DE102005056422A1 - Abgasführung bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Abgasführung bei einer Brennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Zylinderbänken, wobei die Abgaskanäle jeweils einer Zylinderbank in ein gemeinsames Abgassammelrohr münden und wobei die Abgasführung stromab ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung von zumindest NO¶x¶, bestehend aus zumindest einem Hydrolysekatalysator und zumindest einem SCR-Katalysator, enthält. Die Anordnung sieht vor, dass die Abgassammelrohre über die Turbinen von Abgasturboladern jeweils mit Abgasrohren verbunden sind, die in einen beiden Zylinderbänken gemeinsamen Vorschalldämpfer münden, in den ein Oxidationskatalysator und ein Hydrolysekatalysator integriert sind, und der Vorschalldämpfer stromab mit einem Hauptschalldämpfer verbunden ist, in den ein SCR-Katalysator integriert ist.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist die Abgasführung bei einer Brennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Zylinderbänken, wobei die Abgaskanäle jeweils einer Zylinderbank in ein gemeinsames Abgassammelrohr münden und wobei die Abgasführung stromab ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung von zumindest NOx, bestehend aus zumindest einem Hydrolysekatalysator und zumindest einem SCR-Katalysator enthält.
  • Bei heute üblichen Diesel-Brennkraftmaschinen für Nutzfahrzeuge ist es aus Gründen der Umweltverträglichkeit notwendig, die Anteile der Stickoxide auf ein Minimum zu begrenzen. Zu diesem Zweck sind Abgasnachbehandlungssysteme vorgesehen, bei denen mittels Dosiereinrichtung stromauf eines im Abgasstrang angeordneten Hydrolysekatalysators Harnstofflösung in das heiße Abgas eindosierbar ist, wobei diese dann im Hydrolysekatalysator in Ammoniak umgesetzt wird. Stromab zum Hydrolysekatalysator ist ein SCR-Katalysator vorgesehen, der mit Hilfe des im Hydrolysekatalysator erzeugten Ammoniaks die eigentliche Reduktion der Stickoxide (NOx) bewirkt. Solche Systeme sind z. B. aus der DE 40 38 054 A1 bekannt.
  • In Ersatz der bei Temperaturen unter –11,5 Grad Celsius einfrierenden und damit in der Verwendung problematischen wässrigen Harnstofflösung ist es ferner bekannt, Ammoniakträger in fester Form z. B. festen Harnstoff vorzusehen, der stromauf eines entsprechenden Hydrolysekatalysator dem Abgasstrom zuführbar ist. Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der DE 102 52 734 A1 bekannt.
  • Aus der DE 101 23 359 A1 ist es schließlich bekannt, den Hydrolysekatalysator im Vorschalldämpfer und den SCR-Katalysator im Hauptschalldämpfer einer Brennkraftmaschine anzuordnen.
  • Aus thermischen Gründen sind derartige Abgasnachbehandlungssysteme möglichst nahe am Abgassammelrohr der Brennkraftmaschine platziert.
  • Zum Antrieb von Nutzfahrzeugen werden im oberen Leistungsbereich häufig Brennkraftmaschinen mit V-förmig angeordneten Zylinderbänken eingesetzt. Bei diesen Brennkraftmaschinen verlaufen üblicherweise zwei Abgassammelrohre jeweils an den Außenseiten parallel zu den Zylinderbänken, es bietet sich daher an, jeweils einen Hydrolysekatalysator in möglichst kurzer Entfernung stromab des jeweiligen Abgassammelrohres anzuordnen. Eine derartige Anordnung wirft aber das Problem auf, dass sich einerseits der Aufwand für die Abgasnachbehandlung zur Beseitigung der NOx Anteile, insbesondere für die vom Gesetzgeber in Verbindung mit der EURO 4 bzw. EURO 5 Abgasnorm geforderten elektronischen Überwachung der Funktionsfähigkeit des Abgasnachbehandlungssystems, nahezu verdoppelt und andererseits bei Nutzfahrzeugen wie Lastkraftwagen in dem fraglichen Bereich der verfügbare Bauraum gering bemessen ist.
    •
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, für Brennkraftmaschinen mit V-förmiger Anordnung der Zylinderbänke eine Abgasführung anzugeben, die die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeidet.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
  • Bei der Lösung der Aufgabe wird davon ausgegangen, dass die Abgassammelrohre über jeweils eine Turbine eines Abgasturboladers mit Abgasrohren verbunden sind, die in einen beiden Zylinderbänken gemeinsamen Vorschalldämpfer münden, in den ein Hydrolysekatalysator und ein Oxidationskatalysator integriert sind. An den Vorschalldämpfer schließt sich stromab ein Hauptschalldämpfer mit integriertem SCR-Katalysator an.
  • Bei einer derartigen Konstruktion ist in vorteilhafter Weise der Aufwand für das Abgasnachbehandlungssystem und insbesondere die damit verbundenen Kontroll-, Überwachungs- und Steuereinrichtungen auf ein Minimum begrenzt. Gleichzeitig wird der Platzbedarf für die Anordnung vorteilhaft dadurch minimiert, dass die Abgasstränge nach den Turbinen der Abgasturbolader zusammengefasst sind und Hydrolysekatalysator und Oxidationskatalysator bzw. SCR-Katalysator jeweils integrale Bestandteile des Vorschalldämpfers bzw. des Hauptschalldämpfers bilden.
  • Zur Reduzierung des Fertigungsaufwandes bei den Katalysatoren besteht die Möglichkeit, diese vorteilhaft aus mehreren gleichen Modulen aufzubauen.
  • Um die thermische Anbindung insbesondere des Hydrolysekatalysators zu optimieren kann es von Vorteil sein, die Abgasrohre zumindest teilweise mit einer Wärmeisolation auszustatten, wodurch neben den thermischen Vorteilen für die Hydrolyse gleichzeitig die im Motorraum eines Nutzfahrzeuges notwendigen thermischen Abschirmungen empfindlicher Bauteile erreicht wird, so dass gesonderte Abschirmmaßnahmen entfallen können.
    •
  • Ein Beispiel der Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Die Darstellung zeigt dabei in Prinzipdarstellung eine Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem.
  • Basis der gezeigten Anordnung ist eine zum Antrieb von Nutzfahrzeugen, insbesondere solchen mit hoher Leistung, häufig verwendete Brennkraftmaschinen 1 mit V-förmig angeordneten Zylinderbänken 2.1, 2.2. Bei derartigen Brennkraftmaschinen werden die in den Zylinderbänken 2.1, 2.2 beim Verbrennungsvorgang freiwerdenden Abgase über Auslasskanäle (nicht dargestellt) und Abgaskrümmer 3.1, 3.2 Abgassammelrohern 4.1, 4.2 zugeführt. Die Abgassammelrohre 4.1, 4.2 verlaufen parallel zu den Zylinderbänken 2.1, 2.2 und sind im gezeigten Beispiel mit ihren Enden an den Einlass jeweils einer Turbine 5.1, 5.2 jeweils eines Abgasturboladers 6.1, 6.2 angeschlossen. Von den Ausgängen der Turbinen 5.1, 5.2 führt jeweils ein Abgasrohr 7.1, 7.2 zu einem beiden Abgasrohren 7.1, 7.2 und damit beiden Zylinderbänken 2.1, 2.2 gemeinsamen Vorschalldämpfer 8. Im Vorschalldämpfer 8 befinden sich, neben den für die Schalldämpfung notwendigen Anordnungen (nicht dargestellt), ein aus zwei Modulen bestehender Oxidationskatalysator 9, ein Hydrolysekatalysator 10 und stromauf des Hydrolysekatalysators eine Zuführung 11, die mit einer außerhalb des Vorschalldämpfers 8 angeordneten Dosiereinrichtung 12 verbunden ist. Der Ausgang des Vorschalldämpfers 8 ist mit einem Hauptschalldämpfer 13 verbunden, in dem, ebenfalls neben den nicht dargestellten für die Schalldämpfung notwendigen Anordnungen, ein beispielsweise aus fünf Modulen bestehender SCR-Katalysator 14 integriert ist. Die Abgasführung endet nach dem Hautschalldämpfer 13 in der umgebenden Atmosphäre.
  • Der in der vorstehenden Darstellung der Abgasführung erwähnte Oxidationskatalysator 9 kann aus mehreren parallel oder nacheinander durchströmten Modulen bestehen, im Beispiel sind zwei parallel durchströmte Module dargestellt. Wie aus dem Stande der Technik bekannt, besteht die Aufgabe des Oxidationskatalysators (9) darin, das im Abgas enthaltene NO in NO2 umzuwandeln um die spätere Umwandlung in Stickstoff positiv zu beeinflussen.
  • Die Aufgabe des Hydrolysekatalysator, der ebenfalls aus mehreren parallel oder nacheinander durchströmten Modulen bestehen könnte, im Beispiel jedoch als ein Bauteil ausgeführt ist, besteht, wie ebenfalls bekannt, darin, das über die Zuführung 11 aus der Dosiereinrich tung 12 zugeführte Reduktionsmittel – üblicherweise wässrige Harnstofflösung oder Harnstoff in fester Form – möglichst vollständig in NH3 und CO2 umzuwandeln.
  • Die Dosierung des Reduktionsmittels wird, wie bei solchen Anordnungen üblich, über eine auf die Dosiereinrichtung 12 wirkende elektronische Steuereinheit 15 bewerkstelligt, die über ihre Eingänge mit Sensoren 16, 17.1, 17.2, 18, 19 verbunden ist, die einerseits Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wie Drehzahl, Fahrpedalstellung, Temperatur usw. (Sensor 16) und andererseits, an verschiedenen Stellen des Abgassystems, Betriebsparameter im Abgassystem der Brennkraftmaschine, wie Druck, Abgastemperatur und NOx-Gehalt (Sensoren 17.1, 17.2, 18, 19), erfassen. Die dem Abgas zuzumessende Menge an Reduktionsmittel wird dabei aus den von der elektronischen Steuereinheit 15 ermittelten Betriebsparametern und in der elektronischen Steuereinheit 15 gespeicherten Kennfeldern ermittelt. Das mit Ammoniak angereicherte Abgas wird vom Vorschalldämpfer 8 dem Hauptschalldämpfer 13 zugeleitet, wo die Reduktion des im Abgas enthaltenen NOx mit Hilfe des SCR-Katalysator in bekannter Weise erfolgt.
  • Zu den bei der Abgasnachbehandlung ablaufenden bekannten chemischen Vorgängen wird auf die in der Beschreibungseinleitung genannten Veröffentlichung verwiesen.
  • Die Überwachung der Funktionsfähigkeit des Abgasreinigungssystems erfolgt ebenfalls mittel der elektronischen Steuereinheit 15 z.B. indem der über Sensoren 17.1, 17.2, 18, 19 erfasste NOx-Gehalt des Abgases vor und nach den Katalysatoren von der Steuereinheit 15 verglichen wird. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Steuereinheit 15 Teil der Motorsteuereinheit sein kann, so dass durch diese auch die Gemischbildung der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung der im Abgastrakt mittels der Sensoren 17.1, 17.2, 18, 19 ermittelten Betriebsparameter steuerbar ist.
  • Zur Abschirmung des Abgases gegen Wärmeverlust können die Abgasrohre 7.1, 7.2, wie in der Zeichnung durch zu den Abgasrohre 7.1, 7.2, parallele Striche angedeutet, mit einer Isolierung 20.1, 20.2 versehen sein. Die Abschirmung der Abgasrohre 7.1, 7.2 gegen Wärmeverlust kann deshalb notwenig werden, weil das Abgas auf der Wegstrecke zwischen den Turbinen 5.1, 5.2 und dem Hydrolysekatalysator 10 zu stark abkühlen würde und so die Umsetzung vom z. B. wässriger Harnstofflösung in Ammoniak, für die hohe Abgastemperaturen erforderlich sind, nicht in der notwendigen Weise erfolgen könnte.
  • Durch die gewählte Konstruktion wird einerseits die Abschirmung wärmeempfindlicher Bereiche des Fahrzeugs und andererseits der Schutz des Abgases vor zu hohem Wärmeverlust auf dem Weg bis zum Hydrolysekatalysator, in idealer Weise erreicht.
  • Das vorstehend beschriebene Beispiel lässt sich selbstverständlich mit dem Fachmann zugänglichem Fachwissen auf vielfältige Weise ausgestalten, ohne den grundlegenden erfinderischen Gedanken zu verlassen, es kommt diesen Ausführungsformen somit nur Beispielcharakter zu.

Claims (3)

  1. Abgasführung bei einer Brennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Zylinderbänken, wobei die Abgaskanäle jeweils einer Zylinderbank (2.1, 2.2) in ein gemeinsames Abgassammelrohr (4.1, 4.2) münden und wobei die Abgasführung stromab ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung von zumindest NOx bestehend aus zumindest einem Hydrolysekatalysator (10) und zumindest einem SCR-Katalysator (14) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Abgassammelrohr (4.1, 4.2) an seinem Ende mit dem Einlass je wenigstens einer Turbine (5.1, 5.2) wenigstens eines Abgasturboladers (6.1, 6.2) verbunden ist, die Turbine (5.1, 5.2) stromab an jeweils ein Abgasrohr (7.1, 7.2) angeschlossen ist und die beiden Abgasrohre (7.1, 7.2) in einen, beiden Zylinderbänken (2.1, 2.2) gemeinsamen Vorschalldämpfer (8) münden, der intern einen Hydrolysekatalysator (10) und wenigstens einen Oxidationskatalysator (9) aufweist und dem stromab ein Hauptschalldämpfer (13) mit wenigstens einem integrierten SCR-Katalysator (14) folgt.
  2. Abgasführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolysekatalysator (10) und/oder der Oxidationskatalysator (9) und/oder der SCR-Katalysator (14) aus jeweils mehreren parallel oder nacheinander durchströmten Modulen besteht.
  3. Abgasführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrohre (7.1, 7.2) zumindest in Teilen eine Wärmeisolation (20.1, 20.2) aufweisen.
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