DE102016003740A1

DE102016003740A1 - Abgasnachbehandlungssystem und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016003740A1
Application number: DE102016003740.7A
Authority: DE
Inventors: Plamen Toshev; Francis Nana; Andreas Döring
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: Doering Andreas De
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-05
Also published as: KR20170113207A; JP6843674B2; CN107269374A; NO20170535A1; FI20175271A; JP2017187036A

Abstract

Abgasnachbehandlungssystem (3) einer Brennkraftmaschine, nämlich SCR-Abgasnachbehandlungssystem, mit einem SCR-Katalysator (9), mit einer zum SCR-Katalysator (9) führenden Abgaszuleitung (8) und mit einer vom SCR-Katalysator (9) wegführenden Abgasableitung (11), mit einer der Abgaszuleitung (8) zugeordneten Einbringeinrichtung (16) zum Einbringen eines Reduktionsmittels, insbesondere von Ammoniak oder einer Ammoniak-Vorläufersubstanz, in das Abgas, und mit einer von der Abgaszuleitung (8) stromabwärts der Einbringeinrichtung (16) bereitgestellten Mischstrecke (18) zum Mischen des Abgases mit dem Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators (9), wobei die Abgaszuleitung (8) und/oder ein den SCR-Katalysator (9) aufnehmender Reaktorraum (10) und/oder die Abgasableitung (11) zumindest doppelwandig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem.
Bei Verbrennungsprozessen in stationären Brennkraftmaschinen, die zum Beispiel in Kraftwerken zum Einsatz kommen, sowie bei Verbrennungsprozessen in nichtstationären Brennkraftmaschinen, die zum Beispiel auf Schiffen zum Einsatz kommen, entstehen Stickoxide, wobei diese Stickoxide typischerweise bei der Verbrennung schwefelhaltiger, fossiler Brennstoffe, wie Kohle, Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Schweröl oder Dieselkraftstoffen entstehen. Daher sind solchen Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme zugeordnet, die der Reinigung, insbesondere der Entstickung, des die Brennkraftmaschine verlassenden Abgases dienen.
Zur Reduzierung von Stickoxiden im Abgas kommen in aus der Praxis bekannten Abgasnachbehandlungssystemen in erster Linie sogenannte SCR-Katalysatoren zum Einsatz. In einem SCR-Katalysator erfolgt eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden, wobei für die Reduktion der Stickoxide Ammoniak (NH₃) als Reduktionsmittel benötigt wird. Das Ammoniak bzw. eine Ammoniak-Vorläufersubstanz, wie zum Beispiel Urea, wird hierzu stromaufwärts des SCR-Katalysators in flüssiger Form in das Abgas eingebracht, wobei das Ammoniak bzw. die Ammoniak-Vorläufersubstanz stromaufwärts des SCR-Katalysators mit dem Abgas vermischt wird. Hierzu sind nach der Praxis Mischstrecken zwischen der Einbringung des Ammoniaks bzw. der Ammoniak-Vorläufersubstanz und dem SCR-Katalysator vorgesehen.
Obwohl mit aus der Praxis bekannten Abgasnachbehandlungssystemen, die einen SCR-Katalysator umfassen, bereits erfolgreich eine Abgasnachbehandlung, insbesondere eine Stickoxidreduzierung, erfolgen kann, besteht Bedarf daran, die Abgasnachbehandlungssysteme weiter zu verbessern. Insbesondere besteht Bedarf daran, bei einer kompakten Bauform solcher Abgasnachbehandlungssysteme einen effektive Abgasnachbehandlung und einen effektiven Betrieb einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisen Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die Abgaszuleitung und/oder ein den SCR-Katalysator aufnehmender Reaktorraum und/oder die Abgasableitung zumindest doppelwandig ausgebildet. Hiermit kann verhindert werden, dass zu viel thermische Energie des Abgases von der Abgaszuleitung und/oder dem Reaktorraum und/oder der Abgasableitung im Sinne einer Temperatursenke aufgenommen wird. Die thermische Energie verbleibt im Abgas. Dies ist zur Bereitstellung einer effektiven Abgasnachbehandlung und eines effektiven Betriebs einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisen Brennkraftmaschine von Vorteil.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist eine erste Wand der Abgaszuleitung und/oder eine erste Wand des Reaktorraums und/oder eine erste Wand der Abgasableitung eine Dicke auf, die auf den in der Abgaszuleitung und/oder im Reaktorraum und/oder in der Abgasableitung herrschenden Druck derart ausgelegt ist, dass die jeweilige Wand dem jeweiligen Druck standhält.
Auf einer der Abgasströmung zugewandten Seite der jeweiligen ersten Wand ist vorzugsweise unter Ausbildung eines Luftspalts eine zweite Wand positioniert, deren Dicke kleiner ist als die Dicke der jeweiligen ersten Wand. Vorzugsweise ist zusätzlich auf einer der Abgasströmung abgewandten Seite der jeweiligen ersten Wand eine dritte Wand positioniert, deren Dicke größer ist als die Dicke der jeweiligen ersten Wand. Es kann eine effektiven Abgasnachbehandlung und ein effektiver Betriebs einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine gewährleistet werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein Produkt aus Masse und Wärmekapazität der jeweiligen ersten Wand größer ist als das entsprechende Produkt der jeweiligen zweiten Wand. Ferner ist vorzugsweise ein Produkt aus Masse und Wärmekapazität der jeweiligen ersten Wand kleiner ist als das entsprechende Produkt der jeweiligen dritten Wand. Dies ist zur Gewährleistung einer effektiven Abgasnachbehandlung und eines effektiven Betriebs einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine von Vorteil.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt ein Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand und der Dicke der jeweiligen zweiten Wand mindestens 10:3, bevorzugt mindestens 10:2, besonders bevorzugt mindestens 10:1. Dies ist zur Gewährleistung einer effektiven Abgasnachbehandlung und eines effektiven Betriebs einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine von Vorteil.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt ein Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand und der Dicke der jeweiligen dritten Wand mindestens 1:5, bevorzugt mindestens 1:7, besonders bevorzugt mindestens 1:10. Dies ist zur Gewährleistung einer effektiven Abgasnachbehandlung und eines effektiven Betriebs einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine von Vorteil.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt eine Dicke des Luftspalt zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand und/oder eine Dicke eines Luftspalts zwischen den ersten Wand und der dritten Wand mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm. Dies ist zur Gewährleistung einer effektiven Abgasnachbehandlung und eines effektiven Betriebs einer das Abgasnachbehandlungssystem aufweisenden Brennkraftmaschine von Vorteil.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist in Anspruch 13 definiert.
Besonders bevorzugt weist die Brennkraftmaschine ein mehrstufiges Abgasaufladungssystem mit einem eine Hockdruckturbine umfassenden ersten Abgasturbolader und einem eine Niederdruckturbine umfassenden zweiten Abgasturbolader auf, wobei das Abgasnachbehandlungssystem zwischen die Hockdruckturbine und die Niederdruckturbine geschaltet ist.
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 schematisierte, perspektivische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
2: ein Detail des Abgasnachbehandlungssystems der 1; und
3: das Detail III der 2; und
4: das zum Detail III alternative Detail IV der 2.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, so zum Beispiel einer stationären Brennkraftmaschine in einem Kraftwerk oder einer auf einem Schiff zum Einsatz kommenden, nichtstationären Brennkraftmaschine. Insbesondere kommt das Abgasnachbehandlungssystem an einer mit Schweröl betriebenen Schiffsdieselbrennkraftmaschine zum Einsatz.
1 zeigt eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturboaufladungssystem 2 und einem Abgasnachbehandlungssystem 3. Bei der Brennkraftmaschine 1 kann es sich um instationäre oder stationäre Brennkraftmaschine handeln, insbesondere um eine instationär betriebene Schiffsbrennkraftmaschine Abgas, welches die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 verlässt, wird im Abgasaufladungssystem 2 genutzt, um aus der thermischen Energie des Abgases mechanische Energie zur Verdichtung von dem Verbrennungsmotor 1 zuzuführender Ladeluft zu gewinnen.
So zeigt 1 eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturboaufladungssystem 2, welches mehrere Abgasturbolader umfasst, nämlich einen ersten, hochdruckseitigen Abgasturbolader 4 und einen zweiten, niederdruckseitigen Abgasturbolader 5. Abgas, welches die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 verlässt, strömt zunächst über eine Hochdruckturbine 6 des ersten Abgasturboladers 1 und wird in derselben entspannt, wobei hierbei gewonnene Energie in einem Hochdruckverdichter des ersten Abgasturboladers 4 genutzt wird, um Ladeluft zu verdichten. In Strömungsrichtung des Abgases gesehen ist stromabwärts des ersten Abgasturboladers 4 der zweite Abgasturbolader 5 angeordnet, über welchen Abgas, welches bereits die Hochdruckturbine 6 des ersten Abgasturboladers 4 durchströmt hat, geführt wird, nämlich über eine Niederdruckturbine 7 des zweiten Abgasturboladers 5. In der Niederdruckturbine 7 des zweiten Abgasturboladers 5 wird das Abgas weiter entspannt und hierbei gewonnene Energie in einem Niederdruckverdichter des zweiten Abgasturboladers 5 genutzt, um ebenfalls die den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zuzuführende Ladeluft zu verdichten.
Zusätzlich zu dem die beiden Abgasturbolader 4 und 5 aufweisenden Abgasaufladungssystem 2 umfasst die Brennkraftmaschine 1 das Abgasnachbehandlungssystem 3, bei welchem es sich um ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem handelt. Das SCR-Abgasnachbehandlungssystem 3 ist zwischen die Hochdruckturbine 6 des ersten Verdichters 5 und die Niederdruckturbine 7 des zweiten Abgasturboladers 5 geschaltet, sodass demnach Abgas, welches die Hochdruckturbine 6 des ersten Abgasturboladers 4 verlässt, zunächst über das SCR-Abgasnachbehandlungssystem 3 geführt werden kann, bevor dasselbe in den Bereich der Niederdruckturbine 7 des zweiten Abgasturboladers 5 gelangt.
1 zeigt eine Abgaszuleitung 8, über die Abgas, ausgehend von der Hochdruckturbine 6 des ersten Abgasturboladers 4 in Richtung auf einen SCR-Katalysator 9 geführt werden kann, der in einem Reaktorraum 10 angeordnet ist.
Ferner zeigt 1 eine Abgasableitung 11, die der Ableitung des Abgases vom SCR-Katalysator 9 in Richtung auf die Niederdruckturbine 7 des zweiten Abgasturboladers 5 dient.
Ausgehend von der Niederdruckturbine 7 strömt das Abgas über eine Leitung 21 insbesondere ins Freie.
Die zum Reaktorraum 10 und damit zu dem im Reaktorraum 10 positionierten SCR-Katalysator 9 führende Abgaszuleitung 8 sowie die vom Reaktorraum 10 und damit vom SCR-Katalysator 9 wegführende Abgasableitung 11 sind über einen Bypass 12 gekoppelt, in den ein Absperrorgan 13 integriert ist. Bei geschlossenem Absperrorgan 13 ist der Bypass 12 verschlossen, sodass über dieselbe kein Abgas strömen kann. Dann hingegen, wenn das Absperrorgan 13 geöffnet ist, kann über den Bypass 12 Abgas strömen, und zwar vorbei am Reaktorraum 10 und demnach vorbei an dem im Reaktorraum 10 positionierten SCR-Katalysator 9.
2 verdeutlicht mit Pfeilen 14 die Strömung des Abgases durch das Abgasnachbehandlungssystem 3 bei über das Absperrorgan 13 verschlossenem Bypass 12, wobei 2 entnommen werden kann, dass die Abgaszuleitung 8 in den Reaktorraum 10 mit einem stromabwärtigen Ende 15 mündet, wobei das Abgas im Bereich dieses Endes 15 der Abgaszuleitung 8 eine Strömungsumlenkung um in etwa 180° bzw. annähernd 180° erfährt, wobei das Abgas nach der Strömungsumlenkung über den SCR-Katalysator 9 geführt wird.
Der Abgaszuleitung 8 des Abgasnachbehandlungssystems 3 ist eine Einbringeinrichtung 16 zugeordnet, über die in den Abgasstrom ein Reduktionsmittel eingebracht werden kann, insbesondere Ammoniak oder eine Ammoniak-Vorläufersubstanz, die benötigt wird, um im Bereich des SCR-Katalysators 9 Stickoxide des Abgases definiert umzusetzen. Bei dieser Einbringeinrichtung 16 des Abgasnachbehandlungssystems 3 handelt es sich vorzugsweise um eine Einspritzdüse, über welche das Ammoniak bzw. die Ammoniakvorläufersubstanz in den Abgasstrom innerhalb der Abgaszuführleitung 8 eingedüst wird. 2 verdeutlicht mit einem Kegel 17 die Eindüsung des Reduktionsmittels in den Abgasstrom im Bereich der Abgaszuleitung 8. Die Strecke des Abgasnachbehandlungssystems 3, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts der Einbringeinrichtung 16 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 liegt, wird als Mischstrecke bezeichnet. Insbesondere stellt die Abgaszuleitung 8 stromabwärts der Einbringeinrichtung 16 eine Mischstrecke 18 bereit, in welcher das Abgas mit dem Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 gemischt werden kann.
Die Abgaszuleitung 8 mündet mit dem stromabwärtigen Ende 15 in den Reaktorraum 10. Diesem stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 ist ein Prallelement 19 zugeordnet, welches relativ zum stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 verlagerbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Prallelement 19 relativ zum Ende 15 der Abgaszuleitung 8, welches in den Reaktorraum 10 mündet, linear verlagerbar.
Das Prallelement 19 ist relativ zum stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 verlagerbar, um entweder die Abgaszuleitung 8 am stromabwärtigen Ende 15 abzusperren oder dieselbe am stromabwärtigen Ende 15 freizugeben. Dann, wenn das Prallelement 19 die Abgaszuleitung 8 am stromabwärtigen Ende 15 absperrt, ist vorzugsweise das Absperrorgan 13 des Bypasses 12 geöffnet, um das Abgas dann vollständig am SCR-Katalysator 9 bzw. an dem den SCR-Katalysator 9 aufnehmenden Reaktorraum 10 vorbeizuführen.
Dann, wenn das Prallelement 19 das stromabwärtige Ende 15 der Abgaszuleitung 8 freigibt, kann das Absperrorgan 13 des Bypasses 12 entweder vollständig geschlossen oder auch zumindest teilweise geöffnet sein. Dann, wenn das Prallelement 19 das stromabwärtige Ende 15 der Abgaszuleitung 8 freigibt, ist die Relativposition des Prallelements 19 relativ zum stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 insbesondere von dem Abgasmassenstrom durch die Abgaszuleitung 8 und/oder von der Abgastemperatur des Abgases in der Abgaszuleitung 8 und/oder von der Menge des über die Einbringeinrichtung 16 in den Abgasstrom eingebrachten Reduktionsmittels abhängig.
Eine weitere Funktion des Prallelements 19 bei freigegebenem, stromabwärtigem Ende 15 der Abgaszuleitung 8 besteht darin, dass ggf. im Abgasstrom vorhandene Tropfen flüssigen Reduktionsmittels auf das Prallelements 19 gelangen, dort abgefangen und zerstäubt werden, um zu vermeiden, dass derartige Tropfen flüssigen Reduktionsmittels in den Bereich des SCR-Katalysators 9 gelangen. Über die Relativposition des Prallelements 19 zum stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 bei freigegebenem stromabwärtigen Ende 15 kann insbesondere festgelegt werden, ob das Abgas, welches im Bereich des stromabwärtigen Endes 15 der Abgaszuleitung 8 im Bereich des Prallelements 19 umgelenkt wird, stärker in Richtung auf radial innen positionierte Sektionen oder stärker in Richtung auf radial außen positionierte Sektionen des SCR-Katalysators 9 geleitet bzw. gelenkt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführung ist die Abgaszuleitung 8 im Bereich ihres stromabwärtigen Endes 15 unter Ausbildung eines Diffusors trichterförmig aufgeweitet. Hierdurch vergrößert sich der Strömungsquerschnitt der Abgaszuleitung 8 im Bereich des stromabwärtigen Endes 15, wobei, wie insbesondere 2 entnommen werden kann, vorgesehen sein kann, dass sich in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts des stromabwärtigen Endes 15 der Abgaszuleitung 8 der Strömungsquerschnitt derselben zunächst verringert. So zeigt 2, dass der Strömungsquerschnitt der Abgaszuleitung 8 in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts der Einbringeinrichtung 16 für das Reduktionsmittel zunächst in etwa konstant ist, sich dann zunächst allmählich verjüngt und schließlich im Bereich des stromabwärtigen Endes 15 erweitert. Diese Erweiterung des Strömungsquerschnitts am stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 erfolgt dabei vorzugwseise über einen kürzeren Abschnitt der Abgaszuleitung 8, als derjenige Abschnitt, über den sich die Abgaszuleitung 8 vor dem stromabwärtigen Ende 15 zunächst verjüngt.
Das Prallelement 19 ist vorzugsweise an einer der Abgaszuleitung 8 zugewandten Seite 20 unter Ausbildung einer Strömungsführung für das Abgas gewölbt ist, vorzugsweise glockenartig gewölbt. Die Seite 20 des Prallelements 19, die dem stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 zugewandt ist, weist an einem radial inneren Abschnitt des Prallelements 19 einen geringeren Abstand zum stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 auf als an einem radial äußeren Abschnitt derselben. Das Prallelement 19 ist demnach im Zentrum der Seite 20 in Richtung auf das stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 entgegen der Strömungsrichtung des Abgases eingezogen bzw. gewölbt.
Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, greifen die Abgaszuleitung 8 und die Abgasableitung 11 an einer gemeinsamen ersten Seite 22 des Reaktorraums 10 an bzw. münden oder erstrecken sich, ausgehend von dieser gemeinsamen Seite 22 in den Reaktorraum 10 hinein.
Dabei erstreckt sich die Abgaszuleitung 8 derart in den Reaktorraum 10 hinein, dass das stromabwärtige Ende 15 der Abgaszuleitung 8 benachbart zu einer der ersten Seite 22 des Reaktorraums 10 gegenüberliegenden zweiten Seite 23 des Reaktorraums 10 positioniert ist, wohingegen die Abgasableitung 11 an der ersten Seite 22 in den Reaktorraum 10 mündet. Über die Abgaszuleitung 8 zugeführtes Abgas wird demnach im Bereich der zweiten Seite 23 des Reaktorraums 10, die dem stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 gegenüberliegt, um in etwa 180° umgelenkt, strömt dann über den SCR-Katalysator 9 und anschließend über die untere Seite 22 in den Bereich der Abgasableitung 11. 2 kann entnommen werden, dass dabei die Abgasableitung 11 die Abgaszuleitung 8 benachbart zur Seite 22 des Reaktorraums 10 abschnittsweise außen umgibt, vorzugsweise konzentrisch.
Um eine besonders effektive Abgasnachbehandlung und einen besonders effektiven Betrieb einer das Abgasnachbehandlungssystem 3 aufweisenden Brennkraftmaschine 1 zu ermöglichen, ist die Abgaszuleitung 8 und/oder der den SCR-Katalysator 9 aufnehmende Reaktorraum 10 und/oder die Abgasableitung 11 zumindest doppelwandig ausgebildet. Hierdurch wird gewährleistet, dass thermische Energie des Abgases im Abgas verbleibt und nicht in zu starkem Umfang an Wände der Abgaszuleitung 8, des Reaktorraums 10 und der Abgasableitung 11 abgegeben wird. Eine hohe Abgastemperatur ist einerseits für eine effektive Abgasnachbehandlung im Bereich des SCR-Katalysators 9 von Vorteil, andererseits für einen effektiven Betrieb des der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 nachgelagerten Abgasturboladers.
So ist eine hohe Abgastemperatur im Bereich des SCR-Katalysators 9 von Vorteil, um eine unerwünschte Nebenreaktion des Reduktionsmittels zu vermeiden, insbesondere die Ausbildung von Ammoniumsulfat und/oder Ammoniumbisulfat. Diese unerwünschten Nebenprodukte, die bei einer zu geringen Abgastemperatur entstehen können, können die Abgaszuleitung 8, den SCR-Katalysator 9, den Reaktorraum 10 und die Abgasableitung 11 zerstören und demnach die Effektivität Ferner ist, wie bereits ausgeführt, eine hohe Abgastemperatur stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 von Vorteil, um einen in Strömungsrichtung gesehen stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 positionierten Abgasturbolader, insbesondere eine Niederdruckturbine desselben, effektiv zu betreiben.
Wie bereits ausgeführt, ist die Abgaszuleitung 8 und/oder der Reaktorraum 10 und/oder die Abgasableitung 11 zumindest doppelwandig ausgebildet, ebenso kann der Bypass 12 zumindest doppelwandig ausgeführt sein. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Erfindung, in welcher sowohl Abgaszuleitung 8 als auch Reaktorraum 10 als auch Abgasableitung 11 jeweils zumindest doppelwandig ausgeführt sind. Es ist jedoch auch möglich, dass lediglich eine dieser Baugruppen, insbesondere der Reaktorraum 10, oder auch lediglich zwei dieser Baugruppen, insbesondere die Abgaszuleitung 8 und der Reaktorraum 10, zumindest doppelwandig ausgeführt sind.
Weitere Details werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Details III und IV der 3 und 4 beschrieben, wobei 3 und 4 jeweils alternative, bevorzugte Ausführungen der Abgaszuleitung 8 und/oder des Reaktorraums 10 und/oder der Abgasableitung 11 zeigen, nämlich 3 eine doppelwandig und 4 eine dreiwandige Ausführung derselben.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste Wand 24 der Abgaszuleitung 8 und/oder eine erste Wand 25 des Reaktorraums 10 und/oder eine erste Wand 26 der Abgasableitung 11 derart ausgeführt, dass dieselbe eine Dicke aufweist, die auf den in der Abgaszuleitung 8 bzw. im Reaktorraum 10 bzw. in der Abgasableitung 11 herrschenden Druck derart ausgelegt ist, dass die jeweilige Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 dem jeweiligen Druck standhält. Der jeweilige Druck beträgt dabei bis zu 7 bar, bevorzugt mindestens 2 bar.
Auf einer der Abgasströmung (nicht gezeigt) zugewandten Seite der jeweiligen ersten Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 ist dabei vorzugsweise unter Ausbildung eines Luftspalts 27 bzw. 28 bzw. 29 eine zweite Wand 30 bzw. 31 bzw. 32 angeordnet, deren Dicke kleiner ist als die Dicke der jeweiligen ersten Wand 24 bzw. 25 bzw. 26. Die Dicke der jeweiligen ersten Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 ist in 3 mit d1 und die Dicke der jeweiligen zweiten Wand 30 bzw. 31 bzw. 32 mit d2 gekennzeichnet, wobei die Abmessung des zwischen der jeweiligen ersten Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 und der jeweiligen zweiten Wand 30 bzw. 31 bzw. 32 ausgebildeten Luftspalts 27 bzw. 28 bzw. 29 mit I12 gekennzeichnet ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt ein Verhältnis zwischen der Dicke d1 der jeweiligen ersten Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 und der Dicke d2 der jeweiligen zweiten Wand 30 bzw. 31 bzw. 32 mindestens 10:3, bevorzugt mindestens 10:2, besonders bevorzugt mindestens 10:1. Die Abmessung des Luftspalts I12 zwischen der jeweiligen ersten Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 und der jeweiligen zweiten Wand 30 bzw. 31 bzw. 32 beträgt mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm. Ein Produkt aus der Masse und der Wärmekapazität der jeweiligen ersten Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 ist dabei vorzugsweise größer als das entsprechende Produkt der Masse und der Wärmekapazität der jeweiligen zweiten Wand 30 bzw. 31 bzw. 32.
Die jeweilige erste Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 sowie die jeweilige zweite Wand 30 bzw. 31 bzw. 32 können beide aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein, so zum Beispiel aus Stahl. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, in welcher die jeweilige erste Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 aus einem metallischen Werkstoff und die jeweilige zweite Wand 30 bzw. 31 bzw. 32 aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist. Ebenso ist es möglich, dass die jeweilige erste Wand 24, 25, 26 und die jeweilige zweite Wand 30, 31, 32 jeweils aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sind, wobei die jeweilige zweite Wand 30, 31, 32 auf einer der Abgasströmung zugewandten Seite dann vorzugsweise eine keramische Beschichtung tragen kann.
4 zeigt mit dem Detail IV eine Weiterbildung des Details III der 3, wobei in 4 zusätzlich eine dritte Wand 33 bzw. 34 bzw. 35 vorhanden ist, die unter Ausbildung eines weiteren Luftspalts 36 bzw. 37 bzw. 38 auf einer der Abgasströmung abgewandten Seite der jeweiligen ersten Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 positioniert ist. Mit der jeweiligen zweiten Wand 30, 31, 32, die auf der der Abgasströmung zugewandten Seite der jeweiligen ersten Wand 24, 25, 26 positioniert ist, kann sichergestellt werden, dass so wenig wie möglich thermische Energie vom Abgas auf die jeweilige erste Wand 24 bzw. 25 bzw. 26 übertragen wird. Mit der jeweiligen dritten Wand 33, 34, 35, die auf der der Abgasströmung abgewandten Seite der jeweiligen ersten Wand 24, 25, 26 positioniert ist, kann gewährleistet werden, dass so wenig wie möglich thermische Energie an die Umgebung abgegeben wird. In 4 ist eine Dicke der jeweiligen dritten Wand 33 bzw. 34 bzw. 35 mit d3 und die entsprechende Abmessung des Luftspalts 36, 37, 38 zwischen der jeweiligen dritten Wand 33, 34, 35 und der jeweiligen ersten Wand 24, 25, 26 mit I13 gekennzeichnet.
Insbesondere beträgt ein Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand 24, 25, 26 und der jeweiligen dritten Wand 33 bzw. 34 bzw. 35 mindestens 1:5, bevorzugt mindestens 1:7, besonders bevorzugt mindestens 1:10. Die Abmessung des Luftspalts I13 entspricht dabei vorzugsweise der Abmessung des Luftspalt I12, insbesondere 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm. Ein Produkt aus der Masse und der Wärmekapazität der jeweiligen ersten Wand 24, 25, 26 ist dabei vorzugsweise kleiner als das entsprechende Produkt aus der Masse und der Wärmekapazität der jeweiligen dritten Wand 33, 34, 35. Weiterhin wird bevorzugt, dass das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zweiten und dritten Wand mindestens 10:1, bevorzugt mindestens 80:1, höchst bevorzugt mindestens 150:1 beträgt.
Auf den Luftspalt zwischen der jeweiligen ersten Wand 24, 25, 26 und der jeweiligen dritten Wand 33, 34, 35 kann auch verzichtet werden. In diesem Fall ist die jeweilige dritte Wand 33 bzw. 34 bzw. 35 unmittelbar auf die von der Abgasströmung abgewandte Seite der jeweiligen ersten Wand 24, 25, 26 aufgebracht. In diesem Fall beträgt I13 0 mm.
Bei der Brennkraftmaschine 1 der 1 ist das Abgasnachbehandlungssystem 3 stehend oberhalb des Abgasaufladungssystems 2 positioniert. Der Zugang zu den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 ist frei, die Zugänglichkeit der Abgasturbolader 4 und 5 ist jedoch eingeschränkt. Der Reaktorraum 10 kann jedoch bei notwendigen Wartungsarbeiten an den Abgasturboladern 4, 6 einfach demontiert werden.
Im Unterschied zu der in 1 gezeigten stehenden Anordnung des Abgasnachbehandlungssystems 3 oberhalb des Abgasaufladungssystems 2 ist auch eine liegende, um 90° gekippte Anordnung des Abgasnachbehandlungssystems 3 neben dem Abgasaufladungssystem 2 möglich, wobei jedoch bei einer solchen liegenden Anordnung die Länge der Anordnung wächst. Brennkraftmaschine 1 und Abgasaufladungssystem 2 stehen jedoch dann zu Wartungsarbeiten ohne Notwendigkeit der Demontage des Reaktorraums 10 uneingeschränkt zur Verfügung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei einstufig, als auch bei zweistufig aufgeladenen Motoren eingesetzt werden. Bei einstufig aufgeladenen Motoren ist die Anordnung des AGN-Systems bevorzugt stromauf der Turbine, bei zweistufig aufgeladenen Motoren bevorzugt zwischen den zwei Turbinen vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasaufladungssystem
3: Abgasnachbehandlungssystem
4: Abgasturbolader
5: Abgasturbolader
6: Hochdruckturbine
7: Niederdruckturbine
8: Abgaszuleitung
9: SCR-Katalysator
10: Reaktorraum
11: Abgasableitung
12: Bypass
13: Absperrorgan
14: Abgasführung
15: Ende
16: Einbringeinrichtung
17: Einspritzkegel
18: Mischstrecke
19: Prallelement
20: Seite
21: Leitung
22: Seite
23: Seite
24: erste Wand
25: erste Wand
26: erste Wand
27: Luftspalt
28: Luftspalt
29: Luftspalt
30: zweite Wand
31: zweite Wand
32: zweite Wand
33: dritte Wand
34: dritte Wand
35: dritte Wand
36: Luftspalt
37: Luftspalt
38: Luftspalt

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (3) einer Brennkraftmaschine, nämlich SCR-Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, mit einem SCR-Katalysator (9), mit einer zum SCR-Katalysator (9) führenden Abgaszuleitung (8) und mit einer vom SCR-Katalysator (9) wegführenden Abgasableitung (11), mit einer der Abgaszuleitung (8) zugeordneten Einbringeinrichtung (16) zum Einbringen eines Reduktionsmittels, insbesondere von Ammoniak oder einer Ammoniak-Vorläufersubstanz, in das Abgas, und mit einer von der Abgaszuleitung (8) stromabwärts der Einbringeinrichtung (16) bereitgestellten Mischstrecke (18) zum Mischen des Abgases mit dem Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaszuleitung (8) und/oder ein den SCR-Katalysator (9) aufnehmender Reaktorraum (10) und/oder die Abgasableitung (11) zumindest doppelwandig ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Wand (24) der Abgaszuleitung (8) und/oder eine erste Wand (25) des Reaktorraums (10) und/oder eine erste Wand (26) der Abgasableitung (11) eine Dicke aufweist, die auf den in der Abgaszuleitung (8) und/oder im Reaktorraum (10) und/oder in der Abgasableitung (11) herrschenden Druck derart ausgelegt ist, dass die jeweilige erste Wand dem jeweiligen Druck standhält, und dass auf einer der Abgasströmung zugewandten Seite der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) eine zweite Wand (30, 31, 32) positioniert ist, deren Dicke kleiner ist als die Dicke der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26).
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der jeweiligen ersten Wand 24, 25, 26) und der jeweiligen zweiten Wand (30, 31, 32) eine Luftspalt (27, 28, 29) ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand und der Dicke der jeweiligen zweiten Wand mindestens 10:3 beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) und der Dicke der jeweiligen zweiten Wand (30, 31, 32) mindestens 10:2 beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) und der Dicke der jeweiligen zweiten Wand (30, 31, 32) mindestens 10:1 beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Produkt aus Masse und Wärmekapazität der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) größer ist als das entsprechende Produkt der jeweiligen zweiten Wand (30, 31, 32).
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Abgasströmung abgewandten Seite der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) eine dritte Wand (33, 34, 35) positioniert ist, deren Dicke größer ist als die Dicke der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26).
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) und der Dicke der jeweiligen dritten Wand (33, 34, 35) mindestens 1:5 beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) und der Dicke der jeweiligen dritten Wand (33, 34, 35) mindestens 1:7 beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Dicke der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) und der Dicke der jeweiligen dritten Wand (33, 34, 35) mindestens 1:10 beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Produkt aus Masse und Wärmekapazität der jeweiligen ersten Wand (24, 25, 26) kleiner ist als das entsprechende Produkt der jeweiligen dritten Wand (33, 34, 35).
Abgasnachbehandlungssystem einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des Luftspalt (27, 28, 29) zwischen der ersten Wand (24, 25, 26) und der zweiten Wand (30, 31, 32) und/oder eine Dicke eines Luftspalts (36, 37, 38) zwischen den ersten Wand (24, 25, 26) und der dritten Wand (33, 34, 35) mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm, beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit zwischen der zweiten (30, 31, 32) und dritten (33, 34, 35) Wand mindestens 10:1, bevorzugt mindestens 80:1, höchst bevorzugt mindestens 150:1 beträgt
Brennkraftmaschine (1), insbesondere mit einem Dieselkraftstoff oder mit einem Schwerölkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine, mit einem Abgasnachbehandlungssystem (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe ein mehrstufiges Abgasaufladungssystem (2) mit einem eine Hockdruckturbine (6) umfassenden ersten Abgasturbolader (4) und einem eine Niederdruckturbine (7) umfassenden zweiten Abgasturbolader (5) aufweist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (3) zwischen die Hockdruckturbine (6) und die Niederdruckturbine (7) geschaltet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem (3) stromauf einer Abgasturbine angebracht ist.