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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein dieser Brennkraftmaschine zugeordnetes Abgasnachbehandlungssystem.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Bereich sogenannter Großmotoren bzw. Großbrennkraftmaschinen, deren Zylinder Kolbendurchmesser von von mindestens 140 mm, bevorzugt von mindestens 175 mm, äußerst bevorzugt von mindestens 220mm aufweisen. Bei solchen Großbrennkraftmaschinen handelt es sich zum Beispiel um Schiffsmotoren.
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Aus der
WO 2012/107637 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern bekannt. Die Zylinder der dort gezeigten Brennkraftmaschine sind unter Ausbildung einer Zylinderbank in einer Reihe nebeneinander oder hintereinander positioniert. Die Brennkraftmaschine verfügt über ein Abgasnachbehandlungssystem, welches mehrere Turbolader umfasst. Jeder Turbolader verfügt über eine Turbine zur Entspannung von Abgas sowie über einen Verdichter zur Verdichtung von den Zylindern zuzuführender Ladeluft. Die Brennkraftmaschine verfügt weiterhin über einen Abgassammler. Abgas, welches bei Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern der Brennkraftmaschine entsteht, ist dem Abgassammler zuführbar. Im Abgassammler, der sich über die gesamte Zylinderbank erstreckt, ist ein Katalysator angeordnet. Bei diesem Katalysator handelt es sich um einen SCR-Katalysator.
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Die Brennkraftmaschine der
WO 2012/107637 A1 verfügt über den Nachteil, dass der Katalysator, der sich durchgehend über die gesamte Zylinderbank bzw. über den gesamten Abgassammler erstreckt, nur schwer zugänglich ist. Dies ist von Nachteil.
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Es besteht Bedarf an einer neuartigen Brennkraftmaschine mit verbesserter Zugänglichkeit der Katalysatoren. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Brennkraftmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist mehrere, also mindestens zwei, Zylinder auf, in welchen ein Kraftstoff verbrennbar ist.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist ein Abgasnachbehandlungssystem auf, über welches in den Zylindern bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehendes Abgas nachbehandelbar ist. Das Abgasnachbehandlungssystem weist mindestens einen Abgasgasturbolader mit einer Turbine und einem Verdichter und mindestens einen in Strömungsrichtung des Abgases gesehen zwischen den jeweiligen Zylinder und die Turbine des jeweiligen Abgasturboladers geschalteten Abgaskatalysator auf.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist mindestens einen segmentierten Abgassammler auf, in welchen das Abgas ausgehend von dem jeweiligen Zylinder eintritt, um das Abgas vom jeweiligen Zylinder abzuführen. Der jeweilige Abgassammler weist mehrere, also mindestens zwei, Segmente auf, die gekoppelt sind, wobei jedes Segment des jeweiligen Abgassammlers durch eine Trennwand in einen einlassseitigen Bereich und einen auslassseitigen Bereich untergliedert ist, wobei dem einlassseitigen Bereich des jeweiligen Segments des jeweiligen Abgassammlers Abgas mindestens eines Zylinders zuführbar ist, wobei jedes Segment des jeweiligen Abgassammlers einen Abgaskatalysator aufnimmt, über welchen das Abgas führbar ist, um dasselbe vom einlassseitigen Bereich in den auslassseitigen Bereich des jeweiligen Segments zu führen, und wobei der auslassseitige Bereich des jeweiligen Segments des jeweiligen Abgassammlers mit der Turbine des jeweiligen Abgasturboladers gekoppelt ist.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über einen segmentierten Abgassammler. Die einzelnen Segmente des Abgassammlers sind miteinander gekoppelt, wobei jedes Segment einen Katalysator aufnimmt. Das jeweilige Segment des Abgassammlers ist durch seine jeweilige Trennwand in den jeweiligen einlassseitigen Bereich und den jeweiligen auslassseitigen Bereich untergliedert, wobei das Abgas den vom jeweiligen Segment aufgenommenen Abgaskatalysator durchströmen muss, um vom einlassseitigen Bereich des jeweiligen Sammlers in den jeweiligen auslassseitigen Bereich des jeweiligen Sammlers zu gelangen. Die auslassseitigen Bereiche der Segmente des Abgasturboladers sind miteinander und mit der Turbine gekoppelt, um das Abgas nach Durchströmung der jeweiligen Abgaskatalysatoren der Turbine des jeweiligen Abgasturboladers zuzuführen. Die einlassseitigen Bereiche der Segmente sind mit den Zylindern gekoppelt, um den einlassseitigen Bereichen Abgas ausgehend vom jeweiligen Zylinder zuzuführen. Bei einem solchen segmentierten Abgassammler sind die Katalysatoren der Brennkraftmaschine leichter zugänglich.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Segmente des jeweiligen Abgassammlers über Kopplungselemente, wie z.B. Flansche gekoppelt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die Kopplungselemente beweglich oder längenveränderlich, insbesondere in auslassseitigen Bereichen, auszuführen, um Wärmedehnungen der Segmente zu kompensieren. Diese Weiterbildung der Erfindung ist besonders bevorzugt. Unterschiedliche temperaturbedingte Wärmedehnungen der Segmente des jeweiligen Abgassammlers können kompensiert werden. Hierdurch werden mechanische Spannungen im Abgassammler vermieden. Die Lebensdauer desselben wird erhöht.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind die einlassseitigen Bereiche unmittelbar nebeneinander oder hintereinander angeordneten Segmente des jeweiligen Abgassammlers derart gekoppelt, dass dem jeweiligen einlassseitigen Bereich des jeweiligen Segments das Abgas von mindestens zwei Zylindern zuführbar ist. Hierdurch kann das Abgas besonders vorteilhaft durch die Katalysatoren der Segmente geführt werden. Insbesondere kann ein unzulässig hoher Abgasgegendruck vermieden werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung bilden die Zylinder mindestens eine Zylinderbank aus mehreren nebeneinander oder hintereinander angeordneten Zylindern aus, wobei jeder Zylinderbank ein segmentierter Abgassammler zugeordnet ist, wobei der jeweilige Abgassammler eine der Anzahl der Zylinder der jeweiligen Zylinderbank entsprechende Anzahl an nebeneinander oder hintereinander angeordneten Segmenten aufweist, und wobei unmittelbar nebeneinander oder hintereinander angeordneten Segmente des jeweiligen Abgassammler jeweils austrittsseitig im Bereich ihrer auslassseitigen Bereich gekoppelt sind. Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, um das Abgas ausgehend von den auslassseitigen Bereichen der gekoppelten Segmente des Abgassammlers definiert der Turbine des jeweiligen Abgasturboladers zuzuführen.
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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 ein Schema einer Brennkraftmaschine,
- 2 ein Detail der 1,
- 3 ein Detail der 2 in einer vorteilhaften Weiterbildung,
- 4 den Querschnitt IV-IV der 3,
- 5 eine Weiterbildung des Details der 2.
- 6 eine Weiterbildung der 2
- 7 den Querschnitt VII-VII der 6
- 8 eine Weiterbildung der 6 mit der Zuführung des Abgases mehrerer Zylinder zu mindestens einem Katalystor
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1 zeigt ein Schema einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 verfügt über mehrere Zylinder 11. In 1 sind exemplarisch drei Zylinder 11 gezeigt, die unter Ausbildung einer Zylinderbank 12 in einer Reihe nebeneinander bzw. hintereinander angeordnet sind. Die Anzahl der in 1 gezeigten Zylinder 11 sowie die Anzahl der Zylinderbänke 12 ist rein exemplarischer Natur.
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Den Zylindern 11 ist Kraftstoff K zuführbar. Ferner ist den Zylindern 11 zur Verbrennung des Kraftstoffs K Ladeluft L zuführbar. In den Zylindern 11 wird unter Anwesenheit von Ladeluft L der Kraftstoff K verbrannt, wodurch Abgas A entsteht.
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Die Brennkraftmaschine 10 verfügt über ein Abgasnachbehandlungssystem 13. Das bei der Verbrennung des Kraftstoffs K in den Zylindern 11 entstehende Abgas A ist dem Abgasnachbehandlungssystem 13 zur Abgasnachbehandlung zuführbar. Das Abgasnachbehandlungssystem 13 verfügt über einen Abgasturbolader 14, wobei der Abgasturbolader 14 eine Turbine 15 zur Entspannung des Abgases A und einen Verdichter 16 zur Verdichtung der Ladeluft L aufweist. Bei der Entspannung des Abgases A in der Turbine 15 des Abgasturboladers 14 entsteht mechanische Energie, die zum Antreiben des Verdichters 16 und zur Verdichtung der Ladeluft L genutzt wird.
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Das Abgasnachbehandlungssystem 13 verfügt weiterhin über mindestens einen Abgaskatalysator 17, der in Strömungsrichtung des Abgases A gesehen zwischen die Zylinder 11 und den Abgasturbolader 14 geschaltet ist. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführung, wenn in den Katalysatoren 17 eine exotherme Reaktion abläuft, da es hierbei zu einer Anhebung der Abgastemperatur kommt, was zur Folge hat, dass an der Abgasturbine 15 mehr Abgasenthalpie zur Verfügung steht. Hierbei sind insbesondere die Oxidation von Kohlenwasserstoffen, wie z.B. Methan, Kohlenmonoxid und die Zersetzung von Lachgas zu nennen.
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1 zeigt einen Abgaskrümmer 18, der segmentiert ist und mehrere Segmente 18a, 18b und 18c aufweist. Die Segmente 18a und 18b sowie die Segmente 18b und 18c, also jeweils unmittelbar nebeneinander bzw. hintereinander positionierte Segmente des segmentierten Abgassammlers 18, sind miteinander gekoppelt, und zwar über Kopplungselemente 19. Die Kopplungselemente 19 sind vorzugsweise beweglich oder längenveränderlich, um die einzelnen Segmente 18a, 18b und 18c relativ verschieblich zueinander bzw. elastisch zu koppeln. So können im Betrieb durch unterschiedliche Wärmedehnungen verursachte unterschiedliche Längenänderungen der Segmente 18a, 18b, 18c des Sammlers 18 kompensiert werden. Hierdurch lassen sich Spannungen innerhalb des Abgassammlers 18 vermeiden und dessen Lebensdauer erhöhen.
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Jedes Segment 18a, 18b und 18c ist durch eine Trennwand 20 in einen einlassseitigen Bereich 21 und einen auslassseitigen Bereich 22 untergliedert. Der jeweilige einlassseitige Bereich 21 ist mit einem jeweiligen Zylinder 11 gekoppelt, um ausgehend vom jeweiligen Zylinder 11 dem jeweiligen einlassseitigen Bereich 21 des jeweiligen Segments des Abgassammlers 18 Abgas A zuzuführen. Die auslassseitigen Bereiche 22 der Segmente 18a, 18b und 18c sind über die Kopplungselemente 19 miteinander gekoppelt.
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Jedes der Segmente 18a, 18b und 18c des Abgassammlers 18 nimmt einen Abgaskatalysator 17 auf. Damit das Abgas A, welches in den einlassseitigen Bereich 21 des jeweiligen Segments 18a, 18b, 18c des Abgassammlers 18 eintritt, in den ausgangsseitigen Bereich 22 des jeweiligen Segments 18a, 18b, 18c überströmen kann, muss das Abgas A den jeweiligen Abgaskatalysator 17 durchströmen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anzahl der Segmente 18a, 18b, 18c des jeweiligen segmentierten Abgassammlers 18 größer als zwei und kleiner gleich der Anzahl der Zylinder 11 der jeweiligen Zylinderbank 12 ist, äußerst bevorzugt ist die Anzahl der Katalysatoren gleich der Anzahl der Zylinder 11 der jeweiligen Zylinderbank.
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In 1 sind drei Zylinder 11 und drei Segmente 18a, 18b, 18c vorhanden. Mit jedem Zylinder 11 wirkt demnach eines der Segmente 18a, 18b, 18c zusammen, um dem jeweiligen Segment 18a, 18b, 18c des Abgassammlers 18 und damit dem vom jeweiligen Segment aufgenommenen Abgaskatalysator 17 das Abgas A ausgehend vom jeweiligen Zylinder 11 zuzuführen.
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Wie bereits ausgeführt, sind in 1 die auslassseitigen bzw. austrittsseitigen Bereiche 22 der Segmente 18a, 18b, 18c miteinander gekoppelt, und zwar über die Kopplungselemente 19. So kann das Abgas A ausgehend von den auslassseitigen Bereichen 22 der Segmente 18a, 18b, 18c des jeweiligen Abgassammlers 18 der jeweiligen Zylinderbank 12 der Turbine 15 des jeweiligen Abgasturboladers 14 zugeführt werden.
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5 zeigt eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10, bei welcher nicht nur die auslassseitigen Bereiche 22 unmittelbar benachbarter bzw. unmittelbar nebeneinander oder hintereinander positionierter Segmente 18a, 18b miteinander gekoppelt sind, sondern auch die einlassseitigen Bereiche 21. So erstreckt sich zwischen den einlassseitigen Bereichen 21 die in 5 gezeigten, unmittelbar nebeneinander angeordneten Segmente 18a, 18b eine Koppelleitung 23, über welche das Abgas A zwischen den einlassseitigen Bereichen 21 der Segmente 18a, 18b strömen kann. So kann Abgas, welches einen Zylinder 11 verlässt, auf mehrere Segmente des jeweiligen Abgassammlers 18 verteilt werden. Hierdurch ist eine noch effektivere Abgasnachbehandlung im Bereich der Abgaskatalysatoren 17 möglich. Der Koppelleitung 23 ist dabei ein Kompensationselement 24 zugeordnet, welches wie die Kopplungselemente 19 thermisch bedingte Längenänderungen kompensieren kann.
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Die Kopplungselemente 19 sowie die Kompensationselemente 24 können als ziehharmonikaartige Kompensatoren oder als linearverlagerbare Schieber ausgebildet sein.
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3, 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung eines Segments 18a des Abgassammlers 18, wobei 3, 4 eine Isolierung 25 zeigt. Die Isolierung 25 umgibt das jeweilige Segment 18a, 18b, 18c des Abgassammlers 18 radial außen. Die Isolierung 25 kann eine thermische Isolierung und/oder akustische Isolierung bereitstellen.
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Vorzugsweise ist die Isolierung 25 integraler Bestandteil des jeweiligen Segments, sodass also das jeweilige Segment 18a, 18b, 18c und die Isolierung 25 desselben eine bauliche Einheit darstellen. Dadurch kann beim Tausch der Katalysatoren auf ein Entfernen der Isolierung verzichtet werden.
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Wie oben bereits ausgeführt, sind die jeweiligen Segmente 18a, 18b, 18c des segmentierten Abgassammlers 18 durch die Trennwände 22 in einen jeweiligen einlassseitigen Bereich 21 und einen jeweiligen auslassseitigen Bereich 22 untergliedert. Die Trennwände 20 nehmen dabei die Abgaskatalysatoren 17 auf. Vorzugsweise sind die Katalysatoren 17 mit den Trennwänden 22 über Schrauben lösbar verbunden. Diese Schrauben sind in den Figuren nicht gezeigt. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Schrauben durch Sicherungselemente vor einem unbeabsichtigten Lösen gesichert sind. Diese Sicherungselemente können Splinte, Stifte, Kronenmuttern oder dergleichen sein.
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Bei den Abgaskatalysatoren 17, die in dem jeweiligen Segment 18a, 18b, 18c des Abgassammlers 18 aufgenommen sind, kann es sich beliebige Komponenten zur Abgasnachbehandlung handeln, so um SCR-Katalysatoren, Oxidationskatalysatoren, Lachgaszersetzungskatalysatoren, Partikelfilter oder auch um Kombinationen dieser Katalysatoren.
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In den 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Hierbei sind die Katalysatoren 17 in Hauptströmungsrichtung des Abgassammlers angeordnet, so dass die von den Zylindern kommende Abgasströmung A stromauf der Katalysatoren, und nicht wie in den vorangegangenen Figuren stromab der Katalysatoren 17a, 17b und 17c umgelenkt wird. Der auslassseitige Bereich 22 und der einlassseitige Bereich 21 werden ebenfalls durch eine Wand 20 voneinander getrennt. Vorteilhaft erstreckt sich die Wand 21 von der Austrittsseite eines stromauf angeordneten Katalysators bzw. Segments (z.B. 18a, 17a) zur Eintrittsseite eines stromab angeordneten Katalysators bzw. Segments (z.B. 18b, 17b). Von der Eintrittsseite dieses Katalysators wird das Abgas am Katalysator vorbei auf dessen Austrittsseite 22 geleitet, so dass sich eine Bypassströmung zum Katalysator 17b und 17c ergibt. In 6 ist eine Ausführung dargestellt, in der dieser Bypasskanal 27 in den Katalysator 17b und 17c integriert ist. Vorteilhaft ist in diesem Bereich den Bypasskanal 27 über einen Schiebesitz oder Kompensatoren (nicht dargestellt) an den Katalysator 17b und 17c anzubinden, um Wärmedehnungen in Längsrichtung des Abgassammlers auszugleichen.
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Der Strömungsquerschnitt des abströmseitigen Abgastroms 22 verjüngt sich in Richtung des jeweils nachfolgenden Katalysators 17b und 17c, so dass sich der anströmseitige Querschnitt 21 in Richtung des nachfolgenden Katalysators 17b und 17c erweitert. Dies bietet den Vorteil, dass eine optimierte Strömungsgleichverteilung der Anströmung der Katalysatoren durch abgesenkte Anströmgeschwindigkeiten erreicht wird.
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Diese Ausführung erlaubt es, die Katalysatoren 17 ganz oder teilweise (17a) im Bereich der Kompensatoren 19 anzuordnen. Dadurch kann eine sehr kompakte Bauweise erreicht werden. Zudem ist auf einfache Weise die Integration unterschiedlich großer bzw. langer Katalysatoren (17, 17a) möglich. Zudem wird diese Anordnung bei exothermen Reaktionen, die hohen Reaktionstemperaturen, wie z.B. die Methanoxidation, benötigen, gewählt, da dadurch Wärme, die durch exotherme Reaktion in Hauptströmungsrichtung stromauf angeordneten Katalysatoren erzeugt wurde, über die Wand 20 auf die Eintrittsseite von stromab angeordneten Katalysatoren (17b, 17c) übertragen wird. Dadurch steigt dort die Katalysatortemperatur am Eintritt an, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit angehoben wird. Äußerst vorteilhaft ist es, den Wärmeübergang der Trennwand 20 durch Vergrößerung der Oberfläche, beispielsweise durch Rippen und/oder Noppen, zu verbessern (nicht dargestellt).
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Die 7 zeigt einen Schnitt durch den Abgassammler 18 an der Stelle VII- VII der 6. In diesem Beispiel handelt es sich um einen runden Querschnitt des Abgassammlers 18, so dass die Trennwand 20 kegelförmig ausgeführt ist.
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8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, bei der das Abgas A mehrerer Zylinder einem gemeinsamen Abgaskatalysator 17a bzw. 17b zugeführt wird. Dadurch wird die Anzahl der notwendigen Katalysatoren verringert, wodurch die Kosten gesenkt werden können. Um gleichzeitig das System sehr kompakt zu halten, sind allerdings mindestens zwei Katalysatoren stromauf der Abgasturbine 15 vorgesehen, wie hier beispielhaft 17a und 17b. Dadurch kann der Abgasstrom pro Katalysator verringert werden, was eine Verringerung des Querschnitts bei gleichem Abgasgegendruck erlaubt. Hierbei fällt die Anzahl der durch Kompensatoren oder Schiebesitze 19 verbundenen Segmente (18a, 18b, 18c, 18d) größer aus, als die Anzahl der Katalysatoren 17.
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Die Erfindung zeichnet sich durch einen platzsparenden Aufbau der Brennkraftmaschine im Bereich des Abgasnachbehandlungssystems 13 sowie durch eine gute Zugänglichkeit der einzelnen Katalysatoren 17 aus. Es ist eine effektive Abgasnachbehandlung möglich. Im Bereich der Abgaskatalysatoren 17, die stromaufwärts des Abgasturbine 15 angeordnet sind, herrschen hohe Drücke und Temperaturen, um eine effektive Abgasnachbehandlung im Bereich des jeweiligen Abgaskatalysators 17 zu ermöglichen.
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Dies betrifft insbesondere den Bereich sogenannter Großmotoren bzw. Großbrenn-kraftmaschinen, deren Zylinder Kolbendurchmesser von mindestens 140 mm, bevorzugt von mindestens 175 mm, äußerst bevorzugt von mindestens 220mm aufweisen. Bei solchen Großbrennkraftmaschinen handelt es sich zum Beispiel um Schiffsmotoren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 11
- Zylinder
- 12
- Zylinderbank
- 13
- Abgasnachbehandlungssystem
- 14
- Abgasgasturbolader
- 15
- Turbine
- 16
- Verdichter
- 17
- Abgaskatalysator
- 18
- Abgassammler
- 18a
- Segment
- 18b
- Segment
- 18c
- Segment
- 19
- Kopplungselemente
- 20
- Trennwand
- 21
- einlassseitiger Bereich
- 22
- auslassseitiger Bereich
- 23
- Koppelleitung
- 24
- Kompensationselement
- 25
- Isolation
- 27
- Bypasskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/107637 A1 [0003, 0004]
