DE102016003741A1

DE102016003741A1 - Abgasnachbehandlungssystem, Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102016003741A1
Application number: DE102016003741.5A
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: CN107269362B; CN107269362A; JP2017190773A; KR102281555B1; KR20170113393A; FI20175265A

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 ein den SCR-Katalysator (9) aufnehmender Reaktorraum (10) zumindest doppelwandig mit einer ersten Wand (24) und einer auf einer der Abgasströmung zugewandten Seite der ersten Wand positionierten zweiten Wand (25) ausgebildet ist, und wobei ein Spalt (26), der zwischen der ersten Wand (24) und der zweiten Wand (25) ausgebildet ist, von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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 aufweisenden Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist ein den SCR-Katalysator aufnehmender Reaktorraum zumindest doppelwandig mit einer ersten Wand und einer auf einer der Abgasströmung zugewandten Seite der ersten Wand positionierten zweiten Wand ausgebildet, wobei ein Spalt, der zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand ausgebildet ist, von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmbar bzw. durchströmt ist. Diese Ausführung eines Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht bei einer kompakten Bauform eine effektive Abgasnachbehandlung.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist ein Kreislauf für das Wärmeübertragungsmedium einen Zulauf, über den das Wärmeübertragungsmedium in den Spalt einbringbar ist, einen Ablauf, über den das Wärmeübertragungsmedium aus dem Spalt entfernbar ist, eine Fördereinrichtung für das Wärmeübertragungsmedium und eine Temperierungseinrichtung für das Wärmeübertragungsmedium auf. Diese Weiterbildung ermöglicht bei einer kompakten Bauform eine effektive Abgasnachbehandlung.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt ein Verhältnis zwischen der Dicke der ersten Wand des Reaktorraums und der Dicke der zweiten Wand des Reaktorraums mindestens 10:3, bevorzugt mindestens 10:2, besonders bevorzugt mindestens 10:1. Diese Weiterbildung ermöglicht bei einer kompakten Bauform eine effektive Abgasnachbehandlung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung beträgt eine Dicke des Spalts zwischen der ersten Wand des Reaktorraums und der zweiten Wand des Reaktorraums mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm. Diese Weiterbildung ermöglicht bei einer kompakten Bauform eine effektive Abgasnachbehandlung.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist in Anspruch 7 definiert. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine ist in Anspruch 9 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: ein Detail 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.
Bei einstufig aufgeladenen Motoren bietet sich analog eine Anordnung stromauf der einen Abgasturbine an, um das dort vorherrschende höhere Druck- und Temperaturniveau zur Begünstigung der Reaktion auszunutzen.
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 erste 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 zumindest der den SCR-Katalysator 9 aufnehmende Reaktorraum 10 doppelwandig ausgebildet, und zwar zumindest abschnittsweise im Bereich eine zwischen den beiden Seiten 22, 23 angeordneten Wandung 32 des Reaktorraum 10.
Hierdurch wird gewährleistet, dass thermische Energie des Abgases im Abgas verbleibt und nicht in zu starker Umfang an Wände des Reaktorraums 10 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.
Es ist möglich, dass auch die Abgaszuleitung 8 und/oder die Abgasableitung 11 zumindest doppelwandig ausgebildet sind.
Eine hohe Abgastemperatur im Bereich des SCR-Katalysators 9 ist 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 den SCR-Katalysator 9 zerstören und demnach die Effektivität der Abgasnachbehandlung beeinträchtigen.
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.
Der den SCR-Katalysator 9 aufnehmende Reaktorraum 10 weist zumindest im Bereich der Wandung 32 eine erste Wand 24 und auf einer der Abgasströmung (nicht gezeigt) zugewandten Seite der ersten Wand 24 eine zweite Wand 25 auf. Zwischen der ersten Wand 24 und der zweiten Wand 25 des den SCR-Katalysator 9 aufnehmenden Reaktorraums 10 ist ein Spalt 26 ausgebildet, der von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt bzw. durchströmbar ist.
Die erste Wand 24 des Reaktorraums 10 ist derart ausgeführt, dass dieselbe eine Dicke aufweist, die auf einen Maximaldruck derart ausgelegt ist, dass die erste Wand dem Maximaldruck standhält. Der Maximaldruck beträgt bis zu 4 bar.
Die zweite Wand 25 weist eine Dicke auf, die kleiner ist als die Dicke der ersten Wand 24 ist. Die Dicke der ersten Wand ist in 3 mit d1 und die Dicke der zweiten Wand 25 mit d2 gekennzeichnet, wobei die Abmessung des zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand 25 ausgebildeten Spalts 26 mit 112 gekennzeichnet ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt ein Verhältnis zwischen der Dicke d1 der ersten Wand 24 des Reaktorraums 10 und der Dicke d2 der zweiten Wand 25 des Reaktorraums 10 mindestens 10:3, bevorzugt mindestens 10:2, besonders bevorzugt mindestens 10:1.
Die Abmessung des Luftspalts 112 zwischen der ersten Wand 24 des Reaktorraums 10 und der zweiten Wand 25 des Reaktorraums 10 beträgt mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm.
Ein Produkt aus der Masse und der Wärmekapazität der ersten Wand 24 des Reaktorraums 10 ist vorzugsweise größer als das entsprechende Produkt der Masse und der Wärmekapazität der zweiten Wand 27 des Reaktorraums 10.
Die erste Wand 24 des Reaktorraums 10 sowie die zweite Wand 25 des Reaktorraums 10 können beide aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein, so zum Beispiel aus Stahl. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, in welcher die erste Wand 24 aus einem metallischen Werkstoff und die zweite Wand 25 aus einem keramischen Werkstoff gefertigt ist. Ebenso ist es möglich, dass die erste Wand 24 und die zweite Wand 25 jeweils aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sind, wobei die zweite Wand 25 auf einer der Abgasströmung zugewandten Seite dann vorzugsweise eine keramische Beschichtung tragen kann.
Im Sinne der Erfindung ist der zwischen der ersten Wand 24 des Reaktorraums 10 und der zweiten Wand 25 des Reaktorraums 10 ausgebildete Spalt 26 von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt bzw. durchströmbar. Dadurch kann der Reaktorraum 10 auf eine definierte Temperatur gebracht werden, um eine optimale Abgasnachbehandlung zu gewährleisten, insbesondere dadurch, dass der SCR-Katalysator 9 stets bei optimalen Betriebstemperaturen betrieben wird.
So verfügt das Abgasnachbehandlungssystem 3 über einen Kreislauf 27 für das Wärmeübertragungsmedium, wobei der Kreislauf 27 einen Zulauf 28, über welchen das Wärmeübertragungsmedium in den Spalt 26 einbringbar ist, einen Ablauf 29, über welchen das Wärmeübertragungsmedium aus dem Spalt 26 entfernbar ist, eine Fördereinrichtung 30 und eine Temperierungseinrichtung 31 jeweils für das Wärmeübertragungsmedium aufweist.
Über den Zulauf 28 kann demnach in der Temperierungseinrichtung 31 auf eine definierte Soll-Temperatur gebrachtes Wärmeübertragungsmedium in den Spalt 26, der zwischen der Wand 24 und der Wand 25 des Reaktorraums 10 ausgebildet ist, eingebracht werden, sodass dasselbe den Spalt 26 durchströmen und so insbesondere über die Wand 25 den Reaktorraum 10 temperieren kann. Das Wärmeübertragungsmedium, welches den Spalt 26 durchströmt hat, kann über den Ablauf 29 mit Hilfe der Fördereinrichtung 30 vom Spalt 26 entnommen und anschließend wieder über die Temperierungseinrichtung 31 gefördert werden, um das Wärmeübertragungsmedium im Sinne eines geschlossenen Kreislaufs zu führen.
Beim Wärmeübertragungsmedium kann es sich um ein Gas, insbesondere um Luft oder auch um ein Fluid, wie zum Beispiel um Wasser, handeln. Wie bereits ausgeführt, kann über das Wärmeübertragungsmedium der Reaktorraum 10 auf eine definierte Temperatur gebracht werden, um im Bereich des im Reaktorraum 10 positionierten SCR-Katalysators 9 eine optimale Abgasnachbehandlung bei optimaler Betriebstemperatur zu ermöglichen.
Das Wärmeübertragungsmedium kommt nicht mit Abgas in Kontakt. Die Fördereinrichtung 30 sowie die Temperierungseinrichtung 31 kommen demnach nicht mit korrosiven Gasen in Kontakt. Bei der Fördereinrichtung 30 handelt es sich insbesondere um eine Pumpe oder ein Gebläse. Bei der Temperierungseinrichtung 31 handelt es sich vorzugsweise um einen Wärmetauscher oder eine sonstige Heizeinrichtung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1, die ein solches Abgasnachbehandlungssystem 3 aufweist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass der Reaktorraum 10 abhängig von der Betriebssituation der Brennkraftmaschine 1 über das den Spalt 26 zwischen der ersten Wand 24 und der zweiten Wand 25 des Reaktorraums 10 durchströmende Wärmeübertragungsmedium automatisch temperiert wird.
In diesem Zusammenhang ist es zum Beispiel möglich, dass dann, wenn die Brennkraftmaschine in einem Kaltstartbetriebsmodus betrieben wird, der Reaktorraum 10 über das den Spalt 26 durchströmende Wärmeübertragungsmedium vor dem eigentlichen Start der Brennkraftmaschine auf eine Soll-Temperatur erhitzt wird.
Ebenso ist es möglich, die Temperatur innerhalb des Reaktorraums 10 mit Hilfe eines Temperatursensors zu erfassen, und dann, wenn die Temperatur innerhalb des Reaktorraums 10 kleiner als ein Grenzwert ist, den Reaktorraum 10 über das den Spalt 26 durchströmende Wärmeübertragungsmedium auf eine Soll-Temperatur zu erhitzen.
Wie oben bereits ausgeführt, kann nicht nur der Reaktorraum 10 doppelwandig ausgeführt sein, sondern auch die Abgaszuleitung 8 und/oder die Abgasableitung 11 des Abgasnachbehandlungssystems 3.
Auch im Bereich der Abgaszuleitung 8 und/oder Abgasableitung 11 kann zwischen entsprechenden Wänden ein Spalt ausgebildet sein, durch den auf die oben beschriebene Art und Weise ein Wärmeübertragungsmedium geführt werden kann, um die Abgastemperatur in der Abgaszuleitung 8 und/oder in der Abgasableitung 11 zu beeinflussen. Ebenso kann der Bypass 12 doppelwandig ausgeführt sein.
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 Ausführungsbeispiel vorliegende Erfindung ist bevorzugt auf die SCR-Technologie gerichtet, die Erfindung soll aber nicht darauf beschränkt sein, sondern kann insbesondere bei Gasmotoren auch bei CH4- und HCHO-Oxidationskatalysatoren angewendet werden. Bei einstufig aufgeladenen Motoren ist es vorteilhaft, das Abgasnachbehandlungssystem stromauf der Turbine anzuordnen.
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: zweite Wand
26: Spalt
27: Kreislauf
28: Zulauf
29: Ablauf
30: Fördereinrichtung
31: Temperierungseinrichtung
32: Wandung

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (3) einer Brennkraftmaschine, beispielsweise ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem, mit einem Katalysator (9), mit einer zum Katalysator (9) führenden Abgaszuleitung (8) und mit einer vom Katalysator (9) wegführenden Abgasableitung (11), dadurch gekennzeichnet, dass ein den Katalysator (9) aufnehmender Reaktorraum (10) zumindest doppelwandig mit einer ersten Wand (24) und einer auf einer der Abgasströmung zugewandten Seite der ersten Wand positionierten zweiten Wand (25) ausgebildet ist, und dass ein Spalt (26), der zwischen der ersten Wand (24) und der zweiten Wand (25) ausgebildet ist, von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmbar ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreislauf (27) für das Wärmeübertragungsmedium einen Zulauf (28), über den das Wärmeübertragungsmedium in den Spalt (26) einbringbar ist, einen Ablauf (29), über den das Wärmeübertragungsmedium aus dem Spalt (26) entfernbar ist, eine Fördereinrichtung (30) für das Wärmeübertragungsmedium und eine Temperierungseinrichtung (31) für das Wärmeübertragungsmedium aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wand (24) des Reaktorraums (10) eine größere Dicke als die zweite Wand (25) des Reaktorraums (10) aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, ein Verhältnis zwischen der Dicke der ersten Wand (24) des Reaktorraums (10) und der Dicke der zweiten Wand (25) des Reaktorraums (10) mindestens 10:3, bevorzugt mindestens 10:2, besonders bevorzugt mindestens 10:1, beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Produkt aus Masse und Wärmekapazität der ersten Wand größer ist als das entsprechende Produkt der zweiten Wand.
Abgasnachbehandlungssystem einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des Spalts (26) zwischen der ersten Wand (24) des Reaktorraums (10) und der zweiten Wand (25) des Reaktorraums (10) mindestens 2 mm, bevorzugt mindestens 4 mm, besonders bevorzugt mindestens 6 mm, beträgt.
Brennkraftmaschine (1), insbesondere mit einem Dieselkraftstoff oder mit einem Schwerölkraftstoff betriebene Brennkraftmaschine, mit einem Abgasnachbehandlungssystem (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese abgasaufgeladen ist und der Reaktorraum stromauf wenigstens eines Abgasturboladers angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, 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.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorraum (10) abhängig von der Betriebssituation der Brennkraftmaschine (1) über das den Spalt (26) zwischen der ersten Wand (24) und der zweiten Wand (25) durchströmende Wärmeübertragungsmedium temperiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Temperatur des Reaktorraums (10) kleiner als ein Grenzwert ist, der Reaktorraum (10) über das den Spalt (26) durchströmende Wärmeübertragungsmedium auf eine Soll-Temperatur erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Brennkraftmaschine in einem Kaltstartbetriebsmodus betrieben wird, der Reaktorraum (10) über das den Spalt (26) durchströmende Wärmeübertragungsmedium auf eine Soll-Temperatur erhitzt wird.