DE102013105055A1

DE102013105055A1 - Abgasanlage

Info

Publication number: DE102013105055A1
Application number: DE102013105055.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Friedrich Christian; Bernd Fuhrmann; Tobias Inclán Garcia
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: DE102013105055B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage 1 zur Reinigung eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine mit einem Krümmer 1.1, mit einer in Strömungsrichtung nach dem Krümmer 1.1 angeordneten Abgasturbine 1.2, mit einem in Strömungsrichtung nach der Abgasturbine 1.2 angeordneten Abgasrohr 2 und mit einer in Strömungsrichtung nach dem Abgasrohr 2 angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit 3, wobei ein Zuführmittel 4 zum Zuführen eines Additivs in die Abgasanlage 1 vorgesehen ist, wobei die Abgasnachbehandlungseinheit 3 motornah angeordnet ist, wobei das Zuführmittel 4 als Verdampfer ausgebildet ist und eine Pumpe 5 vorgesehen ist, über die der Verdampfer 4 mit Additiven beschickbar ist, wobei zum einen der Verdampfer 4 mit Bezug zu der Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasturbine 1.2 oder in der Abgasturbine 1.2 oder nach der Abgasturbine 1.2 angeordnet ist, wobei wahlweise ein Strömungselement 6, 7 vorgesehen ist, das mit Bezug zu der Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Verdampfer 4 und vor der Abgasnachbehandlungseinheit 3 angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasanlage zur Reinigung eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine mit einem Krümmer, mit einer in Strömungsrichtung nach dem Krümmer angeordneten Abgasturbine, mit einem in Strömungsrichtung nach der Abgasturbine angeordneten Abgasrohr und mit einer in Strömungsrichtung nach dem Abgasrohr angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit wie ein Katalysatorgehäuse, wobei ein Zuführmittel zum Zuführen eines Additivs in die Abgasanlage vorgesehen ist.
Zur Regeneration von Katalysatoren, Partikelfiltern und/oder LNTs wird flüssiger Sekundärkraftstoff in den Abgasstrang, also stromab der Brennkraftmaschine in das Abgas eingeleitet. Bei dieser sogenannten diskontinuierlichen Regeneration entsteht beim Kontakt der ungesättigten Kohlenwasserstoffe mit dem Oxidationskatalysator eine exotherme Reaktion und dadurch eine Erhöhung der Temperatur des Abgases. Dabei werden Temperaturen oberhalb von 600°C erreicht, sodass eine Umsetzung durch Verbrennung, beispielsweise von Ruß, möglich ist. Die Reduktionsmittelzufuhr kann dabei separat erfolgen. Es ist aber auch bekannt, unverbrannte Kraftstoffanteile aus der Verbrennungskraftmaschine direkt in die Abgasleitung einzuführen, sodass diese auf den Oxidationskatalysator treffen.
Für die Einspritzung von Sekundärkraftstoff in eine Abgasanlage zur diskontinuierlichen Regeneration ist in der DE 103 21 105 A1 eine Einspritzdüse stromauf eines Turboladers beschrieben, wobei der Turbolader beziehungsweise das Turbinenrad als Mischelement genutzt wird.
Auch gemäß der DE 10 2004 048 338 A1 kann die Einspritzeinrichtung stromauf der Abgasturbine, also zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasturbine, im Abgasstrang angeordnet sein. Die Positionierung der Einspritzeinrichtung stromauf der Abgasturbine hat nach dieser Druckschrift noch den weiteren Vorteil, dass stromauf der Abgasturbine höhere Abgastemperaturen herrschen, was eine Verdampfung des eingespritzten Sekundärkraftstoffs unterstützt.
Nach der DE 10 2009 013 664 A1 ist ein Kraftstoffverdampfer vorgesehen, über den Kraftstoff in den Abgasstrom zur Reinigung des Abgases mittels Katalysatoren eingebracht wird. Durch zunehmend magerere Kraftstoffgemische stellen sich im Abgas relativ hohe Sauerstoffkonzentrationen und Stickoxidkonzentrationen ein, die mittels Speicherkatalysatoren gereinigt werden, wobei in regelmäßigen Abständen zum Abbau der Stickoxide eine reduzierende Atmosphäre durch einzubringenden Kraftstoff erzeugt werden muss. Der Kraftstoffverdampfer wird zwecks Verbrennung der entstehenden Ölkohle mit Luft beschickt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage mit einem Zuführmittel zum Zuführen von Kraftstoff derart auszubilden und anzuordnen, dass optimale Reaktionsbedingungen erreicht werden.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Abgasnachbehandlungseinheit motornah angeordnet ist, wobei das Zuführmittel als thermischer Verdampfer ausgebildet ist und eine Pumpe vorgesehen ist, über die der Verdampfer mit Additiv beschickbar ist, wobei der Verdampfer in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasturbine und/oder in der Abgasturbine und/oder nach der Abgasturbine und vor der Abgasnachbehandlungseinheit angeordnet ist, wobei wahlweise ein als Mischelement oder als Drallvernichter ausgebildetes Strömungselement vorgesehen ist, das mit Bezug zu der Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Verdampfer und vor der Abgasnachbehandlungseinheit platziert ist.
Die Definition ”motornah” umfasst mit Bezug auf die Abgasführung einen maximalen Abstand zum Turbinenausgang von 30 cm bis 60 cm, insbesondere 30 cm bis 40 cm oder 30 cm bis 35 cm. Das heißt die Abgasnachbehandlungseinheit weist zum Turbinenausgang einen Abstand von maximal 30 cm bis 35 cm auf, innerhalb dessen ggf. der Verdampfer angeordnet ist. Bei kleinem Abstand im Bereich zwischen 30 cm und 40 cm ist die zur Verfügung stehende Mischstrecke für das Additiv relativ kurz, insbesondere wenn der Verdampfer nach der Abgasturbine platziert ist. Innerhalb dieses Abstandes sind ggf. noch andere Abgaskomponenten angeordnet, die die zur Verfügung stehende Mischstrecke weiter verkürzen. Durch die gasförmige Einbringung des Additivs mittels des Verdampfers kann eine optimale Einmischung in das Abgas trotz der kurzen Mischstrecke gewährleistet werden.
Hierdurch wird erreicht, dass die Verteilung im Abgas verbessert wird, weil das Additiv in Form von Dampf gasförmig eingebracht wird und dadurch eine schnellere Beschleunigung auf die Abgasgeschwindigkeit in der Abgasturbine möglich ist. Ein weiterer thermodynamischer Vorteil ist, dass Dampf schneller erwärmt wird, als das beim Vorliegen von Tropfen der Fall ist. Beim Dampf geht der für die Verdampfung notwendige Energiebetrag gegen Null, sodass das Abgas keine Abkühlung erfährt. Mit diesem thermodynamischen Vorteil geht der Effekt einher, dass das zugeführte Additiv die abgasseitigen Reaktionsbedingungen nahezu nicht verändert. Damit geht auch ein verbessertes Aufwärmeerhalten des Katalysators einher.
Bei einer motornahen Anordnung der Abgasnachbehandlungseinheit bzw. des Katalysatorgehäuses ist die Mischstrecke zwischen der Abgasturbine und dem Katalysatorgehäuse sehr kurz. Zudem sind die Strömungsverhältnisse unmittelbar nach der Abgasturbine nicht optimal, weil sie sehr hohe Drallanteile aufweisen.
Durch den Verdampfer als motorunabhängige Dosiereinheit für Additive bzw. Kraftstoff wird beispielsweise während des Regenerationszyklus des Partikelfilters, bei dem zur Verbrennung der gefilterten Rußpartikel Kraftstoff exotherm umgesetzt wird, die mit der durch Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer einhergehende Ölverdünnung stark reduziert. Denn bei der Nacheinspritzung lagert sich auch Kraftstoff an der kühlen Zylinderwand ab, der dann über die Kolbenringe in den Ölkreislauf gelangt und dort zur Ölverdünnung führt. Mithin werden häufige Ölwechsel vermieden.
Die relativ hohen Abgastemperaturen vor der Abgasturbine erhöhen zwar das Risiko der Verkokung des Verdampfers, jedoch findet durch die Abgasturbine eine bessere, mithin homogene Einmischung in den Abgasstrom statt. Eine homogene Vermischung des Kraftstoffdampfes mit dem Abgas ist erforderlich, um eine vollständige Filterregeneration zu erreichen. Zudem werden heiße Stellen, sogenannte Hotspots, auf dem Katalysator und im Rußfilter vermieden. Zusätzlich wird durch die dampfförmige Einbringung des Kraftstoffs, im Gegensatz zur Einspritzung in flüssiger Form, der Erosionsgrad der Turbinenschaufeln maßgeblich reduziert. Der zum Stand der Technik bereits genannte Vorteil einer begünstigten Verdampfung kommt nicht zum Tragen, weil das Additiv ja bereits dampfförmig eingebracht wird.
Für den Verdampfer ist im Gegensatz zu dem Einsatz eines Injektors auch keine Kühlung notwendig. Im Gegenteil: Die motornah herrschenden Temperaturen sind der Funktionsweise des Verdampfers dienlich.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn das Mischelement in Strömungsrichtung nach dem Verdampfer und vor der Abgasnachbehandlungseinheit angeordnet ist und/oder wenn der Drallvernichter in Strömungsrichtung nach der Abgasturbine und vor dem Verdampfer angeordnet ist. Das Mischelement fördert die Durchmischung im Hinblick auf eine homogene Gemischbildung von Abgas und Additiv. Der Drallvernichter fördert durch Reduktion des Dralls bzw. durch Homogenisierung des Strömungsverlaufs der aus der Abgasturbine austretenden Abgasströmung ebenfalls die Gemischbildung. Eine erhöhte Konzentration in Wandnähe des Abgasrohres wird somit verhindert.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der Verdampfer eine Zuführleitung für Additive und ergänzend hierzu eine Kraftstoffleitung aufweist, über die er mit Kraftstoff beschickbar ist. Der Kraftstoff dient bei einem Regenerations- bzw. Reinigungsprozess des Verdampfers der Verbrennung der Ablagerungen beziehungsweise Verkokungsrückstände. Der Kraftstoff wird zusammen mit den Ablagerungen unter Zufuhr von Luft exotherm umgesetzt.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Additiv ein Reduktionsmittel wie eine Harnstoffwasserlösung vorsieht. Mittels des darin enthaltenen Ammoniaks werden im SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction) Stickoxide im Abgas reduziert.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Verdampfer zum Erzeugen der Wärme eine Glühkerze, einen Laser, einen Mikrowellengenerator, eine Induktionsspule und/oder einen Ultraschallgenerator aufweist.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Verdampfer eine Kammer für das einzubringende Additiv mit einem Druckgasanschluss aufweist. Dieser dient zum Einführen von Spülgas in die Kammer oder zum Einführen von Luft zwecks Reinigung der Kammer.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Verdampfer zwecks Regeneration über den Druckgasanschluss mit Druckluft aus einer Ladeluftleitung versorgbar ist. Die Luftversorgung dient zur Unterstützung der Verbrennung der Ablagerungen innerhalb des Verdampfers. Die Ladeluftleitung weist insbesondere nach dem Ladeluftverdichter ein ausreichendes Druckniveau auf, sodass die Ladeluft ohne weitere Pumpen oder ähnliches zugeführt werden kann. Zweck Gewährleistung der Verbrennungs- bzw. Zündtemperatur des so gebildeten Kraftstoff-Luftgemisches werden die Heizmittel des Verdampfers aktiviert.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die Kammer zwecks Einbringung des Additivs in die Abgasanlage oder zwecks Spülung der Kammer über den Druckgasanschluss mit Abgas beaufschlagbar ist. Der stromauf zur Verfügung stehende Abgasdruck kann zum Spülen der Kammer und/oder zum Einbringen des Additivs eingesetzt werden. Mit dem Spülen mittels Abgas geht auch eine Temperaturerhöhung einher, die für einen nachgeschalteten Reinigungsprozess vorteilhaft ist.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn die Abgasnachbehandlungseinheit als Katalysator, als Partikelfilter, als LNT-Katalystor (lean nitrogen oxides trap) oder als SCR-Katalysator ausgebildet ist. Die Abgasnachbehandlungseinheit muss oftmals im Horizontalstrang zwischen der Abgasturbine und dem Unterboden angeordnet werden. Die hierbei zur Verfügung stehenden Abgasrohrlängen, mithin Mischstrecken, sind auf wenige Dezimeter beschränkt. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau kann die Abgasnachbehandlungseinheit wirkungsvoll platziert werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen 1 bis 3c einen prinzipiellen Aufbau einer Abgasanlage mit Verdampfer in verschiedenen Positionen.
Die 1 bis 3c zeigen den prinzipiellen Aufbau einer Abgasanlage 1 bestehend aus einem Krümmer 1.1, einer an den Krümmer in Strömungsrichtung des Abgases anschließenden Abgasturbine 1.2 und einem in Strömungsrichtung des Abgases an die Abgasturbine 1.2 anschließenden Abgasrohr 2, an das wiederum eine Abgasnachbehandlungseinheit 3 anschließt, die über ein weiteres Abgasrohr 2' mit der nicht weiter dargestellten Abgasanlage strömungstechnisch verbunden ist. Die so gebildete Abgasanlage 1 weist ein als Verdampfer ausgebildetes Zuführmittel 4 auf. Das Zuführmittel 4 besitzt eine Kammer 4.1, die über eine Additivleitung 5.1 beziehungsweise eine daran angeschlossene Pumpe 5 mit Additiven wie Kraftstoff beziehungsweise Diesel oder eine Wasserharnstofflösung versorgbar ist. Ferner weist das als Verdampfer ausgebildete Zuführmittel 4 einen Druckgasanschluss 4.2 auf, über den es mit Luft beziehungsweise Ladeluft oder auch Abgas versorgbar ist. Nach den dargestellten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Zuführleitung 4.3 um eine Ladeluftleitung und/oder eine Abgasleitung.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der Verdampfer 4 unmittelbar in den Krümmer 1.1 integriert, sodass das dort eingebrachte Additiv zusammen mit dem Abgasstrom durch die Abgasturbine 1.2 gefördert wird und dann über das Abgasrohr 2 in die Abgasnachbehandlungseinheit 3, wie beispielsweise einen Katalysator, einströmt. Zudem ist eine Kraftstoffleitung 8 vorgesehen, über die Kraftstoff zwecks Reinigung des Verdampfers 4 eingebracht werden kann. Wenn es sich bei dem Additiv um Kraftstoff handelt, wird dieser über die Additivleitung 5.1 zugeführt. Die Kraftstoffleitung 8 ist dann nicht notwendig.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Verdampfer 4 in die Abgasturbine 1.2 integriert. Von dort aus wird das Additiv zusammen mit dem Abgasstrom über das Abgasrohr 2 zur Abgasnachbehandlungseinheit 3 gefördert. Vor der Abgasnachbehandlungseinheit 3 ist ein Mischelement 6 vorgesehen, durch welches eine weitere Vermischung des dampfförmigen Additivs mit dem Abgasstrom erfolgt.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 3a ist der Verdampfer 4 mit Bezug auf die Strömung des Abgases nach der Abgasturbine 1.2 angeordnet. Das Additiv wird somit in die Abgasleitung 2 beziehungsweise den darin geführten Abgasstrom eingebracht. In Strömungsrichtung des Abgases nach dem Verdampfer 4 ist ebenfalls das Mischelement 6 vorgesehen, durch das der aus der Abgasturbine 1.2 austretende Abgasstrom homogenisiert wird, bevor dieser in die Abgasnachbehandlungseinheit 3 beziehungsweise den Katalysator 3 geführt wird.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 3b ist der Verdampfer 4 wie in Ausführungsbeispiel 3a in der Abgasleitung 2 nach der Abgasturbine 1.2 platziert. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 3a ist vor dem Verdampfer 4 ein Drallvernichter 7 vorgesehen, der den aus der Abgasturbine 1.2 austretenden Abgasstrom vor dem Zumischen des verdampften Additivs homogenisiert und somit die Gemischbildung fördert.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 3c sind sowohl das Mischelement 6 als auch der Drallvernichter 7 wie nach den Ausführungsbeispielen 3a und 3b vorgesehen. Die Einmischstelle des Verdampfers 4 befindet sich demnach unmittelbar nach dem Drallvernichter 7 und vor dem Mischelement 6. Bei der hier beschriebenen Abgasnachbehandlungseinheit 3 handelt es sich entweder um einen Katalysator zur exothermen Verbrennung von Kraftstoff zwecks Regeneration eines im Nachgang des Katalysators vorgesehenen Partikelfilters oder um einen Partikelfilter, dem mit dem Abgasstrom eine verdampfte Wasser-Harnstofflösung zugeführt wird oder um einen LNT-Konverter oder um einen SCR-Katalysator.
In den Ausführungsbeispielen gemäß 2 bis 3c ist die Kraftstoffleitung 8 nicht dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Abgasanlage
1.1: Krümmer
1.2: Abgasturbine
2: Abgasrohr
2': Abgasrohr
3: Abgasnachbehandlungseinheit
4: Zuführmittel, Verdampfer
4.1: Kammer
4.2: Druckgasanschluss
4.3: Ladeluftleitung, Abgasleitung, Zuführleitung
5: Pumpe
5.1: Additivleitung, Kraftstoffleitung
6: Strömungselement, Mischelement
7: Strömungselement, Drallvernichter
8: Kraftstoffleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10321105 A1 [0003]
DE 102004048338 A1 [0004]
DE 102009013664 A1 [0005]

Claims

Abgasanlage (1) zur Reinigung eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine mit einem Krümmer (1.1), mit einer in Strömungsrichtung nach dem Krümmer (1.1) angeordneten Abgasturbine (1.2), mit einem in Strömungsrichtung nach der Abgasturbine (1.2) angeordneten Abgasrohr (2) und mit einer in Strömungsrichtung nach dem Abgasrohr (2) angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit (3), wobei ein Zuführmittel (4) zum Zuführen eines Additivs in die Abgasanlage (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (3) mit Bezug zu der Strömungsrichtung des Abgases mit einem maximalen Abstand zum Turbinenausgang von 30 cm bis 60 cm angeordnet ist, wobei das Zuführmittel (4) als Verdampfer ausgebildet ist und eine Pumpe (5) vorgesehen ist, über die der Verdampfer (4) mit Additiven beschickbar ist, wobei der Verdampfer (4) mit Bezug zu der Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasturbine (1.2), in der Abgasturbine (1.2) oder nach der Abgasturbine (1.2) und vor der Abgasnachbehandlungseinheit (3) angeordnet ist, wobei wahlweise ein als Mischelement (6) oder als Drallvernichter (7) ausgebildetes Strömungselement (6, 7) vorgesehen ist, das mit Bezug zu der Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Verdampfer (4) und vor der Abgasnachbehandlungseinheit (3) platziert ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischelement (6) in Strömungsrichtung nach dem Verdampfer (4) und vor der Abgasnachbehandlungseinheit (3) angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallvernichter (7) in Strömungsrichtung nach der Abgasturbine (1.2) und vor dem Verdampfer (4) angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) eine Zuführleitung (5.1) für Additiv und ergänzend hierzu eine Kraftstoffleitung (8) aufweist, über die er mit Kraftstoff beschickbar ist.
Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Additiv ein Reduktionsmittel vorgesehen ist.
Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) zum Erzeugen der Wärme eine Glühkerze, einen Laser, einen Mikrowellengenerator, eine Induktionsspule und/oder einen Ultraschallgenerator aufweist.
Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) eine Kammer (4.1) für das einzubringende Additiv mit einem Druckgasanschluss (4.2) aufweist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4) zwecks Regeneration über den Druckgasanschluss (4.2) mit Druckluft aus einer Ladeluftleitung (4.3) versorgbar ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (4.1) zwecks Einbringung des Additivs in die Abgasanlage (1) oder zwecks Spülung der Kammer (4.1) über den Druckgasanschluss (4.2) mit Abgas beaufschlagbar ist.
Abgasanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (3) als Katalysator, als Partikelfilter, als LNT oder als SCR ausgebildet ist.