DE102020129001B4 - Exhaust system with exhaust gas turbocharger, ejector and exhaust gas catalytic converter - Google Patents
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Abstract
Abgasanalage (1) einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Abgasturbolader (2), wenigstens eine Umgehungsleitung (3) sowie einen Ejektor (4), umfassend einen Ejektoreinströmbereich (8), der sich unmittelbar stromabwärts an den Turbinenaustritt (5) anschließt und einen sich konisch verjüngenden Rohrleitungsabschnitt bildet, eine Mischstrecke (9), die einen weitgehend konstanten Rohrleitungsdurchmesser innehat sowie einen Diffusorbereich (10), der einen sich konisch vergrößernden Rohrleitungsabschnitt bildet, wobei innerhalb mindestens eines konisch ausgebildeten Rohrleitungsabschnitts des Ejektors (4) wenigstens ein Abgaskatalysator (11, 12) angeordnet ist. Ein erster Abgaskatalysator (11) ist innerhalb des Ejektoreinströmbereichs (8) und/oder ein zweiter Abgaskatalysator (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) angeordnet, wobei die Katalysatorträgermaterialien der beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) unterschiedlich sind. Das Katalysatorträgermaterial des ersten Abgaskatalysators (11) bildet einen Mehrwegeabgaskatalysator und das des zweiten Abgaskatalysators (12) einen Partikelfilter. Wenigstens ein Abgaskatalysator (11, 12), der innerhalb eines konischen Rohrleitungsabschnitts des Ejektors (4) angeordnet ist, weist eine konische Formgestalt auf.Exhaust system (1) of an internal combustion engine, comprising an exhaust gas turbocharger (2), at least one bypass line (3) and an ejector (4), comprising an ejector inflow area (8) which is immediately downstream of the turbine outlet (5) and a conically tapering area pipeline section, a mixing section (9) which has a largely constant pipeline diameter and a diffuser area (10) which forms a conically enlarging pipeline section, with at least one exhaust gas catalytic converter (11, 12) is arranged. A first exhaust gas catalytic converter (11) is arranged inside the ejector inflow area (8) and/or a second exhaust gas catalytic converter (12) inside the diffuser area (10), the catalyst support materials of the two exhaust gas catalytic converters (11, 12) being different. The catalyst carrier material of the first exhaust gas catalytic converter (11) forms a multi-way exhaust gas catalytic converter and that of the second exhaust gas catalytic converter (12) forms a particle filter. At least one exhaust gas catalytic converter (11, 12), which is arranged within a conical pipe section of the ejector (4), has a conical shape.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere die Kombination aus einem Abgasturbolader, einem Ejektor sowie wenigstens einem Abgaskatalysator.The present invention relates to a device for treating the exhaust gas of an internal combustion engine, in particular the combination of an exhaust gas turbocharger, an ejector and at least one exhaust gas catalytic converter.
Stand der TechnikState of the art
Abgasturbolader von aufgeladenen Brennkraftmaschinen können mittels Bypass gesteuert werden. Der Bypass kann als Umgehungsleitung ausgebildet sein, wobei der Eintritt der Umgehungsleitung stromaufwärts des Einlasses sowie deren Austritt stromabwärts des Auslasses des Abgasturboladers angeordnet sind. Durch vollständiges oder teilweises Öffnen oder Schließen der Umgehungsleitung kann der Anteil des Abgasmassenstromes eingestellt werden, welcher über das Turbinenrad des Abgasturboladers geführt wird. Der Anteil des Abgasmassenstroms, der durch die Umgehungsleitung strömt, oder auch der Bypassstrom, weist gegenüber dem Anteil des Abgasmassenstroms, der über das Turbinenrad strömt, oder auch der Turbinenstrom, aufgrund der Energieumwandlung an die Turbine eine höhere Enthalpie auf. Es existiert demnach eine Enthalpiedifferenz zwischen Bypassstrom und Turbinenstrom, stromabwärts der Turbine. Wird die Umgehungsleitung in eine gemeinsame Abgasableitung stromabwärts der Turbine geführt, in welche ebenfalls der Austritt der Turbine mündet und ist der Austritt der Umgehungsleitung in die gemeinsame Abgasableitung in unmittelbarer Nähe des Turbinenaustritts angeordnet, entsteht auf diese Art und Weise eine Strahlpumpe, wobei der Bypassstrom als Treibstrahl und der Turbinenstrom als Saugstrahl ausgebildet ist. Die Strahlpumpe erzeugt eine Druckreduzierung am Turbinenauslass und erhöht somit das Druckgefälle über der Turbine, was zu einer Steigerung der Turbinenausgangsleistung beiträgt.Exhaust gas turbochargers of supercharged internal combustion engines can be controlled by means of a bypass. The bypass can be designed as a bypass line, with the inlet of the bypass line being arranged upstream of the inlet and its outlet being arranged downstream of the outlet of the exhaust gas turbocharger. By completely or partially opening or closing the bypass line, the proportion of the exhaust gas mass flow can be adjusted, which is routed via the turbine wheel of the exhaust gas turbocharger. The proportion of the exhaust gas mass flow that flows through the bypass line, or the bypass flow, has a higher enthalpy than the proportion of the exhaust gas mass flow that flows via the turbine wheel, or the turbine flow, due to the energy conversion to the turbine. There is therefore an enthalpy difference between the bypass flow and the turbine flow downstream of the turbine. If the bypass line is routed into a common exhaust gas discharge line downstream of the turbine, into which the outlet of the turbine also flows, and if the outlet of the bypass line is arranged in the common exhaust gas discharge line in the immediate vicinity of the turbine outlet, a jet pump is created in this way, with the bypass flow as a Driving jet and the turbine flow is designed as a suction jet. The jet pump creates a pressure reduction at the turbine outlet and thus increases the pressure drop across the turbine, which contributes to an increase in turbine power output.
In der Offenlegungsschrift
In der Offenlegungsschrift
Den Wirkungsgradvorteilen einer solchen Ejektorbauweise bezüglich der Turbinenausgangsleistung eines Abgasturboladers stehen die Nachteile einer möglichen Abgasnachbehandlung einer solchen Anordnung entgegen. Funktionstechnisch bedingt wird bei der Anwendung eines genannten Ejektors Bauraum für den Ejektoreinströmbereich, die Mischstrecke, sowie für einen Diffusorbereich benötigt, wodurch daran stromabwärts anschließend angeordnete Abgaskatalysatoren in einem erhöhten Abstand zur Brennkraftmaschine positioniert werden müssen. Dieser Umstand steht im Konflikt mit den gesetzlichen Anforderungen bezüglich der Abgasemissionen von Brennkraftmaschinen, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, wobei zum einen durch eine relative Nähe zur Brennkraftmaschine deren Abwärme ausgenutzt sowie zum anderen durch eine relativ kurze Wegstrecke des Abgases zu einem Abgaskatalysator eine verkürzte Light-Off-Zeit erreicht werden sollte.The efficiency advantages of such an ejector design with regard to the turbine output power of an exhaust gas turbocharger are offset by the disadvantages of a possible exhaust gas aftertreatment of such an arrangement. For functional reasons, the use of a named ejector requires installation space for the ejector inflow area, the mixing section and for a diffuser area, which means that downstream exhaust gas catalytic converters must be positioned at a greater distance from the internal combustion engine. This circumstance is in conflict with the legal requirements regarding exhaust gas emissions from internal combustion engines, particularly in the motor vehicle sector, whereby, on the one hand, due to the relative proximity to the internal combustion engine, its waste heat is utilized and, on the other hand, due to a relatively short distance of the exhaust gas to an exhaust gas catalyst, a shortened light-off time should be reached.
Um dieser Anforderung gerecht zu werden, existieren im Stand der Technik neben der Anordnung von Abgaskatalysatoren in Ringbauweise nach
Aus den Offenlegungsschriften
Ferner ist aus der Gebrauchsmusterschrift
Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, eine Abgasanlage bereitzustellen, die wenigstens einen Abgaskatalysator umfasst und die Vorteile der Ejektorbauweise bezüglich der Wirkungsgradverbesserung des Abgasturboladers abbildet sowie gleichzeitig eine geringe Light-Off-Zeit für den genannten Abgaskatalysator sicherstellt.The present invention is now based on the object of providing an exhaust system which comprises at least one exhaust gas catalytic converter and reflects the advantages of the ejector design with regard to improving the efficiency of the exhaust gas turbocharger and at the same time ensures a short light-off time for said exhaust gas catalytic converter.
Lösung der Aufgabesolution of the task
Die Aufgabe wird durch eine Abgasanlage, gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gelöst, dass innerhalb mindestens eines konisch ausgebildeten Rohrleitungsabschnitts des Ejektors wenigstens ein Abgaskatalysator angeordnet ist. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.The object is achieved by an exhaust system according to
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Intention der Erfindung besteht in der Ausnutzung des durch die Anwendung eines Ejektors stromabwärts eines Abgasturboladers zusätzlich benötigten Bauraums um eine Brennkraftmaschine, wobei wenigstens ein Abgaskatalysator in die erfindungsgemäße Abgasanalage integriert wird. Durch die Anordnung eines Abgaskatalysators innerhalb des Ejektors ist das Katalysatorträgermaterial in vorteilhafter Art und Weise näher an der Brennkraftmaschine angeordnet, sodass dieser die im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehende Abwärme des Abgasmassenstroms effektiv ausnutzen kann. Aufgrund geringer Rohrleitungsdurchmesser der Abgasableitung des Ejektors, um das Prinzip der Strahlpumpe zu realisieren, ist der Abgaskatalysator ebenfalls von geringeren Abmessungen als konventionelle Hauptkatalysatoren und kann als Vorkatalysator verwendet werden. Durch die geringen Abmessungen des Vorkatalysators erreicht das Katalysatorträgermaterial erfindungsgemäß vorteilhaft schneller die Light-Off-Temperatur, auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine. Wird dem Katalysatorträgermaterial eine strömungsoptimierte Struktur hinzugefügt, beispielsweise durch gerichtete Strömungskanäle, kann die Strömung durch den Ejektor gleichgerichtet werden, was einen positiven Effekt auf die Wirkungsweise der Strahlpumpe hat. Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Abgasanlage mit in einen Ejektor integrierten Abgaskatalysatoren wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wirkungsvoll erhöht und gleichzeitig werden die ausgestoßenen Abgasemissionen effektiv reduziert. Zum besseren Verständnis und als Unterstützung der Beschreibung wird sich auf folgende Abbildungen bezogen. Hierbei zeigen:
-
1 die Strömungsverhältnisse einer aus dem Stand der Technik bekannten Abgasanlage mit Abgasturbolader und Ejektor, -
2 eine erfindungsgemäße Abgasanlage mit Abgasturbolader, Ejektor sowie zwei integrierten Abgaskatalysatoren.
-
1 the flow conditions of an exhaust system known from the prior art with exhaust gas turbocharger and ejector, -
2 an exhaust system according to the invention with exhaust gas turbocharger, ejector and two integrated exhaust gas catalysts.
Bezugnehmend auf
Die Funktion eines solchen Ejektors (4) ergibt sich nunmehr in einem vollständig oder anteilig geöffneten Zustand des Ventils (6), wobei ein Anteil des Abgasmassenstroms der Brennkraftmaschine als Bypassstrom durch die Umgehungsleitung (3) geführt wird und diese durch Passieren der Düse (7) in Richtung des Ejektors (4) verlässt. Gleichzeitig wird ein weiterer Anteil des Abgasmassenstroms über wenigstens eine Turbine des Abgasturboladers (2) geführt und verlässt den Turbinenaustritt (5) als Turbinenstrom. Aufgrund der verrichteten Arbeit des Turbinenstroms an der Turbine weist dieser eine geringere Enthalpie auf als der Bypassstrom (schmale Strompfeile). Aufgrund der entstehenden Enthalpiedifferenz ist dem Bypassstrom ein höherer Fluiddruck als dem Turbinenstrom inne (fette Strompfeile). Durch den nach solcherart entstehenden Unterdruck am Turbinenaustritt kann der Wirkungsgrad des Abgasturboladers (2) und somit der gesamten Brennkraftmaschine erhöht werden.The function of such an ejector (4) now arises when the valve (6) is fully or partially open, with a portion of the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine being routed as a bypass flow through the bypass line (3) and this by passing through the nozzle (7) leaves in the direction of the ejector (4). At the same time, another portion of the exhaust gas mass flow is routed via at least one turbine of the exhaust gas turbocharger (2) and leaves the turbine outlet (5) as a turbine flow. Due to the work done by the turbine flow at the turbine, this shows a lower enthalpy than the bypass flow (narrow flow arrows). Due to the resulting enthalpy difference, the bypass flow is higher fluid pressure than the turbine flow (bold flow arrows). The resulting negative pressure at the turbine outlet can increase the efficiency of the exhaust gas turbocharger (2) and thus of the entire internal combustion engine.
Der stromabwärts an den Turbinenaustritt (5) angeordnete Ejektor (4) verstärkt den Effekt der Strahlpumpe, wobei dieser in einen Einströmbereich (8), eine Mischstrecke (9) sowie einen Diffusorbereich (10) unterteilt werden kann. Der Einströmbereich (8) ist als ein sich verjüngender konischer Rohrleitungsabschnitt ausgestaltet. Innerhalb des Einströmbereichs (8) wird der Treibstrahl (Bypassstrom) dem Saugstrahl (Turbinenstrom) zugeführt. Durch die sich verjüngende, kegelstumpfförmige Gestalt erhöht sich der Fluiddruck innerhalb der Rohrleitung weiter und verstärkt die Wirkungsweise der Strahlpumpe. Stromabwärts an den Einströmbereich (8) folgt die Mischstrecke (9), welche einen weitgehend konstanten Rohrleitungsdurchmesser aufweist. Innerhalb der Mischstrecke (9) kommt es zur Vermischung und Verwirbelung von Treib- und Saugstrahl (gekreiste Strömungspfeile). Beide Strahlen vermischen sich in der Mischstrecke (9) bis ein bezüglich Enthalpie, Strömungsgeschwindigkeit und Fluiddruck weitgehend homogener Abgasmassenstrom vorherrscht. Aufgrund dieser Anforderung ist für die Mischstrecke (9) funktionsbedingt eine definierte Mindestlängenausdehnung erforderlich. Bei Brennkraftmaschinen für Personenkraftwagen kann die Längenabmessung des gesamten Ejektors (4) bis zu 500mm betragen. Der nunmehr homogene Abgasmassenstrom wird anschließend im Diffusorbereich (10) entspannt und in die weiteren Rohrleitungsabschnitte der Abgasableitung geführt.The ejector (4) arranged downstream of the turbine outlet (5) increases the effect of the jet pump, whereby it can be divided into an inflow area (8), a mixing section (9) and a diffuser area (10). The inflow area (8) is designed as a tapering, conical pipe section. Within the inflow area (8), the driving jet (bypass flow) is fed to the suction jet (turbine flow). The tapered frusto-conical shape further increases the fluid pressure within the tubing and enhances the effectiveness of the jet pump. Downstream of the inflow area (8) follows the mixing section (9), which has a largely constant pipe diameter. Within the mixing section (9), the motive and suction jets are mixed and swirled (circled flow arrows). Both jets mix in the mixing section (9) until an exhaust gas mass flow that is largely homogeneous in terms of enthalpy, flow rate and fluid pressure prevails. Due to this requirement, a defined minimum length expansion is required for the mixing section (9) due to its function. In internal combustion engines for passenger cars, the length of the entire ejector (4) can be up to 500 mm. The exhaust gas mass flow, which is now homogeneous, is then expanded in the diffuser area (10) and fed into the other pipe sections of the exhaust gas discharge line.
Die vorangegangene Beschreibung von Aufbau und Funktionsweise einer bekannten Abgasanlage (1) soll die nachfolgend beschriebene Erfindung weder festlegen noch in der Ausgestaltung ihrer Ausführungsformen beschränken, vielmehr dient sie der Vermittlung des allgemeinen Verständnisses bezüglich Aufbau und Funktionsweise einer bekannten Abgasanlage (1), wodurch die vorteilhafte Wirkungsweise der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Abgasanlage (1) verdeutlicht wird.The previous description of the structure and functioning of a known exhaust system (1) is not intended to define the invention described below or to limit the design of its embodiments, rather it serves to convey a general understanding of the structure and functioning of a known exhaust system (1), whereby the advantageous Operation of the exhaust system according to the invention (1) described below is illustrated.
Bezugnehmend auf
In einer Ausführungsform ist ein erster Abgaskatalysator (11) innerhalb des Einströmbereichs (8) und/oder ein zweiter Abgaskatalysator (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) des Ejektors (4) angeordnet. Die beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) sind hierbei vorzugsweise innerhalb der konischen Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4) angeordnet. Funktionsbedingt sollte der Rohrleitungsabschnitt der Mischstrecke (9) frei von Strömungshindernissen sein, damit eine effektive Vermischung des Treib- und des Saugstrahls erfolgen kann. Gleichzeitig erhöht sich der Umsatz der Schadstoffe des Abgasmassenstroms, wenn der restliche verfügbare Bauraum innerhalb des Ejektors (4) vollständig ausgenutzt wird.In one embodiment, a first exhaust gas catalytic converter (11) is arranged inside the inflow area (8) and/or a second exhaust gas catalytic converter (12) inside the diffuser area (10) of the ejector (4). The two exhaust gas catalytic converters (11, 12) are preferably arranged within the conical pipe sections of the ejector (4). Depending on the function, the pipe section of the mixing section (9) should be free of flow obstacles so that the motive and suction jets can be mixed effectively. At the same time, the conversion of the pollutants in the exhaust gas mass flow increases if the remaining available space within the ejector (4) is fully utilised.
In einer vorteilhaften Ausführungsform beginnt die Eintrittsfläche des ersten Abgaskatalysators (11) unmittelbar am Anfang des Einströmbereiches (8) des Ejektors (4) oder unmittelbar anschließend an die Düse (7), den Austritt der Umgehungsleitung (3) oder den Turbinenaustritt (5). Der exakte Beginn der Eintrittsfläche des ersten Abgaskatalysators (11) kann dabei abhängig sein von der physischen Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Abgasturbolader (2) und dem Ejektor (4) sowie von der geometrischen Ausgestaltung von Düse (7), Austritt der Umgehungsleitung (3) und Turbinenaustritt (5). Die Art und Ausgestaltung der Verbindung zwischen Abgasturbolader (2) und Ejektor (4) ist nicht Gegenstand der Erfindung und kann jede aus dem Stand der Technik bekannte oder jede weitere Ausführungsform umfassen. Entsprechend endet der erste Abgaskatalysator (11) mit seiner Austrittsfläche in seiner Längsausdehnung vorzugsweise mit dem Ende der konischen Verjüngung des Einströmbereichs (8), also dem Übergang zur Mischstrecke (9), sodass diese strömungstechnisch nicht von der Formgestalt des ersten Abgaskatalysators (11) negativ beeinflusst wird. Entsprechend den genannten Anforderungen beginnt der zweite Abgaskatalysator (12) mit seiner Eintrittsfläche vorzugsweise unmittelbar am Ende der Mischstrecke (9) oder im Übergang von dieser zur konischen Gestalt des Diffusorbereichs (10) und endet mit seiner Austrittsfläche am physischen Ende des Ejektors (4) oder am Ende der konischen Gestalt des Diffusorbereichs (10). Alternativ können die beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) jede beliebige Start- und Endposition ihrer Eintritts- und Austrittsflächen innehaben, wenn dies beispielsweise durch bauraumtechnische Gegebenheiten erforderlich ist oder sich günstig auf die Strömungsverhältnisse innerhalb des Ejektors (4) auswirken kann.In an advantageous embodiment, the entry surface of the first exhaust gas catalytic converter (11) starts immediately at the start of the inflow area (8) of the ejector (4) or immediately after the nozzle (7), the outlet of the bypass line (3) or the turbine outlet (5). The exact beginning of the entry area of the first exhaust gas catalytic converter (11) can depend on the physical design of the connection between the exhaust gas turbocharger (2) and the ejector (4) and on the geometric design of the nozzle (7), outlet of the bypass line (3) and turbine outlet (5). The type and design of the connection between the exhaust gas turbocharger (2) and the ejector (4) is not the subject of the invention and can any embodiment known in the art or any other embodiment. Accordingly, the length of the first exhaust gas catalytic converter (11) preferably ends with its exit surface at the end of the conical narrowing of the inflow area (8), i.e. the transition to the mixing section (9), so that this does not have a negative impact on the shape of the first exhaust gas catalytic converter (11) in terms of flow technology being affected. In accordance with the requirements mentioned, the second exhaust gas catalytic converter (12) preferably begins with its entry surface directly at the end of the mixing section (9) or in the transition from this to the conical shape of the diffuser area (10) and ends with its exit surface at the physical end of the ejector (4) or at the end of the conical shape of the diffuser area (10). Alternatively, the two exhaust gas catalytic converters (11, 12) can have any start and end position of their entry and exit surfaces if this is necessary, for example, due to space-related conditions or can have a favorable effect on the flow conditions within the ejector (4).
Der erste Abgaskatalysator (11) umfasst ein erstes und der zweite Abgaskatalysator (12) ein zweites Katalysatorträgermaterial. In einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die Katalysatorträgermaterialien der beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) unterschiedlich. Auf diese Art und Weise können die Katalysatorträgermaterialien vorteilhaft auf die jeweiligen Bereiche des Ejektors (4) oder an unterschiedliche Anwendungsfälle der Brennkraftmaschine flexibel angepasst werden. In einer Ausführungsform umfasst ein Katalysatorträgermaterial Eigenschaften eines aus dem Stand der Technik bekannten Drei-Wege-Katalysators und ein weiteres Katalysatorträgermaterial Eigenschaften der Funktionsweise von bekannten Partikelfiltern. Die Zusammensetzung der Katalysatorträgermaterialien ist nicht Gegenstand der Erfindung, vielmehr soll verdeutlicht werden, dass ein Katalysatorträgermaterial, welches Eigenschaften eines Drei-Wege-Katalysators innehat, im Sinne der Erfindung als ein Katalysatorträgermaterial zu verstehen ist, welches als Sauerstoffspeicher fungieren und so die Abgasemissionsbestandteile Stickstoffoxide (NOx), Kohlenstoffmonoxid (CO) sowie Kohlenwasserstoffe (HC) reduzieren oder dessen Verhältnis zueinander im Abgasmassenstrom in bekannter Art und Weise beeinflussen kann. Gleichsam ist ein Katalysatorträgermaterial, welches die Eigenschaften eines Partikelfilters aufweist, allgemein als ein Katalysatorträgermaterial zu verstehen, welches Rußpartikel aus den Abgasemissionen auffangen und speichern kann. So kann erfindungsgemäß vorteilhaft bereits innerhalb des Ejektors eine Reduzierung von Schadstoffen sowie von ausgestoßenen Rußpartikeln der Brennkraftmaschine im Abgasmassenstrom erfolgen.The first exhaust gas catalytic converter (11) comprises a first and the second exhaust gas catalytic converter (12) comprises a second catalytic converter support material. In a preferred embodiment, the catalyst support materials of the two exhaust gas catalysts (11, 12) are different. In this way, the catalyst support materials can advantageously be flexibly adapted to the respective areas of the ejector (4) or to different applications of the internal combustion engine. In one embodiment, a catalyst carrier material comprises properties of a three-way catalyst known from the prior art and a further catalyst carrier material comprises properties of the functioning of known particle filters. The composition of the catalyst support materials is not the subject of the invention, rather it should be made clear that a catalyst support material, which has the properties of a three-way catalytic converter, is to be understood within the meaning of the invention as a catalyst support material which acts as an oxygen store and thus the exhaust gas emission components nitrogen oxides ( NOx), carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) or can affect their ratio to each other in the exhaust gas mass flow in a known manner. At the same time, a catalyst support material that has the properties of a particle filter is generally to be understood as a catalyst support material that can capture and store soot particles from the exhaust emissions. According to the invention, a reduction in pollutants and in soot particles emitted by the internal combustion engine in the exhaust gas mass flow can advantageously already take place within the ejector.
In einer Ausführungsform weist das Katalysatorträgermaterial von wenigstens einem Abgaskatalysator (11, 12) eine konische Formgestalt auf. In einer vorzugsweisen Ausführungsform folgt die Formgestalt von wenigstens einem Katalysatorträgermaterial und somit die Formgestalt der zugehörigen Abgaskatalysatoren (11, 12) dem Verlauf des Innendurchmessers der konischen Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4), in welchen diese angeordnet sind. Somit entsprechen die radialen Abmessungen der Abgaskatalysatoren (11, 12) vorzugsweise weitgehend dem Innendurchmesser der Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4) an der jeweiligen axialen Position. Durch die konische Formgestalt der Katalysatorträgermaterialien bzw. der Abgaskatalysatoren (11, 12) selbst wird das Rohrleitungsvolumen von Einströmbereich (8) und Diffusorbereich (10) bestmöglich ausgeschöpft, um eine möglichst effektive Konvertierung der Schadstoffe des Abgases zu erreichen.In one embodiment, the catalyst support material of at least one exhaust gas catalyst (11, 12) has a conical shape. In a preferred embodiment, the shape of at least one catalyst support material and thus the shape of the associated exhaust gas catalysts (11, 12) follow the course of the inside diameter of the conical pipe sections of the ejector (4) in which they are arranged. The radial dimensions of the exhaust gas catalytic converters (11, 12) thus preferably largely correspond to the inner diameter of the pipe sections of the ejector (4) at the respective axial position. Due to the conical shape of the catalyst carrier materials or the exhaust gas catalysts (11, 12) themselves, the pipe volume of the inflow area (8) and diffuser area (10) is optimally utilized in order to achieve the most effective possible conversion of the pollutants in the exhaust gas.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien Strömungskanäle ausgebildet, welche der äußeren Formgestalt der Abgaskatalysatoren (11, 12) bezüglich der Längsausrichtung folgen. Im Sinne der Erfindung bedeutet das, dass die Strömungskanäle nicht parallel zur axialen Ausrichtung der Abgaskatalysatoren (11, 12) ausgerichtet sind. Vielmehr folgen die ausgebildeten Strömungskanäle der konischen Formgestalt der Abgaskatalysatoren (11, 12), sodass aufgrund der geometrischen Eigenschaften des Kegelstumpfs der konischen Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4) Strömungskanäle, welche einen hohen radialen Abstand zur in Längsrichtung ausgerichteten Mittenachse des Kegelstumpfs innehaben, einen größeren Winkel zwischen jener Mittenachse und ihrer eigenen Mittenachse ausbilden, als diejenigen Strömungskanäle, die einen geringeren radialen Abstand zu genannter Mittenachse des Kegelstumpfs innehaben. Hierbei wird in vorteilhafter Art und Weise Einfluss auf die Strömungsbedingungen des Abgasmassenstroms innerhalb des Ejektors (4) genommen, wobei die Strömungskanäle der Katalysatorträgermaterialien die Strömung des Abgases in Richtung der Formgestalt die Kegelstümpfe gleichrichten. Für einen ersten Abgaskatalysator (11), welcher im Einströmbereich (8) des Ejektors (4) angeordnet ist, werden der Treib- und der Saugstrahl der Strahlpumpe zunächst durch die Ausprägung der Strömungskanäle in Richtung der Mischstrecke linearisiert und gleichgerichtet, was die Wirkungsweise der Düse (7) weiter verstärkt und somit einen positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad der Strahlpumpe haben kann. Für einen zweiten Abgaskatalysator (12), welcher im Diffusorbereich (10) des Ejektors (4) angeordnet ist, wird der durch die Mischstrecke (9) homogenisierte Abgasmassenstrom gleichmäßig auf die Eintrittsfläche des Katalysatorträgermaterials aufgeteilt und verlässt die Austrittsfläche des Katalysatorträgermaterials entsprechend gleichmäßig, sodass gegebenenfalls anschließende weitere Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung eine verbesserte Wirkung entfalten können.In an advantageous embodiment, flow channels are formed by the structure of the catalyst support materials, which follow the outer shape of the exhaust gas catalysts (11, 12) with respect to the longitudinal alignment. For the purposes of the invention, this means that the flow channels are not aligned parallel to the axial alignment of the exhaust gas catalytic converters (11, 12). Rather, the flow channels that are formed follow the conical shape of the exhaust gas catalytic converters (11, 12), so that due to the geometric properties of the truncated cone of the conical pipe sections of the ejector (4), flow ducts that are at a large radial distance from the central axis of the truncated cone, which is aligned in the longitudinal direction, have a larger angle form between that center axis and its own center axis than those flow channels that have a smaller radial distance to said center axis of the truncated cone. In this way, the flow conditions of the exhaust gas mass flow within the ejector (4) are advantageously influenced, with the flow channels of the catalyst support materials rectifying the flow of the exhaust gas in the direction of the shape of the truncated cones. For a first exhaust gas catalytic converter (11), which is arranged in the inflow area (8) of the ejector (4), the driving and suction jets of the jet pump are first linearized and rectified by the shape of the flow channels in the direction of the mixing section, which affects the mode of operation of the nozzle (7) further strengthened and can thus have a positive influence on the efficiency of the jet pump. For a second exhaust gas catalytic converter (12), which is arranged in the diffuser area (10) of the ejector (4), the exhaust gas mass flow homogenized by the mixing section (9) is distributed evenly over the entry surface of the catalyst support material and leaves the outlet tread surface of the catalyst support material is correspondingly uniform, so that any subsequent further devices for exhaust gas aftertreatment can develop an improved effect.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien Strömungskanäle ausgebildet, welche der äußeren Formgestalt der Abgaskatalysatoren (11, 12) bezüglich der Querschnittsfläche folgen. Im Sinne der Erfindung bedeutet das, dass sich die Querschnittsfläche der Strömungskanäle des Katalysatorträgermaterials des ersten Abgaskatalysators (11) in Strömungsrichtung im Wesentlichen verjüngt und/oder wobei sich die Querschnittsfläche der Strömungskanäle der Struktur des Katalysatorträgermaterials des zweiten Abgaskatalysators (12) in Strömungsrichtung im Wesentlichen vergrößert. Auf diese Art und Weise wird die genannte Wirkungsweise der gerichteten Strömungskanäle weiter verstärkt. In einer alternativen Ausführungsform sind die Querschnittsflächen der einzelnen Strömungskanäle an der jeweiligen gleichen Position bezüglich der Längsausrichtung unterschiedlich. So kann weiter Einfluss auf die Strömungsbedingungen innerhalb der Abgaskatalysatoren (11, 12) genommen werden. Es können beispielsweise die Strömungskanäle des ersten Abgaskatalysators (11), welche nahe der Längsachse des Ejektors (4) angeordnet sind, kleinere Querschnittsflächen am Eintritt des Katalysatorträgermaterials aufweisen, als jene, die näher an der Innenwandung der Rohrleitung des Ejektors (4) liegen, sodass aufgrund der unterschiedlichen Strömungsquerschnittsflächen der Fluiddruck des Treibstrahls weiter gegenüber des Fluiddrucks des Saugstrahls erhöht wird, wodurch die Wirkungsweise der Strahlpumpe weiter verbessert werden kann. Alternativ kann jeder einzelne Strömungskanal einen zu wenigstens einem weiteren Strömungskanal des Katalysatorträgermaterials gleichen oder veränderlichen Querschnittsverlauf aufweisen, um auf diese Art und Weise Strömungsbedingungen des Abgasmassenstroms zu beeinflussen, insbesondere zur gezielten Druckerhöhung oder Entspannung. Entsprechende Ausprägungen der Struktur des Katalysatorträgermaterials können für den zweiten Abgaskatalysator (12) erfolgen.In an advantageous embodiment, flow channels are formed by the structure of the catalyst support materials, which follow the external shape of the exhaust gas catalysts (11, 12) with regard to the cross-sectional area. For the purposes of the invention, this means that the cross-sectional area of the flow channels of the catalyst support material of the first exhaust gas catalytic converter (11) essentially narrows in the flow direction and/or the cross-sectional area of the flow channels of the structure of the catalyst support material of the second exhaust gas catalytic converter (12) essentially increases in the flow direction . In this way, the stated mode of action of the directed flow channels is further enhanced. In an alternative embodiment, the cross-sectional areas of the individual flow channels are different at the same position with respect to the longitudinal orientation. In this way, the flow conditions within the exhaust gas catalytic converters (11, 12) can be further influenced. For example, the flow channels of the first exhaust gas catalytic converter (11), which are arranged near the longitudinal axis of the ejector (4), can have smaller cross-sectional areas at the inlet of the catalyst support material than those that are closer to the inner wall of the pipeline of the ejector (4), so that due to the different flow cross-sectional areas, the fluid pressure of the driving jet is further increased compared to the fluid pressure of the suction jet, as a result of which the mode of operation of the jet pump can be further improved. Alternatively, each individual flow channel can have a cross-sectional profile that is the same as or different from at least one other flow channel of the catalyst support material, in order in this way to influence flow conditions of the exhaust gas mass flow, in particular for targeted pressure increase or relaxation. Corresponding characteristics of the structure of the catalyst support material can be made for the second exhaust gas catalyst (12).
Ausführungsbeispieleexemplary embodiments
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der beschriebenen Ausführungsformen aufgezeigt. Diese dienen der prinzipiellen Veranschaulichung, wobei die erfindungsgemäße Abgasanlage (1) nicht durch die aufgezeigten Ausführungsbeispiele limitiert sein soll. Weitere Besonderheiten und Vorteile ergeben sich zusätzlich aus den unterstützenden Schaubildern, hierbei zeigen:
-
3 die Strömungsverhältnisse in einer Abgasanlage (1) mit einem ersten Abgaskatalysator (11) im Einströmbereich (8) des Ejektors (4), -
4 die Strömungsverhältnisse in einer Abgasanlage (1) mit einem zweiten Abgaskatalysator (12) im Diffusorbereich (10), -
5 die Strömungsverhältnisse in einer Abgasanlage (1) mit zwei integrierten Abgaskatalysatoren (11, 12).
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3 the flow conditions in an exhaust system (1) with a first exhaust gas catalytic converter (11) in the inflow area (8) of the ejector (4), -
4 the flow conditions in an exhaust system (1) with a second exhaust gas catalytic converter (12) in the diffuser area (10), -
5 the flow conditions in an exhaust system (1) with two integrated exhaust gas catalytic converters (11, 12).
In
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Querschnittsfläche der mittennahen Strömungskanäle, durch welche der Bypassstrom als Treibstrahl strömt, größer als jene der mittenfernen Strömungskanäle, durch welche der Turbinenstrom als Saugstrahl geführt wird. Auf diese Art und Weise wird der Treibstrahl mit anteilig weniger Strömungshindernissen konfrontiert und durch die zur Mittenachse weitgehend parallelen Strömungskanäle linearisiert und gleichgerichtet, wodurch die Düsenwirkung der Düse (7) weiter fortgesetzt wird. Entsprechend wird der Saugstrahl mit gegenüber dem Treibstrahl anteilig mehr Strömungshindernissen konfrontiert, wodurch die Enthalpie des Treibstrahls weiter reduziert wird. Demnach trägt eine solche Anordnung in vorteilhafter Art und Weise zu einer Erhöhung der Enthalpiedifferenz zwischen Treib- und Saugstrahl bei, wobei gleichzeitig Schadstoffemissionen im gesamten Abgasmassenstrom reduziert werden.In an advantageous embodiment, the cross-sectional area of the flow channels close to the center, through which the bypass flow flows as a driving jet, is larger than that of the flow channels farther away from the center, through which the turbine flow is guided as a suction jet. In this way, the driving jet is confronted with proportionally fewer flow obstacles and is linearized and rectified by the flow channels, which are largely parallel to the central axis, whereby the nozzle effect of the nozzle (7) is continued. Correspondingly, the suction jet is confronted with proportionately more flow obstacles than the propulsion jet, as a result of which the enthalpy of the propulsion jet is further reduced. Accordingly, such an arrangement advantageously contributes to an increase in the enthalpy difference between the propulsion jet and the suction jet, with pollutant emissions being reduced in the entire exhaust gas mass flow at the same time.
Im Anschluss an die Austrittsfläche des ersten Abgaskatalysators (11) erfolgt die Zusammenführung von Treib- und Saugstrahl, wobei der Abgasmassenstrom in genannter Art und Weise weitgehend bezüglich Enthalpie, Strömungsgeschwindigkeit und Fluiddruck homogenisiert, durch den Diffusorbereich (10) entspannt sowie in die weitere Abgasableitung geführt wird. Die alleinige Anordnung von einem ersten Abgaskatalysator (11) im Einströmbereich (8) des Ejektors (4) ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Erhöhung der Ejektorwirkung und somit des Wirkungsgrades des Abgasturboladers (2) und der Brennkraftmaschine gegenüber den Eigenschaften eines zweiten Abgaskatalysators (12) höher priorisiert werden oder wenn weiterer Bauraum gespart werden soll, wobei der Diffusorbereich (10) entsprechend in geringen Abmessungen ausgelegt ist, sodass die Anordnung eines weiteren Abgaskatalysators (12) die Gefahr eines ungünstigen Aufwand-zu-Nutzen-Verhältnisses birgt.Following the exit surface of the first exhaust gas catalytic converter (11), the motive and suction jets are combined, with the exhaust gas mass flow being largely homogenized in the manner mentioned in terms of enthalpy, flow velocity and fluid pressure, expanded through the diffuser area (10) and fed into the further exhaust gas discharge line becomes. The sole arrangement of a first exhaust gas catalytic converter (11) in the inflow area (8) of the ejector (4) is particularly advantageous when the increase in the ejector effect and thus the efficiency of the exhaust gas turbocharger (2) and the internal combustion engine compared to the properties of a second exhaust gas catalytic converter (12 ) are given higher priority or if further installation space is to be saved, with the diffuser area (10) being designed with correspondingly small dimensions, so that the arrangement of a further exhaust gas catalytic converter (12) carries the risk of an unfavorable cost-benefit ratio.
In
In
In der Gesamtheit betrachtet stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin einen modularen Einsatz bereit, wobei durch die Wirkungsweise des Ejektors (4) der Wirkungsgrad des Abgasturboladers (2) erhöht, durch die Anwendung eines ersten Abgaskatalysators (11) als Mehrwegekatalysator die Schadstoffe Stickstoffoxide (NOx), Kohlenstoffmonoxid (CO) sowie Kohlenwasserstoffe (HC) reduziert sowie durch die Anwendung eines zweiten Abgaskatalysators (12) als Partikelfilter die Rußpartikel im Abgasmassenstrom verringert werden können. Je nach Priorisierung kann das Verhältnis dieser Wirkungsweisen zueinander eingestellt werden. Liegt der Fokus auf Wirkungsgradvorteilen und der Reduzierung von Schadstoffen, kann das Volumen des zweiten Abgaskatalysators (12) verringert werden. Liegt der Fokus auf der Verringerung von Rußpartikeln und Wirkungsgradvorteilen, kann das Volumen des ersten Abgaskatalysators (11) verringert werden. Eine zusätzliche Ausgestaltung der Strömungskanäle der Katalysatorträgermaterialien, in genannter Art und Weise, erhöht die Kombinationsmöglichkeiten weiterhin, sodass eine anwendungsfallspezifische Anpassung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Art und Weise erfolgen kann.Viewed as a whole, the device according to the invention also provides a modular application, the efficiency of the exhaust gas turbocharger (2) being increased by the mode of operation of the ejector (4), the pollutants nitrogen oxides (NOx) being reduced by the use of a first exhaust gas catalytic converter (11) as a multi-way catalytic converter, Carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) can be reduced and the soot particles in the exhaust gas mass flow can be reduced by using a second exhaust gas catalytic converter (12) as a particle filter. Depending on the prioritization, the relationship between these modes of action can be adjusted. If the focus is on efficiency advantages and the reduction of pollutants, the volume of the second exhaust gas catalytic converter (12) can be reduced. If the focus is on reducing soot particles and improving efficiency, the volume of the first exhaust gas catalytic converter (11) can be reduced the. An additional configuration of the flow channels of the catalyst support materials, in the manner mentioned, further increases the possible combinations, so that an application-specific adaptation of the device according to the invention can take place in an advantageous manner.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Abgasanlageexhaust system
- 22
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- 33
- Umgehungsleitungbypass line
- 44
- Ejektorejector
- 55
- Turbinenaustrittturbine exit
- 66
- VentilValve
- 77
- Düsejet
- 88th
- Ejektoreinströmbereichejector inflow area
- 99
- Mischstreckemixing section
- 1010
- Diffusorbereichdiffuser area
- 1111
- erster Abgaskatalysatorfirst catalytic converter
- 1212
- zweiter Abgaskatalysatorsecond catalytic converter
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |