Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Grossdieselmotor, insbesondere für einen Zweitakt-Grossdieselmotor, mit mehreren Zylindern, die jeweils über wenigstens einen Abgasstutzen mit einem vorzugsweise rohrförmigen, an den Enden durch Deckel verschliessbaren Abgassammler verbunden sind, von dem eine Abgasleitung abgeht und der eine Katalysatoranordnung enthält, die vom Gas durchströmbar ist, das mittels einer stromaufwärts von der Katalysatoranordnung angeordneten Versorgungseinrichtung mit einem Reduktionsmittel beaufschlagbar ist.
Eine Anordnung dieser Art ist aus der EP-A 0 468 919 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung enthält der Abgassammler ein zentrales, die Katalysatoranordnung aufnehmendes Rohr, das von einem Ringraum umgeben ist, in den die Abgasstutzen einmünden und der an einem Ende verschlossen und am anderen Ende offen ist. Über dieses offene Ende gelangt der gesamte Abgas-Volumenstrom zur Katalysatoranordnung, welcher ein Diffusor vorgeordnet und ein Bereich nachgeordnet ist, von dem die zur Turbine eines Abgasturboladers führende Abgasleitung abgeht.
Nachteilig dabei ist, dass hier nur ein Strömungsweg für das Abgas vorhanden ist, d.h. der gesamte Abgas-Volumenstrom muss die Katalysatoranordnung auf ihrer ganzen Länge durchströmen. Es sind daher vergleichsweise grosse Strömungsquerschnitte erforderlich, die zu einer voluminösen Bauweise führen. Sofern ein Element der Katalysatoranordnung verstopft sein sollte, ist hier der einzige, durch die Katalysatoranordnung durchführende Strömungsweg blockiert. In diesem Fall muss eine an der Katalysatoranordnung vorbeiführende Bypass-Leitung geöffnet werden, womit der gesamte Abgas-Volumenstrom unbehandelt dem Abgasturbolader zugeführt wird. Eine teilweise Beibehaltung der Katalysatorwirkung ist hier nicht möglich.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung ist darin zu sehen, dass sich durch den dem Katalysator vorgeordneten Diffusor eine nicht unbeträchtliche Vergrösserung der Baulänge ergibt, was unerwünscht ist. Zudem ist die Katalysatoranordnung von der Diffusorseite her nur schwer zugänglich, was sich ungünstig auf die Montage- und Wartungsfreundlichkeit auswirkt. Die bekannte Anordnung erweist sich demnach als nicht kompakt, einfach und betriebssicher genug.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Grossdieselmotor eingangs erwähnter Art unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Anordnung die Betriebssicherheit der Katalysatoranordnung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in der Mitte des Abgassammlers eine Auslasskammer vorhanden ist, von der die Abgasleitung abgeht und die die Katalysatoranordnung in zwei Abschnitte unterteilt, die eine Strömungsverbindung zwischen der Auslasskammer und zwei im Bereich der Enden des Abgassammlers angeordneten Umlenkkammern bilden, die gegenüber einem jeweils zugeordneten Sammelschachtabschnitt offen sind, in den eine jeweils zugeordnete Teilmenge der Abgasstutzen einmündet, dass die Abschnitte der Katalysatoranordnung einen aussen an den Innenumfang des Abgassammlers sich anlegenden,
einem Teil des Querschnitts des Abgassammlers entsprechenden Querschnitt aufweisen und dass die den restlichen Querschnitt des Abgassammlers einnehmenden Sammelschachtabschnitte über wenigstens einen mittels eines Absperrorgans kontrollierbaren Durchlass mit der Auslasskammer verbindbar sind.
Diese Massnahmen ergeben eine zu einer mittleren Radialebene praktisch spiegelbildliche Anordnung und damit in vorteilhafter Weise eine Aufteilung der anfallenden Abgasmenge in zwei Teilströme, die unabhängig voneinander im jeweils zugeordneten Sammelschachtabschnitt gesammelt werden und anschliessend den jeweils zugeordneten Katalysatorabschnitt durchströmen. In Folge dieser Aufteilung ergibt sich in den einzelnen Abschnitten jeweils nur der halbe Massedurchsatz, sodass vergleichsweise kleine Strömungsquerschnitte vorgesehen sein können. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine sehr kompakte Bauweise, was im Hinblick auf die beengten Platzverhältnisse im Maschinenraum von Schiffen etc. sehr erwünscht ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Massnahmen ist darin zu sehen, dass im Falle des Ausfalls eines Abschnitts der Katalysatoranordnung nur der diesem Abschnitt zugeordnete Abgasteilvolumenstrom unbehandelt direkt in die Auslasskammer eingeleitet werden muss. Das im Bereich des Durchlasses zur Auslasskammer vorgesehene Absperrorgan braucht dabei nur teilweise geöffnet werden. Der andere Teilvolumenstrom ist davon unabhängig und kann den zugeordneten Katalysatorabschnitt ungehindert durchströmen. Es bleibt daher eine Reduktionsbehandlung einer Teilmenge des Abgases erhalten, was vielfach ausreicht, um bestimmte Vorschriften noch zu erfüllen und eine Stilllegung des gesamten Motors zu verhindern. Die erfindungsgemässen Massnahmen ergeben daher eine ausgezeichnete Wirtschaftlichkeit.
Ausserdem stellen die erfindungsgemässen Massnahmen sicher, dass jeder Abschnitt der Katalysatoranordnung durch Abnahme des jeweils benachbarten Deckels des Abgassammlers von aussen direkt zugänglich ist, was eine hohe Wartungs- und Montagefreundlichkeit ergibt. Dadurch, dass die Auslasskammer über einen auf- und absperrbaren Durchlass mit den Sammelschachtabschnitten verbindbar ist, ist sichergestellt, dass die von der Auslasskammer wegführende Abgasleitung sowohl bei Katalysatorbetrieb als auch bei Teil-Katalysatorbetrieb als auch bei Bypass-Betrieb benutzt wird. Eine eigene Bypass-Leitung ist daher nicht erforderlich. Die obigen Darstellungen zeigen, dass mit der vorliegenden Erfindung die eingangs geschilderten Nachteile der bekannten Anordnung vollständig vermieden werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Fortbildungen der übergeordneten Massnahmen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So kann der Querschnitt der Abschnitte der Katalysatoranordnung vorteilhaft als zum Einmündungsbereich der Abgasstutzen hin offenes Ringsegment ausgebildet sein. Dies ergibt für den zugeordneten Sammelschachtabschnitt einen zentralen, vom zugeordneten Katalysatorabschnitt umgebenen Kanal, der mit einem radialen, nach aussen trichterförmig sich erweiternden Eingangsschlitz versehen ist, in den die zugeordneten Abgasstutzen hineinblasen können. Diese Massnahmen ergeben daher in vorteilhafter Weise eine gute Kanalisierung der Abgase.
Zweckmässig kann das vorstehend genannte Ringsegment als zum Einmündungsbereich der Abgasstutzen hin offener Polygonzug ausgebildet sein. Dies erleichtert die Herstellung und ergibt in vorteilhafter Weise Kanten, die als Führungskanten fungieren können, denen Führungsschienen zugeordnet sein können, was die Montage und Demontage erleichtert.
Eine weitere vorteilhafte Massnahme kann darin bestehen, dass die beiden Sammelschachtabschnitte über eine der Auslasskammer benachbarte Verbindungskammer miteinander verbunden sind, wobei zwischen der Verbindungskammer und der Auslasskammer der mittels eines Absperrorgans kontrollierbare Durchlass vorgesehen ist. Diese Bauweise stellt sicher, dass beide Sammelschachtabschnitte über denselben Durchlass mit der Auslasskammer verbindbar sind, sodass nur ein Absperrorgan benötigt wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der im Bereich eines Sammelschachtabschnitts anfallende Abgasvolumenstrom im Falle einer Störung zumindest teilweise auch dem anderen Sammelschachtabschnitt zugeführt und damit über den diesem zugeordneten Abschnitt der Katalysatoranordnung geführt werden kann.
Vorteilhaft kann der Abgassammler mit Einbauten versehen sein, die jeweils einen einem Katalysatorabschnitt und einem Sammelschachtabschnitt zugeordneten Kanal begrenzen. Die die Katalysatorabschnitte bildenden Katalysatorelemente können dabei einfach in den zugeordneten Kanal eingeschoben werden, was eine hohe Montage- und Wartungsfreundlichkeit ergibt.
Zweckmässig kann jeder Abschnitt der Katalysatoranordnung wenigstens ein Oxydationskatalysatorelement und mehrere NOx-Katalysatorelemente enthalten.
Dieser Aufbau gewährleistet eine zuverlässige Russ- und NOx-Reduktion.
Das zur Reduktion erforderliche Reduktionsmittel wird dem Abgas vorteilhaft mittels im Bereich der Abgasstutzen vorgesehener Einspritzventile beigemischt. Diese Massnahme gewährleistet eine gute Vermischung und homogene Verteilung des Reduktionsmittels. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass hier die beigemischte Reduktionsmittelmenge in Abhängigkeit von den Verbrennungsverhältnissen im zugeordneten Zylinder individuell geregelt werden kann. Ebenso ist es möglich, die Reduktionsmitteleinspritzung in einzelne Abgasstutzen abzuschalten, sofern der diesen zugeordnete Abschnitt der Katalysatoranordnung blockiert sein sollte.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Fortbildungen der übergeordneten Massnahmen sind in den restlichen abhängigen Patentansprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnungen näher entnehmbar.
In den nachstehend beschriebenen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Teilansicht eines erfindungsgemässen Grossdieselmotors teilweise im Schnitt,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch den Abgassammler der Anordnung gemäss Fig. 1 und
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III/III in Fig. 2.
Der Aufbau und die Wirkungsweise von Grossdieselmotoren, wie Zweitakt-Grossdieselmotoren, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Die Fig. 1 zeigt den oberen Bereich eines Zweitakt-Grossdieselmotors. Dieser besitzt mehrere, in Reihe nebeneinander angeordnete Zylinder 1, die jeweils mit einem ihrem Zylinderdeckel zugeordneten Auslassventil 2 versehen sind, mittels dessen ein Auslasskanal geöffnet bzw. geschlossen werden kann, an den ein Abgasstutzen 3 anschliesst. Parallel zur Zylinderreihe ist ein Abgassammler 4 vorgesehen, in den sämtliche Abgasstutzen 3 einmünden und von dem eine zur Turbine eines Abgasturboladers 5 führende Abgasleitung 6 abgeht. Die Abgasstutzen 3 sind mit radial in den rohrförmigen Abgassammler hineinragenden, diffusorartigen Endstücken 7 versehen.
Um eine Abkühlung des Abgases zu vermeiden, können die Abgasstutzen 3 mit einer Isolationsmanschette 8 versehen sein.
Der Abgassammler 4 besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 9, das, wie Fig. 2 zeigt, an seinen Enden durch abnehmbare Deckel 10 verschliessbar ist. Das rohrförmige Gehäuse 9 enthält eine vom Abgas durchströmbare, durch zwei Katalysatorabschnitte 17a, b gebildete Katalysatoranordnung zur Reduktion des Russ- und NOx-Gehalts des Abgases und eine dieser vorgeordnete, durch zwei Sammelschachtabschnitte 26a, b gebildete Sammelschachtanordnung 26, in die die Endstücke 7 der Abgasstutzen 3 einmünden. Stromaufwärts von der Katalysatoranordnung 17 wird das Abgas mit einem Reduktionsmittel, beispielsweise Ammonium oder Harnstoff, beaufschlagt. Das Reduktionsmittel wird in die Abgasstutzen 3 eingespritzt.
Die in den Abgasstutzen 3 erfolgende Entspannung des Abgases bewirkt eine gute Durchmischung von Abgas und Reduktionsmittel und führt somit zu einer homogenen Verteilung des Reduktionsmittels. Diese Wirkung wird durch die diffusorartigen Endstücke 7 noch unterstützt.
Zum Einspritzen des Reduktionsmittels ist, wie Fig. 1 weiter erkennen lässt, an jeden Abgasstutzen 3 ein geeignetes Einspritzventil 11 angesetzt, das über eine Versorgungsleitung 12 mit dem Reduktionsmittel, beispielsweise Ammonium oder Harnstoff, versorgt und über eine von einer Steuereinrichtung 13 abgehende Signalleitung 14 steuerbar ist. Mithilfe der Steuereinrichtung 13 können sämtliche Reduktionsmittel-Einspritzventile 11 gesteuert werden, wie durch weitere, von der Steuereinrichtung 13 abgehende Signalleitungen angedeutet ist. Der Steuereinrichtung 13 wird der Maschinentakt vorgegeben, wie durch eine Signalleitung 15 angedeutet ist. Hierzu kann beispielsweise die Kurbelwelle abgegriffen werden. Es wäre aber auch denkbar, die eine Betätigung der Auslassventile 2 bewirkenden Signale zu verwenden.
In jedem Falle wird hierdurch sichergestellt, dass die Einspritzventile 11 nur dann betätigt werden, wenn auch das zugeordnete Auslassventil 2 geöffnet ist, also Abgas ausgestossen wird. Die Einspritzmenge kann fest vorgegeben werden. Es ist aber auch möglich, die Einspritzmenge in Abhängigkeit von den Verbrennungsverhältnissen in den einzelnen Zylindern jedem Einspritzventil 11 individuell vorzugeben. Hierzu wird die Steuereinrichtung 13 mit entsprechenden Daten, z.B. der Brennraumtemperatur, versorgt, wie in Fig. 1 durch die Signalleitung 16 angedeutet ist.
Die im Gehäuse 9 des Abgassammlers 4 angeordnete Katalysatoranordnung 17 und Sammelschachtanordnung 26 ist, wie aus Fig. 2 entnehmbar ist, in zwei Katalysatorabschnitte 17a, 17b und Sammelschachtabschnitte 26a, 26b unterteilt, die eine in der Mitte des Abgassammlers 4 angeordnete Auslasskammer 18 flankieren, von der die das Abgas abführende Abgasleitung 6 abgeht. Es ergibt sich demnach eine zu einer mittleren radialen Symmetrieebene spiegelbildliche Bauweise.
Die beiden Abschnitte 17a, b der Katalysatoranordnung bestehen jeweils aus mehreren, hintereinander angeordneten, in an sich bekannter Weise nach Art eines statischen Mischers aufgebauten Katalysatorelementen, die hier durch Abstandshalter 19 voneinander distanziert sind. In erster Linie sind NOx-Katalysatorelemente 20 vorgesehen. Im dargestellten Beispiel besitzt jeder Katalysatorabschnitt 17a, b neben den NOx-Katalysatorelementen 20 noch ein zusätzliches Oxydations-Katalysatorelement 21, mittels dessen Russpartikel entfernbar sind. Die Oxydations-Katalysatorelemente 21 sind hier am Abgaseingang der jeweils zugeordneten Katalysatorabschnitte 17a, b angeordnet. Es wäre aber auch eine andere Positionierung, beispielsweise im Bereich des Abgasaustritts, denkbar.
Die Katalysatorelemente 20, 21 werden, wie in Fig. 2 durch mit durchgezogenen Linien gezeichnete Pfeile angedeutet ist, parallel zur Längsachse des Gehäuses 9 durchströmt, wobei bezüglich der beiden Abschnitte 17a, b gegenläufige, aufeinander zu gerichtete Strömungsrichtungen vorliegen.
Die Katalysatorelemente 20, 21 besitzen, wie den Fig. 1 und 3 entnehmbar ist, einen als zum Mündungsbereich der Abgasstutzen 3 hin offenes Ringsegment ausgebildeten, aussermittig im Abgassammler 4 platzierten Segmentquerschnitt, der sich aussen an den Innenumfang des rohrförmigen Gehäuses 9 des Abgassammlers 4 anlegt. Dieser ringsegmentförmige Querschnitt ist hier, wie die Fig. 1 und 3 weiter anschaulich erkennen lassen, als zum Mündungsbereich der Abgasstutzen 3 hin offener Polygonzug ausgebildet, was die Herstellung der Katalysatorelemente 20, 21 und deren Montage erleichtert.
Zur Aufnahme der Katalysatorelemente 20, 21 ist das Gehäuse 9 des Abgassammlers 4 in seinen den beiden Katalysatorabschnitten 17a, b zugeordneten Bereichen mit jeweils einer eingebauten Trennwand 22 versehen, die eine der Innenkontur des Ringsegmentquerschnitts der Katalysatorelemente 20, 21 folgende Kontur aufweist und dementsprechend einen ersten aussermittigen Kanal 23 mit einem dem Querschnitt der Katalysatorelemente 20, 21 entsprechenden Querschnitt von einem zweiten, den restlichen Querschnitt des Innenraums des Gehäuses 9 einnehmenden Kanal abtrennt.
Jeder zweite Kanal bildet einen dem jeweils benachbarten Katalysatorabschnitt 17a bzw. 17b zugeordneten diesem in Strömungsrichtung des Abgases vorgeordneten Sammelschachtabschnitt 26a bzw. 26b, in den eine jeweils zugeordnete Anzahl von Abgasstutzen 3 einmünden. Zweckmässig ist jedem Sammelschachtabschnitt 26a, b die Hälfte der Abgasstutzen 3 und damit die Hälfte der Zylinder 1 zugeordnet. Die Sammelschachtabschnitte 26a, b werden gegenläufig zum jeweils zugeordneten Katalysatorabschnitt 17a, b von innen nach aussen durchströmt, wie in Fig. 2 durch mit unterbrochenen Linien gezeichnete Pfeile angedeutet ist.
In jeden ersten Kanal 23 sind die Katalysatorelemente 20, 21 des jeweils zugeordneten Katalysatorabschnitts 17a, b einschiebbar. Dies erfolgt von den Enden des Gehäuses 9 her bei jeweils abgenommenem Deckel 10. Auf diese Weise können die beiden Abschnitte 17a, b der Katalysatoranordnung unabhängig voneinander aufgebaut werden. Die einem offenem Polygonzug entsprechende Ringsegmentkontur der Katalysatorelemente 20, 21 ergibt, wie die Fig. 1 und 3 zeigen, Kanten und zwischen diesem sich erstreckende, gerade Flächen, denen im Bereich der Trennwand 22 und des Innenumfangs des Gehäuses 9 vorgesehene Gleitschienen 24 zugeordnet sein können, auf denen die zugeordneten Katalysatorelemente 20, 21 in den jeweils zugeordneten Kanal einschiebbar sind.
Die in den jeweils zugeordneten Kanal eingeschobenen Katalysatorelemente liegen in Einschubrichtung vorne an fixen Anschlägen 19a an und werden in Einschubrichtung hinten durch lösbar an der Trennwand 22 festlegbare Halteleisten 25 gehalten.
Die als Sammelschachtabschnitte 26a, b fungierenden zweiten, durch die Trennwände 22 gebildeten, zweiten Kanäle besitzen, wie am besten aus Fig. 1 erkennbar ist, einen zentralen, zum Gehäuse 9 koaxialen Kanalbereich, der in radialer Richtung in einen Eingangsschlitz übergeht, der sich nach aussen trichterförmig öffnet. Die in das Gehäuse 9 hineinragenden, diffusorartig ausgebildeten Endstücke 7 der Abgasstutzen 3 sind so angeordnet, dass sie in den Eingangsschlitz des jeweils zugeordneten Sammelschachtabschnitts 26a, b hineinblasen. Im dargestellten Beispiel befinden sich ihre Achsen auf einer die Längsachse des Gehäuses 9 enthaltenden Symmetrie-Ebene, wodurch sich eine zum Zentrieren des zentralen Kanalbereichs hin gerichtete Eingangsströmung ergibt.
Die als Sammelschachtabschnitte 26a, b fungierende, zweiten Kanäle sind gegenüber der Auslasskammer 18 durch an die Trennwände 22 stirnseitig angesetzte Seitenwände 27 verschlossen. Die den Katalysatorelementen 20, 21 zugeordneten, ersten Kanäle 23 sind zur Auslasskammer 18 hin offen. Im Bereich des jeweils gegenüberliegenden, deckelseitigen Abschnittsendes sind sowohl die ersten Kanäle 23 als auch die die Sammelschachtabschnitte 26a, 26b bildenden zweiten Kanäle offen. Die Trennwände 22 enden jeweils mit Abstand vom jeweils benachbarten Deckel 10, wodurch auch das in Einschubrichtung hinterste Katalysatorelement einen entsprechenden Abstand vom benachbarten Deckel 10 aufweist.
Hierdurch ergeben sich im Bereich der Enden des Gehäuses 9 Umlenkkammern 28, durch welche jeder Katalysatorabschnitt 17a, b mit dem jeweils zugeordneten, in Strömungsrichtung vorgeordneten Sammelschachtabschnitt 26a, b strömungsmässig verbunden werden.
Hierdurch ergibt sich zu beiden Seiten der Auslasskammer 18 jeweils ein Strömungsweg von den Abgasstutzen 3 über den jeweils zugeordneten Sammelschachtabschnitt 26a, b und den diesem jeweils nachgeordneten Katalysatorabschnitt 17a, b zur Auslasskammer 18. Das von den Abgasstutzen 3 in den jeweils zugeordneten Sammelschachtabschnitt 26a, b eingeblasene Abgas strömt, wie in Fig. 2 durch mit unterbrochenen Linien gezeichnete Pfeile angedeutet ist, zunächst den im Bereich der Enden des Gehäuses 9 angeordneten Umlenkkammern 28 zu und von dort, wie in Fig. 2 durch mit durchgezogenen Linien gezeichnete Pfeile angedeutet ist, über den jeweils zugeordneten Abschnitt 17a, b der Katalysatoranordnung zur Auslasskammer 18.
Die zu beiden Seiten der Auslasskammer 18 vorgesehenen Sammelschachtabschnitte 26a, b sind durch einen unterhalb der Auslasskammer 18 durchführenden Verbindungsschacht 29 miteinander verbunden. Zwischen dem Verbindungsschacht 29 und der Auslasskammer 18 ist ein fensterförmiger Durchlass 30 vorgesehen, dem ein Absperrorgan 31 zugeordnet ist, durch welches der Durchlass 30 geschlossen bzw. geöffnet werden kann, wie in Fig. 2 mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Das Absperrorgan 31 kann als Flügel- oder Jalousieklappen-Anordnung ausgebildet sein. Das Absperrorgan 31 ist zweckmässig mittels eines in Fig. 3 dargestellten Motors 32 antreibbar.
Sobald das Absperrorgan 31 geöffnet wird, ergibt sich ein die Katalysatorabschnitte 17a, b umgehender, direkt von den Sammelschachtabschnitten 26a, b in die Auslasskammer 18 führender Strömungsweg. Dieser wird benutzt, wenn beispielsweise dem Abgasturbolader kurzfristig eine erhöhte Leistung zuzuführen ist. Dasselbe gilt, wenn im Katalysatorbereich eine Störung auftritt. Sofern eine derartige Störung nur in einem der beiden Katalysatorabschnitte 17a, b vorliegt, wird das Absperrorgan 31 nur teilweise geöffnet, sodass nur der dem gestörten Katalysatorabschnitt 17a bzw. b zugeordnete Abgasvolumenstrom direkt in die Auslasskammer 18 gelangt und der dem jeweils anderen Katalysatorabschnitt 17b bzw. a zugeordnete Abgasvolumenstrom über den zugeordneten Katalysatorabschnitt geführt und dementsprechend gereinigt wird.
Selbstverständlich wird dabei nur das über den zugeordneten Katalysatorabschnitt 17a bzw. b strömende Abgas mit Reduktionsmittel beaufschlagt. Die den dem jeweils anderen Abschnitt zugeordneten Abgasstutzen 3 zugeordneten Einspritzventile 11 sind dabei abgeschaltet.
The invention relates to an exhaust system for a large diesel engine, in particular for a two-stroke large diesel engine, with a plurality of cylinders, each of which is connected via at least one exhaust pipe to a preferably tubular exhaust manifold, which can be closed at the ends by a cover, from which an exhaust pipe branches off and which has a catalyst arrangement contains which can be flowed through by the gas which can be acted upon by a reducing agent arranged upstream of the catalyst arrangement.
An arrangement of this type is known from EP-A 0 468 919. In this known arrangement, the exhaust manifold contains a central tube which receives the catalytic converter arrangement and is surrounded by an annular space into which the exhaust ports open and which is closed at one end and open at the other end. Via this open end, the entire exhaust gas volume flow reaches the catalytic converter arrangement, which has a diffuser upstream and an area downstream from which the exhaust gas line leading to the turbine of an exhaust gas turbocharger goes.
The disadvantage here is that there is only one flow path for the exhaust gas, i.e. the entire exhaust gas volume flow must flow through the entire length of the catalytic converter arrangement. Comparatively large flow cross sections are therefore required, which lead to a voluminous construction. If an element of the catalytic converter arrangement is blocked, the only flow path through the catalytic converter arrangement is blocked here. In this case, a bypass line leading past the catalytic converter arrangement has to be opened, so that the entire exhaust gas volume flow is supplied to the exhaust gas turbocharger untreated. A partial retention of the catalyst effect is not possible here.
Another disadvantage of the known arrangement can be seen in the fact that the diffuser upstream of the catalyst results in a not inconsiderable increase in the overall length, which is undesirable. In addition, the catalyst arrangement is difficult to access from the diffuser side, which has an adverse effect on the ease of installation and maintenance. The known arrangement therefore proves to be not compact, simple and reliable enough.
Proceeding from this, it is therefore the object of the present invention to improve the operational safety of the catalytic converter arrangement in a large diesel engine of the type mentioned at the beginning, while avoiding the disadvantages of the known arrangement.
According to the invention, this object is achieved in that there is an outlet chamber in the middle of the exhaust manifold, from which the exhaust gas line branches off and which divides the catalytic converter arrangement into two sections, which form a flow connection between the outlet chamber and two deflection chambers arranged in the region of the ends of the exhaust manifold, which are open to a respectively assigned collecting shaft section, into which a respectively assigned subset of the exhaust ports opens, that the sections of the catalytic converter arrangement lie against the inside circumference of the exhaust manifold,
have a cross section corresponding to a part of the cross section of the exhaust manifold and that the collecting shaft sections taking up the remaining cross section of the exhaust manifold can be connected to the outlet chamber via at least one passage which can be controlled by a shut-off element.
These measures result in an arrangement that is practically a mirror image of a central radial plane and thus advantageously divides the amount of exhaust gas into two partial flows, which are collected independently of one another in the respectively assigned collecting shaft section and then flow through the respectively assigned catalyst section. As a result of this division, only half the mass flow rate results in the individual sections, so that comparatively small flow cross sections can be provided. This advantageously enables a very compact design, which is very desirable in view of the limited space in the engine room of ships etc.
A further advantage of the measures according to the invention can be seen in the fact that in the event of the failure of a section of the catalytic converter arrangement, only the partial exhaust gas volume flow assigned to this section has to be passed directly into the outlet chamber untreated. The shut-off device provided in the area of the passage to the outlet chamber need only be partially opened. The other partial volume flow is independent of this and can flow through the assigned catalyst section unhindered. A reduction treatment of a part of the exhaust gas is therefore retained, which is often sufficient to still comply with certain regulations and to prevent the entire engine from being shut down. The measures according to the invention therefore result in excellent economy.
In addition, the measures according to the invention ensure that each section of the catalytic converter arrangement is directly accessible from the outside by removing the respectively adjacent cover of the exhaust manifold, which results in a high degree of maintenance and installation friendliness. The fact that the outlet chamber can be connected to the collecting duct sections via a passage that can be opened and closed ensures that the exhaust pipe leading away from the outlet chamber is used both in catalytic converter operation and in partial catalytic converter operation as well as in bypass operation. A separate bypass line is therefore not necessary. The above illustrations show that the disadvantages of the known arrangement described at the outset are completely avoided with the present invention.
Advantageous refinements and expedient further training of the superordinate measures are specified in the dependent patent claims. For example, the cross section of the sections of the catalytic converter arrangement can advantageously be designed as a ring segment which is open towards the outlet region of the exhaust gas connection. For the assigned collecting shaft section, this results in a central channel which is surrounded by the assigned catalytic converter section and which is provided with a radial inlet slot which widens outward in the shape of a funnel and into which the assigned exhaust ports can blow. These measures therefore advantageously result in good channeling of the exhaust gases.
The ring segment mentioned above can expediently be designed as a polygonal path which is open towards the outlet region of the exhaust gas connection. This simplifies production and advantageously results in edges that can act as guide edges, to which guide rails can be assigned, which facilitates assembly and disassembly.
A further advantageous measure can consist in the two collecting shaft sections being connected to one another via a connecting chamber adjacent to the outlet chamber, the passage controllable by means of a shut-off member being provided between the connecting chamber and the outlet chamber. This design ensures that both header sections can be connected to the outlet chamber via the same passage, so that only one shut-off device is required. Another advantage can be seen in the fact that the exhaust gas volume flow occurring in the area of a collecting shaft section in the event of a fault can at least partially also be fed to the other collecting shaft section and can thus be guided over the section of the catalytic converter arrangement assigned to it.
The exhaust manifold can advantageously be provided with internals which each delimit a channel assigned to a catalytic converter section and a collecting shaft section. The catalyst elements forming the catalyst sections can simply be pushed into the assigned channel, which results in a high degree of ease of installation and maintenance.
Each section of the catalyst arrangement can expediently contain at least one oxidation catalyst element and a plurality of NOx catalyst elements.
This structure ensures reliable soot and NOx reduction.
The reducing agent required for the reduction is advantageously admixed to the exhaust gas by means of injection valves provided in the area of the exhaust ports. This measure ensures good mixing and homogeneous distribution of the reducing agent. Another advantage is the fact that the amount of reducing agent added can be individually regulated depending on the combustion conditions in the assigned cylinder. It is also possible to switch off the reducing agent injection into individual exhaust ports if the section of the catalytic converter arrangement assigned to it is blocked.
Further advantageous refinements and expedient further developments of the superordinate measures are specified in the remaining dependent patent claims and can be found in more detail in the following description of the examples with reference to the drawings.
In the drawings described below:
1 is a partial view of a large diesel engine according to the invention, partly in section,
2 shows a schematic longitudinal section through the exhaust manifold of the arrangement according to FIGS. 1 and
3 shows a section along the line III / III in FIG. 2.
The structure and mode of operation of large diesel engines, such as two-stroke large diesel engines, are known per se and therefore do not require any further explanation in the present context. 1 shows the upper area of a two-stroke large diesel engine. This has a plurality of cylinders 1 arranged in a row next to one another, each of which is provided with an exhaust valve 2 assigned to its cylinder cover, by means of which an exhaust port can be opened or closed, to which an exhaust pipe 3 connects. An exhaust manifold 4 is provided parallel to the row of cylinders, into which all exhaust ports 3 open and from which an exhaust line 6 leading to the turbine of an exhaust gas turbocharger 5 branches off. The exhaust ports 3 are provided with diffuser-like end pieces 7 projecting radially into the tubular exhaust manifold.
In order to avoid cooling of the exhaust gas, the exhaust pipe 3 can be provided with an insulation sleeve 8.
The exhaust manifold 4 has a tubular housing 9 which, as shown in FIG. 2, can be closed at its ends by removable covers 10. The tubular housing 9 contains a catalytic converter arrangement through which the exhaust gas can flow, formed by two catalytic converter sections 17a, b, for reducing the soot and NOx content of the exhaust gas, and an upstream collector chute arrangement 26 formed by two collecting chute sections 26a, b, into which the end pieces 7 of FIG Open exhaust pipe 3. Upstream of the catalytic converter arrangement 17, a reducing agent, for example ammonium or urea, is applied to the exhaust gas. The reducing agent is injected into the exhaust pipe 3.
The expansion of the exhaust gas that takes place in the exhaust pipe 3 causes thorough mixing of the exhaust gas and reducing agent and thus leads to a homogeneous distribution of the reducing agent. This effect is further supported by the diffuser-like end pieces 7.
1, a suitable injection valve 11 is attached to each exhaust nozzle 3, which supplies the reducing agent, for example ammonium or urea, via a supply line 12 and can be controlled via a signal line 14 coming from a control device 13 is. All reducing agent injection valves 11 can be controlled with the aid of the control device 13, as indicated by further signal lines coming from the control device 13. The control device 13 is given the machine cycle, as indicated by a signal line 15. For this purpose, the crankshaft can be tapped, for example. However, it would also be conceivable to use the signals which actuate the exhaust valves 2.
In any case, this ensures that the injection valves 11 are only actuated when the associated exhaust valve 2 is also open, that is, exhaust gas is expelled. The injection quantity can be predefined. However, it is also possible to individually specify the injection quantity as a function of the combustion conditions in the individual cylinders of each injection valve 11. For this purpose, the control device 13 is provided with corresponding data, e.g. the combustion chamber temperature, as indicated in FIG. 1 by the signal line 16.
The catalyst arrangement 17 and collecting duct arrangement 26 arranged in the housing 9 of the exhaust manifold 4 is, as can be seen from FIG. 2, divided into two catalyst sections 17a, 17b and collecting duct sections 26a, 26b flanking an outlet chamber 18 arranged in the middle of the exhaust collector 4 which goes off the exhaust pipe 6 which carries off the exhaust gas. The result is a construction that is mirror-image to a central radial plane of symmetry.
The two sections 17a, b of the catalyst arrangement each consist of a plurality of catalyst elements arranged one behind the other and constructed in a manner known per se in the manner of a static mixer, which are spaced apart from one another here by spacers 19. NOx catalyst elements 20 are primarily provided. In the example shown, each catalyst section 17a, b has, in addition to the NOx catalyst elements 20, an additional oxidation catalyst element 21, by means of which soot particles can be removed. The oxidation catalyst elements 21 are arranged here at the exhaust gas inlet of the respectively assigned catalyst sections 17a, b. However, another positioning, for example in the area of the exhaust gas outlet, would also be conceivable.
As indicated in FIG. 2 by arrows drawn with solid lines, the catalyst elements 20, 21 are flowed through parallel to the longitudinal axis of the housing 9, with opposite directions of flow toward one another with respect to the two sections 17a, b.
1 and 3, the catalytic converter elements 20, 21 have a segment cross-section which is designed as an open ring segment towards the outlet area of the exhaust pipe 3 and is eccentrically placed in the exhaust manifold 4 and which lies on the outside against the inner circumference of the tubular housing 9 of the exhaust manifold 4 , This cross-section in the form of a ring segment is here, as can be clearly seen in FIGS. 1 and 3, designed as a polygonal path which is open towards the outlet area of the exhaust pipe 3, which facilitates the manufacture and assembly of the catalyst elements 20, 21.
To accommodate the catalytic converter elements 20, 21, the housing 9 of the exhaust manifold 4 is provided in its areas assigned to the two catalytic converter sections 17a, b, each with a built-in partition wall 22, which has a contour following the inner contour of the ring segment cross section of the catalytic converter elements 20, 21 and accordingly a first one separates eccentric channel 23 with a cross section corresponding to the cross section of the catalytic converter elements 20, 21 from a second channel which takes up the remaining cross section of the interior of the housing 9.
Every second channel forms a collecting shaft section 26a or 26b, which is assigned to the respectively adjacent catalyst section 17a or 17b and which is arranged upstream of this in the flow direction of the exhaust gas and into which a respectively assigned number of exhaust ports 3 open. Appropriately, each collecting shaft section 26a, b is assigned half of the exhaust ports 3 and thus half of the cylinders 1. Flow through the collecting shaft sections 26a, b in the opposite direction to the respectively assigned catalyst section 17a, b, as indicated in FIG. 2 by arrows drawn with broken lines.
The catalyst elements 20, 21 of the respectively assigned catalyst section 17a, b can be inserted into each first channel 23. This takes place from the ends of the housing 9 with the cover 10 removed in each case. In this way, the two sections 17a, b of the catalytic converter arrangement can be constructed independently of one another. The ring segment contour of the catalytic converter elements 20, 21 corresponding to an open polygon line, as shown in FIGS. 1 and 3, results in edges and straight surfaces extending between them, to which slide rails 24 provided in the area of the partition wall 22 and the inner circumference of the housing 9 can be assigned , on which the assigned catalyst elements 20, 21 can be inserted into the respectively assigned channel.
The catalytic converter elements inserted into the respective assigned channel bear against fixed stops 19a in the insertion direction at the front and are held in the insertion direction at the rear by retaining strips 25 which can be detachably fixed to the partition 22.
The second channels, formed by the partition walls 22, which act as collecting shaft sections 26a, b have, as can best be seen from FIG. 1, a central channel area which is coaxial with the housing 9 and which merges radially into an entry slot which follows one another opens out in a funnel shape. The diffuser-like end pieces 7 of the exhaust pipe 3 protruding into the housing 9 are arranged in such a way that they blow into the inlet slot of the respectively assigned collecting shaft section 26a, b. In the example shown, their axes are on a plane of symmetry containing the longitudinal axis of the housing 9, which results in an inlet flow directed towards the centering of the central channel region.
The second channels, which act as collecting shaft sections 26a, b, are closed off from the outlet chamber 18 by side walls 27 attached to the partitions 22 on the end side. The first channels 23 assigned to the catalyst elements 20, 21 are open to the outlet chamber 18. Both the first channels 23 and the second channels forming the collecting shaft sections 26a, 26b are open in the region of the respectively opposite, cover-side section end. The partition walls 22 each end at a distance from the adjacent cover 10, as a result of which the rearmost catalyst element in the insertion direction also has a corresponding distance from the adjacent cover 10.
This results in deflection chambers 28 in the region of the ends of the housing 9, through which each catalytic converter section 17a, b is connected in terms of flow with the respectively assigned collecting shaft section 26a, b upstream.
This results in a flow path on each side of the outlet chamber 18 from the exhaust pipe 3 via the respectively associated collecting shaft section 26a, b and the respective catalytic converter section 17a, b to the outlet chamber 18. The flow path from the exhaust pipe 3 into the respectively assigned collecting shaft section 26a, b Blown-in exhaust gas flows, as indicated in FIG. 2 by arrows drawn with broken lines, first to the deflection chambers 28 arranged in the region of the ends of the housing 9 and from there, as indicated in FIG. 2 by arrows drawn with solid lines the respectively assigned section 17a, b of the catalytic converter arrangement to the outlet chamber 18.
The collecting shaft sections 26a, b provided on both sides of the outlet chamber 18 are connected to one another by a connecting shaft 29 which extends below the outlet chamber 18. A window-shaped passage 30 is provided between the connecting shaft 29 and the outlet chamber 18, to which a shut-off element 31 is assigned, through which the passage 30 can be closed or opened, as indicated by broken lines in FIG. 2. The shut-off element 31 can be designed as a wing or louvre flap arrangement. The shut-off device 31 is expediently drivable by means of a motor 32 shown in FIG. 3.
As soon as the shut-off device 31 is opened, there is a flow path which bypasses the catalyst sections 17a, b and leads directly from the collecting shaft sections 26a, b into the outlet chamber 18. This is used when, for example, the exhaust gas turbocharger is to be supplied with increased power at short notice. The same applies if a fault occurs in the catalytic converter area. If such a fault only exists in one of the two catalytic converter sections 17a, b, the shut-off device 31 is only partially opened, so that only the exhaust gas volume flow associated with the disrupted catalytic converter section 17a or b reaches the outlet chamber 18 directly and that to the other catalytic converter section 17b or a assigned exhaust gas volume flow is guided over the assigned catalytic converter section and cleaned accordingly.
Of course, only the exhaust gas flowing over the assigned catalytic converter section 17a or b is acted upon with reducing agent. The injection valves 11 assigned to the respective exhaust section 3 assigned to the other section are switched off.