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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Nachbehandlung von Abgas gemäß Anspruch 1 sowie eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 10.
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Anordnungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Dabei ist typischerweise wenigstens ein Abgasnachbehandlungselement zur Reinigung von Abgas, insbesondere von Abgas einer Brennkraftmaschine, vorgesehen, und außerdem eine Abgasturbolader-Einrichtung, durch welche Strömungsenergie des Abgases zur Aufladung insbesondere einer Brennkraftmaschine nutzbar gemacht werden kann. Dabei zeigt sich, dass die Brennkraftmaschine, die Abgasturbolader-Einrichtung und das Abgasnachbehandlungelement typischerweise separat voneinander als gesonderte Aggregate vorgesehen sind. Insbesondere sind das Abgasnachbehandlungselement und die Abgasturbolder-Einrichtung durch eine Verrohrung voneinander separiert. Nachteilig hieran ist, dass eine solche Anordnung einen hohen Bauraumbedarf aufweist und zugleich große Wärmeverluste insbesondere im Bereich der Verrohrung zeigt. Dies ist ganz besonders der Fall bei Brennkraftmaschinen, die als Großmotoren ausgebildet sind und eine solche Anordnung aufweisen. Sollen bei gegebenem Bauraum alle Aggregate möglichst platzsparend untergebracht werden, ergibt sich aus dieser Forderung eine eingeschränkte Funktionalität, wobei beispielsweise auf bestimmte Abgasnachbehandlungselemente verzichtet werden muss.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweist. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche diese Nachteile nicht aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dadurch, dass das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement und die Abgasturbolader-Einrichtung miteinander integral angeordnet sind, ergibt sich eine kompakte, bauraumsparende Bauweise und zugleich ein deutlich verringerter Wärmeverlust. Zugleich weist die Anordnung eine verbesserte Funktionalität auf, was sich zum einen aus den geringeren Wärmeverlusten und zum anderen aus der Möglichkeit ergibt, die Anordnung ohne Funktionalitätsverlust kompakt und bauraumsparend auszugestalten. Gerade aufgrund ihres geringen Bauraumbedarfs ist die Anordnung nahe an einer Brennkraftmaschine, insbesondere unmittelbar an einer Brennkraftmaschine anordenbar, wodurch sich ein insgesamt höheres Temperaturniveau des Abgases in der Anordnung ergibt. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Abgasreinigung und außerdem die Verwendung von Kraftstoffen mit höheren Schwefelgehalten, insbesondere im Fall von marinen Anwendungen, beispielsweise die Verwendung von marinem Rückstandsöl. Sind mehrere Abgasnachbehandlungselemente vorgesehen, ist von diesen wenigstens eines mit der Abgasturbolader-Einrichtung integral angeordnet. Es ist möglich, dass mehr als ein Abgasnachbehandlungselement mit der Abgasturbolader-Einrichtung integral angeordnet sind. Insbesondere ist es möglich, dass alle Abgasnachbehandlungselemente mit der Abgastrbolader-Einrichtung integral angeordnet sind.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Anordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Abgasnachbehandlungselement und die Abgasturbolader-Einrichtung unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind. Insbesondere sind die Elemente unmittelbar miteinander verbunden, ohne dass eine Verrohrung zwischen ihnen vorgesehen ist. Gerade durch diese Ausgestaltung kann ein Wärmeverlust im Bereich der Anordnung deutlich reduziert werden.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Anordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement in einem unmittelbar an die Abgasturbolader-Einrichtung grenzenden Abgasnachbehandlungsgehäuse angeordnet ist. Bevorzugt ist das Abgasnachbehandlungsgehäuse unmittelbar mit der Abgasturbolader-Einrichtung verbunden, insbesondere ohne eine Verrohrung zwischen diesen Elementen. Das Gehäuse ermöglicht bevorzugt eine thermische Isolation sowie außerdem einen mechanischen Schutz des wenigstens einen Abgasnachbehandlungselements.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Anordung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die wenigstens eine Abgasturbolader-Einrichtung und das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement gemeinsam in einem Gesamtgehäuse angeordnet sind. Diese Ausgestaltung stellt eine maximale Integration der verschiedenen Elemente miteinander dar, sodass die Anordnung besonders kompakt und bauraumsparend ausgebildet ist. Außerdem wird der Wärmeverlust zusätzlich dadurch minimiert, dass die Elemente gemeinsam in einem Gesamtgehäuse angeordnet sind. Dabei wird vorzugsweise ein modularer Aufbau realisiert.
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Insbesondere ist vorzugsweise das Gesamtgehäuse mit verschiedenen Abgasnachbehandlungselementen und/oder Abgasturbolader-Einrichtungen modular bestückbar. Es kann eine Art Baukastenprinzip verwirklicht werden, sodass die Anordnung je nach Anforderung individuell für eine bestimmte Brennkraftmaschine oder eine bestimmte Verwendung einer Brennkraftmaschine zusammengestellt werden kann. Die Integration aller Elemente in einem Gesamtgehäuse verbessert auch eine Wartungsfreundlichkeit der Anordnung, wodurch Service- und/oder Wartungskosten sowie -zeiten sinken.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Anordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Abgasnachbehandlungsgehäuse und/oder das Gesamtgehäuse thermisch isolierend ausgebildet ist/sind. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungsgehäuse und/oder das Gesamtgehäuse einen Berstschutz für die Anordnung bereitstellt/bereitstellen. Bevorzugt weist/weisen das Abgasnachbehandlungsgehäuse und/oder das Gesamtgehäuse eine thermisch isolierende Wandung auf. Dabei weist die Wandung vorzugsweise wenigstens ein thermisches Isolationsmaterial auf. Auf diese Weise kann der Wärmeverlust im Bereich der Anordnung nochmals deutlich reduziert werden. Die zusätzliche Isolation trägt insbesondere zu einer höheren Abgasenthalpie bei, was zugleich die Wirksamkeit des Abgasnachbehandlungselements steigert. Durch einen Berstschutz wird insbesondere die Umgebung der Anordnung vor aufgrund einer Druckbelastung berstenden Teilen des Abgasnachbehandlungelements oder aufgrund mechanischer Belastung berstenden Teilen der Abgasturbolader-Einrichtung geschüzt. Dies erhöht deutlich die Sicherheit der Anordnung.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Anordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Abgasnachbehandlungselement ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Oxidationskatalysator, einem Katalysator mit selektiv katalytisch reduzierend wirkendem Material (SCR-Katalysator) zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas, einer Kombination aus einem SCR-Katalysator und einem Ammoniakschlupfverringerungselement (ammoniak slip catalyst – ASC), einem Partikelfilter, und einer Dosiereinrichtung zur Eindosierung von einem Agens in einen Abgasstrom. Selbstverständlich sind auch beliebige Kombinationen dieser verschiedenen Abgasnachbehandlungselemente miteinander möglich. Insbesondere die genannten Katalysatoren, also der Oxidationskatalysator, der SCR-Katalysator und das Ammoniakschlupfverringerungselement profitieren von der höheren Abgasenthalpie und dem geringeren Wärmeverlust im Bereich der Anordnung. Die Dosiereinrichtung kann so angeordnet sein, dass die Abgasturbolader-Einrichtung als Mischstrecke zur Durchmischung des Agens mit dem Abgas verwendet wird. Hierdurch kann eine besonders innige und effiziente Vermischung erzielt werden.
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Die Dosiereinrichtung ist bevorzugt zur Eindosierung eines Agens eingerichtet, das ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak, ist. Alternativ ist es möglich, dass die Dosiereinrichtung eingerichtet ist zur Eindosierung eines als Kohlenwasserstoff oder als Kohlenwasserstoffgemisch ausgebildeten Agens. Das Reduktionsmittel ist dabei vorzugsweise so ausgewählt, dass mit seiner Hilfe oder mithilfe von Abbauprodukten des Reduktionsmittels in dem Abgasstrom, Stickoxide im Bereich des SCR-Katalysators reduziert werden können. Der Kohlenwasserstoff oder das Kohlenwasserstoffgemisch dient vorzugsweise einer Umsetzung in dem Abgasstrom, besondere bevorzugt an einem Oxidationskatalysator, um die Enthalpie in dem Abgasstrom bedarfsgerecht zu erhöhen.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Anordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Abgasturbolader-Einrichtung einstufig oder mehrstufig, insbesondere als einstufiger oder als mehrstufiger Abgasturbolader ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Abgasturbolader-Einrichtung als zweistufiger Abgasturbolader ausgebildet. Es ist auch möglich, dass die Abgasturbolader-Einrichtung eine Mehrzahl voneinander separater Abgasturbolader aufweist, insbesondere zwei separate Abgasturbolader. Eine zweistufige Abgasturbolader-Einrichtung oder eine Abgasturbolader-Einrichtung, welche zwei separate Abgasturbolader umfasst, weist vorzugsweise einen Hochdruckaufladebereich und einen Niederdruckaufladebereich, insbesondere eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine auf. Dabei ist die Hockdruckturbine – entlang eines Abgasstroms gesehen – stromaufwärts der Niederdruckturbine angeordnet. Die Abgasturbolader-Einrichtung kann auch als Einrichtung zur Register-Aufladung ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, dass mehrere Abgasturbolader parallel zueinander und/oder seriell hintereinander angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass ein Hochdruckturbolader vorgesehen ist, dem zwei zueinander parallel geschaltete Niederdruckturbolader nachgeordnet sind. Solche Ausgestaltungen sind für sich genommen bekannt, sodass hier nicht näher darauf eingegangen wird.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Anordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist ein Oxidationskatalysator und/oder eine Dosiereinrichtung für ein Agens stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet. Alternativ ist es möglich, dass das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist. Dabei ist stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung besonders bevorzugt ein SCR-Katalysator angeordnet, insbesondere dann, wenn stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung eine Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel angeordnet ist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Anordnung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine angeordnet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist/sind eine Dosiereinrichtung für einen Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch und/oder ein Oxidationskatalysator zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine angeordnet.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Anordnung bevorzugt, bei dem ein erstes Abgasnachbehandlungselement zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine angeordnet ist, wobei ein zweites Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist. Dabei ist besonders bevorzugt eine Dosiereinrichtung, beispielsweise für einen Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch, stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet, wobei ein Oxidationskatalysator zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine angeordnet ist. In diesem Fall dient die Hochdruckturbine als Mischeinrichtung zur Durchmischung des eindosierten Agens mit dem Abgasstrom, wobei das Agens dann in dem Oxidationskatalysator umgesetzt wird. Alternativ ist es möglich, dass die Dosiereinrichtung zur Eindosierung eines Reduktionsmittels ausgebildet ist, wobei zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine ein SCR-Katalysator angeordnet ist. Auch in diesem Fall dient die Hochdruckturbine als Mischstrecke für das Reduktionsmittel, welches dann mit dem Abgas in dem SCR-Katalysator umgesetzt wird.
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Es ist auch möglich, dass zwischen der Hockdruckturbine und der Niederdruckturbine zusätzlich ein weiteres Abgasnachbehandlungselement, beispielsweise eine zusätzliche Dosiereinrichtung, angeordnet ist. Hierdurch kann unmittelbar stromaufwärts des anderen Abgasnachbehandlungselements, also beispielsweise des Oxidationskatalysators oder des SCR-Katalysators, weiteres Agens in den Abgasstrom eindosiert werden.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein erstes Abgasnachbehandlungselement zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine angeordnet ist, wobei ein zweites Abgasnachbehandlungselement stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist. In diesem Zusammenhang wird besonders eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine ein Hochtemperatur-SCR-Katalysator, insbesondere mit einem Eisen-Zeolith-Material, angeordnet ist, wobei stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung ein Niedertemperatur-SCR-Katalysator, insbesondere mit einem Kupfer-Zeolith-Material, angeordnet ist.
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Bevorzugt ist ein – entlang der Anordnung in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – zuletzt angeordneter SCR-Katalysator zumindest bereichsweise mit einem Material beschichtet, welches geeignet ist zur katalytischen Umsetzung von Ammoniak zu Stickstoff und Wasser. Ein solcher ASC-Katalysator kann einen Ammoniakschlupf der Anordnung deutlich reduzieren.
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Es wird auch ein Ausfühungsbeispiel bevorzugt, bei dem zusätzlich oder alternativ die Abgasturbolader-Einrichtung ein Material aufweist, welches geeignet ist zur – vorzugsweise katalytischen – Oxidation von Ammoniak. Auf diese Weise kann der Ammoniakschlupf besonders effizient reduziert werden. Bevorzugt weisen ein Gehäuse der Abgasturbolader-Einrichtung, insbesondere ein Spiraleintritt in eine Turbine, und/oder ein Laufrad derselben ein solches Material auf. Es ist möglich, dass das Material als Beschichtung auf die entsprechenden Teile der Abgasturbolader-Einrichtung aufgebracht ist. Alternativ ist es möglich, dass die entsprechenden Teile aus einem solchen Material bestehen. Die hier beschriebene Ausgestaltung wird besonders bevorzugt bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein SCR-Katalysator zwischen einer Hochdruck-Turbine und einer Niederdruckturbine der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist, wobei in diesem Fall bevorzugt die Niederdruckturbine an ihrem Gehäuse und/oder ihrem Laufrad das Ammoniak-umsetzende Material aufweist. In diesem Fall kann eine ASC-Beschichtung an dem SCR-Katalysator eingespart werden.
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Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein erstes Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist, wobei ein zweites Abgasnachbehandlungselement zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine angeordnet ist, wobei ein drittes Abgasnachbehandlungselement stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist dabei stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung eine Dosiereinrichtung, insbesondere für ein Reduktionsmittel, angeordnet, wobei zwischen der Hochdruckturbine und der Niederdruckturbine ein Hochtemperatur-SCR-Katalysator angeordnet ist, und wobei stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung ein Niedertempertur-SCR-Katalysator angeordnet ist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung ein Partikelfilter angeordnet ist.
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Für Ausführungsbeispiele, bei dem wenigstens ein erstes Abgasnachbehandlungselement an einer ersten Position stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist, wobei wenigstens ein zweites Abgasnachbehandlungselement an einer zweiten Position zwischen einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine angeordnet ist, wobei wenigstens ein drittes Abgasnachbehandlungselement an einer dritten Position stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung angeordnet ist, sind insbesondere folgende Kombinationen möglich:
Gemäß einer ersten Kombination ist an der ersten Position eine Dosiereinrichtung für einen Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch angeordnet, an der zweiten Position ist ein Oxidationskatalysator angeordnet, und an der dritten Position ist ein Partikelfilter, bevorzugt ein beschichteter Partikelfilter (coated Diesel Particulate Filter – cDPF), angeordnet.
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Gemäß einer zweiten Kombination ist an der ersten Position eine Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak, angeordnet, an der zweiten Position ist ein Hochtemperatur-SCR-Katalysator angeordnet, und an der dritten Position ist ein Niedertemperatur-SCR-Katalysator, bevorzugt in Kombination mit einem Partikelfilter, besonders bevorzugt einem beschichteten Partikelfilter (coated Diesel Particulate Filter – cDPF), angeordnet, wobei es möglich ist, dass der Partikelfilter mit einem SCR-aktiven Katalysatormaterial beschichtet ist. In diesem Fall kann auf einen separaten Niedertemperatur-SCR-Katalysator verzichtet werden.
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Gemäß einer dritten Kombination ist an der ersten Position eine Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak, angeordnet, an der zweiten Position ist ein Hochtemperatur-SCR-Katalysator angeordnet, und an der dritten Position ist ein Oxidationskatalysator, bevorzugt in Kombination mit einem Partikelfilter, bevorzugt einem beschichteten Partikelfilter (coated Diesel Particulate Filter – cDPF), angeordnet, wobei es möglich ist, dass der Partikelfilter mit einem oxidativen Katalysatormaterial beschichtet ist. In diesem Fall kann auf einen separaten Oxidationskatalysator verzichtet werden.
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Gemäß einer vierten Kombination ist an der ersten Position ein Oxidationskatalysator angeordnet, an der zweiten Position ist eine Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak, angeordnet, und an der dritten Position ist ein SCR-Katalysator angeordnet.
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Gemäß einer fünften Kombination ist an der ersten Position eine Dosiereinrichtung für einen Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch angeordnet, an der zweiten Position ist eine Kombination aus einem Oxidationskatalysator und einer stromabwärts von diesem vorgesehenen Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel, insbesondere für eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak, angeordnet, und an der dritten Position ist ein SCR-Katalysator oder ein mit einem SCR-Katalysatormaterial beschichteter Partikelfilter angeordnet.
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Gemäß einer sechsten Kombination ist an der ersten Position eine Kombination aus einer Dosiereinrichtung für einen Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch und einem Oxidationskatalysator angeordnet, an der zweiten Position ist eine Kombination aus einer Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel, insbesondere für eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak, mit einem SCR-Katalysator angeordnet, und an der dritten Position ist eine Kombination aus einem SCR-Katalysator und einem Partikelfilter angeordnet. Dabei ist es möglich, dass das dritte Abgasnachbehandlungselement als mit einem SCR-Katalysatormaterial beschichteter Partikelfilter ausgebildet ist. In diesem Fall kann hier auf einen separaten SCR-Katalysator verzichtet werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 geschaffen wird. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich aus durch eine Anordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Anordnung beschrieben wurden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Anordnung unmittelbar an der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Anordnung an der Brennkraftmaschine montiert, insbesondere an dieser befestigt. Dies erweist sich als thermisch besonders günstig, weil so ein Wärmeverlust der Anordnung minimiert und Abwärme der Brennkraftmaschine zur Aufrechterhaltung einer Abgastemperatur in der Anordnung genutzt werden kann. Insbesondere ist die Anordnung sehr nahe an der Brennkraftmaschine und damit im Bereich einer Umgebung mit höherer Temperatur angeordnet, wodurch sich bei gegebenem Abgasmassenstrom eine höhere Dichte des Abgases am Ort des wenigstens einen Abgasnachbehandlungselements ergibt. Hierdurch sinkt bei gegebenem Abgasmassenstrom der Abgasvolumenstrom. Dies ermöglicht eine kleinere Bauweise des wenigstens einen Abgasnachbehandlungselements, da ein Quotient des Abgasvolumenstroms geteilt durch das Volumen des Abgasnachbehandlungselements gleich bleibt, wenn der Abgasvolumenstrom und in gleichem Maße das Volumen des Abgasnachbehandlungselements abnehmen. Zugleich ermöglicht das höhere Temperaturniveau unmittelbar im Bereich der Brennkraftmaschine eine größere Aktivität einer Beschichtung des Abgasnachbehandlungselements und/oder eine bessere Verdampfung von einzudosierenden Agenzien.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschine in einem Personenkraftwagen oder in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Lastkraftwagen, vorgesehen, bevorzugt zu dessen Antrieb. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmachine mit einer Anordnung;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Anordnung;
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Anordnung;
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4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Anordnung;
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5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Anordnung; und
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6 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Anordnung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einer Anordnung 3, die ein Abgasnachbehandlungselement 5 und eine Abgasturbolader-Einrichtung 7 aufweist. Das Abgasnachbehandlungselement 5 und die Abgasturbolader-Einrichtung 7 sind integral miteinander ausgebildet, wobei sie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar aneinandergrenzen. Sie sind insbesondere unmittelbar miteinander verbunden, ohne dass eine Verrohrung zwischen dem Abgasnachbehandlungselement 5 und der Abgasturbolader-Einrichtung 7 vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich für die Anordnung 3 eine kompakte, kleine Bauform, wobei zugleich ein Wärmeverlust im Bereich der Anordnung 3 minimiert und insbesondere zwischen dem Abgasnachbehandlungselement 5 und der Abgasturbolader-Einrichtung 7 vermieden wird.
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Die Anordnung 3 ist in einem Abgasstrang 9 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Dabei ist sie bevorzugt so nah wie möglich an der Brennkraftmaschine 1 angeordnet, insbesondere unmittelbar an dieser befestigt. Hierdurch ergeben sich thermische Vorteile, weil zum einen nur eine höchstens sehr kurze Fluidverbindung zwischen einem Brennraum der Brennkraftmaschine und der Anordnung 3 besteht, sodass in der Fluidverbindung keine großen Wärmeverluste auftreten können, und wobei zum anderen die von der Brennkraftmaschine 1 abgestrahlte Abwärme von der unmittelbar an dieser angeordneten Anordnung 3 aufgenommen werden kann, wobei dies einer Abkühlung von Abgas in der Anordnung 3 entgegenwirkt.
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Aufgrund der im Vergleich zu einer konventionellen Anordnung erhöhten Abgastemperatur steht der Abgasturbolader-Einrichtung 7 eine erhöhte Abgasenthalpie zur Verfügung, was die Aufladung der Brennkraftmaschine 1 begünstigt. Außerdem erhöht sich die Effizienz und Aktivität des Abgasnachbehandlungselements 5 aufgrund des höheren Temperaturniveaus.
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Das Abgasnachbehandlungselement 5 ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Oxidationskatalysator, einem SCR-Katalysator, einem SCR-Katalysator mit einer einen Ammoniakschlupf reduzierenden katalytischen Beschichtung, einem Partikelfilter, und einer Dosiereinrichtung zur Eindosierung von einem Agens in einen Abgasstrom. Dabei ist die Dosiereinrichtung bevorzugt eingerichtet zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak. Es ist auch möglich, dass die Dosiereinrichtung eingerichtet ist zur Eindosierung eines Kohlenwasserstoffs oder eines Kohlenwasserstoffgemischs. Vorzugsweise weist die Anordnung 3 eine Mehrzahl von Abgasnachbehandlungselementen 5 auf, wobei die Zusammenstellung der Abgasnachbehandlungselemente 5 vorzugsweise aus den zuvor genannten Gruppenmitgliedern kombiniert ist.
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Die Abgasturbolader-Einrichtung 7 ist bevorzugt einstufig oder mehrstufig ausgebildet. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Abgasturbolader-Einrichtung 7 zweistufig ausgebildet ist. Es ist auch möglich, dass die Abgasturbolader-Einrichtung 7 eine Mehrzahl separater Abgasturbolader – gegebenenfalls eine Mehrzahl separater Abgasturbolader je Aufladungsstufe – aufweist, insbesondere zwei Abgasturbolader. Es ist insbesondere möglich, dass mindestens zwei parallel zueinander angeordnete Abgasturbolader vorgesehen sind, insbesondere im Sinne einer Register-Aufladung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Anordnung 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Abgasnachbehandlungselement 5 in einem unmittelbar an die Abgasturbolader-Einrichtung 7 grenzenden Abgasnachbehandlungsgehäuse 11 angeordnet. Dieses weist vorzugsweise thermisch isolierende Eigenschaften auf, wobei es insbesondere eine thermisch isolierende Wandung aufweisen kann, die bevorzugt Isolationsmaterial aufweist. Alternativ oder zusätzlich stellt das Gehäuse 11 bevorzugt einen Berstschutz für das Abgasnachbehandlungselement 5 bereit. Das Abgasnachbehandlungsgehäuse 11 ist vorzugsweise unmittelbar mit der Abgasturbolader-Einrichtung 7 verbunden, wie dies in 2 schematisch angedeutet ist. Dabei ist es möglich, dass das Abgasnachbehandlungsgehäuse 11 einen Flansch aufweist, der zur Befestigung an einem komplementären Flansch der Abgasturbolader-Einrichtung 7 vorgesehen ist.
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In gleicher Weise ist es auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 möglich, dass das Abgasnachbehandlungselement 5 und die Abgasturbolader-Einrichtung 7 über eine Flanschverbindung miteinander verbunden sind. Allerdings sind die verschiedenen Elemente ohne eine dazwischen angeordnete Verrohrung miteinander verbunden, sodass sie jedenfalls mit ihren Verbindungsflanschen unmittelbar aneinandergrenzen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Anordnung 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind das Abgasnachbehandlungselement 5 und die Abgasturbolader-Einrichtung 7 gemeinsam in einem Gesamtgehäuse 13 angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine maximale Integration der Komponenten. Darüber hinaus ist bevorzugt ein modularer Aufbau der Anordnung 3 vorgesehen, was eine Service-Freundlichkeit und eine Wartung der Anordnung 3 verbessert.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Abgasnachbehandlungselemente 5.1, 5.2 in dem Gesamtgehäuse 13 angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Abgasnachbehandlungselement 5.1 um einen Oxidationskatalysator, wobei das zweite Abgasnachbehandlungselement 5.2 als SCR-Katalysator, vorzugsweise mit einer einen Ammoniakschlupf reduzierenden katalytischen Beschichtung, ausgebildet ist. Eine Fluidverbindung zwischen den einzelnen Komponenten der Anordnung 3 wird bevorzugt nicht durch eine in dem Gesamtgehäuse 13 angeordnete Verrohrung, sondern vielmehr durch Innenwandungen des Gesamtgehäuses 13 und in den Innenwandungen vorgesehene Durchbrüche bereitgestellt, wobei die einzelnen Komponenten, also die Abgasnachbehandlungselemente 5.1, 5.2 und die Abgasturbolader-Einrichtung 7 vorzugsweise in verschiedenen Kammern des Gesamtgehäuses 3 angeordnet sind. So kann ein minimaler Bauraum bei zugleich optimalem Wärmeinhalt in dem Gesamtgehäuse 13 verwirklicht werden. Vor dem Gesamtgehäuse 13 oder auch in dieses integriert ist bevorzugt eine Dosiereinrichtung für ein Agens, insbesondere für ein Reduktionsmittel, vorgesehen.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Gesamtgehäuse 13 vorzugsweise thermisch isolierende Eigenschaften auf und/oder stellt einen Berstschutz für die in ihm angeordneten Komponenten bereit.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Anordnung 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Abgasturbolader-Einrichtung 7 weist hier eine Hochdruckturbine 15 und eine Niederdruckturbine 17 auf. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 strömt dabei – in 4 – von links nach rechts entlang des Abgasstrangs 9, wobei es zuerst die Hochdruckturbine 15 und anschließend die Niederdruckturbine 17 passiert. Eine derartige zweistufige Aufladung ist für sich genommen bekannt, sodass hier nicht näher darauf eingegangen wird.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Abgasnachbehandlungselement 5.1 stromaufwärts der Hochdruckturbine 15 und damit stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung 7 angeordnet. Ein zweites Abgasnachbehandlungselement 5.2 ist zwischen der Hochdruckturbine 15 und der Niederdruckturbine 17 angeordnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erste Abgasnachbehandlungselement 5.1 als Dosiereinrichtung, insbesondere zur Eindosierung eines Kohlenwasserstoffs oder eines Kohlenwasserstoffgemischs, in den Abgasstrom ausgebildet, wobei das zweite Abgasnachbehandlungselement 5.2 als Oxidationskatalysator ausgebildet ist. Die Hochdruckturbine 15 wirkt insoweit als Mischeinrichtung, in welcher das eindosierte Agens innig mit dem Abgas vermischt wird, bevor es in dem zweiten Abgasnachbehandlungselement 5.2 – insbesondere zur Freisetzung von Exothermie beziehungsweise zur Erhöhung einer Enthalpie in dem Abgasstrom – umgesetzt wird.
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Bevorzugt ist zusätzlich noch ein drittes Abgasnachbehandlungselement 5.3 zwischen der Hochdruckturbine 15 und der Niederdruckturbine 17 stromaufwärts des zweiten Abgasnachbehandlungselements 5.2 vorgesehen. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine zweite Dosiereinrichtung, durch die zusätzlich ein Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch in den Abgasstrang 9 einspritzbar ist.
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Alternativ ist es möglich, dass das erste Abgasnachbehandlungselement 5.1 als Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel ausgebildet ist, wobei das zweite Abgasnachbehandlungselement 5.2 als SCR-Katalysator, insbesondere mit ASC-Beschichtung, ausgebildet ist. Auch in diesem Fall dient die Hochdruckturbine 15 als Mischeinrichtung.
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Bevorzugt ist zusätzlich noch ein drittes Abgasnachbehandlungselement 5.3 zwischen der Hochdruckturbine 15 und der Niederdruckturbine 17 stromaufwärts des zweiten Abgasnachbehandlungselements 5.2 vorgesehen. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine zweite Dosiereinrichtung, durch die zusätzlich ein Reduktionsmittel in den Abgasstrang 9 einspritzbar ist.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Anordnung 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist hier lediglich ein Abgasnachbehandlungselement 5 stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung 7, welche die Hochdruckturbine 15 und die Niederdruckturbine 17 aufweist, angeordnet. Zwischen den Turbinen 15, 17 ist kein Abgasnachbehandlungselement angeordnet. Ebenso ist bevorzugt auch stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung 7 kein weiteres Abgasnachbehandlungselement angeordnet. Das Abgasnachbehandlungselement 5 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel bevorzugt als Oxidationskatalysator, als SCR-Katalysator oder als Dosiereinrichtung ausgebildet.
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6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Anordnung 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein erstes Abgasnachbehandlungselement 5.1 stromaufwärts der Abgasturbolader-Einrichtung 7 angeordnet. Ein zweites Abgasnachbehandlungselement 5.2 ist zwischen der Hochdruckturbine 15 und der Niederdruckturbine 17 angeordnet, und ein drittes Abgasnachbehandlungselement 5.3 ist stromabwärts der Abgasturbolader-Einrichtung 7 angeordnet.
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Bevorzugt ist das erste Abgasnachbehandlungselement 5.1 als Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel, insbesondere für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, ausgebildet. Das zweite Abgasnachbehandlungselement 5.2 ist bevorzugt als Hochtemperatur-SCR-Katalysator, insbesondere mit einem Eisen-Zeolith-Material, ausgebildet, wobei das dritte Abgasnachbehandlungselement 5.3 als Niedertemperatur-SCR-Katalysator, insbesondere mit einem Kupfer-Zeolith-Material, ausgebildet ist. Zumindest eines der zweiten und dritten Abgasnachbehandlungselemente 5.2, 5.3 weist bevorzugt eine einen Ammoniakschlupf reduzierende katalytische Beschichtung auf, wobei besonders bevorzugt das dritte Abgasnachbehandlungselement 5.3 eine solche Beschichtung aufweist.
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Auch bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt die Hochdruckturbine 15 als Mischeinrichtung zur innigen Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom, bevor dieses dann zusammen mit dem Abgas in dem zweiten Abgasnachbehandlungselement 5.2 umgesetzt wird. Noch nicht umgesetzte Reste des Reduktionsmittels werden in der Niederdruckturbine 17 noch inniger mit dem Abgasstrom vermischt, bevor sie dann schließlich in dem dritten Abgasnachbehandlungselement 5.3 umgesetzt werden. Was an Reduktionsmittel oder aus dem Reduktionsmittel freigesetztem Ammoniak noch übrig ist, wird bevorzugt durch das den Ammoniakschlupf reduzierende, katalytische Material umgesetzt.
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Insgesamt zeigt sich, dass die Anordnung 3 und die Brennkraftmaschine 1 insgesamt sowohl bezüglich der Abgasnachbehandlung als auch bezüglich der Turboaufladung eine verbesserte Funktionalität aufweisen. Dabei ist eine geringere Bauteilzahl vorgesehen, und es wird ein kompakterer Bauraum erzielt. Die Lösung ist damit insgesamt auch kostengünstiger als bekannte Anordnungen. Aufgrund des höheren Temperaturniveaus in der Anordnung 3 können auch Kraftstoffe mit höheren Schwefelgehalten für einen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 verwendet werden, was insbesondere für eine marine Anwendung derselben günstig ist. So ist es beispielsweise möglich, marines Rückstandsöl für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zu verwenden und trotzdem ein Abgasnachbehandlungselement 5 zur Reinigung des Abgases vorzusehen.
