DE3821832C1 - Exhaust system for a piston internal combustion engine - Google Patents

Exhaust system for a piston internal combustion engine

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Abstract

In this operating process a mixture of ammonia and carrier gas is injected under pressure at an advantageous point by way of a feed device into an exhaust gas flow of a supercharged internal combustion engine. This leads to an NOx reaction of the exhaust gases.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage für eine Kolben-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an exhaust system for a piston internal combustion engine according to the preamble of Claim 1.

Aus dem JP-Abstract 58-59 307 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboaufladung bekannt, bei der im Abgasstrom stromab der Brennkraft­ maschine etwa im Bereich seiner höchsten Gastemperatur eine Entstickungsvorrichtung angeordnet ist und die stickoxidreduzierten Abgase dem Turbolader zugeleitet werden. Aus der DE-OS 36 15 021 ist ferner ein Verfah­ ren zur Entstickung von Abgasen einer Kolben-Brenn­ kraftmaschine bekannt, bei dem unter Druck Ammoniak (NH₃) zur Reduzierung von Stickoxid in das Abgas eingedüst wird. Weiterhin ist aus der Zeitschrift Chem.-Ing.-Techn. 58 (1986) Nr. 8, S. 617-623 bekannt, zur Eindüsung von Ammoniak in das Abgas Frischluft zu verwenden.JP-Abstract 58-59 307 is a generic one Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger known, in the exhaust gas stream downstream of the internal combustion machine around its highest gas temperature a denitrification device is arranged and the Exhaust gases reduced in nitrogen oxide are fed to the turbocharger will. A process is also known from DE-OS 36 15 021 Ren for the denitrification of exhaust gases from a piston burner Engine known in which ammonia under pressure (NH₃) to reduce nitrogen oxide in the exhaust gas is injected. Furthermore, from the magazine Chem.-Ing.-Techn. 58 (1986) No. 8, pp. 617-623 known, fresh air to inject ammonia into the exhaust gas use.

Aufgabe der Erfindung ist es, für eine gattungsgemäße Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit Turboaufladung eine Ausbildung zu schaffen, mit der die Stickoxide am Abgasaustritt verminderbar sind, wobei ein funktionssicherer Betrieb ermöglicht und mit einem geringen zusätzlichen Bauaufwand eine relativ hohe Entstickungsrate im Abgas gewährleistet wird.The object of the invention is for a generic Exhaust system of an internal combustion engine with turbocharging to create a training with which the nitrogen oxides on Exhaust gas outlet are reducible, being a reliable operation enables and with one low additional construction costs a relatively high Denitrification rate in the exhaust gas is guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale beinhalten die Unteransprüche.This object is achieved by the kenn Drawing features of claim 1 solved. Further advantageous features include the subclaims.

Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile bestehen darin, daß durch das Einspritzelement im Zusammenspiel mit dem Steuerschieber eine relativ hohe NO x -Reduktion der Motorabgase erreicht wird und auf einen nachgeschalteten Katalysator verzichtet werden kann. Diese NO x -Reduktion wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß eine Vermischung der Vergasung des NH₃ in einem Trägergas erfolgt, das wiederum an einer gün­ stigen Stelle des Abgasleitungssystems den Motorabgasen durch Verschieben des Steuerschiebers zugemischt wird.The main advantages achieved by the invention are that a relatively high NO x reduction of the engine exhaust gases is achieved by the injection element in interaction with the control slide and a downstream catalytic converter can be dispensed with. This NO x reduction is essentially achieved by mixing the gasification of the NH₃ in a carrier gas, which in turn is admixed to the engine exhaust gases by moving the spool valve at a position in the exhaust gas system.

Die Anordnung der im wesentlichen aus dem Einspritz­ element und dem Steuerschieber bestehende Zuführein­ richtung ist derart angeordnet, daß durch ein axiales Verschieben des Steuerschiebers, die günstigste Reak­ tionsstellung des Düsenkopfes im Mündungsbereich des Konverters der Abgasrohre ermittelbar ist. Auch kann das Einspritzelement verschoben werden, so daß die Düse dieses Elements eine veränderte Stellung zur Drall­ platte einnehmen kann. Das Trägergas sowie die Druck­ luft können durch eine elektronische Steuerung dem Einspritzelement entsprechend den Anforderungen über Ventile zugeführt werden. Zum Einbringen des Ammoniaks ist eine Förderpumpe vorgesehen, die das flüssige Ammoniak mit Druck in das Einspritzelement fördert und mit Druckluft in die Mischkammer befördert.The arrangement of the essentially from the injection element and the control slide existing feeder direction is arranged such that by an axial Moving the spool, the cheapest reak position of the nozzle head in the mouth area of the Converter of the exhaust pipes can be determined. Can too the injector are moved so that the nozzle this element a changed position to swirl plate can take. The carrier gas as well as the pressure air can be controlled by an electronic control Injection element according to the requirements Valves are fed. For introducing the ammonia a feed pump is provided, which the liquid  Promotes ammonia with pressure in the injection element and conveyed into the mixing chamber with compressed air.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is in the Drawing shown and is closer below described. It shows

Fig. 1 ein Funktionsschema eines kombinierten Arbeitsverfahrens über eine Aufladung einer Brennkraftmaschine bei gleichzeiti­ ger Ammoniakzuführung, Fig. 1 is a functional diagram of a combined work process via a supercharging of an internal combustion engine at gleichzeiti ger ammonia feed,

Fig. 2 Einen Längsschnitt nach der Linie II-II der Fig. 3 durch ein Abgasleitungssystem mit einer Zuführeinrichtung, Fig. 2 is a longitudinal section along the line II-II of Fig. 3, through an exhaust pipe system with a feed

Fig. 3 ein Abgasleitungssystem im Querschnitt. Fig. 3 shows an exhaust pipe system in cross section.

Eine Brennkraftmaschine 1 wird über einen Ladeluft­ kühler 2 mit Ladeluft höheren Druckes gegenüber der Atmosphäre über eine Ladeluftleitung 3 von einem Verdichter 4 eines Abgasturboladers 5 versorgt. Der Verdichter 4 wird durch eine Abgasturbine 6 ange­ trieben, die vom Abgasstrom 7 des Abgassystems 8 beaufschlagt wird.An internal combustion engine 1 is supplied via a charge air cooler 2 with charge air of higher pressure than the atmosphere via a charge air line 3 from a compressor 4 of an exhaust gas turbocharger 5 . The compressor 4 is driven by an exhaust gas turbine 6 , which is acted upon by the exhaust gas flow 7 of the exhaust system 8 .

Wie Fig. 2 insbesondere in Verbindung mit Fig. 3 näher zeigt, vereinigen sich die Rohre 9, 10, 11 und 12 des Abgasleitungssystems 8 in einem Konverter 14, der an das Gasaustrittsgehäuse 13 anschließt. Zentrisch der Rohre 9 bis 12 ist, wie Fig. 1 näher zeigt, eine Zuführeinrichtung 16, bestehend aus einem Einspritzele­ ment 15, einem Steuerschieber 34 und einem Draller­ zeuger als Drallscheibe 29 angeordnet und über einen Führungszylinder 33 gehalten.As shown in FIG. 2 in particular in connection with FIG. 3 in more detail, the tubes 9, 10, 11 and 12 of the exhaust passage system 8 in a converter 14, which connects to the gas outlet housing 13 combine. Centrally, the tubes 9 to 12 , as shown in FIG. 1, a feed device 16 , consisting of an injection element 15 , a control slide 34 and a swirl generator as a swirl disk 29 are arranged and held by a guide cylinder 33 .

Im Abgasstrom 7 der Brennkraftmaschine 1, etwa im Bereich seiner höchsten Gastemperatur, wird dem Abgas vom Einspritzelement 15 über den Steuerschieber 16 ein Gemisch aus Ammoniak (NH₃) und einem Trägergas (TG) unter Druck zugeführt. Für die Druckerzeugung kann ein Kompressor (32) herangezogen werden. Durch die Reaktion des Ammoniakgases mit dem Abgas werden die Abgase entsprechend den Vorgaben, wie beispielsweise Druck, Temperatur und anderen Parametern reduziert, d. h. die Stickoxidanteile im Abgas werden abgesenkt.In the exhaust gas stream 7 of the internal combustion engine 1 , approximately in the region of its highest gas temperature, the exhaust gas from the injection element 15 via the control slide 16 is supplied with a mixture of ammonia (NH₃) and a carrier gas (TG) under pressure. A compressor ( 32 ) can be used to generate the pressure. Through the reaction of the ammonia gas with the exhaust gas, the exhaust gases are reduced in accordance with the specifications, such as pressure, temperature and other parameters, ie the nitrogen oxide content in the exhaust gas is reduced.

Das Einspritzelement 15 ist koaxial zum anschließenden Steuerschieber 16 angeordnet und umfaßt endseitig eine Düse 17 und ist mit Verbindungsleitung 18, 19 und 20 mit jeweils einem Ventil 21, 22 und 23 versehen. Das Ventil 21 steuert die Trägergaszufuhr, das Ventil 22 die Luftzufuhr und das Ventil 23 die Ammoniakzufuhr.The injection element 15 is arranged coaxially with the adjoining control slide 16 and comprises a nozzle 17 at the end and is provided with a connecting line 18, 19 and 20 , each with a valve 21, 22 and 23 . The valve 21 controls the carrier gas supply, the valve 22 the air supply and the valve 23 the ammonia supply.

Der Steuerschieber 16 weist einen Düsenkopf 24 mit einer Vielzahl von kleinen Durchtrittsöffnungen 24 a auf, die dem Gaseintrittsgehäuse 13 zugerichtet sind. In einer Führung ist der Steuerschieber 34 axial verschiebbar gegen die Spannung einer Feder 5 gehal­ ten, wobei ein sich in das Innere des rohrförmigen Steuerschiebers 34 erstreckendes Rohrteil 26, den Verschiebeweg s überbrückend, koaxial zum Steuer­ schieber 16 angeordnet ist. Im hinteren Ende des Rohrteils 26 ist eine Drallscheibe 29 vorgesehen, die der Düse 17 des Einspritzelements 15 zugerichtet ist. Die Verschiebung des Steuerschiebers 34 kann auch pneumatisch erfolgen, wozu ein Druckluftanschluß 27 vorgesehen ist.The control slide 16 has a nozzle head 24 with a plurality of small passage openings 24 a , which are aligned with the gas inlet housing 13 . In a guide, the control spool 34 is axially displaceable against the tension of a spring 5 , wherein a tube part 26 extending into the interior of the tubular control spool 34 , spanning the displacement path s , is arranged coaxially with the control spool 16 . In the rear end of the tubular part 26 , a swirl disk 29 is provided, which is directed towards the nozzle 17 of the injection element 15 . The control slide 34 can also be moved pneumatically, for which purpose a compressed air connection 27 is provided.

Eine Zuführung des über die Leitung 20 zum Einspritz­ element 15 gelangenden Ammoniaks erfolgt mittels der Pumpe 35.A supply of the ammonia via the line 20 to the injection element 15 takes place by means of the pump 35 .

Die Zerstäubung des flüssigen Ammoniaks wird über die Düse 17 des Einspritzelements 15 vorgenommen, wobei durch die vorgeschaltete Drallscheibe 29 eine Vergasung und Vermischung mit dem Trägergas TG erfolgt. Das Ammoniak-Trägergas-Gemisch wird dann mit Druck über die Durchtrittsöffnungen 24 a im Düsenkopf 24 in den Abgas­ strom 7 im Bereich des Gaseintrittsgehäuses 13 ein­ gedüst.The liquid ammonia is atomized via the nozzle 17 of the injection element 15 , gasification and mixing with the carrier gas TG taking place through the upstream swirl disk 29 . The ammonia / carrier gas mixture is then sprayed with pressure via the passage openings 24 a in the nozzle head 24 into the exhaust gas stream 7 in the region of the gas inlet housing 13 .

Wie Fig. 1 zeigt, sind das Trägergas TG und die Luft L entsprechend den Vorgaben über Ventile und dergleichen dem Einspritzelement 15 mittels Kompressoren 32 zuführ­ bar, wobei auch entsprechende Anzeigegeräte vorgesehen sind.As shown in FIG. 1, the carrier gas TG and the air L can be supplied to the injection element 15 by means of compressors 32 in accordance with the specifications for valves and the like, with corresponding display devices also being provided.

Claims (6)

1. Abgasanlage für eine Kolben-Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer vorgeschalteten Abgas-Zusammenführeinrichtung und einer Ent­ stickungseinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Abgas-Zusammenführeinrichtung (14) ein Ein­ spritzelement (15) für Ammoniak und Trägergas und einen den Einspritzraum bildenden rohrförmigen Steuerschieber (16) umfaßt, der endseitig einen in den Abgasstrom gerichteten Düsenkopf (24) mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (24 a) aufweist. 1. Exhaust system for a piston internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and an upstream exhaust gas merging device and a Ent sticking device, characterized in that the exhaust gas merging device ( 14 ) an injection element ( 15 ) for ammonia and carrier gas and a tubular control valve forming the injection chamber ( 16 ), the end of which has a nozzle head ( 24 ) directed into the exhaust gas flow and having a large number of passage openings ( 24 a ). 2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Einspritzelement (15) eine dem Steu­ erschieber (16) zugerichtete Düse (17) mit Verbin­ dungsleitungen (18, 19, 20) umfaßt und mit jeweils einem Steuerventil (22) für die Druckluftzufuhr, einem zweiten Ventil (23) für die Ammoniakzufuhr und einem dritten Ventil (21) für die Trägergaszufuhr verbunden ist2. Exhaust system according to claim 1, characterized in that the injection element ( 15 ) comprises a control valve ( 16 ) facing nozzle ( 17 ) with connec tion lines ( 18, 19, 20 ) and each with a control valve ( 22 ) for the Compressed air supply, a second valve ( 23 ) for the ammonia supply and a third valve ( 21 ) for the carrier gas supply is connected 3. Abgasanlage nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermischung des Trägergases (TG) mit Ammoniak (NH₃) dem Einspritzelement (15) eine Mischkammer (28) nachgeschaltet ist.3. Exhaust system according to claims 1 or 2, characterized in that a mixing chamber ( 28 ) is connected downstream of the injection element ( 15 ) for mixing the carrier gas ( TG ) with ammonia ( NH ₃). 4. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zerstäubung des flüssigen Ammoniaks zwischen der Düse (17) des Einspritzelements (15) und der Mischkammer (28) eine Drallscheibe (29) angeordnet ist.4. Exhaust system according to one or more of the preceding claims, characterized in that a swirl disk ( 29 ) is arranged to atomize the liquid ammonia between the nozzle ( 17 ) of the injection element ( 15 ) and the mixing chamber ( 28 ). 5. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (16) in einem Führungszylinder (33) zwischen den Abgasrohrleitungen einerseits und zwischen dem Einspritzelement (15) und dem Gasein­ trittsgehäuse (13) andererseits axial gegen die Spannung einer Feder (25) verschiebbar gehalten ist. 5. Exhaust system according to one or more of the preceding claims, characterized in that the control slide ( 16 ) in a guide cylinder ( 33 ) between the exhaust pipes on the one hand and between the injection element ( 15 ) and the Gasein entry housing ( 13 ) on the other hand axially against the voltage a spring ( 25 ) is slidably held. 6. Abgasanlage nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrteil (26) koaxial zum Steuerschieber (16), dessen Verschiebeweg (s) überdeckend, am Führungs­ zylinder (33) gehalten ist und mit seinem dem Einspritzelement (15) zugerichteten Ende die Drallscheibe (29) aufweist.6. Exhaust system according to one or more of the preceding claims, characterized in that a tubular part ( 26 ) coaxial with the control slide ( 16 ), the displacement path ( s ) overlapping, is held on the guide cylinder ( 33 ) and with its the injection element ( 15 ) facing end has the swirl disk ( 29 ).
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