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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Abgasrückführ
(EGR) System und genauer auf ein Niederdruckabgasrückführsystem,
das derart betreibbar ist, dass Abgas unter einem vollen Bereich
von Bedingungen in eine Maschine rückgeführt wird,
ohne dass Einlassluft gedrosselt wird.
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Hintergrund
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Brennkraftmaschinen
mit innerer Verbrennung, wie Benzinmotoren, Dieselmotoren und mit gasförmigem
Kraftstoff betriebene Motoren, geben eine komplexe Mischung von
Luftschadstoffen ab. Diese Luftschadstoffe sind aus fester Partikelsubstanz
und gasförmigen Bestandteilen mit Stickoxiden (NOx) zusammengesetzt.
Aufgrund der zunehmenden Beachtung der Umwelt sind Abgasemissionsstandards
strenger geworden und die Menge an fester Partikelsubstanz bzw.
Feststoffen und an gasförmigen Bestandteilen, die von einer
Maschine in die Atmosphäre emittiert werden, ist abhängig
von der Maschine, der Größe der Maschine und/oder
der Klasse der Maschine vorgeschrieben.
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Ein
von Maschinenherstellern angewandtes Verfahren, um die Bestimmungen
betreffend diese Maschinenemissionen zu erfüllen, besteht
in der Anwendung von Abgasrückführung (EGR). EGR-Systeme
rückführen die Abgasnebenprodukte in die Einlassluftzufuhr
der Brennkraftmaschine. Das Abgas, das in einen Zylinder der Maschine
rückgeführt wird, vermindert die Sauerstoffkonzentration
darin, wodurch die Wärmekapazität des Gemisches vergrößert
wird und die maximale Verbrennungstemperatur innerhalb des Zylinders
vermindert wird. Die verminderte maximale Verbrennungstemperatur
und der verminderte Sauerstoff verlangsamen die chemischen Reaktionen,
die für die Bildung von NOx verantwortlich sind, wodurch
die von der Maschine emittierte Menge an NOx vermindert wird. Zusätzlich
wird die im Abgas enthaltene Partikelsubstanz bei Wiedereinleitung
in den Maschinenzylinder verbrannt, um die Abgasnebenprodukte weiter
zu vermindern.
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Ein
verfügbarer Typ eines EGR-Systems wird Niederdrucksystem
genannt. Niederdruck EGR-Systeme ziehen unter niederem Druck befindliches
Abgas von der strömungsabwärtigen Seite einer
Turbine der Maschine ab und leiten das Abgas zu einer Stelle strömungsaufwärts
eines Kompressors der Maschine. Ein Beispiel eines Niederdruck EGR-Systems
wurde in der
US Patentveröffentlichung
Nr. 2006/0156724 (die '724 Veröffentlichung) von
Dismon et al. am 20 Juli 2006 offenbart. Genauer offenbarte die
'724 Veröffentlichung ein Abgasrückführsystem
mit einer Partikelfalle, die in Reihe mit und strömungsabwärts
einer Turbine angeordnet ist. Das Abgasrückführsystem
enthält weiter einen Katalysator, der in Reihe mit und
strömungsabwärts der Partikelfalle angeordnet
ist. Abgas wird von einer Stelle zwischen dem Partikelfilter und
dem Katalysator abgesaugt, um zu einem Lufteinlasskanal strömungsoberhalb
eines Kompressors rückgeführt zu werden. Ein Abgasrückführventil
ist innerhalb einer Abgasleitung zwischen dem Partikelfilter und
dem Katalysator angeordnet, um die Strömungsmenge des rückgeführten
Abgases zu steuern.
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Obwohl
das Niederdruckabgasrückführsystem der '724 Veröffentlichung
die Menge an NOx und Partikeln, die in die Atmosphäre emittiert
werden, vermindern kann, kann es in seiner Wirkung begrenzt sein.
Insbesondere können einige Situationen auftreten, in denen
der Druckunterschied zwischen dem Abgas und der Einlassluft für
einen einwandfreien Betrieb ungenügend ist. Mit anderen
Worten, es ist möglich, dass der Druck des rückgeführten
Abgases im Wesentlichen der Gleiche ist oder sogar geringer ist
als der Druck der Einlassluft. In diesen Situationen strömt
das Abgas schlecht oder gar nicht in den Lufteinlasskanal. Ohne
ausreichende Abgasrückführung kann es geschehen,
dass die Emissionen der Maschine den Umweltvorschriften nicht genügen.
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Weiter
kann die offenbarte Anordnung des Abgasrückführventils
problematisch sein. Genauer kann, da dieses Ventil innerhalb der
Abgasleitung angeordnet ist, die auf das Ventil wirkende Temperatur sehr
hoch sein. Diese hohen Temperaturen können das Ventil mit
der Zeit schädigen, was möglicherweise zu einem
vorzeitigen Ausfall des Ventils führt.
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Das
offenbarte EGR-System ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der
vorgenannten Probleme zu beseitigen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Abgasbehandlungssystem
für eine Maschine gerichtet. Das Abgasbehandlungssystem kann
eine Luftansaugleitungsanordnung, eine Abgasleitungsanordnung und
eine Abgasrückführleitungsanordnung enthalten.
Die Luftansaugleitungsanordnung kann derart ausgebildet sein, dass
sie Luft in die Maschine leitet. Die Abgasleitungsanordnung kann
derart ausgebildet sein, dass sie Abgas aus der Maschine leitet
und eine von dem Abgas angetriebene Turbine, ein in Reihe mit und
strömungsabwärts der Turbine angeordnetes Partikelfilter
und eine in Reihe mit und strömungsabwärts des
Partikelfilters angeordnete Katalysatorvorrichtung enthält.
Die Abgasrückführleitungsanordnung kann derart
aufgebaut sein, dass sie selektiv wenigstens einen Teil des Abgases
aus dem Bereich zwischen dem Partikelfilter und der Katalysatorvorrichtung
zu der Luftansaugleitungsanordnung zurückleitet. Die Katalysatorvorrichtung
ist derart ausgewählt, dass sie einen Gegendruck innerhalb
der Abgasleitungsanordnung erzeugt, der genügt, um sicher
zu stellen, dass unter normalen Maschinenbetriebsbedingungen oberhalb des
niedrigen Leerlaufes Abgas in die Luftansaugleitungsanordnung strömen
kann, ohne dass die in die Maschine geleitete Luft gedrosselt wird.
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In
einem anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren
zur Erzeugung von Leistung gerichtet. Dieses Verfahren kann ein
Vermischen von Einlassluft mit Kraftstoff und ein Verbrennen des
Gemisches enthalten, um Leistung und eine Abgasströmung
zu erzeugen. Das Verfahren kann weiter die Verwendung des Abgases
zum Verdichten der Einlassluft und das Entfernen von Partikelsubstanz
aus dem Abgas enthalten. Das Verfahren kann weiter eine katalytische
Behandlung des Abgases enthalten, um einen Bestandteil des Abgases
zu vermindern, und das Rückleiten des Abgases mit verminderter
Partikelmenge zur Mischung mit der Einlassluft enthalten. Die Stufe
der katalytischen Behandlung erzeugt einen Gegendruck innerhalb
des Abgases, der ausreicht, um sicherzustellen, dass unter normalen
Verbrennungsbedingungen oberhalb des niederen Leerlaufes das Abgas
zurückgeleitet werden kann, um sich mit der Einlassluft
zu mischen, ohne dass die Einlassluft gedrosselt wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaft offenbarten Leistungserzeugungseinheit.
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Detailierte Beschreibung
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1 zeigt
eine Leistungserzeugungseinheit 100 mit einem Abgasbehandlungssystem 102. Für
Zwecke der vorliegenden Offenbarung ist die Leistungserzeugungseinheit 100 als
ein Vier-Takt-Dieselmotor ausgebildet und beschrieben. Ein Fachmann
wird jedoch erkennen, dass die Leistungserzeugungseinheit 100 jeder
andere Typ einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung sein kann,
beispielsweise ein Benzinmotor oder ein mit gasförmigem
Kraftstoff betriebener Motor. Weiter kann die Leistungserzeugungseinheit 100 jede
andere Art von Leistung und Abgas erzeugender Vorrichtung sein,
wie beispielsweise ein Ofen. Ganz allgemein kann die Leistungserzeugungseinheit 100 ein Kraftstoff/Luftgemisch
verbrennen, um Leistung und Abgas zu erzeugen, und dieses Abgas
dem Abgasbehandlungssystem 102 zuführen. Das Abgasbehandlungssystem 102 kann
das Abgas aufnehmen, es behandeln und das Abgas in die Atmosphäre
leiten.
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Die
Leistungserzeugungseinheit 100 kann einen Motorblock 104 enthalten,
der zumindest teilweise eine Mehrzahl von Brennkammern 106 definiert,
die in Fluidverbindung mit sowohl einer Einlasssammelleitung 108 als
auch einer Abgassammelleitung 110 sind. In der dargestellten
Ausführungsform enthält die Leistungserzeugungseinheit 100 vier Brennkammern 106.
Die Leistungserzeugungseinheit 100 kann jedoch auch eine
größere oder kleinere Anzahl von Brennkammern 106 enthalten
und die Brennkammern 106 können in einer Reihenanordnung
oder einer V-förmigen Anordnung oder jedwelchen anderen
geeigneten Anordnung angeordnet sein.
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Die
Leistungserzeugungseinheit 100 kann ein Gemisch von Kraftstoff
und Luft verdichten, das dann gesteuert verbrannt wird, um eine
Ausgangsleistung und Abgas zu erzeugen. Jede Brennkammer 106 kann
Kraftstoff und Luft erhalten, die Verbrennung des Kraftstoffes und
der Luft aufnehmen und aus dem Verbrennungsprozess entstehendes
Abgas der Abgassammelleitung 110 zuleiten. Das Abgas kann
Kohlenmonoxid, Stickoxide, Kohlendioxid, Aldehyde, Ruß,
Sauerstoff, Stickstoff, Wasserdampf und/oder Kohlenwasserstoffe,
wie Wasserstoff und Methan enthalten. Ein Fachmann wird erkennen, dass
die Leistungserzeugungseinheit 100 eine Mehrzahl von anderen
Komponenten enthalten kann, wie einen Kraftstofftank, ein oder mehrere
Kraftstoffinjektoren, verschiedene Steuerventile, eine Vorbrennkammer
oder andere Komponenten, die zu dem Verfahren der Erzeugung von
Leistung und Abgas passen.
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Die
Einlasssammelleitung 108 kann eine oder mehrere Einlassöffnungen
haben und Luft oder ein Gemisch von Luft und anderen Gasen aus einem Kanal,
der in Fluidverbindung mit den Einlassöffnungen ist, zu
den Brennkammern 106 leiten. Ähnlich kann die
Abgassammelleitung 110 ein oder mehrere Auslassöffnungen
aufweisen und Abgas aus den Brennkammern 106 in einen Kanal
leiten, der in Fluidverbindung mit den Auslassöffnungen
ist. Die Leistungserzeugungseinheit 100 kann eine Mehrzahl
von Einlass- und/oder Auslasssammelleitungen haben, um Luft und
Abgas in die bzw. aus den Brennkammern 106 zu leiten.
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Das
Abgasbehandlungssystem 102 kann eine Luftansaugleitungsanordnung 112,
eine Abgasleitungsanordnung 114 und eine Abgasrückführ (EGR)
Leitungsanordnung 116 enthalten. Die Luftansaugleitungsanordnung 112 kann
Luft oder ein Gemisch von Luft und anderen Gasen in die Leistungserzeugungseinheit 100 für
eine Verbrennung ansaugen, welche Verbrennung Leistung und Abgas
erzeugt. Die Abgasleitungsanordnung 114 kann einen Teil
des Abgases aus der Leistungserzeugungseinheit 100 in die
Atmosphäre leiten, während die EGR-Leitungsanordnung 116 den
verbleibenden Teil des Abgases aus der Abgasleitungsanordnung 114 in
die Luftansaugleitungsanordnung 112 rückführen kann.
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Die
Luftansaugleitungsanordnung 112 kann Komponenten enthalten,
die aufgeladene Luft in die Brennkammern 106 der Leistungserzeugungseinheit 100 einleitet.
Beispielsweise kann die Luftansaugleitungsanordnung 112 eine
Lufteinlassöffnung 118, einen Einlasskanal 120,
einen Kompressor 122, eine Einlassfluidleitung 124 und
einen Luftkühler 126 enthalten. Zusätzliche
und/oder unterschiedliche Komponenten können des Weiteren
in der Luftansaugleitungsanordnung 112 enthalten sein,
wie beispielsweise ein Bypassventil, ein Bypasssystem, ein Steuersystem
und andere im Stand der Technik bekannte Mittel zum Einleiten aufgeladener
bzw. komprimierter Luft in die Brennkammern 106.
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Die
Lufteinlassöffnung 118 kann fluidmäßig mit
dem Einlasskanal 120 verbunden sein und mit einem Luftreiniger
versehen sein, um die in die Luftansaugleitungsanordnung 112 eintretende
Luft zu reinigen. Der Einlasskanal 120 kann des Weiteren
den Kompressor 122 mit der Lufteinlassöffnung 118 fluidmäßig
verbinden.
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Der
Kompressor 122 kann fluidmäßig mit einer
oder mehreren Einlassöffnungen der Einlasssammelleitung 108 über
eine Einlassfluidleitung 124 verbunden sein, um Luft, die
in die Leistungserzeugungseinheit 100 strömt,
zu komprimieren. Der Kompressor 122 kann ein Kompressor
mit fester Geometrie sein, ein Kompressor mit variabler Geometrie oder
jedwelcher andere Kompressortyp, der im Stand der Technik bekannt
ist. Alternativ können auch mehrere Kompressoren 122 in
der Luftansaugleitungsanordnung 112 enthalten und in Reihe
oder parallel angeordnet sein. Der Kompressor 122 kann jedoch
auch fehlen, wenn eine Maschine mit natürlicher Ansaugung
erwünscht ist.
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Ein
Luftkühler 126 kann die Übertragung von Wärme
zu oder aus der Luft erleichtern, die vom Kompressor 122 verdichtet
ist, bevor die verdichtete Luft in die Einlasssammelleitung 108 eintritt.
Beispielsweise kann der Luftkühler 126 einen Luft-zu-Luft-Wärmetauscher
oder einen Flüssigkeit-zu-Luft-Wärmetauscher enthalten.
Der Luftkühler 126 kann einen Wärmetauscher
in Rohr- und Mantelbauart, einen Wärmetauscher in Plattenbauart oder
jedwelchen anderen Typ von Wärmetauscher enthalten, wie
er im Stand der Technik bekannt ist. In der in 1 beispielhaft
dargestellten Ausführungsform ist der Luftkühler 126 strömungsabwärts
des Kompressors 122 und strömungsaufwärts
der Einlasssammelleitung 108 angeordnet. Der Luftkühler 126 kann
jedoch alternativ, wenn erwünscht, strömungsaufwärts
des Kompressors 122 angeordnet sein.
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Die
Abgasleitungsanordnung 114 kann Komponenten enthalten,
die das Abgas aus den Brennkammern 106 behandeln und fluidmäßig
weiterleiten. Beispielsweise kann die Abgasleitungsanordnung 114 eine
Turbine 128, eine Abgasfluidleitung 130, einen
Abgaskanal 132, ein Partikelfilter 134, eine Katalysatorvorrichtung 136 und
eine Abgasöffnung 138 enthalten. Weiter kann die
Abgasleitungsanordnung 114 zusätzliche und/oder
von den vorstehend genannten verschiedene Komponenten enthalten,
wie beispielsweise eine oder mehrere zusätzliche Katalysatorvorrichtungen 150,
die in Reihe oder parallel mit der Katalysatorvorrichtung 136 angeordnet
sind, oder jedwelche andere Abgasleitungsanordnungskomponenten,
wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
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Die
Turbine 128 kann das Abgas aus den Brennkammern 106 durch
die Abgasfluidleitung 130 hindurch erhalten, die in Fluidverbindung
mit dem einen oder mehreren Auslässen der Abgassammelleitung 110 ist.
Die Turbine 128 kann derart angeschlossen sein, dass sie
den Kompressor 122 antreibt, wobei die Turbine 128 und
der Kompressor 122 zusammen einen Turbolader bilden. Genauer,
wenn die heißen Abgase, die aus der Leistungserzeugungseinheit 100 austreten,
sich gegen die Schaufeln (nicht dargestellt) der Turbine 128 ausdehnen,
kann die Turbine 128 sich drehen und den Kompressor 122 antreiben.
Alternativ können mehr als eine Turbine 128 in
der Abgasleitungsanordnung 114 enthalten sein und parallel
oder in Reihe angeordnet sein, wenn erwünscht. Die eine
oder die mehreren Turbinen 128 können weiter in
einer Turbocompound-Konfiguration angeordnet sein, wobei zumindest
eine Turbine mit der Leistungserzeugungseinheit 100 verbunden
ist, so dass von der Turbine erzeugte Leistung zu der Leistungserzeugungseinheit 100 rückgeführt
wird. Beispielsweise kann eine Turbine in Reihe mit der Turbine 128 angeordnet
sein und mechanisch, hydraulisch oder elektrisch mit der Kurbelwelle (nicht
dargestellt) der Leistungserzeugungseinheit 100 verbunden
sein. Weiter kann die Turbine 128 fehlen und kann der Kompressor 122 von
der Leistungserzeugungseinheit 100 mechanisch, hydraulisch,
elektrisch oder in jedwelcher anderen im Stand der Technik bekannten
Art angetrieben werden, wenn erwünscht.
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Nach
Verlassen der Turbine 128 kann das Abgas fluidmäßig
durch den Abgaskanal 132 geleitet werden. Innerhalb des
Abgaskanals 132 strömungsabwärts der
Turbine 128 kann ein Partikelfilter 134 angeordnet
sein. Wenn das Abgas von der Leistungserzeugungseinheit 100 durch
den Abgaskanal 132 strömt, kann das Partikelfilter 134 Partikelsubstanz
aus der Abgasströmung entfernen. Das Partikelfilter 134 kann
unter anderem ein Drahtnetz, ein keramisches Honigwabenfiltriermedium
oder ein Wandströmungsfilter enthalten.
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Die
Katalysatorvorrichtung 136 kann auch innerhalb des Abgaskanals 132 strömungsabwärts
des Partikelfilters 134 angeordnet sein. Die Katalysatorvorrichtung 136 kann
ein oder mehrere Substrate enthalten, die mit einer Flüssigkeit
oder einem gasförmigen Katalysator beschichtet sind oder
ihn anderweitig enthalten, wie beispielsweise ein Edelmetall enthaltendes
Washcoat. Der Katalysator kann verwendet werden, um Nebenprodukte
der Verbrennung in der Abgasströmung beispielsweise mittels selektiver
katalytischer Reduktion oder NOx-Festsetzung zu entfernen. In einem
Beispiel kann strömungsoberhalb der Katalysatorvorrichtung 136 ein Harnstoffreagenz
in die Abgasströmung injiziert werden. Das Reagenz kann
sich zu Ammoniak zersetzen, das mit dem NOx in dem Abgas über
den Katalysator reagieren kann, um H2O und N2 zu bilden. In einem
anderen Beispiel kann im Abgas enthaltenes NOx mittels einer NOx-Falle
festgesetzt werden, wie beispielsweise einer NOx-Falle mit Bariumsalz,
und periodisch freigesetzt und über den Katalysator reduziert
werden, um CO2 und N2 zu bilden. Die Katalysatorvorrichtung 136 kann
ebenfalls Partikelsubstanz oxidieren, die in der Abgasströmung
zurückbleibt, nachdem sie durch das Partikelfilter 134 hindurch
getreten ist.
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Die
Abmessungen, Dicke und/oder andere Parameter der Katalysatorvorrichtung 136 können derart
gewählt werden, dass der Gegendruck, der von dem durch
sie während des Betriebes der Leistungserzeugungseinheit 100 durchströmenden
Abgas erzeugt wird, ausreicht, um ständig eine Menge des
Abgases in die EGR-Leistungsanordnung 116 zu treiben. Beispielsweise
kann der minimale, von der Katalysatorvorrichtung 136 hervorgerufene
Gegendruck während der normalen Betriebsbedingungen der
Leistungserzeugungseinheit 100 oberhalb niederen Leerlaufs
wenigstens 1 kPa betragen. Die Abmessungen der Katalysatorvorrichtung 136 können vorteilhafterweise
jedoch derart gewählt werden, dass der Gegendruck 10 bis
30 kPa während des Nennbetriebs der Leistungserzeugungseinheit 100 beträgt.
In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform kann die
Abmessung der Katalysatorvorrichtung 136 derart gewählt
werden, dass der Gegendruck während des Nennbetriebs der
Leistungserzeugungseinheit 100 zwischen 10 und 15 kPa liegt. Normale
Betriebsbedingungen oberhalb des niederen Leerlaufes können
Maschinendrehzahlen zwischen 700 U/min bis etwa 2300 U/min enthalten. Nennbetrieb
der Leistungserzeugungseinheit 100 kann eine oder mehrere
Bedingungen bedeuten, bei denen der Hersteller der Leistungserzeugungseinheit 100 eine
jeweilige Eigenschaft garantiert und bezüglich der die
Leistungserzeugungseinheit 100 derart konstruiert ist,
dass sie während der meisten Zeit läuft und optimal
läuft. Dies kann einer oder mehreren Drehzahlen und/oder
einer oder mehreren abgegebenen Drehmomenten entsprechen. Beispielsweise
kann die Leistungserzeugungseinheit 100 eine Nennbetriebsdrehzahl
von etwa 1800 U/min haben. Auf diese Weise kann die Abmessung der
Katalysatorvorrichtung 136 derart gewählt werden,
dass der Gegendruck wenigstens 1 kPa beträgt, wenn die Leistungserzeugungseinheit 100 mit
mehr als 700 U/min läuft, und zwischen 10 bis 15 kPa liegt,
wenn die Leistungserzeugungseinheit 100 mit 1800 U/min läuft.
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Verschiedene
Umgebungs- oder kontextabhängige Faktoren können
die genauen Parameter der Katalysatorvorrichtung 136 beeinflussen,
die notwendig sind, um den erwünschten Gegendruck zu schaffen.
Diese Faktoren können, ohne darauf beschränkt
zu sein, die Betriebstemperatur der Leistungserzeugungseinheit 100 und/oder
der Umgebung, der Höhenstandort der Leistungserzeugungseinheit 100 über
Seehöhe, die Größe der Leistungserzeugungseinheit 100,
der Nennbetrieb der Leistungserzeugungseinheit 100 und
die Anwendung der Leistungserzeugungseinheit 100 sein.
Die Parameter der Katalysatorvorrichtung 136 können
weiter von Komponenten der EGR-Leitungsanordnung 116 abhängen.
Beispielsweise können die Länge der Leitungsanordnung
und die Abmessung der in der Leitungsanordnung enthaltenen Komponenten
einen Abfall des Druckes in Fluiden definieren, die durch die Leitungsanordnung
strömen. Der Wert des Druckabfalls kann den erwünschten
Gegendruck beeinflussen, der von der Katalysatorvorrichtung 136 erzeugt
wird, und auf diese Weise die Parameter der Katalysatorvorrichtung 136,
die erforderlich sind, um den erwünschten Gegendruck zu
erzeugen. In einigen Situationen kann es notwendig sein, mehrere Katalysatorvorrichtungen 136, 150 in
Reihe anzuordnen, um den erwünschten Gegendruck zu erzeugen. Das
behandelte Abgas kann dann fluidmäßig durch die
Abgasöffnung 138 in die Atmosphäre geleitet werden.
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Die
EGR-Leitungsanordnung 116 kann einen Teil der Abgasströmung
der Leistungserzeugungseinheit 100 aus der Abgasleitungsanordnung 114 in die
Luftansaugleitungsanordnung 112 rückleiten. Beispielsweise
kann die EGR-Leitungsanordnung 116 eine EGR-Einlassöffnung 140,
einen EGR-Kanal 142, einen Abgaskühler 144,
eine EGR-Auslassöffnung 146 und ein Mischventil 148 aufweisen.
Weiter kann die EGR-Leitungsanordnung 116 zusätzliche und/oder
unterschiedliche Komponenten enthalten, wie einen Katalysator, eine
elektrostatische Abscheidevorrichtung, ein Abschirmgassystem, eine
Partikelfalle und andere im Stand der Technik bekannte Mittel zum
Rückleiten von Abgas aus einer Abgasleitungsanordnung 114 in
eine Luftansaugleitungsanordnung 112.
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Die
EGR-Einlassöffnung 140 kann an die Abgasleitungsanordnung 114 angeschlossen
sein, um wenigstens einen Teil der Abgasströmung aus der Leistungserzeugungseinheit 100 aufzunehmen.
Genauer kann die EGR-Einlassöffnung 140 strömungsabwärts
der Turbine 128 angeordnet sein, um unter niederen Druck
stehendes Abgas von der Turbine 128 aufzunehmen. In der
Ausführungsform der 1 kann die
EGR-Einlassöffnung 140 auch strömungsabwärts
des Partikelfilters 134, jedoch strömungsaufwärts
der Katalysatorvorrichtung 136 angeordnet sein. Die EGR-Einlassöffnung 140 kann
alternativ auch strömungsaufwärts des Partikelfilters 134 angeordnet
sein, um unter höheren Druck stehendes Abgas zu erhalten,
falls erforderlich. Jedoch kann in dieser Konfiguration eine getrennte
Partikelfalle innerhalb des EGR-Kanals 142 erforderlich
sein, um Partikelsubstanz in dem rückgeführten
Abgas zu vermindern.
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Der
EGR-Kanal 142 kann fluidmäßig die EGR-Einlassöffnung 140 mit
EGR-Auslassöffnung 146 verbinden. Der Abgaskühler 144 kann
innerhalb des EGR-Kanals 142 angeordnet sein, um den Teil des
Abgases zu kühlen, der durch die EGR-Einlassöffnung 140 strömt.
Der Abgaskühler 144 kann beispielsweise einen
Flüssigkeit-zu-Luft-Wärmetauscher, einen Luft-zu-Luft-Wärmetauscher
oder jedwelche andere Art Wärmetauscher enthalten, der
im Stand der Technik zum Kühlen einer Abgasströmung bekannt
ist. Der Abgaskühler 144 kann, wenn gewünscht,
auch weggelassen werden.
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Die
EGR-Auslassöffnung 146 kann fluidmäßig
mit dem Mischventil 148 verbunden sein, um die Abgasströmung
aus dem EGR-Kanal 142 durch das Mischventil 148 in
den Einlasskanal 120 zu lenken. Das Mischventil 148 kann
fluidmäßig mit der EGR-Auslassöffnung 146 und
der Luftansaugleitungsanordnung 112 verbunden sein, um
die Abgasströmung aus der EGR-Leitungsanordnung 116 bzw. Luft
aus der Lufteinlassöffnung 118 zu steuern. Das Mischventil 148 kann
beispielsweise ein Klappenventilelement, ein Kolbenventilelement,
ein Rückschlagventilelement, ein Schieberventilelement,
ein Kugelventilelement, ein sphärisches Ventilelement oder jedwelches
andere im Stand der Technik bekannte Element enthalten. Das Ventilelement
des Mischventils 148 kann zwischen einer Strömungsdurchlassstellung
und einer Strömungseinschränkstellung hin und
her bewegt werden. Die Stellung des Ventilelements des Mischventils 148 zwischen
der Strömungsdurchlass- und der Strömungseinschränkstellung
kann wenigstens teilweise die Menge des Abgases beeinflussen, das
in die Leistungserzeugungseinheit 100 rückgeführt
wird. Genauer kann das Mischventil 148 selektiv die Strömung
des Abgases aus dem EGR-Kanal 142 in den Einlasskanal 120 ermöglichen,
absperren oder teilweise absperren, wodurch das Luft-zu-Abgas-Verhältnis
der in die Einlasssammelleitung 108 strömenden
Gase eingestellt wird. Das Mischventil 148 kann innerhalb
des Einlasskanals 120 strömungsaufwärts
des Kompressors 122 angeordnet sein, so dass das Abgas
aus der EGR-Leitungsanordnung 116 mit der Luft gemischt werden
kann, bevor die Strömung durch den Kompressor 122 und
den Luftkühler 126 strömt.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das
offenbarte EGR-System kann in jedwelcher Maschine angewendet werden,
bei der eine Emissionskontrolle erwünscht ist. Das offenbarte EGR-System
kann ein Niederdruckssystem enthalten, welches einen Teil des Abgases
aus einer Maschine zurück in die Brennkammern der Maschine führt,
wenn die Maschine unter normalen Betriebsbedingungen über
niederem Leerlauf arbeitet, ohne dass die Ansaugluft gedrosselt
wird. Der rückgeführte Teil des Abgases kann eine
Magerbrennbedingung erzeugen, die NOx und Partikelsubstanz vermindert. Der
Betrieb der Leistungserzeugungseinheit 100 wird nun erläutert.
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Atmosphärische
Luft kann durch die Lufteinlassöffnung 118 hindurch
in die Luftansaugleitungsanordnung 112 eingesaugt werden,
dann durch das Mischventil 148 und den Einlasskanal 120 hindurch strömen.
Die Luft kann mit dem rückgeführten Abgas am Mischventil 148 vermischt
werden und dann durch den Kompressor 122 hindurch gelenkt
werden, in dem sie unter Druck gesetzt wird, bevor sie in die Einlasssammelleitung 108 der
Leistungserzeugungseinheit 100 eintritt. Das Gemisch kann
weiter durch den Luftkühler 126 hindurch strömen,
bevor es in die Einlassfluidleitung 124 gelangt, wobei
die Temperatur des Luft/Abgasgemisches abgesenkt wird, bevor das
Gemisch verbrannt wird.
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Das
abgekühlte, verdichtete Luft/Abgasgemisch kann dann durch
die Einlasssammelleitung 108 in die Brennkammern 106 geleitet
werden. Kraftstoff kann mit der gekühlten, verdichteten
Luft vor oder nach dem Eintritt in die Brennkammern 106 gemischt
werden und in der Leistungserzeugungseinheit 100 verbrannt
werden, um mechanische Ausgangsleistung und eine heiße,
unter hohem Druck stehende Abgasströmung zu erzeugen, die
gasförmige Bestandteile und feste Partikelsubstanz enthält. Die
heiße, unter hohem Druck stehende Abgasströmung
kann dann durch die Abgassammelleitung 110 und die Abgasfluidleitung 130 zur
Turbine 128 gelenkt werden. Wenn das Abgas in die Turbine 128 eintritt,
bewirkt die Expansion der heißen Abgase eine Drehung der
Turbine 128, wodurch der damit verbundene Kompressor 122 gedreht
wird. Die Drehung der Turbine 128 kann eine Drehung des
Kompressors 122 verursachen und das Luft/Abgasgemisch in
der Luftansaugleitungsanordnung 112 verdichten, wodurch
die Bewegung des Gemisches zur Leistungserzeugungseinheit 100 für
eine nachfolgende Verbrennung unterstützt wird.
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Die
durch die Expansion der Abgase in der Turbine 128 geleistete
Arbeit kann den Druck des Abgases vermindern. Genauer kann das Abgas
strömungsabwärts der Turbine 128 einen
niedrigeren Druck als das Abgas strömungsaufwärts
der Turbine 128 haben. Diese Niederdruckabgasströmung
kann dann längs des Abgaskanals 132 zum Partikelfilter 134 geleitet
werden. das Partikelfilter 134 kann eine gewisse Menge
an fester Partikelsubstanz aus der Abgasströmung entfernen.
Im Wesentlichen unmittelbar nach dem Verlassen des Partikelfilters 134 kann
die Abgasströmung in zwei Strömungen unterteilt
werden, eine erste, zur EGR-Leitungsanordnung 116 gerichtete
Strömung und eine zweite, durch die Katalysatorvorrichtung 136 zur
Atmosphäre gerichteten Strömung, wobei die Katalysatorvorrichtung 136 dazu
dient, die Menge an NOx zu vermindern und/oder die in die Atmosphäre
abgegebene Partikelsubstanz weiter zu vermindern. Es können
auch zwei Abgasströmungen alternativ strömungsaufwärts des
Partikelfilters 134 abgeteilt werden, wenn erwünscht.
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Das
Abgas kann zumindest teilweise durch die EGR-Einlassöffnung 140 hindurch
von dem Gegendruck getrieben werden, der von der Katalysatorvorrichtung 136 erzeugt
wird. Genauer, durch geeignete Wahl der Parameter der Katalysatorvorrichtung 136 im
Hinblick auf die Betriebsbedingungen der Leistungserzeugungseinheit 100 kann
von der Katalysatorvorrichtung 136 ein minimaler Gegendruck von
1 kPa unter normalen Betriebsbedingungen der Leistungserzeugungseinheit 100 oberhalb
niedrigen Leerlaufs erzeugt werden. In bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung können die Abmessungen der
Katalysatorvorrichtung 136 derart gewählt werden,
dass bei Nennbetrieb der Leistungserzeugungseinheit 100 ein
Gegendruck von 10 bis 15 kPa erzeugt wird. Der Gegendruck kann ausreichen,
um sicherzustellen, dass das Abgas durch die EGR-Einlassöffnung 140 hindurch
getrieben wird, ohne dass die Einlassluft gedrosselt wird.
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Wenn
die erste Abgasströmung durch die EGR-Einlassöffnung 140 hindurchströmt,
kann sie zum Abgaskühler 144 gelenkt werden. Die
erste Abgasströmung kann mittels des Abgaskühlers 144 auf eine
vorbestimmte Temperatur abgekühlt werden, die den Druck
der Abgase in der ersten Abgasströmung weiter vermindern
kann. Die erste Abgasströmung kann dann durch die EGR-Auslassöffnung 146 und das
Mischventil 148 mittels des Kompressors 122 zurück
in die Luftansaugleitungsanordnung 112 gesaugt werden.
Die rückgeführte Abgasströmung kann dann
mit der in die Brennkammern 106 eintretenden Luft für
eine nachfolgende Verbrennung vermischt werden.
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Das
Abgas, das mit Luft vermischt wird und in die Brennkammern 106 gelenkt
wird, kann die Konzentration von Sauerstoff darin vermindern, was
wiederum die Wärmekapazität des Gemisches vergrößert
und die maximale Verbrennungstemperatur innerhalb der Leistungserzeugungseinheit 100 absenkt.
Die abgesenkte maximale Verbrennungstemperatur und der verringerte
Sauerstoff können die chemischen Reaktionen verlangsamen,
die für die Bildung von Stickoxiden verantwortlich sind,
wodurch die Menge an NOx, die von der Leistungserzeugungseinheit 100 abgegeben
wird, vermindert wird.
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Die
vorliegende Offenbarung kann ein EGR-System und ein Verfahren zum
Rückführen von Abgas schaffen, das, indem Abgas
in die EGR-Leitungsanordnung 116 von strömungsaufwärts
einer speziell bemessenen Katalysatorvorrichtung in die EGR-Leitungsanordnung 116 geleitet
wird, garantiert, dass das Abgas mittels eines Druckes angetrieben
wird, der ausreicht, um eine geeignete Mischung des rückgeführten
Abgases und Luft unter normalen Betriebsbedingungen oberhalb niedrigen
Leerlaufs sicherstellt. Diese garantierte Abgasrückführung kann
die Notwendigkeit der Luftdrosselung beseitigen, wodurch der Kraftstoffwirkungsgrad
erhöht und/oder eine Magerbrennbedingung herbeigeführt wird.
Zusätzlich kann durch die Wahl, das Abgas strömungsabwärts
des Partikelfilters 134 in die EGR-Leitungsanordnung 116 zu
leiten, Partikelsubstanz in dem rückgeführten
Abgas vermindert oder eliminiert werden, was die Leistungsfähigkeit
der Leistungserzeugungseinheit 100 verbessern kann, die
Lebensdauer der Leistungserzeugungseinheit 100 verlängern
kann und/oder die Qualität der Emissionen der Leistungserzeugungseinheit 100 verbessern
kann.
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Die
vorliegende Offenbarung kann auch ein EGR-System und ein Verfahren
zum Rückführen von Abgas schaffen, das die Lebensdauer
eines Mischventils 148 verlängert. Genauer kann
durch Anordnung des Mischventils 148 innerhalb der Luftansaugleitungsanordnung 112 strömungsabwärts
des Abgaskühlers 144 die Temperatur der in das
Mischventil 148 eintretenden Abgase kontrolliert werden,
um verschlechternde Wirkungen der hohen Temperaturen auf das Mischventil 148 zu
minimieren oder zu eliminieren.
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Fachleuten
ist klar, dass verschiedene Modifikationen Abänderungen
des offenbarten EGR-Systems durchgeführt werden können.
Weitere Ausführungsformen sind Fachleuten aus der Betrachtung der
Beschreibung und der Ausführung des offenbarten EGR-Systems
klar. Die Beschreibung und die Beispiele sollen nur beispielhaft
in Betracht gezogen werden, wobei ein wirklicher Umfang durch die
nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente
angegeben ist.
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Zusammenfassung
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Niederdruck EGR System mit Vollbereichstauglichkeit
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Es
wird ein Abgasbehandlungssystem (102) für eine
Maschine (100) beschrieben, die eine Luftansaugleitungsanordnung
(112), eine Abgasleitungsanordnung (114) und eine
Abgasrückführleitungsanordnung (116)
aufweisen kann. Die Luftansaugleitungsanordnung kann derart ausgebildet
sein, dass sie Luft in die Maschine leitet. Die Abgasleitungsanordnung
kann derart ausgebildet sein, dass sie Abgas aus der Maschine leitet,
und kann eine von dem Abgas angetriebene Turbine (128),
ein in Reihe mit und strömungsabwärts der Turbine
angeordnetes Partikelfilter (134) und eine Katalysatorvorrichtung
(136) enthalten, die in Reihe mit und strömungsabwärts des
Partikelfilters angeordnet ist. Die Abgasrückführleitungsanordnung
kann derart ausgebildet sein, dass sie selektiv wenigstens einen
Teil des Abgases von zwischen dem Partikelfilter und der Katalysatorvorrichtung
zu der Luftansaugleitungsanordnung rückleitet. Die Katalysatorvorrichtung
ist derart ausgebildet, dass sie innerhalb der Abgasleitungsanordnung
einen Gegendruck erzeugt, der ausreicht, um sicher zu stellen, dass
unter normalen Maschinenbetriebsbedingungen oberhalb eines niedrigen
Leerlaufs Abgas in die Luftansaugleitungsanordnung strömen
kann, ohne dass die Luft gedrosselt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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