DE102014016419A1 - Abgaskatalysator - Google Patents

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DE102014016419A1
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Ulrich Deisenhofer
Matthias Söngen
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Abstract

Abgaskatalysator (10), insbesondere SCR-Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine, mit einem Schnittstellenmodul (11), welches einen Zulauf (14) für zu reinigendes Abgas und einen Ablauf (15) für gereinigtes Abgas umfasst; mit einem Umlenkungsmodul (12), welches der Umlenkung des zu reinigenden Abgases dient; und mit mindestens einem zwischen dem Schnittstellenmodul (11) und dem Umlenkungsmodul (12) positionierten Abgasreinigungsmodul (13), welches Katalysatorkörper (27) aufnimmt, die zur Abgasreinigung von Abgas durchströmt sind; wobei das Schnittstellenmodul (11) einen radial äußeren Strömungskanal (16), der von zu reinigendem Abgas durchströmt und mit dem Zulauf (14) gekoppelt ist, und einen radial inneren Strömungskanal (17), der von gereinigtem Abgas durchströmt und mit dem Ablauf (15) gekoppelt ist, aufweist; wobei das oder jedes Abgasreinigungsmodul (13) einen mit dem radial äußeren Strömungskanal (16) des Schnittstellenmoduls (11) fluchtenden bzw. kommunizierenden radial äußeren Strömungskanal (20) und einen mit dem radial inneren Strömungskanal (17) des Schnittstellenmoduls (11) fluchtenden bzw. kommunizierenden radial inneren Strömungskanal (21) aufweist, wobei in dem radial inneren Strömungskanal (21) des oder jedes Abgasreinigungsmoduls (13) die Katalysatorkörper (27) positioniert sind; wobei das Umlenkungsmodul (12) die Strömung von dem radial äußeren Strömungskanal (20) eines an dasselbe angrenzenden Abgasreinigungsmoduls (13) in den radial inneren Strömungskanal (21) desselben umlenkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator.
  • Bei Großmotoren, wie zum Beispiel bei Schiffsmotoren, kommt zunehmend eine Abgasreinigung über Abgaskatalysatoren zum Einsatz. Bislang handelt es sich dabei bei den Abgaskatalysatoren um individuell an die jeweilige Brennkraftmaschine angepasste Baugruppen. Es besteht Bedarf an einem Abgaskatalysator, der nicht speziell an eine Brennkraftmaschine angepasst ist, sondern in Kombination mit unterschiedlichen Brennkraftmaschinen genutzt werden kann.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Abgaskatalysator zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Abgaskatalysator nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst der Abgaskatalysator ein Schnittstellenmodul, welches einen Zulauf für zu reinigendes Abgas und einen Ablauf für gereinigtes Abgas umfasst; ein Umlenkungsmodul, welches der Umlenkung des zu reinigenden Abgases dient; und mindestens ein zwischen dem Schnittstellenmodul und dem Umlenkungsmodul positioniertes Abgasreinigungsmodul, welches Katalysatorkörper aufnimmt, die zur Abgasreinigung von Abgas durchströmt sind; wobei das Schnittstellenmodul einen radial äußeren Strömungskanal, der von zu reinigendem Abgas durchströmt und mit dem Zulauf gekoppelt ist, und einen radial inneren Strömungskanal, der von gereinigtem Abgas durchströmt und mit dem Ablauf gekoppelt ist, aufweist; wobei das oder jedes Abgasreinigungsmodul einen mit dem radial äußeren Strömungskanal des Schnittstellenmoduls fluchtenden bzw. kommunizierenden radial äußeren Strömungskanal und einen mit dem radial inneren Strömungskanal des Schnittstellenmoduls fluchtenden bzw. kommunizierenden radial inneren Strömungskanal aufweist, wobei in dem radial inneren Strömungskanal des oder jedes Abgasreinigungsmoduls die Katalysatorkörper positioniert sind; wobei das Umlenkungsmodul die Strömung von dem radial äußeren Strömungskanal eines an dasselbe angrenzenden Abgasreinigungsmoduls in den radial inneren Strömungskanal desselben umlenkt.
  • Die Erfindung schlägt einen Abgaskatalysator in Modulbauweise vor, der ein Schnittstellenmodul, ein Umlenkungsmodul und mindestens ein Abgasreinigungsmodul umfasst. Über die Anzahl der verwendeten Abgasreinigungsmodule kann der Abgaskatalysator an die jeweilige Brennkraftmaschine angepasst werden. Das Schnittstellenmodul dient der Anbindung des Abgaskatalysators an die jeweilige Brennkraftmaschine.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind zwischen dem Schnittstellenmodul und dem Umlenkungsmodul mehrere Abgasreinigungsmodule positioniert, welche stapelartig in Reihe hintereinander angeordnet sind, sodass die Katalysatorkörper der unterschiedlichen Abgasreinigungsmodule, die bezogen auf dasselbe Abgasreinigungsmodul parallel von Abgas durchströmt sind, in Serie hintereinander von Abgas durchströmt sind. Hiermit ist eine effektive, an die jeweilige Brennkraftmaschine anpassbare, mehrstufige Abgasreinigung möglich.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind der Zulauf des Schnittstellenmoduls und der Ablauf des Schnittstellenmoduls über einen Bypass koppelbar, wobei in den Bypass ein Bypassventil integriert ist, welches in geöffnetem Zustand Zulauf und Ablauf verbindet und in geschlossenem Zustand Zulauf und Ablauf trennt. Vorzugsweise ist in den Zulauf des Schnittstellenmoduls ein Ventil integriert, welches in geschlossenem Zustand bei geöffnetem Bypass den Zulauf des Schnittstellenmoduls von dem radial äußeren Strömungskanal desselben trennt. Hierdurch ist es möglich, im Bedarfsfall Abgas am Abgaskatalysator über den Bypass vorbeizuleiten. Über das dem Zulauf zugeordnete Ventil kann der Abgaskatalysator vollständig von der Abgasströmung abgetrennt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Schnittstellenmodul weiterhin eine Dosiereinrichtung für Ammoniak oder eine Ammoniakvorläufersubstanz, über die Ammoniak oder eine Ammoniakvorläufersubstanz in das zu reinigende Abgas einbringbar ist. Vorzugsweise ist über die Dosiereinrichtung des Schnittstellenmoduls das Ammoniak oder die Ammoniakvorläufersubstanz in den radial äußeren Strömungskanal des Schnittstellenmoduls einbringbar. Damit kann ein an unterschiedliche Brennkraftmaschinen anpassbarer SCR-Abgaskatalysator bereitgestellt werden.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Abgaskatalysators;
  • 2: eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators;
  • 3: eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators;
  • 4: einen Querschnitt durch 3;
  • 5: eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Abgaskatalysator;
  • 6: eine perspektivische Ansicht eines Abgasreinigungsmoduls des erfindungsgemäßen Abgaskatalysators.
  • Die Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator, insbesondere einen SCR-Abgaskatalysator, für eine Schiffsbrennkraftmaschine, die vorzugweise mit Diesel oder Schweröl betrieben wird.
  • Der erfindungsgemäße Abgaskatalysator 10 umfasst mindestens drei Module, nämlich ein Schnittstellenmodul 11, ein Umlenkungsmodul 12 und mindestens ein zwischen dem Schnittstellenmodul 11 und dem Umlenkungsmodul 12 positioniertes Abgasreinigungsmodul 13. Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwischen dem Schnittstellenmodul 11 und dem Umlenkungsmodul 12 mehrere, nämlich zwei, Abgasreinigungsmodule 13 stapelartig in Reihe hintereinander bzw. übereinander bzw. nebeneinander zwischen dem Schnittstellenmodul 11 und dem Umlenkungsmodul 12 positioniert.
  • Das Schnittstellenmodul 11 dient der Anbindung des Abgaskatalysators 10 an eine Brennkraftmaschine und verfügt über einen Zulauf 14 für zu reinigendes Abgas und einen Ablauf 15 für gereinigtes Abgas. Das Schnittstellenmodul 11 umfasst dabei einen radial äußeren Strömungskanal 16 (siehe 4) und einen radial inneren Strömungskanal 17, wobei der radial äußere Strömungskanal 16 von zu reinigendem Abgas durchströmt und mit dem Zulauf gekoppelt 14 ist, wohingegen der radial innere Strömungskanal 17 von gereinigtem Abgas durchströmt und mit dem Ablauf 15 gekoppelt ist. Das Schnittstellenmodul 11 verfügt dabei über eine doppelwandige Struktur aus einer Außenwand 18 und einer Innenwand 19, wobei der radial äußere Strömungskanal 16 radial außen von der Außenwand 18 und radial innen von der Innenwand 19 begrenzt ist, und wobei der radial innere Strömungskanal 17 radial außen von der Innenwand 19 des Schnittstellenmoduls 11 begrenzt ist.
  • Das oder jedes Abgasreinigungsmodul 13 umfasst ebenfalls eine doppelwandige Struktur mit einem radial äußeren Strömungskanal 20 und einem radial inneren Strömungskanal 21. Der radial äußere Strömungskanal 20 des jeweiligen Abgasreinigungsmoduls 13 wird radial außen von einer Außenwand 22 des jeweiligen Abgasreinigungsmoduls 13 und radial innen von einer Innenwand 23 desselben begrenzt. Der radial innere Strömungskanal 21 des jeweiligen Abgasreinigungsmoduls 13 wird radial außen von der jeweiligen Innenwand 23 des jeweiligen Abgasreinigungsmoduls 13 begrenzt.
  • Die radial äußeren Strömungskanäle 20 der Abgasreinigungsmodule 13 fluchten mit dem radial äußeren Strömungskanal 16 des Schnittstellenmoduls 11 und kommunizieren mit demselben und bilden so gemeinsam einen radial äußeren Strömungskanal für zu reinigendes Abgas ausgehend vom Schnittstellenmodul 11 in Richtung auf das Umlenkungsmodul 12.
  • Die radial inneren Strömungskanäle 21 der Abgasreinigungsmodule 13 fluchten mit dem radial inneren Strömungskanal 17 des Schnittstellenmoduls 11 und kommunizieren mit demselben und bilden so gemeinsam einen radial inneren Strömungskanal für gereinigtes Abgas ausgehend vom Umlenkungsmodul 12 in Richtung auf das Schnittstellenmodul 11.
  • Das Umlenkungsmodul 12, welches auf einer dem Schnittstellenmodul 11 gegenüberliegenden Seite der reihenartig kaskadierten bzw. stapelartig angeordneten Abgasreinigungsmodule 13 positioniert ist, dient der Umlenkung des zu reinigenden Abgases vom radial äußeren Strömungskanal in den radial inneren Strömungskanal, wobei das Umlenkungsmodul 12 die Strömung von dem äußeren Strömungskanal 20 des an das Umlenkungsmodul 12 unmittelbar angrenzenden Abgasreinigungsmoduls 13 in den inneren Strömungskanal 21 desselben umlenkt.
  • Das Umlenkungsmodul 12 verfügt über eine Außenwand 24 und eine Bodenwand 25, wobei im Bereich der Bodenwand 25 ein nach innen in Richtung auf das angrenzende Abgasreinigungsmodul 13 gerichteter Umlenkungskörper 26 ausgebildet ist, welcher der Strömungsumlenkung dient.
  • Jeweils benachbarte Module des Schnittstellenmoduls 11, des Umlenkungsmoduls 12 und des oder jedes zwischen denselben positionierten Abgasreinigungsmoduls 13 sind an aneinandergrenzen Flanschen 34 miteinander verbunden.
  • Jedes Abgasreinigungsmodul 13 nimmt innen im Bereich des jeweiligen radial inneren Strömungskanals 21 mehrere keramische Katalysatorkörper 27 auf, die zur Abgasreinigung von Abgas durchströmt sind. Diese Katalysatorkörper 27 werden auch als Honeycombs bezeichnet und verfügen jeweils über mehrere von Abgas zur Abgasreinigung durchströmte Kanäle. Die Katalysatorkörper 27 eines jeden Abgasreinigungsmoduls 13 sind dabei parallel von Abgas durchströmt, wohingegen die Katalysatorkörper 27 benachbarter bzw. unterschiedlicher Abgasreinigungsmodule 13 seriell bzw. in Reihe von dem zu reinigendem Abgas durchströmt sind.
  • Jedes Abgasreinigungsmodul 13 des Abgaskatalysators 10 bildet demnach eine Abgasreinigungsstufe. Über die Anzahl der stapelartig angeordneten und zwischen dem Schnittstellenmodul 11 und dem Umlenkungsmodul 12 positionierten Abgasreinigungsmodule 13 kann die Anzahl der Abgasreinigungsstufen bestimmt und damit der Abgaskatalysator 10 an die konkrete Brennkraftmaschine einfach angepasst werden.
  • Der Zulauf 14 des Schnittstellenmoduls 11 und der Ablauf 15 desselben sind im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel über einen Bypass 28 koppelbar, wobei in den Bypass 28 ein Bypassventil 29 integriert ist. Über den Bypass 28 kann bei geöffnetem Bypassventil 29 Abgas am Abgaskatalysator 10 vorbeigeführt werden.
  • Das Bypassventil 29 kann mit Hilfe eines Aktuators 30 zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung überführt werden, wobei dann, wenn sich das Bypassventil 29 in einem geöffneten Zustand befindet, Zulauf 14 und Ablauf 15 verbunden sind, wohingegen dann, wenn das Bypassventil 29 einen geschlossenen Zustand aufweist, dasselbe Zulauf 14 und Ablauf 15 voneinander trennt.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ferner in den Zulauf 14 stromabwärts der Abzweigung des Bypasses 28 ein Ventil 31 integriert, welches über einen Aktuator 32 zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position überführt werden kann. Um dann, wenn bei geöffnetem Bypass 28 Abgas am Abgaskatalysator 10 vorbeigeführt wird, ein Einströmen von Abgas über den Zulauf 14 in den radial äußeren Strömungskanal 16 des Schnittstellenmoduls 11 des Abgaskatalysator 10 vollständig zu vermeiden, kann bei geöffnetem Bypass 28 das Ventil 31 geschlossen werden.
  • Vorzugsweise handelt es sich beim erfindungsgemäßen Abgaskatalysator 10 um einen SCR-Katalysator. In diesem Fall umfasst dann das Schnittstellenmodul 11 weiterhin eine Dosiereinrichtung 33 für Ammoniak oder eine Ammoniakvorläufersubstanz, über die Ammoniak oder eine Ammoniakvorläufersubstanz in das zu reinigende Abgas eingebracht werden kann, nämlich in den radial äußeren Strömungskanal 16 des Schnittstellenmoduls 11. Das zu reinigende Abgas und das Ammoniak bzw. die Ammoniakvorläufersubstanz werden demnach bereits im radial äußeren Strömungskanal 16 des Schnittstellenmoduls 11 gemischt, wobei das Abgas und das Ammoniak bzw. die Ammoniakvorläufersubstanz gemeinsam die radial äußeren Strömungskanäle 20 der Abgasreinigungsmodule 13 durchströmen und im Bereich des Umlenkmoduls 12 gemeinsam umgelenkt werden, um im Anschluss über die Katalysatorkörper 27 der Abgasreinigungsmodule 13, die in den radial inneren Strömungskanälen 21 derselben angeordnet sind, zu durchströmen. Ausgehend vom radial inneren Strömungskanal 17 des Schnittstellenmoduls 11 kann gereinigtes Abgas über den Ablauf 15 vom Abgaskatalysator 10 abgeführt werden.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel münden der Zulauf 14 für zu reinigendes Abgas und die Dosiereinrichtung 33 für das Ammoniak bzw. die Ammoniakvorläufersubstanz jeweils in radialer Richtung in den radial äußeren Strömungskanal 16 des Schnittstellenmoduls 11. Dabei ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die Dosiereinrichtung 33 für das Ammoniak bzw. die Ammoniakvorläufersubstanz etwa diametral gegenüberliegend zum Zulauf 14 positioniert.
  • Die genaue Anordnung von Zulauf 14 und Dosiereinrichtung 33 sowie die genaue Ausrichtung derselben relativ zu der Außenwand 18 kann variieren, ist jedoch auf eine optimale Durchmischung des Ammoniaks oder der Ammoniakvorläufersubstanz mit dem Abgas bereits im radial äußeren Strömungskanal 16 des Schnittstellenmoduls 11 ausgelegt.
  • Bei einer Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel einer Schiffsdieselbrennkraftmaschine, wird je Zylinderbank vorzugsweise ein derartiger Abgaskatalysator 10 verwendet.
  • Selbstverständlich ist im Rahmen der Erfindung auch die Ausbildung eines Moduls für zwei Zylinderbänke möglich.
  • Die radial äußeren Strömungskanäle 16, 20 von Schnittstellenmodul 11 und Abgasreinigungsmodulen 13 verlaufen konzentrisch zu den radial inneren Strömungskanälen 17, 21 derselben, wobei die radial äußeren Strömungskanäle 16 entgegengesetzt zu den radial inneren Strömungskanälen 17 durchströmt sind. Das Umlenkungsmodul 12 dient der Strömungsumlenkung vom radial äußeren Strömungskanal 20 des unmittelbar benachbarten Abgasmoduls 13 in den radial inneren Strömungskanal 21 desselben.
  • In das Umlenkungsmodul 12 kann eine nicht gezeigte Schmutzauffangeinrichtung integriert sein, um im Abgas enthaltene Verunreinigungen aufzufangen.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Abgaskatalysator
    11
    Schnittstellenmodul
    12
    Umlenkungsmodul
    13
    Abgasreinigungsmodul
    14
    Zulauf
    15
    Ablauf
    16
    Strömungskanal
    17
    Strömungskanal
    18
    Außenwand
    19
    Innenwand
    20
    Strömungskanal
    21
    Strömungskanal
    22
    Außenwand
    23
    Innenwand
    24
    Außenwand
    25
    Bodenwand
    26
    Umlenkeinrichtung
    27
    Katalysatorkörper
    28
    Bypass
    29
    Bypassventil
    30
    Aktuator
    31
    Ventil
    32
    Aktuator
    33
    Dosiereinrichtung
    34
    Flansch

Claims (8)

  1. Abgaskatalysator (10), insbesondere SCR-Abgaskatalysator einer Brennkraftmaschine, mit einem Schnittstellenmodul (11), welches einen Zulauf (14) für zu reinigendes Abgas und einen Ablauf (15) für gereinigtes Abgas umfasst; mit einem Umlenkungsmodul (12), welches der Umlenkung des zu reinigenden Abgases dient; mit mindestens einem zwischen dem Schnittstellenmodul (11) und dem Umlenkungsmodul (12) positionierten Abgasreinigungsmodul (13), welches Katalysatorkörper (27) aufnimmt, die zur Abgasreinigung von Abgas durchströmt sind; wobei das Schnittstellenmodul (11) einen radial äußeren Strömungskanal (16), der von zu reinigendem Abgas durchströmt und mit dem Zulauf (14) gekoppelt ist, und einen radial inneren Strömungskanal (17), der von gereinigtem Abgas durchströmt und mit dem Ablauf (15) gekoppelt ist, aufweist; wobei das oder jedes Abgasreinigungsmodul (13) einen mit dem radial äußeren Strömungskanal (16) des Schnittstellenmoduls (11) fluchtenden bzw. kommunizierenden radial äußeren Strömungskanal (20) und einen mit dem radial inneren Strömungskanal (17) des Schnittstellenmoduls (11) fluchtenden bzw. kommunizierenden radial inneren Strömungskanal (21) aufweist, wobei in dem radial inneren Strömungskanal (21) des oder jedes Abgasreinigungsmoduls (13) die Katalysatorkörper (27) positioniert sind; wobei das Umlenkungsmodul (12) die Strömung von dem radial äußeren Strömungskanal (20) eines an dasselbe angrenzenden Abgasreinigungsmoduls (13) in den radial inneren Strömungskanal (21) desselben umlenkt.
  2. Abgaskatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Abgasreinigungsmodul (13) mehrere parallel von Abgas durchströmte Katalysatorkörper (27) aufnimmt.
  3. Abgaskatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schnittstellenmodul (11) und dem Umlenkungsmodul (12) mehrere Abgasreinigungsmodule (13) positioniert sind, welche stapelartig in Reihe hintereinander angeordnet sind, sodass die Katalysatorkörper (27) unterschiedlicher Abgasreinigungsmodule (13) in Serie hintereinander von Abgas durchströmt sind.
  4. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkungsmodul (12) an einer Bodenwand (25) ein Umlenkungskörper (26) aufweist.
  5. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (14) des Schnittstellenmoduls (11) und der Ablauf (15) des Schnittstellenmoduls (11) über einen Bypass (28) koppelbar sind, wobei in den Bypass (28) ein Bypassventil (29) integriert ist, welches in geöffnetem Zustand Zulauf (14) und Ablauf (15) verbindet und in geschlossenem Zustand Zulauf (14) und Ablauf (15) trennt.
  6. Abgaskatalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zulauf (14) des Schnittstellenmoduls (11) ein Ventil (31) integriert ist, welches in geschlossenem Zustand bei geöffnetem Bypass (28) den Zulauf (14) des Schnittstellenmoduls (11) von dem radial äußeren Strömungskanal (16) desselben trennt.
  7. Abgaskatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul (11) weiterhin eine Dosiereinrichtung (33) für Ammoniak oder eine Ammoniakvorläufersubstanz umfasst, über die Ammoniak oder eine Ammoniakvorläufersubstanz in das zu reinigende Abgas einbringbar ist.
  8. Abgaskatalysator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass über die Dosiereinrichtung (33) des Schnittstellenmoduls (11) das Ammoniak oder die Ammoniakvorläufersubstanz in den radial äußeren Strömungskanal (16) des Schnittstellenmoduls (11) einbringbar ist.
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