AT518216A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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AT518216A1
AT518216A1 ATA21/2016A AT212016A AT518216A1 AT 518216 A1 AT518216 A1 AT 518216A1 AT 212016 A AT212016 A AT 212016A AT 518216 A1 AT518216 A1 AT 518216A1
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Manickam Bhuvaneswaran
Sieberer Manfred
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Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Brennraum (2), einem eine Abgasturbine (3) aufweisenden Turbolader und einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (11 ), wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen ersten Katalysator (4) aufweist, der strömungstechnisch zwischen dem wenigstens einen Brennraum (2) und der Abgasturbine (3) angeordnet ist, wobei ein zweiter Katalysator (5) vorgesehen ist, der strömungstechnisch zwischen dem ersten Katalysator (4) und der Abgasturbine (3) angeordnet ist und dass strömungstechnisch zwischen dem ersten Katalysator (4) und dem zweiten Katalysator (5) zumindest eine Teiloxidationskammer (6) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine geht aus der WO 2014/020230 A1 hervor. Will man die im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffe (engl, „total hydrocarbons“ - THC) zu CO2 und H20 oxidieren, benötigt man Temperaturen über 500 °C, große Katalysatorvolumina und Oxidationskatalysatoren mit einer hohen Beladung mit Metallen aus der Platingruppe (engl. „PGM-Ioading“), was solche Abgasnachbehandlungs-vorrichtungen sehr teuer macht.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, bei welcher dieselbe Katalysatorwirkung wie im Stand der Technik bei einem kleineren Katalysatorvolumen erbringbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Beim ersten und zweiten Katalysator handelt es sich um Oxidationskatalysatoren.
Die Erfindung kombiniert eine Gasphasenoxidation und katalytische Oxidationsvorgänge, wodurch die Abgasemission der Brennkraftmaschine mit einem geringeren gesamten Katalysatorvolumen des ersten und zweiten Katalysators gegenüber dem Stand der Technik reduzierbar ist. Wärmeenergie, die durch die Oxidation der im Abgas enthaltenen Schadstoffe (vor allem Kohlenwasserstoffe, CO, CH20) entsteht, erhöht die thermische Effizienz der Brennkraftmaschine.
Die Erfindung geht von einer mehrstufigen Abgasnachbehandlung aus, wobei ein Teil der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoff im ersten Katalysator oxidiert werden, was die Temperatur des aus dem ersten Katalysator austretenden Abgases erhöht. Hierdurch wird die in der Teiloxidationskammer stattfindende Teiloxidation, insbesondere von CH4, verstärkt. Die Teiloxidation, welche selbst Wärmeenergie abgibt, wird auch durch eine längere Verweilzeit in der Teiloxidationskammer verstärkt. Die bei der Teiloxidation entstehende Produkte, insbesondere CO, noch im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffe, und andere noch vorhandene Schadstoffe wie z. B. CH20 werden im zweiten Katalysator oxidiert.
Es kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Teiloxidationskammer zumindest zwei Leitungsteile aufweist, wobei eines der zumindest zwei Leitungsteile wenigstens teilweise in einem anderen der zumindest zwei Leitungsteile angeordnet ist und die zumindest zwei Leitungsteile strömungstechnisch seriell geschalten sind.
Es kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Teiloxidationskammer zumindest ein spiralförmiges gebogenes Rohr, vorzugsweise eine Vielzahl von spiralförmig gebogenen Rohren, aufweist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Volumen des ersten Katalysators so gewählt ist, dass in einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine eine Abgastemperatur nach Passieren des ersten Katalysators von wenigstens 560 °C, vorzugsweise wenigstens 590 °C, vorliegt. Vergrößert man die Verweildauer des Abgases in der Teiloxidationskammer, können auch niedrigere Temperaturen genügen. Dies ist auch möglich, wenn leicht oxidierbare Zusatzstoffe dem Abgas vor der Teiloxidationskammer hinzugefügt werden.
Es kann ein durch ein Bypassventil einstellbarer Bypass vorgesehen sein, durch welchen Abgas um die Abgasnachbehandlungsvorrichtung herum zur Abgasturbine strömen kann.
Vor dem ersten Katalysator kann ein Ventil vorgesehen sein, welches ein Absperren des Strömungswegs über den ersten Katalysator, die Teiloxidationskammer und den zweiten Katalysator ermöglicht.
Die Erfindung kann bevorzugt bei einer stationären Brennkraftmaschine, für Marineanwendungen oder mobile Anwendungen wie sogenannte „Non-Road-Mobile-
Machinery“ (NRMM) - vorzugsweise jeweils als Hubkolbenmaschine - eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine kann als mechanischer Antrieb dienen, z. B. zum Betreiben von Verdichteranlagen oder mit einem Generator zu einem Gensets zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt sein. Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Vielzahl von Brennräumen auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren diskutiert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
Fig. 2 eine mögliche Ausbildung der Teiloxidationskammer
Fig. 3 eine weitere mögliche Ausbildung der Teiloxidationskammer
Fig. 4 eine weitere mögliche Ausbildung der Teiloxidationskammer
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 ist in Fig. 1 gezeigt. Sie weist eine Vielzahl von Brennräumen 2 auf, denen über einen Ansaugtrakt ein Treibstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird. Im Ansaugtrakt sind ein Luftfilter 13 und ein Verdichter eines Turboladers angeordnet. Die den Brennräumen 2 zugeführte Menge an Treibstoff-Luft-Gemisch ist durch ein Ventil 14 einstellbar, welches durch eine Regeleinrichtung 12 der Brennkraftmaschine 1 betätigbar ist. Abgas, welches durch die ggf. teilweise Verbrennung des Treibstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen 2 entsteht, wird einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 11 zugeführt, bevor es eine Abgasturbine 3 des Turboladers durchströmt und in eine Abgasabführleitung 10 eintritt.
Es ist ein Bypass vorgesehen, über welchen bei Betätigung des Ventils 7 durch die Regeleinrichtung 12 unbehandeltes Abgas teilweise um die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 11 herum direkt zur Abgasturbine 3 geführt werden kann.
Vor dem ersten Katalysator kann ein Ventil 9 vorgesehen sein, welches ein Absperren des Strömungswegs über den ersten Katalysator 4, die Teiloxidationskammer 6 und den zweiten Katalysator 5 ermöglicht.
Ein möglicher Aufbau der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 11 ist in Fig. 2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Teiloxidationskammer 6 gemeinsam mit dem zweiten Katalysator 5 als eine Baueinheit ausgeführt, was nicht zwingend erforderlich ist.
Hier weist die Teiloxidationskammer 6 zwei Leitungsteile 61, 62 auf, wobei eines der zwei Leitungsteile 61,62 wenigstens teilweise im anderen der zwei Leitungsteile 61, 62 angeordnet ist und die zumindest zwei Leitungsteile strömungstechnisch seriell geschalten sind, was durch die Strömungspfeile angedeutet ist. Es ergibt sich ein kompakter Aufbau der Teiloxidationskammer 6 mit einer langen Verweilzeit des Abgases.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 weist die Teiloxidationskammer 6 eine Vielzahl von spiralförmig gebogenen Rohren 8 auf, wodurch sich ebenfalls ein kompakter Aufbau der Teiloxidationskammer 6 mit einer langen Verweilzeit des Abgases ergibt.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit, bei welcher eine Verlängerung der Teiloxidationskammer 6 durch eine Schleifenform erzielt wurde.

Claims (6)

  1. Patentansprüche:
    1. Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Brennraum (2), einem eine Abgasturbine (3) aufweisenden Turbolader und einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (11), wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen ersten Katalysator (4) aufweist, der strömungstechnisch zwischen dem wenigstens einen Brennraum (2) und der Abgasturbine (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Katalysator (5) vorgesehen ist, der strömungstechnisch zwischen dem ersten Katalysator (4) und der Abgasturbine (3) angeordnet ist und dass strömungstechnisch zwischen dem ersten Katalysator (4) und dem zweiten Katalysator (5) zumindest eine Teiloxidationskammer (6) angeordnet ist.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Teiloxidationskammer (6) zumindest zwei Leitungsteile (61, 62) aufweist, wobei eines der zumindest zwei Leitungsteile (61, 62) wenigstens teilweise in einem anderen der zumindest zwei Leitungsteile (61,62) angeordnet ist und die zumindest zwei Leitungsteile (61, 62) strömungstechnisch seriell geschalten sind.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Teiloxidationskammer (6) zumindest ein spiralförmiges gebogenes Rohr, vorzugsweise eine Vielzahl von spiralförmig gebogenen Rohren (8), aufweist.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Volumen des ersten Katalysators (4) so gewählt ist, dass in einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine (1) eine Abgastemperatur nach Passieren des ersten Katalysators (4) von wenigstens 560 °C, vorzugsweise wenigstens 590 °C, vorliegt.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein durch ein Bypassventil (7) einstellbarer Bypass vorgesehen ist, durch welchen Abgas um die Abgasnachbehandlungsvorrichtung herum zur Abgasturbine (3) strömen kann.
  6. 6. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vor dem ersten Katalysator (4) ein Ventil (9) vorgesehen ist.
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