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DE102020129001B4 - Exhaust system with exhaust gas turbocharger, ejector and exhaust gas catalytic converter - Google Patents

Exhaust system with exhaust gas turbocharger, ejector and exhaust gas catalytic converter Download PDF

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DE102020129001B4
DE102020129001B4 DE102020129001.2A DE102020129001A DE102020129001B4 DE 102020129001 B4 DE102020129001 B4 DE 102020129001B4 DE 102020129001 A DE102020129001 A DE 102020129001A DE 102020129001 B4 DE102020129001 B4 DE 102020129001B4
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ejector
catalytic converter
gas catalytic
flow
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Michael Günther
Mathias Vogt
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Original Assignee
IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
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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 DE3048933A1 ist ein Regelventil für einen Abgasturbolader offenbart, wobei das Regelventil innerhalb der Umgehungsleitung angeordnet ist und einen kegelförmigen Düsenkörper umfasst, der den Austritt der Umgehungsleitung in die gemeinsame Abgasableitung vollständig oder teilweise öffnet oder verschließt. Der Austritt der Umgehungsleitung ist weitgehend mittig in sowie koaxial zum weiteren Verlauf der Abgasableitung angeordnet, sodass der Austritt der Umgehungsleitung den Treibstrahl und der Austritt der Turbine den Saugstrahl einer Strahlpumpe bildet. Die stromabwärts des Düsenkörpers angeordnete Abgasableitung umfasst weiterhin eine Mischstrecke sowie einen Diffusor, sodass die gesamte Anordnung einen Ejektor ausbildet.In the disclosure document DE3048933A1 discloses a control valve for an exhaust gas turbocharger, the control valve being arranged within the bypass line and comprising a conical nozzle body which completely or partially opens or closes the outlet of the bypass line into the common exhaust gas discharge line. The outlet of the bypass line is arranged largely in the middle and coaxially to the further course of the exhaust gas discharge line, so that the outlet of the bypass line forms the driving jet and the outlet of the turbine forms the suction jet of a jet pump. The exhaust gas discharge line arranged downstream of the nozzle body also includes a mixing section and a diffuser, so that the entire arrangement forms an ejector.

In der Offenlegungsschrift DE102018129130A1 ist eine ebensolche Turbinensteuereinrichtung offenbart, wobei um die Mischstrecke sowie den Diffusor ein Ringkatalysator angeordnet ist, um Bauraum zu sparen sowie den Abgaskatalysator nahe der Brennkraftmaschine zu platzieren.In the disclosure document DE102018129130A1 such a turbine control device is disclosed, with a ring catalytic converter being arranged around the mixing section and the diffuser in order to save installation space and to place the exhaust gas catalytic converter close to the internal combustion engine.

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 DE102018129130A1 weitere Ansätze, wobei insbesondere der strukturelle Aufbau des Katalysatorträgers angepasst wird. Durch die Offenlegungsschriften JP H03- 169 348 A , KR2019970040536U , DE10224436A1 , DE102012220172A1 sowie US20140178260A1 sind Katalysatorträger in konischer Bauweise bekannt, um eine homogene Aufteilung des Abgasmassenstromes auf das Katalysatorträgermaterial, eine erweiterte Ausnutzung des Bauraums bei Rohrleitungsübergängen zwischen dem Katalysatormantel und dessen Eintritt und Austritt sowie eine Verbesserung der Light-Off-Temperatur zu erreichen.In order to meet this requirement, in addition to the arrangement of exhaust gas catalytic converters in a ring design, there are also existing in the prior art DE102018129130A1 further approaches, in which in particular the structural design of the catalyst support is adapted. Through the disclosures JP H03- 169 348 A , KR2019970040536U , DE10224436A1 , DE102012220172A1 such as US20140178260A1 Catalyst carriers with a conical design are known in order to achieve a homogeneous distribution of the exhaust gas mass flow on the catalyst carrier material, an extended utilization of the installation space in pipe transitions between the catalyst jacket and its inlet and outlet and an improvement in the light-off temperature.

Aus den Offenlegungsschriften JP S61- 4 813 A und US20080190081A1 , sowie aus der Patentschrift DE102016002517B3 sind Monolithen von Partikelfiltern in zumindest teilweise konischer Bauweise bekannt, wobei durch den konischen Aufbau, in Kombination mit angepassten Strömungskanälen, die strukturmechanische Belastung des Monolithen, eine Verringerung der Scherkräfte hervorgerufen durch den Abgasmassenstrom, sowie eine verbesserte Abgasnachbehandlung, durch veränderte Strömungsbedingungen, erreicht werden sollen. Die genannten Ansätze umfassen Vorrichtungen, die jedoch konventionell in der üblichen Reihenfolge von Abgasableitungen, also stromabwärts des Abgasturboladers angeordnet werden, sodass der zusätzliche Einsatz eines genannten Ejektors weiterhin die Nachteile der entfernten Positionierung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen birgt.From the disclosure documents JP S61-4 813 A and US20080190081A1 , as well as from the patent specification DE102016002517B3 Monoliths of particulate filters are known in at least partially conical design, whereby the conical structure, in combination with adapted flow channels, the structural mechanical load on the monolith, a reduction in shear forces caused by the exhaust gas mass flow, and improved exhaust gas aftertreatment, achieved through changed flow conditions should be. The approaches mentioned include devices that are conventionally arranged in the usual sequence of exhaust gas discharges, i.e. downstream of the exhaust gas turbocharger, so that the additional use of an ejector mentioned still has the disadvantages of remote positioning of exhaust gas aftertreatment devices.

Ferner ist aus der Gebrauchsmusterschrift DE 295 15 054 U1 ein Abgaskatalysator mit Nebenluftansaugung nach dem Venturi-Prinzip bekannt, wobei Abgas vor und nach der VenturiDüse jeweils mindestens eine katalytische Oberfläche passiert und der durch die Abgasströmung entstehende Unterdruck dazu genutzt wird, um Luft in den Abgasstrom einzubringen.Furthermore, from the utility model specification DE 295 15 054 U1 an exhaust gas catalytic converter with secondary air intake according to the Venturi principle is known, with exhaust gas passing at least one catalytic surface before and after the Venturi nozzle and the negative pressure resulting from the exhaust gas flow being used to introduce air into the exhaust gas flow.

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 claim 1, characterized in that at least one exhaust gas catalytic converter is arranged within at least one conical pipe section of the ejector. Further embodiments result from the dependent subclaims.

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.
The intention of the invention is to utilize the installation space around an internal combustion engine that is additionally required by the use of an ejector downstream of an exhaust gas turbocharger, with at least one exhaust gas catalytic converter being integrated into the exhaust gas system according to the invention. By arranging an exhaust gas catalytic converter within the ejector, the catalytic converter support material is advantageously arranged closer to the internal combustion engine, so that it can effectively utilize the waste heat of the exhaust gas mass flow generated during operation of the internal combustion engine. Due to the small pipe diameter of the ejector exhaust pipe, in order to implement the principle of the jet pump, the exhaust gas catalytic converter is also of smaller dimensions than conventional main catalytic converters and can be used as a pre-catalytic converter. Due to the small dimensions of the pre-catalyst, the catalyst support material according to the invention advantageously reaches the light-off temperature more quickly, even when the internal combustion engine is operated under partial load. If a flow-optimized structure is added to the catalyst support material, for example by means of directed flow channels, the flow through the ejector can be rectified, which has a positive effect on the mode of operation of the jet pump. By using the exhaust system according to the invention with exhaust gas catalysts integrated in an ejector, the efficiency of the internal combustion engine is effectively increased and at the same time the emitted exhaust gas emissions are effectively reduced. For a better understanding and to support the description, reference is made to the following illustrations. Here show:
  • 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 1 umfasst ein aus dem Stand der Technik bekannte Abgasanlage (1) einen Abgasturbolader (2) sowie einen Ejektor (4), der stromabwärts des Turbinenaustritts (5) des Abgasturboladers (2) angeordnet ist. Koaxial zum Ejektor (4) und zum Turbinenaustritt (5) ist der Austritt einer Umgehungsleitung (3) angeordnet, die den Bypassstrom zum Abgasturbolader (2) führt. Die Umgehungsleitung (3) kann an einer beliebigen Position stromaufwärts des Abgasturboladers (2) beginnen, sodass auf diese Art und Weise ein konventioneller Bypass dargestellt wird. Der Bypassstrom kann über ein Ventil (6) geregelt werden. Zur Verbesserung der Strömungsbedingungen der Strahlpumpe kann der Austritt der Umgehungsleitung (3) als eine Düseneinheit ausgestaltet sein, umfassend eine Düse (7) und ein zur äußeren Formgestalt der Düse (7) abgestimmtes Ventil (6). Das Ventil (6) kann eingerichtet sein, um die Düse (7) vollständig oder anteilig zu öffnen oder zu schließen.Referring to 1 comprises an exhaust system (1) known from the prior art, an exhaust gas turbocharger (2) and an ejector (4) which is arranged downstream of the turbine outlet (5) of the exhaust gas turbocharger (2). The outlet of a bypass line (3) is arranged coaxially to the ejector (4) and the turbine outlet (5), which leads the bypass flow to the exhaust gas turbocharger (2). The bypass line (3) can begin at any position upstream of the exhaust gas turbocharger (2), so that a conventional bypass is represented in this way. The bypass flow can be controlled via a valve (6). To improve the flow conditions of the jet pump, the outlet of the bypass line (3) can be designed as a nozzle unit, comprising a nozzle (7) and a valve (6) matched to the outer shape of the nozzle (7). The valve (6) can be set up to fully or partially open or close the nozzle (7).

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 2 wird eine genannte und beschriebene Abgasanlage (1) in vorteilhafter Art und Weise um wenigstens einen Abgaskatalysator (11, 12) erweitert. Die zusätzlichen Abgaskatalysatoren (11, 12) werden hierbei innerhalb der Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4), insbesondere des Einströmbereiches (8) und/oder des Diffusorbereiches (10) angeordnet. Durch die Anordnung von Abgaskatalysatoren (11, 12) innerhalb des Ejektors (4) soll der durch diesen versperrte Bauraum in vorteilhafter Art und Weise ausgenutzt werden. Aufgrund der funktionsbedingt erforderlichen Mindestlängsabmessung des erfindungsgemäßen Ejektors (4) können Abgasnachbehandlungssysteme lediglich in einem vergrößerten Abstand zur Brennkraftmaschine angeordnet werden, was die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile birgt. Die erfindungsgemäße Anordnung von Abgaskatalysatoren (11, 12) innerhalb des Ejektors verringert den Abstand jener zum Abgasturbolader (2) und zur Brennkraftmaschine, sodass in vorteilhafter Art und Weise Abgase, welche diese durchströmen, eine höhere Temperatur aufweisen, sowie, dass die Abgaskatalysatoren (11, 12) selbst durch die Abwärme der Brennkraftmaschine besser erwärmt werden. Aufgrund der im Verhältnis zu konventionellen Abgaskatalysatoren geringeren geometrischen Abmessungen der erfindungsgemäß zusätzlich angeordneten Abgaskatalysatoren (11, 12), hervorgerufen durch die verjüngende, kegelstumpfförmige Gestalt sowie die geringen Durchmesser der Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4), erreichen diese ihre Light-Off-Temperatur in einer geringeren Zeit. Dies ist insbesondere dadurch vorteilhaft, da im Kraftfahrzeugbereich Brennkraftmaschinen, insbesondere im Teillastbetrieb und aufgrund der fortschrittlichen Brennverfahren, immer niedrigere Abgastemperaturen erzeugen, sodass die vollständige Umsetzung der Schadstoffanteile erheblich erschwert wird.Referring to 2 an exhaust gas system (1) mentioned and described is expanded in an advantageous manner by at least one exhaust gas catalytic converter (11, 12). The additional exhaust gas catalytic converters (11, 12) are arranged within the pipe sections of the ejector (4), in particular the inflow area (8) and/or the diffuser area (10). By arranging the exhaust gas catalytic converters (11, 12) within the ejector (4), the installation space blocked by this is to be used in an advantageous manner. Due to the functionally required minimum longitudinal dimensions of the ejector (4) according to the invention, exhaust gas aftertreatment systems can only be arranged at an increased distance from the internal combustion engine, which entails the disadvantages described in the prior art. The arrangement of exhaust gas catalytic converters (11, 12) within the ejector according to the invention reduces the distance between them and the exhaust gas turbocharger (2) and the internal combustion engine, so that exhaust gases which flow through them have a higher temperature in an advantageous manner, and the exhaust gas catalytic converters (11 , 12) are better heated even by the waste heat of the internal combustion engine. Due to the lower geometric dimensions of the exhaust gas catalysts (11, 12) additionally arranged according to the invention in relation to conventional exhaust gas catalysts, caused by the tapering, truncated cone shape and the small diameter of the pipe sections of the ejector (4), they reach their light-off temperature in a less time. This is particularly advantageous because in the motor vehicle sector, internal combustion engines, especially in partial load operation and due to the advanced combustion process, generate ever lower exhaust gas temperatures, so that the complete conversion of the pollutant fractions is made considerably more difficult.

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).
Exemplary embodiments of the described embodiments are shown below. These serve to illustrate the principle, the exhaust system (1) according to the invention not being limited by the exemplary embodiments shown. Further special features and advantages result from the supporting diagrams, which show:
  • 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 3 ist ein erster Abgaskatalysator (11) innerhalb des Einströmbereichs (8) des Ejektors (4) angeordnet, wobei dieser mit seiner Eintrittsfläche mit einem geringen Abstand unmittelbar stromabwärts der Düse (7) des Austritts der Umgehungsleitung (3) beginnt und mit einem geringen Abstand unmittelbar vor dem Beginn der Mischstrecke (9) endet. Die Eintrittsfläche des ersten Abgaskatalysators (11) sollte vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Düse (7) platziert werden, sodass sich Treib- und Saugstrahl nicht bereits stromaufwärts von genannter Eintrittsfläche wesentlich vermischen. Der Bypassstrom (dicke Strömungspfeile) strömt mit gegenüber dem Turbinenstrom (dünne Strömungspfeile) erhöhter Enthalpie und Fluiddruck aus der Düse (7) und trifft auf Strömungskanäle des Katalysatorträgermaterials, die sich in radialer Nähe zur Mittenachse des Ejektors befinden und somit noch weitgehend coaxial oder parallel zur genannten Achse verlaufen. Der Turbinenstrom wird dem Ejektor in radialer Nähe zum Innendurchmesser der Rohrleitungen des Turbinenaustritts (5) sowie des Einströmbereichs (8) des Ejektors (4) zugeführt und trifft entsprechend auf Strömungskanäle des Katalysatorträgermaterials, die sich in einem größeren radialen Abstand zur Mittenachse des Ejektors befinden.In 3 a first exhaust gas catalytic converter (11) is arranged within the inflow area (8) of the ejector (4), this starting with its entry surface at a small distance immediately downstream of the nozzle (7) of the outlet of the bypass line (3) and at a small distance immediately ends before the beginning of the mixing section (9). The entry surface of the first exhaust gas catalytic converter (11) should preferably be placed in the immediate vicinity of the nozzle (7), so that the propulsion and suction jets do not already mix significantly upstream of said entry surface. The bypass flow (thick flow arrows) flows out of the nozzle (7) with increased enthalpy and fluid pressure compared to the turbine flow (thin flow arrows) and meets the flow channels of the catalyst support material, which are located in radial proximity to the central axis of the ejector and are therefore still largely coaxial or parallel to the mentioned axis run. The turbine flow is fed to the ejector in radial proximity to the inner diameter of the pipelines of the turbine outlet (5) and the inflow area (8) of the ejector (4) and accordingly meets the flow channels of the catalyst support material, which are located at a greater radial distance from the central axis of the ejector.

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 4 ist ein zweiter Abgaskatalysator (12) einzeln innerhalb des Diffusorbereichs (10) des Ejektors (4) angeordnet, wobei dieser mit seiner Eintrittsfläche mit einem geringen Abstand unmittelbar nach dem Ende der Mischstrecke (9) beginnt und mit einem geringen Abstand unmittelbar vor dem Ende des Diffusorbereichs (10) endet. Ein einzelner Abgaskatalysator (12), der im Diffusorbereich (10) des Ejektors (4) angeordnet ist, ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die schadstoffreduzierende Wirkungsweise des zweiten Abgaskatalysators (12) gegenüber der gesteigerten Ejektorwirkung priorisiert wird. Ist der zweite Abgaskatalysator (12) als ein Partikelfilter ausgelegt, so stellt dieser aufgrund seiner bekannten Struktur des Katalysatorträgermaterials und seiner Funktionsprinzipien ein Strömungshindernis dar und eignet sich nicht, um die Wirkungsweise einer Düse (7) oder einer Strahlpumpe fortzusetzen. Entsprechend wird dieser dann im Diffusorbereich (10) angeordnet, wobei der Einströmbereich (8) und die Mischstrecke (9) in ihren Längsabmessungen reduziert werden können, sodass die Wirkungsweise des Ejektors zwar vermindert, jedoch weiterhin vorhanden ist sowie der als Partikelfilter ausgestaltete zweite Abgaskatalysator (12) effektiv den Anteil an Rußpartikeln aus dem Abgasmassenstrom verringern kann. Die Anordnung eines als Partikelfilter ausgestalteten zweiten Abgaskatalysators (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) des Ejektors (4) ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil der durch die Wirkungsweise der Mischstrecke (9) weitgehend homogenisierte Abgasmassenstrom gleichmäßig auf die verkleinerte Eintrittsquerschnittsfläche trifft, hervorgerufen durch die in Strömungsrichtung betrachtet umgekehrte kegelstumpfförmige Gestalt des Katalysatorträgermaterials. Dieser Effekt kann weiter verstärkt werden, wenn die Eintrittsquerschnittsflächen der Strömungskanäle des Katalysatorträgermaterials gleich groß sowie gleichverteilt sind, bezogen auf die Eintrittsquerschnittsfläche. Erfindungsgemäß vorteilhaft können die Querschnittsverläufe der Strömungskanäle mit dem in Strömungsrichtung fortschreitend sich vergrößernden Rohrleitungsdurchmesser des Diffusorbereichs (10) korrelieren und sich ebenfalls zu gleichen Teilen ausweiten, sodass der homogenisierte Abgasmassenstrom gleichmäßig expandiert und entsprechend auf einen größtmöglichen Anteil der Oberfläche des Katalysatorträgermaterials verteilt wird, um Rußpartikel effektiv zu reduzieren.In 4 a second exhaust gas catalytic converter (12) is arranged individually within the diffuser area (10) of the ejector (4), this beginning with its entry surface at a small distance immediately after the end of the mixing section (9) and at a small distance immediately before the end of the Diffuser area (10) ends. A single exhaust gas catalytic converter (12), which is arranged in the diffuser area (10) of the ejector (4), is particularly advantageous if the pollutant-reducing effect of the second exhaust gas catalytic converter (12) is prioritized over the increased ejector effect. If the second exhaust gas catalytic converter (12) is designed as a particle filter, it represents a flow obstacle due to the known structure of the catalytic converter support material and its functional principles and is not suitable for continuing the function of a nozzle (7) or a jet pump. Accordingly, this is then arranged in the diffuser area (10), with the inflow area (8) and the mixing section (9) being able to be reduced in their longitudinal dimensions, so that the effectiveness of the ejector is reduced, but is still present, as well as the second exhaust gas catalytic converter ( 12) can effectively reduce the proportion of soot particles from the exhaust gas mass flow. The arrangement of a second exhaust gas catalytic converter (12) configured as a particle filter within the diffuser area (10) of the ejector (4) is particularly advantageous because the exhaust gas mass flow, which has been largely homogenized by the mode of operation of the mixing section (9), evenly hits the reduced entry cross-sectional area, caused by the inverse frusto-conical shape of the catalyst support material when viewed in the direction of flow. This effect can be further intensified if the entry cross-sectional areas of the flow channels of the catalyst support material are of the same size and evenly distributed, based on the entry cross-sectional area. Advantageously according to the invention, the cross-sectional courses of the flow channels can correlate with the pipe diameter of the diffuser area (10), which progressively increases in the direction of flow, and also expand in equal parts, so that the homogenized exhaust gas mass flow expands evenly and is correspondingly distributed over the largest possible proportion of the surface of the catalyst support material in order to avoid soot particles to reduce effectively.

In 5 ist eine Kombination aus den Ausführungsbeispielen von 3 und 4 dargestellt, wobei ein erster Abgaskatalysator (11) innerhalb des Einströmbereichs (8) des Ejektors (4) angeordnet ist, wobei dieser mit seiner Eintrittsfläche mit einem geringen Abstand unmittelbar stromabwärts der Düse (7) des Austritts der Umgehungsleitung (3) beginnt und mit einem geringen Abstand unmittelbar vor dem Beginn der Mischstrecke (9) endet und ein zweiter Abgaskatalysator (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) des Ejektors (4) angeordnet ist, wobei dieser mit seiner Eintrittsfläche mit einem geringen Abstand unmittelbar nach dem Ende der Mischstrecke (9) beginnt und mit einem geringen Abstand unmittelbar vor dem Ende des Diffusorbereichs (10) endet. Diese kombinierte Anordnung vereint die Vorteile der beiden genannten Einzelanordnungen. Zwar stellen beide Abgaskatalysatoren (11, 12) für sich genommen Strömungshindernisse dar, welche einen negativen Einfluss auf die Ejektorwirkungsweise als solche betrachtet haben können, jedoch werden insbesondere durch die Ausgestaltung von unterschiedlichen Katalysatorträgermaterialien die wichtigsten Schadstoffe und Rußpartikel, zusätzlich zur Wirkungsgradverbesserung des Abgasturboladers (2) sowie der Brennkraftmaschine, reduziert.In 5 is a combination of the embodiments of FIG 3 and 4 shown, wherein a first exhaust gas catalytic converter (11) is arranged within the inflow area (8) of the ejector (4), this starting with its entry surface at a small distance immediately downstream of the nozzle (7) of the outlet of the bypass line (3) and with a ends a short distance immediately before the start of the mixing section (9) and a second exhaust gas catalytic converter (12) is arranged within the diffuser area (10) of the ejector (4), with its entry surface at a short distance immediately after the end of the mixing section (9 ) and ends a short distance immediately before the end of the diffuser area (10). This combined arrangement combines the advantages of the two individual arrangements mentioned. Although both exhaust gas catalytic converters (11, 12) in themselves represent flow obstacles, which can have a negative impact on the ejector's mode of operation as such, the most important pollutants and soot particles are, in particular due to the design of different catalyst carrier materials, in addition to improving the efficiency of the exhaust gas turbocharger (2nd ) and the internal combustion engine.

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

Claims (7)

Abgasanlage (1) umfassend einen Abgasturbolader (2), wenigstens eine Umgehungsleitung (3), einen Ejektor (4) sowie wenigstens einen Abgaskatalysator (11, 12), wobei die Umgehungsleitung (3) stromabwärts des Abgasturboladers (2) endet und der Ejektor (4) stromabwärts des Abgasturboladers (2) unmittelbar an einen Turbinenaustritt (5) anschließend sowie der Austritt der Umgehungsleitung (3) innerhalb und koaxial zum Turbinenaustritt (5) angeordnet ist, wobei der Austritt der Umgehungsleitung (3) durch ein Ventil (6) verschließbar ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ejektor (4) 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, umfasst, wobei wenigstens ein Abgaskatalysator (11, 12) innerhalb mindestens eines konisch ausgebildeten Rohrleitungsabschnitts angeordnet ist.Exhaust system (1) comprising an exhaust gas turbocharger (2), at least one bypass line (3), an ejector (4) and at least one exhaust gas catalytic converter (11, 12), the bypass line (3) ending downstream of the exhaust gas turbocharger (2) and the ejector ( 4) downstream of the exhaust gas turbocharger (2) immediately adjacent to a turbine outlet (5) and the outlet of the bypass line (3) is arranged inside and coaxially with the turbine outlet (5), the outlet of the bypass line (3) being closable by a valve (6). is characterized in that the ejector (4) has an ejector inflow area (8), which is immediately downstream of the turbine outlet (5) and forms a conically tapering 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, wherein at least one exhaust gas catalytic converter (11, 12) is arranged within at least one conical pipeline section. Abgasanalge (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den konisch ausgebildeten Rohrleitungsabschnitten des Ejektors (4) ein erster Abgaskatalysator (11) innerhalb des Ejektoreinströmbereichs (8) und/oder ein zweiter Abgaskatalysator (12) innerhalb des Diffusorbereichs (10) angeordnet ist, wobei die Katalysatorträgermaterialien der beiden Abgaskatalysatoren (11, 12) unterschiedlich sind.Exhaust system (1) after claim 1 , characterized in that 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) in the conical pipe sections of the ejector (4), the catalytic converter support materials of the two Exhaust catalysts (11, 12) are different. Abgasanlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorträgermaterial des ersten Abgaskatalysators (11) einen Mehrwegeabgaskatalysator und dass das Katalysatorträgermaterial des zweiten Abgaskatalysators (12) einen Partikelfilter ausbildet.Exhaust system (1) after claim 2 , characterized in that the catalyst support material of the first exhaust gas catalytic converter (11) forms a multi-way exhaust gas catalytic converter and that the catalyst support material of the second exhaust gas catalytic converter (12) forms a particle filter. Abgasanlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorträgermaterial von wenigstens einem Abgaskatalysator (11, 12), der innerhalb eines konischen Rohrleitungsabschnitts des Ejektors (4) angeordnet ist, eine konische Gestalt aufweist.Exhaust system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the catalyst carrier material of at least one exhaust gas catalyst (11, 12) which is arranged within a conical pipe section of the ejector (4) has a conical shape. Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien der Abgaskatalysatoren (11, 12) Strömungskanäle ausgebildet werden, wobei die Ausrichtung der Strömungskanäle der Formgestalt der konischen Rohrleitungsabschnitte des Ejektors (4) folgen, in denen die Abgaskatalysatoren (11, 12) angeordnet sind, sodass die Längsachse von Strömungskanälen, die einen größeren radialen Abstand zur Längsachse des Ejektors (4) innehaben, einen größeren Winkel zwischen ihrer Längsachse und jener des Ejektors (4) ausbilden, als jene Längsachsen von Strömungskanälen, die einen geringeren radialen Abstand zur Längsachse des Ejektors (4) innehaben.Exhaust system (1) according to one of claims 2 , 3 or 4 , characterized in that flow channels are formed by the structure of the catalyst support materials of the exhaust gas catalysts (11, 12), the alignment of the flow channels following the shape of the conical pipe sections of the ejector (4), in which the exhaust gas catalysts (11, 12) are arranged, so that the longitudinal axis of flow channels that have a larger radial distance to the longitudinal axis of the ejector (4) form a larger angle between their longitudinal axis and that of the ejector (4) than those longitudinal axes of flow channels that have a smaller radial distance to the longitudinal axis of the ejector (4) hold. Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien der Abgaskatalysatoren (11, 12) Strömungskanäle ausgebildet werden, wobei die einzelnen Strömungskanäle zu wenigstens einem weiteren Strömungskanal den gleichen oder unterschiedlichen Querschnittsflächenverlauf aufweisen.Exhaust system (1) according to one of claims 2 until 5 , characterized in that flow channels are formed by the structure of the catalyst support materials of the exhaust gas catalysts (11, 12), the individual flow channels to at least one further flow channel having the same or different cross-sectional areas. Abgasanlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Struktur der Katalysatorträgermaterialien der Abgaskatalysatoren (11, 12) Strömungskanäle ausgebildet werden, wobei sich die Querschnittsfläche der Strömungskanäle der Struktur 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.Exhaust system (1) after claim 6 , characterized in that flow channels are formed through the structure of the catalyst support materials of the exhaust gas catalytic converters (11, 12), the cross-sectional area of the flow channels of the structure of the catalyst support material of the first exhaust gas catalytic converter (11) tapering in the direction of flow and/or the cross-sectional area of the Flow channels of the structure of the catalyst support material of the second exhaust gas catalyst (12) enlarged in the direction of flow substantially.
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