WO2007141093A1 - Vorrichtung und verfahren zur abgasnachbehandlung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for
  • Patent EP 1 066 454 B1 describes a device for exhaust gas aftertreatment for a supercharged internal combustion engine.
  • an exhaust gas temperature is raised in the diesel particulate filter at least 600-620 0 C for the thermal regeneration of a soot-loaded diesel particulate filter for a diesel internal combustion engine.
  • This temperature increase can be realized in part by internal engine measures such as a throttling, injection start shift of the main injection or a burning post-injection.
  • a further temperature increase can generally be realized via an oxidation catalytic converter arranged upstream of the diesel particle filter. This is either an internal engine via a late, non-burning post-injection or by means of a post-motor dosing
  • Regenerating agent e.g. unburned fuel
  • a non-burning post-injection has the advantage that the introduced fuel is almost ideal mixed can act on the oxidation catalyst, whereby its catalytic surface can be optimally utilized.
  • the non-burning post-injection causes a significant oil dilution, whereby the oil change intervals must be drastically reduced.
  • the exhaust aftertreatment device according to the invention for a two-stage supercharged internal combustion engine having the features of independent claim 1 has the advantage that a metering device for introducing a regeneration agent in the exhaust line between a high-pressure turbine and a low-pressure turbine is arranged.
  • the arrangement of the metering device according to the invention advantageously achieves good exhaust gas regeneration mixture mixing for high oxidation catalyst efficiency, which is used to increase the temperature for thermal regeneration of a carbon black loaded particulate filter.
  • the fuel return via an exhaust gas recirculation line is prevented in an advantageous manner, since the
  • Exhaust gas recirculation line and the metering device are separated by the high-pressure turbine.
  • a further advantage of the inventive arrangement of the metering device results from the fact that the high-pressure turbine enthalpy enthalpy from the exhaust gas, whereby the exhaust gas is significantly cooled at the metering device compared to an arrangement at the engine exhaust manifold, whereby a lesser effort is required to cool the metering valve.
  • the inventive method for exhaust aftertreatment of a two-stage supercharged internal combustion engine having the features of independent claim 5 has the advantage that a regeneration agent for thermal regeneration of a soot-laden particulate filter between a high-pressure turbine and a low-pressure turbine is introduced into the exhaust system, with an optimal exhaust aftertreatment without additional Components, can be implemented only by taking advantage of the structural design of the exhaust system.
  • the metering device is arranged in front of the low-pressure turbine, that this causes the uniform mixing of the regeneration agent and the exhaust gas in the exhaust line.
  • the low-pressure turbine downstream of the metering device in the exhaust gas line is advantageously used as an active mixer element.
  • At least one temperature sensor is arranged in the exhaust gas line, which is evaluated for setting the metering device.
  • a pressure difference sensor may be present, which determines the pressure difference across the particulate filter, wherein from the determined pressure difference, a loading state of the particulate filter can be determined.
  • the introduction of the regeneration agent in the exhaust line can be such that the low-pressure turbine causes a uniform mixing of the regeneration agent and the exhaust gas in the exhaust system, whereby the arranged in the exhaust system oxidation catalyst is uniformly applied with reducing agent.
  • the sole FIGURE shows a block diagram of an exhaust aftertreatment device according to the invention for a two-stage supercharged internal combustion engine.
  • an exhaust aftertreatment device 1 for a two-stage supercharged internal combustion engine 2 comprises an oxidation catalyst 3, a
  • the two-stage supercharging of the internal combustion engine 2 is required in particular for compliance with future emission limits in the commercial vehicle sector.
  • the structural design of the exhaust gas tract of the two-stage supercharged internal combustion engine 2 can be utilized to implement optimum functionality of the oxidation catalytic converter 3 using post-engine dosing of the regeneration medium.
  • the metering device 7 is arranged in the exhaust line 8 according to the invention between a high-pressure turbine 5 and a low-pressure turbine 6, which cause the two-stage supercharging of the internal combustion engine 2.
  • the metering device 7 is arranged in front of the low-pressure turbine 6 in such a way that the low-pressure turbine 6 can be used as an active mixer element which effects a uniform mixing of the regeneration agent and the exhaust gas in the exhaust line 8.
  • the arrangement of the metering device 7 behind the high-pressure turbine 5 is a Return of the regeneration means via an exhaust gas recirculation line 9 prevented, since the exhaust gas recirculation line 9 and the metering device 7 are separated from each other by the high-pressure turbine 5.
  • the high-pressure turbine 5 withdraws enthalpy from the exhaust gas, as a result of which the exhaust gas at the metering device 7 has cooled significantly in comparison to the engine exhaust manifold, whereby a lesser expenditure is required for cooling the metering device 7.
  • two temperature sensors 10, 11 arranged in the exhaust line 8 are evaluated in the illustrated embodiment of the invention, wherein a temperature sensor 10 before the oxidation catalyst 3 and a
  • the exhaust gas aftertreatment device 1 comprises a pressure difference sensor 12 which determines the pressure difference across the particle filter 4.
  • the pressure difference sensor 12 can also be evaluated for activation and / or adjustment of the metering device 7.
  • the regeneration agent e.g. unburned fuel introduced via the metering device 7 between the high-pressure turbine 5 and the low-pressure turbine 6 in the exhaust line 8, the low-pressure turbine 6, as already stated above, causes a uniform mixing of the regeneration agent and the exhaust gas in the exhaust line 8, whereby the exhaust line in the exhaust system. 8 after the low-pressure turbine 6 arranged oxidation catalyst 3 is uniformly applied with reducing agent and operated with a high efficiency.
  • the invention advantageously utilizes the structural design of the exhaust system of a two-stage supercharged Internal combustion engine without additional components for implementing a post-engine regeneration agent dosing and provides, in particular for commercial vehicles, a regeneration-proof and cost-effective concept for implementing a particulate filter system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) für eine zweistufig aufgeladene Brennkraftmaschine (2), mit einem Oxidationskatalysator (3), einem Partikelfilter (4) und einer Dosiervorrichtung (7) zum Einbringen eines Regenerationsmittels in einen Abgasstrang (8), und ein zugehöriges Verfahren zur Abgasnachbehandlung. Erfindungsgemäß ist die Dosiervorrichtung (7) im Abgasstrang (8) zwischen einer Hockdruckturbine (5) und einer Niederdruckturbine (6) angeordnet, welche die zweistufige Aufladung der Brennkraftmaschine (2) bewirken.

Description

Beschreibung
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur
Abgasnachbehandlung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einem zugehörigen Verfahren zur Abgasnachbehandlung.
In der Patentschrift EP 1 066 454 B1 wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine beschrieben.
Zudem ist allgemein bekannt, dass zur thermischen Regeneration eines mit Ruß beladenen Dieselpartikelfilters für eine Dieselbrennkraftmaschine eine Abgastemperatur im Dieselpartikelfilter auf mindestens 600-6200C angehoben wird. Diese Temperaturanhebung kann zu einem Teil durch innermotorische Maßnahmen wie z.B. einer Androsselung, Spritzbeginnverschiebung der Haupteinspritzung oder einer brennenden Nacheinspritzung realisiert werden. Eine weitere Temperaturanhebung kann in der Regel über einen, dem Dieselpartikelfilter vorgelagerten, Oxidationskatalysator realisiert werden. Hierzu wird entweder innermotorisch über eine späte, nicht brennende Nacheinspritzung oder mittels einer nachmotorischen Dosierung ein
Regenerationsmittel, z.B. unverbrannter Kraftstoff, ins Abgas eingebracht.
Aus funktionaler Sicht weist eine nicht brennende Nacheinspritzung den Vorteil auf, dass der eingebrachte Kraftstoff nahezu ideal durchmischt den Oxidationskatalysator beaufschlagen kann, wodurch dessen katalytische Oberfläche optimal genutzt werden kann. Die nicht brennende Nacheinspritzung zieht jedoch eine deutliche Ölverdünnung nach sich, wodurch die Ölwechselintervalle drastisch reduziert werden müssen. Ein weiterer Nachteil der nicht brennenden Nacheinspritzung ergibt sich prinzipbedingt dadurch, dass der Motor bei diesem Betrieb eine gewünschte, sehr hohe Kohlenwasserstoffemission aufweist und das Abgasrückführventil während des Regenerationsbetriebs des Dieselpartikelfilter geschlossen bleiben muss, da einem Brennraum sonst über die Frischluftzuführung ungewollt Kraftstoff zugeführt wird, wodurch die Brennkraftmaschine „durchgeht". Die notwendige Abschaltung der Abgasrückführung kann jedoch zu einem starken Anstieg der NOx- Emission während der Regeneration des Dieselpartikelfilters führen, was sich bei häufigen, oder langen Regenerationszeiträumen negativ auf die Zertifizierung der Fahrzeuge auswirken kann. Daher ist die nicht brennende Nacheinspritzung insbesondere bei Nutzfahrzeugen schwierig zu realisieren.
Für den Betrieb einer nachmotorischen Dosierung ergeben sich bei herkömmlichen aufgeladenen Brennkraftmaschinen prinzipiell zwei Einbaupositionen: vor oder nach einem Turbolader. Bei einer Dosierung vor dem Turbolader erhält man wie bei der nicht brennenden Nacheinspritzung eine nahezu ideale Durchmischung durch die Turbine. Allerdings besteht auch hier die Gefahr einer Kraftstoffrückführung über die Abgasrückführung. Eine weitere Schwierigkeit dieser Dosierposition resultiert aus der meist sehr hohen Abgastemperatur am Motorauslasskrümmer. Zum Schutz eines Dosierventils ist daher am Einbauort vor der Turbine in der Regel eine hohe Kühlleistung erforderlich. Die Dosierung nach dem Turbolader löst die Problematik der Kraftstoffrückführung über die Abgasrückführung und erleichtert die Kühlung des Dosierventils. Allerdings muss bei einer Dosierposition nach dem Turbolader auf die aktive Durchmischung durch die Turbine verzichtet werden, wodurch keine gleichmäßige Kraftstoffbeaufschlagung auf den Oxidationskatalysator gewährleistet werden kann, wodurch der Wirkungsgrad abnehmen kann und es zu einem erhöhten Regenerationsmittelschlupf kommen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine zweistufig aufgeladene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Dosiervorrichtung zum Einbringen eines Regenerationsmittels im Abgasstrang zwischen einer Hockdruckturbine und einer Niederdruckturbine angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Dosiervorrichtung wird in vorteilhafter Weise eine gute Abgas- Regenerationsmitteldurchmischung für einen hohen Wirkungsgrad eines Oxidationskatalysators erzielt, welcher zur Temperaturanhebung für eine thermische Regeneration eines mit Ruß beladenen Partikelfilters verwendet wird. Zudem wird in vorteilhafter Weise die Kraftstoffrückführung über eine Abgasrückführungsleitung unterbunden, da die
Abgasrückführungsleitung und die Dosiervorrichtung durch die Hochdruckturbine voneinander getrennt sind. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der Dosiervorrichtung resultiert daraus, dass die Hochdruckturbine dem Abgas Enthalpie entzieht, wodurch das Abgas an der Dosiervorrichtung im Vergleich zu einer Anordnung am Motorauslasskrümmer deutlich abgekühlt ist, wodurch zur Kühlung des Dosierventils ein geringerer Aufwand erforderlich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 5 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Regenerationsmittel zur thermischen Regeneration eines mit Ruß beladenen Partikelfilters zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine in den Abgasstrang eingebracht wird, wobei eine optimale Abgasnachbehandlung ohne zusätzliche Bauteile, nur unter Ausnutzung des strukturellen Aufbaus des Abgassystems umgesetzt werden kann.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung und des zugehörigen im unabhängigen Patentanspruch 5 angegebenen Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Dosiervorrichtung so vor der Niederdruckturbine angeordnet ist, dass diese die gleichmäßige Durchmischung des Regenerationsmittels und des Abgases im Abgasstrang bewirkt. Das bedeutet, dass die der Dosiervorrichtung im Abgasstrang nachgeordnete Niederdruckturbine in vorteilhafter Weise als aktives Mischerelement genutzt wird.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ist im Abgasstrang mindestens ein Temperatursensor angeordnet, welcher zur Einstellung der Dosiervorrichtung ausgewertet wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Druckdifferenzsensor vorhanden sein, welcher die Druckdifferenz über dem Partikelfilter bestimmt, wobei aus der bestimmten Druckdifferenz ein Beladungszustand des Partikelfilters ermittelt werden kann.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung kann die Einbringung des Regenerationsmittels in den Abgasstrang so erfolgen, dass die Niederdruckturbine eine gleichmäßige Durchmischung des Regenerationsmittels und des Abgases im Abgasstrang bewirkt, wodurch der im Abgasstrang angeordnete Oxidationskatalysator gleichmäßig mit Reduktionsmittel beaufschlagt wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine zweistufig aufgeladene Brennkraftmaschine.
Ausfϋhrungsform(en) der Erfindung
Wie aus der Figur ersichtlich ist, umfasst eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 für eine zweistufig aufgeladene Brennkraftmaschine 2 einen Oxidationskatalysator 3, einen
Partikelfilter 4 und eine Dosiervorrichtung 7 zum Einbringen eines Regenerationsmittels in einen Abgasstrang 8. Die zweistufige Aufladung der Brennkraftmaschine 2 ist insbesondere für die Einhaltung von zukünftigen Emissionsgrenzwerten im Nutzkraftfahrzeugbereich erforderlich.
Wie aus der Figur weiter ersichtlich ist, lässt sich der strukturelle Aufbau des Abgastraktes der zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschine 2 zur Umsetzung einer optimalen Funktionalität des Oxidationskatalysators 3 unter Verwendung einer nachmotorischen Dosierung des Regenerationsmittels ausnutzen. So ist die Dosiervorrichtung 7 im Abgasstrang 8 erfindungsgemäß zwischen einer Hockdruckturbine 5 und einer Niederdruckturbine 6 angeordnet, welche die zweistufige Aufladung der Brennkraftmaschine 2 bewirken. Die Dosiervorrichtung 7 ist so vor der Niederdruckturbine 6 angeordnet, dass die Niederdruckturbine 6 als aktives Mischerelement genutzt werden kann, welches eine gleichmäßige Durchmischung des Regenerationsmittels und des Abgases im Abgasstrang 8 bewirkt. Durch die Anordnung der Dosiervorrichtung 7 hinter der Hochdruckturbine 5 wird eine Rückführung des Regenerationsmittels über eine Abgasrückführungsleitung 9 unterbunden, da die Abgasrückführungsleitung 9 und die Dosiervorrichtung 7 durch die Hochdruckturbine 5 voneinander getrennt sind. Zudem entzieht die Hochdruckturbine 5 dem Abgas Enthalpie, wodurch das Abgas an der Dosiervorrichtung 7 im Vergleich zum Motorauslasskrümmer deutlich abgekühlt ist, wodurch zur Kühlung der Dosiervorrichtung 7 ein geringerer Aufwand erforderlich ist.
Zur Einstellung der Dosiervorrichtung 7 und somit zur Menge des Regenerationsmittels, welches in den Abgasstrang 8 eingebracht wird, werden im dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zwei im Abgasstrang 8 angeordnete Temperatursensoren 10, 11 ausgewertet, wobei ein Temperatursensor 10 vor dem Oxidationskatalysator 3 und ein
Temperatursensor 11 nach dem Oxidationskatalysator 3 angeordnet ist. Zur Ermittlung des Beladungszustand des Partikelfilters 4 umfasst die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 einen Druckdifferenzsensor 12, welcher die Druckdifferenz über dem Partikelfilter 4 bestimmt. Der Druckdifferenzsensor 12 kann auch zur Aktivierung und/oder Einstellung der Dosiervorrichtung 7 ausgewertet werden. Zur thermischen Regeneration des mit Ruß beladenen Partikelfilters 4, vorzugsweise eines Dieselpartikelfilters, wird das Regenerationsmittel, z.B. unverbrannter Brennstoff, über die Dosiervorrichtung 7 zwischen der Hochdruckturbine 5 und der Niederdruckturbine 6 in den Abgasstrang 8 eingebracht, wobei die Niederdruckturbine 6, wie oben bereits ausgeführt ist, eine gleichmäßige Durchmischung des Regenerationsmittels und des Abgases im Abgasstrang 8 bewirkt, wodurch der im Abgasstrang 8 nach der Niederdruckturbine 6 angeordneter Oxidationskatalysator 3 gleichmäßig mit Reduktionsmittel beaufschlagt und mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben wird.
Die Erfindung nutzt in vorteilhafter Weise den strukturellen Aufbau des Abgassystems einer zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschine ohne zusätzliche Bauteile zur Umsetzung einer nachmotorischen Regenerationsmitteldosierung aus und stellt insbesondere für Nutzkraftfahrzeuge ein regenerationssicheres und kostengünstiges Konzept zur Umsetzung eines Partikelfiltersystems zur Verfügung.

Claims

Ansprüche
1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine zweistufig aufgeladene Brennkraftmaschine, mit einem
Oxidationskatalysator (3), einem Partikelfilter (4) und einer Dosiervorrichtung (7) zum Einbringen eines Regenerationsmittels in einen Abgasstrang (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung (7) im Abgasstrang (8) zwischen einer Hockdruckturbine (5) und einer
Niederdruckturbine (6) angeordnet ist, welche die zweistufige Aufladung der Brennkraftmaschine (2) bewirken.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiervorrichtung (7) so vor der Niederdruckturbine (6) angeordnet ist, dass diese eine gleichmäßige Durchmischung des Regenerationsmittels und des Abgases im Abgasstrang (8) bewirkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens einen im Abgasstrang (8) angeordneten Temperatursensor (10, 11 ), welcher zur Einstellung der Dosiervorrichtung (7) ausgewertet werden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Druckdifferenzsensor (12), welcher die Druckdifferenz über dem Partikelfilter (4) bestimmt, aus welcher ein Beladungszustand des Partikelfilters (4) ermittelbar ist.
5. Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regenerationsmittel zur thermischen Regeneration eines mit Ruß beladenen Partikelfilters (4) zwischen einer Hochdruckturbine (5) und einer Niederdruckturbine (6) in den Abgasstrang (8) eingebracht wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Regenerationsmittels in den Abgasstrang (8) so erfolgt, dass die Niederdruckturbine (6) eine gleichmäßige Durchmischung des Regenerationsmittels und des Abgases im Abgasstrang (8) bewirkt, und ein im Abgasstrang (8) angeordneter Oxidationskatalysator (3) gleichmäßig mit Reduktionsmittel beaufschlagt wird.
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