokoppling 23. Då avgasema i avgasledningen 3 expande- rar genom den extra turbinen 20 utvinns energi ur avgasema vilken överförs, via nämnda transmission 22, till en extra drivkraft av den utgående axeln 2 l. En bypass- ledning 24 sträcker sig runt den extra turbinen 20. Med hjälp av en ventil 25 kan avga- ser ledas genom bypassledningen 24 och således förbi den extra turbinen 20. En tem- peratursensor 26 avkänner avgasemas temperatur i avgasledningen 3 i en position ned- ströms turbinen 4 och uppströms den extra turbinen 20. En hydrolyskatalysator 27 är anordnad i avgasledningen 3 i en position relativt nära insprutningsorganet 19 som sprutar in urealösningen. Hydrokatalysatom är anordnad i avgasledningen 3 i en posi- tion uppströms den extra turbinen 20. En SCR-katalysator 29 är anordnad i avgasled- ningen i en position nedströms den extra turbinen 20. En temperatursensor 28 är an- ordnad i avgasledningen 3 för att avkänna avgasernas temperatur i en position ned- ströms den extra turbinen 20 och uppströms SCR-katalysatom 29. Temperatursensom 28 avkänner således avgasemas temperatur innan de leds in i SCR-katalysatom 29.

Under drift av dieselmotom 1 mottar styrenheten 17 väsentligen kontinuerligt informa- tion avseende motorparametrar såsom bränsleförbrukning, avgasflödet etc. Med hjälp 535 773 av sådan information kan styrenheten 17 beräkna den mängd av urealösningen som behöver tillsättas för att halten av kväveoxider i avgasema ska reduceras på ett väsent- ligen optimalt sätt. Styrenheten 17 tillför den beräknade mängden urealösning medelst pumpen 18 som transporterar urealösningen från tanken 15 via ledningen 16, till in- sprutningsorganet 19. Insprutningsorganet 19 sprutar in den beräknade mängden urea- lösning i finfördelad form i avgasledningen en lämplig blandningssträcka uppströms den extra turbinen 20. Blandningssträckan har en längd så att den tillforda urealös- ningen helt ska hinna förångas innan den når den extra turbinen 20. Den finfördelade urealösningen värms vanligtvis snabbt upp och förångas av de heta avgasema i avgas- ledningen 3. Den törångade urealösningen bildar inledningsvis ammoniak, isocyansyra och vattenånga. 1 hydrolyskatalysatom 27 reagerar isocyansyran med vattenånga så att ytterligare ammoniak bildas. Därmed leds väsentligen en blandning av avgaser, arn- moniak och vattenånga till den extra turbinen 20.

Då urealösningen fórångas upptar den en större volym än i vätskeforrn. Det resulterar i att trycket ökar i avgasledningen 3 uppströms den extra turbinen 20. Denna tryckök- ning i avgasledningen 3 uppströms den extra turbinen 20 leder till att ett större tryck- fall kan utnyttjas för att driva den extra turbinen 20. Därmed ökar drivkraften som överförs från den extra turbinen 20 till den utgående axeln 21 i en motsvarande grad. l den extra turbinen 20 tillhandahålls en effektiv omrömingseffekt av ammoniak och avgaser. Det resulterar i att en väsentligen homogen blandning av ammoniak och avga- ser erhålls i avgasledriingen 3 väsentligen direkt nedströms den extra turbinen 20.

SCR-katalysatom 29 kan därmed placeras relativt nära den extra turbinen 20 i avgas- ledningen 3. Blandningen av ammoniak och avgasema leds genom SCR-katalysatorn 29 där kvävet hos kväveoxidema i avgasema reagerar med kvävet i ammoniaken så att kvävgas bildas. Syret hos kväveoxidema reagerar med vätet i ammoniaken så att vat- ten bildas. Kväveoxidema i avgasema reduceras därmed i SCR-katalysatorn 29 till kvävgas och vattenånga. Med en korrekt dosering av urealösningen kan dieselmotoms 1 utsläpp av kväveoxider i en stor utsträckning reduceras.

Under drift av dieselmotom l mottar styrenheten 17 information från temperatursen- som 26. Om temperatursensom 26 indikerar att avgasema har en for låg temperatur för att fórånga urealösningen i avgasledningen öppnar styrenheten 17 ventilen 7 så att åt- minstone en del av avgasema i avgasledningen 3 leds forbi turbinen 4. Därmed till- handahåller dessa avgaser ingen temperatursänkning i turbinen 4. Avgasema kan där- med under väsentligen alla driftstillstånd tillhandahålla en tillräckligt hög temperatur 535 773 for att forånga urealösningen som sprutas in i avgasledningen 3. Under drift av fór- bränningsmotom l mottar styrenheten 17 även information från temperatursensorn 28.

Om temperatursensom 28 indikerar att avgaserna som leds till SCR-katalysatom 29 har en för låg temperatur öppnar styrenheten 17 ventilen 25 så att åtminstone en del av avgaserna i avgasledningen 3 leds genom bypassledningen 24 och således förbi den extra turbinen 20. Därmed tillhandahåller dessa avgaser ingen temperatursänkning i den extra turbinen 20. Avgaserna kan därmed under väsentligen alla driftstillstånd till- handahålla en tillräckligt hög temperatur for att de kemiska reaktionerna i SCR- katalysatom ska kunna ske på ett önskat sätt. Under tillfällen då avgasema har en mycket låg temperatur kan styrenheten 17 öppna båda ventilema 7, 25. Därmed kan en avgastemperatur upprätthållas som både íörångar urealösningen i en position i avgas- ledningen 3 mellan turbinema 7 och 20 och möjliggör en önskad funktion hos SCR- katalysatom nedströms den extra turbinen 20.

Uppfinningen är inte begränsad till den ovan beskrivna utfóringsforrnen utan den kan varieras fritt inom patentkravens ramar.

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 535 773 Patentkrav

1. l. Arrangemang för att spruta in ett reduktionsmedel i en avgasledning hos en förbrän- ningsmotor (I), varvid arrangemanget innefattar en avgasledning (3) för att leda ut avgaser från íörbränningsmotorn (l), en första turbin (4) som är anordnad i avgasled- ningen (3), en andra turbin (20) som är anordnad i avgasledningen i en position ned- ströms den första turbinen (4) med avseende på avgasemas avsedda strömningsriktning i avgasledningen, ett insprutningsorgan (19) som är anpassat att spruta in reduktions- medlet i avgasledningen (3) så att det värmas upp och förångas av de varma avgasema i avgasledningen (3) så att ammoniak bildas och en SCR-katalysator (29) där kväveox- ider i avgaserna reduceras med hjälp av den bildade ammoniaken, varvid insprutnings- organet (19) är anordnat i avgasledningen i en position som är belägen nedströms den första turbinen (4) och uppströms den andra turbinen (20) med avseende på avgasemas avsedda strömningsriktning i avgasledningen (3), och varvid arrangemanget innefattar en hydrolyskatalysator (27) som är anordnad i en position nedströms insprutningsorga- net (19) och i en position uppströms den andra turbinen (20) i avgasledningen (3), och en styrenhet (17), kännetecknat av att SCR-katalysatom (29) är anordnad i en position nedströms den andra turbinen (20) och att arrangemanget innefattar en andra tempera- tursensor (28) som är anpassad att avkärma avgasemas temperatur i avgasledningen (3) i en position nedströms den andra turbinen (20) och en andra bypassledning (24) med en andra ventil (25) med vilken det är möjligt att leda avgaser förbi den andra turbinen (20), varvid styrenheten (17) är anpassad att mottaga information från den andra tem- peratursensom (28) och att öppna den andra ventilen (25) så att avgaser leds förbi den andra turbinen (20) under tillfällen då avgasema har en för låg temperatur för att en gynnsam reducering av kväveoxider ska erhållas i SCR-katalysatom (29).

2. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att reduktionsmedlet är en urealösníng.

3. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att styrenheten (17) är anpassad att styra insprutningsmängden av reduktionsmedlet i avgasledningen (3).

4. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknar av att arrangemanget innefattar en första temperatursensor (26) som är anpassad att avkänna avgasemas tem- peratur i avgasledningen i en position nedströms den första turbinen (4) och uppströms den andra turbinen (20). 10 15 20 535 773

5. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att avgasledningen (3) innefattar en första bypassledning (6) med en första ventil (7) med vilket det är möjligt att leda avgaser förbi den första turbinen (4).

6. Arrangemang enligt krav 3-5, kännetecknat av att styrenheten (17) är anpassad att mottaga information från den första temperatursensom (26) avseende avgasemas tem- peratur och att öppna den första ventilen (6) så att avgaser leds förbi den första turbi- nen (4) under tillfallen då avgaserna har en för låg temperatur i avgasledningen (3) för att förånga reduktionsmedlet.

7. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att den första turbi- nen (4) är förbunden med en kompressor (5) som komprimerar luft som leds till för- bränningsmotorn (1).

8. Arrangemang enligt något av föregående krav, kärmetecknat av att den andra turbi- nen (20) är iörbunden med en axel (21) hos förbränningsmotom via en transmission (22).