DE202016101972U1

DE202016101972U1 - Abgasbehandlungsvorrichtung für Verbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE202016101972U1
Application number: DE202016101972.9U
Authority: DE
Original assignee: Edag Production Solutions & Co KG GmbH
Current assignee: Edag Production Solutions & Co KG GmbH
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-07-17
Anticipated expiration: 2026-04-15

Abstract

Abgasbehandlungsvorrichtung (20) für eine Verbrennungsvorrichtung (10), mit einer ersten Reinigungseinrichtung (27) zur Reinigung eines Abgases (40) der Verbrennungsvorrichtung (10) durch Abscheiden von Stickoxid aus dem Abgas (40), das bei einer Verbrennung eines Gemischs aus Brennstoff (32) und Luft (33) mit der Verbrennungsvorrichtung (20) erzeugt wird, einer zweiten Reinigungseinrichtung (29) zur Nachbehandlung des von der ersten Reinigungseinrichtung (27) gereinigten Gases (42), und einer Mischkammer (28), die zwischen der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung (27, 29) angeordnet ist, zum Mischen eines Zusatzmittels (44) in das Gas (42) zwischen der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung (27, 29), wobei die erste und zweite Reinigungseinrichtung (27) zumindest teilweise aneinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Verbrennungsvorrichtung, die insbesondere eine mit Diesel als Brennstoff betriebene Brennkraftmaschine, wie ein Dieselmotor oder ein Dieselstromaggregat, insbesondere Dieselnotstromaggregat, ist oder eine Müllverbrennungsvorrichtung oder eine Feuerungsanlage, usw. ist.
Bei einer Brennkraftmaschine wird die chemische Energie eines Brennstoffs in mechanische Energie umgewandelt. Hierfür wird ein Gemisch aus Brennstoff und Luft gezündet und verbrannt. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme wird in mechanische Arbeit oder Energie umgewandelt. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas enthält in der Regel Stickoxide und bei kohlenstoffhaltigen Brennstoffen auch Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂). Die Stickoxide werden auch als NO_x bezeichnet, da aufgrund der vielen Oxidationsstufen des Stickstoffs, also der Reaktion von Stickstoff N mit Sauerstoff O, meist mehrere Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen in dem Abgas vorhanden sind. Ebenso entstehen Stickoxide bei einer Müllverbrennungsvorrichtung oder einer Feuerungsanlage, einer Gasturbine, usw.
Bekanntermaßen ist Kohlenmonoxid giftig und haben Stickoxide – insbesondere Stickstoffdioxid (NO₂) – ab einer gewissen Konzentration in der Luft einen schädlichen Einfluss auf die Gesundheit von Mensch und Tier, da Stickoxide die Atmungsorgane reizen und schädigen. Bodennahe Stickoxide führen bei Einfall von UV-Strahlung zur Ozonbildung (O₃), was ebenfalls zur Reizung der Atemwege führt. Noch dazu sind Stickoxide maßgeblich für die Entstehung von Saurem Regen mitverantwortlich, der Pflanzen und Gebäude schädigt.
Zudem erzeugen Verbrennungsvorrichtungen, vor allem Dieselmotoren oder Dieselnotstromaggregate aber auch andere Verbrennungsvorrichtungen, durch die Verbrennung von Brennstoff auch Rußpartikel, die ebenfalls die Atmungsorgane von Mensch und Tier reizen und schädigen können.
Daher sind mittlerweile von vielen Staaten für den Betrieb von Brennkraftmaschinen beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, usw., gesetzliche Vorschriften für die Mengen erlassen worden, die beim Betrieb einer Brennkraftmaschine oder eines Fahrzeugs maximal an die Umgebungsluft abgegeben werden dürfen. Diese Maximalmengen oder Mengengrenzwerte sind in der letzten Zeit immer weiter reduziert worden, wodurch die Hersteller von Brennkraftmaschinen gezwungen sind, die Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine von schädlichen Gasen mehr und mehr zu optimieren.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Verbrennungsvorrichtung bereitzustellen, mit welcher die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere soll eine Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Verbrennungsvorrichtung bereitgestellt werden, bei welcher die Reinigung des Abgases der Verbrennungsvorrichtung von für Mensch und/oder Tier und/oder die Umwelt schädlichen Stoffen optimiert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Abgasbehandlungsvorrichtung hat eine erste Reinigungseinrichtung zur Reinigung eines Abgases der Verbrennungsvorrichtung durch Abscheiden von Stickoxid aus dem Abgas, das bei einer Verbrennung eines Gemischs aus Brennstoff und Luft mit der Verbrennungsvorrichtung erzeugt wird, einer zweiten Reinigungseinrichtung zur Nachbehandlung des von der ersten Reinigungseinrichtung gereinigten Gases, und einer Mischkammer, die zwischen der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung angeordnet ist, zum Mischen eines Zusatzmittels in das Gas zwischen der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung, wobei die erste und zweite Reinigungseinrichtung zumindest teilweise aneinander, insbesondere, ineinander angeordnet sind.
Die beschriebene Abgasbehandlungsvorrichtung hat eine sehr kompakte Bauweise. Dadurch wird weniger Platz als bei herkömmlichen Abgasbehandlungsvorrichtungen benötigt. Noch dazu kann durch die kompakte Bauweise, die eine Nutzung der Abgaswärme der Verbrennungsvorrichtung in der zweiten Reinigungseinrichtung bewirkt, die Eintragsenergie minimiert werden, die für eine optimale Abgasreinigung in der zweiten Reinigungseinrichtung erforderlich ist. Dadurch kann sehr vorteilhaft das Problem gelöst werden, dass das zu reinigende Gas nach der ersten Reinigungseinrichtung oft nur noch eine Temperatur unter 170° hat, jedoch das Zusatzmittel, das gemäß der Norm ISO 22241-1 ausgeführt sein kann, in der zweiten Reinigungseinrichtung erst ab Temperaturen von ca. 170°C oder höher für eine selektive katalytische Reaktion (SCR) von Bestandteilen des Abgases sorgt.
Aus der Nutzung der Abgaswärme der Verbrennungsvorrichtung auch für die zweite Reinigungseinrichtung folgt außerdem eine Senkung der Menge an benötigtem Zusatzmittel für die Abgasreinigung. Zudem ist eine fette Verbrennung bei geringeren Abgastemperaturen nicht mehr erforderlich, um die Stickoxide sicher in Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Dadurch wird weniger Kraftstoff verbraucht, da bei einer fetten Verbrennung der Brennstoffgehalt in dem Brennstoff/Luftgemisch höher ist als für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist. Jeder dieser Effekte führt zu einem optimaleren Wirkungsgrad der Abgasbehandlungsvorrichtung.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit der hier beschriebenen Abgasbehandlungsvorrichtung aufgrund deren Bauweise oder Konstruktion eine bessere Durchmengung des Abgasstroms erfolgt, indem eine Gegenstromvermischung des Zusatzmittels mit dem Abgasstrom stattfindet. Dadurch ist nur noch eine geringere Menge des Zusatzmittels erforderlich. Außerdem hat die Gegenstromvermischung durch ein optimales Gemisch und einen geringeren Schadstoffausstoß von Kohlendioxid (CO₂) eine verbesserte Reaktionsfähigkeit in der zweiten Reinigungseinrichtung zur Folge.
Zudem ist die Fertigungsweise der Abgasbehandlungsvorrichtung im Vergleich zur herkömmlichen Abgasbehandlungsvorrichtung sehr einfach, da auf einfache Verschraubungen, Steck-Zentrierverbindungen, Klemm(ring)verbindungen zurückgegriffen werden kann. Dadurch können bei der hier beschriebenen Abgasbehandlungsvorrichtung die Verschweißungen der einzelnen Komponenten, die bei einer herkömmlichen Abgasbehandlungsvorrichtung bis zu vier Meter Schweißnaht erfordern, zueinander minimal gehalten werden.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Abgasbehandlungsvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die zuvor beschriebene Abgasbehandlungsvorrichtung kann Teil einer Anlage sein, wobei die Anlage zudem mindestens eine Verbrennungsvorrichtung aufweist. Hierbei kann die
Anlage ein Fahrzeug sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbrennungsvorrichtung ein Dieselmotor sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbrennungsvorrichtung ein Dieselstromaggregat sein.
„Behandeln“ ist hierbei insbesondere zu verstehen als Reinigen des Abgases gegen feste und/oder gasförmige Schadstoffe.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein sehr schematisches Blockdiagramm einer Anlage mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine dreidimensionale Teilaußenansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 bis 7 jeweils eine weitere dreidimensionale Teilaußenansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und
8 eine Schnittansicht durch die Abgasbehandlungsvorrichtung von 2; und
9 und 10 jeweils eine Schnittansicht durch das Gehäuse der Abgasbehandlungsvorrichtung von 2.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt sehr schematisch eine Anlage 1, die eine Verbrennungsvorrichtung 10, eine Abgasbehandlungsvorrichtung 20, und eine Abgasleitung 30 aufweist, welche die Verbrennungsvorrichtung 10 und die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 verbindet. Die Verbrennungsvorrichtung 10 ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel eine Brennkraftmaschine, insbesondere ein Dieselmotor oder ein Dieselstromaggregat oder auch Dieselnotstromaggregat. Die Verbrennungsvorrichtung 10 ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann auch insbesondere eine Müllverbrennungsvorrichtung oder eine Feuerungsanlage oder eine Gasturbine, usw. sein.
Die Brennkraftmaschine als Verbrennungsvorrichtung 10 hat eine Brennkammer 11, in welche ein Brennstoff 32 und Luft 33 eingeführt und verbrannt werden. Die bei der Verbrennung entstehende Wärme wird von einer Wandlungseinrichtung 12 in mechanische Arbeit umgewandelt. Die mechanische Arbeit kann beispielsweise auf ein Getriebe eines Fahrzeugs übertragen werden oder von einem Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. Die bei der Verbrennung in der Brennkammer 11 entstehenden Abgase werden durch die Abgasleitung 30 an die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 weitergeleitet.
In der Verbrennungsvorrichtung 10 ist bei der Wandlungseinrichtung 12 eine Erfassungseinrichtung 15 zur Erfassung von Betriebszuständen der Wandlungseinrichtung 12 vorgesehen. Im Falle einer Brennkraftmaschine sind die Betriebszustände beispielsweise die momentane Drehzahl und das momentane Drehmoment der Wandlungseinrichtung 12 der Brennkraftmaschine. In der Abgasleitung 30 ist eine Erfassungseinrichtung 35 zur Erfassung der Temperatur des Abgases in der Abgasleitung 30 vorgesehen. Außerdem ist optional in der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 eine Erfassungseinrichtung 35 zur Erfassung der Temperatur des Gases in der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 vorgesehen. Zudem ist eine Steuereinrichtung 36 vorgesehen, welche die Abläufe in der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 steuern und/oder regeln kann.
Nach Behandlung des Abgases durch die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 kann das von der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 behandelte Abgas bei Bedarf über eine Rückführleitung 37 wieder teilweise der Brennkraftmaschine als Verbrennungsvorrichtung 10 zugeführt werden. Ein anderer Teil des von der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 behandelten Abgases kann aus einer Auspuffleitung 38 an die Umgebung abgegeben werden.
Demzufolge kann die Anlage 1 ein Fahrzeug sein, das beispielsweise ein Kraftfahrzeug, ein Lastkraftfahrzeug, ein Flugzeug, ein Schiff, usw. sein kann. Die Brennkraftmaschine als Verbrennungsvorrichtung 10 kann insbesondere ein Dieselmotor zum Antrieb eines drehbaren Teils, wie eine Spindel, ein Rad, ein Zahnrad eines Getriebes, usw., oder ein Dieselstromaggregat zur Erzeugung von elektrischem Strom, oder Ähnliches sein. Es ist jedoch möglich, dass die Brennkraftmaschine als Verbrennungsvorrichtung 10 auch einen anderen Brennstoff als Diesel verwendet.
2 zeigt die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 und einen Teil der Abgasleitung 30 genauer. Demzufolge hat die Abgasbehandlungsvorrichtung ein Gehäuse 21, das mit einer Klemmeinrichtung 22 und Befestigungselementen 23, 23A, wie beispielsweise Stiften, Schrauben, Druckschrauben, usw. zusammengehalten wird. Aus dem Gehäuse 21 ragen Stutzen 24A, 24B, 25 heraus. An die Stutzen 24A, 24B kann/können bedarfsweise Sensoren oder andere Geräte angeschlossen oder eingeführt werden. Der Stutzen 25 kann beispielsweise für eine Abgasrückführung dienen. Zudem ist die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 an einem Stutzen 60 an die Auspuffleitung 38 anschließbar.
Das Gehäuse 21 hat an seinem unteren Ende eine Öffnung 26, durch welche ein Zusatzmittel 44 in die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 eingeleitet oder eingelassen werden kann, wie nachfolgend noch genauer beschrieben. Die Öffnung 26 wird nachfolgend auch als Zusatzmitteleinlassöffnung 26 bezeichnet.
3 bis 7 zeigen die Abgasbehandlungsvorrichtung 20, die mit der Klemmvorrichtung 22 an die Abgasleitung 30 geklemmt ist, aus weiteren Perspektiven von außen.
Hieraus ist ersichtlich, dass das Gehäuse 21 zylindrisch ausgebildet ist, wobei sein eines Ende, in welchem die Öffnung 26 angeordnet ist, abgerundet ausgestaltet ist. Hierbei ist aus 2, 3, und 5 bis 7 ersichtlich, dass das Gehäuse 21 an seinem abgerundeten Ende optional zweiteilig ausgestaltet sein kann. Im Hinblick auf beispielsweise eine schnelle und einfache Montage ist das Gehäuse 21 an seinem abgerundeten Ende jedoch einteilig ausgestaltet. Außerdem zeigen beispielsweise 5 und 6, dass ein Zwischenteil des Gehäuses 21, das zwischen der Abgasleitung 30 und dem abgerundeten Boden mit der Öffnung 26 angeordnet ist, ebenfalls zwei Hälften aufweist.
Das Gehäuse 21 oder genauer gesagt seine beiden Hälften sind mit der Klemmeinrichtung 22 miteinander verbunden und aneinander gehalten. Die Klemmeinrichtung 22 ist in 2 bis 7 ein Klemmschraubring, der durch Anziehen einer Schraube den Schraubring um das Gehäuse spannen und so die beiden Hälften des Gehäuses aneinander klemmen oder pressen kann.
Die Befestigungselemente 23 können einzelne Gehäuseteile des Gehäuses 21 zusammenhalten. Dadurch ist das Gehäuse 21 einfach montierbar oder bei Bedarf auch demontierbar. Dadurch kann die Abgasbehandlungseinrichtung 20 einfach und schnell geöffnet werden, um beispielsweise die von dem Gehäuse 21 aufgenommenen Komponenten zu warten oder auszutauschen, die in Bezug auf 8 noch genauer beschrieben sind. Jedoch ist das Gehäuse 21 nicht zwangsweise aus einzelnen Gehäuseteilen aufgebaut sondern kann auch als ein Topf ausgestaltet sein.
Mit den Befestigungselementen 23A, die in 2 bis 7 beispielsweise als Schrauben ausgestaltet sind, kann die Abgasbehandlungseinrichtung 20 sehr einfach lösbar an dem Stutzen 60 befestigt werden. Auch dadurch kann die Abgasbehandlungseinrichtung 20 einfach und schnell geöffnet werden, was die Wartung oder Austausch der von dem Gehäuse 21 aufgenommenen Komponenten vereinfacht.
Alternativ kann die Befestigung der Abgasbehandlungseinrichtung 20 an dem Stutzen 60 anstelle einer Verwendung von Befestigungselementen 23A unlösbar, insbesondere durch Schweißen, usw., ausgeführt werden. Eine derartige Befestigung ist möglich, wenn keine einfach lösbare Verbindung an dem Stutzen 60 benötigt wird.
Der weitere Aufbau und die Funktionsweise der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 sind nachfolgend anhand von 8 genauer beschrieben.
Gemäß 8 ist das Gehäuse 21 als topfförmiger Behälter 21A, der beispielsweise aus Metall insbesondere Stahl gefertigt ist, mit einem Isoliermantel 21B ausgestaltet. Dadurch kann die Wärme in der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 gut gespeichert werden.
In dem Gehäuse 21 sind bei der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 zudem eine erste Reinigungseinrichtung 27, eine Mischkammer 28 und eine zweite Reinigungseinrichtung 29 angeordnet. In die erste Reinigungseinrichtung 27 wird Abgas 40 aus der Abgasleitung 30 geleitet. Das in der ersten Reinigungseinrichtung 27 in einer ersten Stufe gereinigte Abgas 40 wird als Gas 42 über eine oder mehrere Gaseinlassöffnungen 281 in die Mischkammer 28 geleitet. In der Mischkammer 28 wird dem Gas 42 unter Druck, insbesondere mittels Dosierpumpe oder Injektor, ein Zusatzmittel 44 zugegeben oder eingesprüht und mit dem Gas 42 vermischt. Das Zusatzmittel 44 kann je nach Bedarf, insbesondere regelmäßig und/oder intervallartig und/oder je nach vorhandener Konzentration im Abgas 40 und/oder Anreicherung des NOx in der ersten Reinigungseinrichtung 27 zugegeben oder eingesprüht und mit dem Gas 42 werden. Ein daraus resultierendes Gemisch 46 wird der zweiten Reinigungseinrichtung 29 zugeführt. Das in der zweiten Reinigungseinrichtung 29 in einer zweiten Stufe gereinigte Abgas 40 bzw. Gemisch 46 wird schließlich als gereinigtes Abgas 50 aus der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 ausgeleitet.
Die erste Reinigungseinrichtung 27 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Stickoxidkatalysator oder NO_x-Oxidationskatalysator (NOC) ausgeführt. Der NO_X-Oxidationskatalysator filtert Stickoxide aus dem Abgas 40. Ist der NO_X-Katalysator voll beladen, werden die in die Mischkammer 28 und anschließend in die zweite Reinigungseinrichtung 29 gelangenden Stickoxide mit Hilfe des Zusatzmittels 44 zuverlässig in der zweiten Reinigungseinrichtung 29 in Stickstoff und Wasser umgewandelt, wie nachfolgend genauer beschrieben.
Die zweite Reinigungseinrichtung 29 ist als Katalysator zum Durchführen einer selektiven katalytischen Reaktion (SCR) des Abgases 40 bzw. des Gemischs 46 ausgestaltet. Vorzugsweise weist die zweite Reinigungseinrichtung 29 außerdem zusätzlich einen Partikelfilter zum Abscheiden von Rußpartikeln auf.
Die erste Reinigungseinrichtung 27 ist bei der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 ringförmig ausgebildet. Im Unterschied dazu ist die zweite Reinigungseinrichtung 29 zylinderförmig ausgebildet. Da die zweite Reinigungseinrichtung 29 in der Reinigungseinrichtung 27 angeordnet ist, umschließt die erste Reinigungseinrichtung 27 die zweite Reinigungseinrichtung 29. Daher ist die erste Reinigungseinrichtung 27 um die zweite Reinigungseinrichtung 29 herum angeordnet. Hierbei umgreift die erste Reinigungseinrichtung 27 die zweite Reinigungseinrichtung 29.
Die zweite Reinigungseinrichtung 29 und die erste Reinigungseinrichtung 27 sind jedoch in 8 versetzt zueinander angeordnet. Bereich 46 kann entfallen Somit ragt die zweite Reinigungseinrichtung 29 in Richtung der Abgasleitung 30 aus dem Gehäuse 21 und der Reinigungseinrichtung 27 teilweise heraus. Dadurch umschließt oder umgreift die erste Reinigungseinrichtung 27 die zweite Reinigungseinrichtung 29 entlang ihrer Zylinderachse teilweise.
Der Stutzen 24A ist an dem Gehäuse 21 in dem Bereich der ersten Reinigungseinrichtung 27 angeordnet. Der Stutzen 24A ist an dem Gehäuse 21 im Bereich der Mischkammer 28 und somit stromabwärts der ersten Reinigungseinrichtung 27 angeordnet. Durch die Stutzen 24A, 24B kann beispielsweise eine weitere Erfassungseinrichtung, insbesondere mindestens eine der Erfassungseinrichtungen 35 gemäß 1, zur Erfassung von mindestens einer Eigenschaft des Abgases 40 oder des Gases 42 in der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 eingeführt werden. Die Eigenschaften sind beispielsweise die Temperatur des Abgases 40 oder Gases 42 und/oder die Geschwindigkeit des Abgases 40 oder Gases 42 und/oder weitere physikalische Größen des Abgases 40 oder Gases 42. Eine derartige Erfassungseinrichtung kann phasenweise oder in einem vorbestimmten Takt Eigenschaften des Abgases 40 oder des Gases 42 abgreifen. Je nach Bedarf kann das Erfassungsergebnis der Erfassungseinrichtung dann von der Steuereinrichtung 36 gemäß 1 herangezogen werden, um Eigenschaften des Abgases 40 oder des Gases 42 zu beeinflussen. Hierfür kann beispielsweise das Abgas 40 und/oder Gas 42, insbesondere über den entsprechenden Stutzen 24A und/oder 24B mit einem Druck beaufschlagt werden, um die Geschwindigkeit des Abgases 40 und/oder Gases 42 zu erhöhen.
Wie in 8 dargestellt, ist am Boden des Gehäuses 21 die Mischkammer 28 angeordnet. Die Mischkammer 28 hat in 8 an ihrer der ersten Reinigungseinrichtung 27 zugewandten Seite in etwa denselben Durchmesser wie die erste Reinigungseinrichtung 27. In etwa in der Mitte der Mischkammer 28 ist die Öffnung 26 vorgesehen.
Insgesamt ist also die erste Reinigungseinrichtung 27 stromaufwärts der Mischkammer 28 und der zweiten Reinigungseinrichtung 29 vorgesehen.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine als Verbrennungsvorrichtung 10 und damit der Anlage 1 wird entstehendes Abgas 40 durch die Abgasleitung 30 der Abgasbehandlungseinrichtung 20 zugeführt. Hierbei strömt das Abgas 40 zunächst durch die erste Reinigungseinrichtung 27, wie durch die Blockpfeile 40 in 8 veranschaulicht. Das Abgas 40 durchströmt die erste Reinigungseinrichtung 27 in Richtung der Mischkammer 28. Dabei wird die erste Reinigungseinrichtung 27 durch das Abgas 40 aufgeheizt. Dies hat außerdem eine Aufheizung der zweiten Reinigungseinrichtung 29 zur Folge, da die zweite Reinigungseinrichtung 29 direkt an die erste Reinigungseinrichtung 27 angrenzt bzw. an der ersten Reinigungseinrichtung 27 angeordnet ist. Genauer gesagt, die zweite Reinigungseinrichtung 29 befindet sich bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem von der ersten Reinigungseinrichtung 27 gebildeten Ring.
Erreicht das Abgas 40 die Mischkammer 28, wird es von mindestens einem Leitelement 282, die als mindestens ein Leitblech ausgestaltet sein können, in Richtung der zweiten Reinigungseinrichtung 29 umgeleitet. Die Mischkammer 28 ist demzufolge derart ausgestaltet, dass das Gas 42 nach Einströmen in die Mischkammer 28 seine Strömungsrichtung um bis zu ca. 180° ändert. Bei Bedarf kann die Umleitung der Strömungsrichtung jedoch auch über 180° hinausgehen. Zudem ist in der Mischkammer 28 mindestens ein Vermischungselement 283 vorgesehen, das als mindestens ein Vermischungsblech ausgestaltet sein kann, und das Gas 42 mit dem Zusatzmittel 44 in ein Gemisch 46 vermischen. Hierfür stehen die Leitelement(e) 282 und Vermischungselement(e) 283 möglichst in verschiedenen Richtungen quer zu der Strömungsrichtung des Gases 42 und/oder des Zusatzmittels 44 und/oder des Gemischs 46.
Demgegenüber wird durch die Öffnung 26 das Zusatzmittel 44 in Richtung der zweiten Reinigungseinrichtung 29 eingeleitet oder eingelassen. Das Zusatzmittel 44 kann in einem wassergekühlten Dosiermodul bereitgestellt sein. Das Zusatzmittel 44 ist beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung mit 32,5% hochreinem Harnstoff und 67,5% demineralisiertem Wasser gemäß der ISO 22241-1. Ein derartiges Zusatzmittel 44 ist auch in Deutschland unter der geschützten Markenbezeichnung AdBlue oder in Nordamerika als Diesel Exhaust Fluid (DEF) bekannt. Das Zusatzmittel 44 bewirkt bei entsprechender Temperatur eine selektive katalytische Reaktion (SCR) des Gemischs 46 in der zweiten Reinigungseinrichtung 29. Dadurch werden bevorzugt noch vorhandene Stickoxide (NO, NO2) und Ammoniak in dem Gemisch 46 in Wasser und Stickstoff umgewandelt, die als gereinigtes Abgas 50 aus der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 ausgeleitet werden. Dagegen werden in der zweiten Reinigungseinrichtung 29 unerwünschte Nebenreaktionen wie die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid weitgehend unterdrückt.
Die Leit- und Vermischungselemente 282, 283 sind abweichend von, insbesondere quer zur, Strömungsrichtung des Abgases 40 und der Strömungsrichtung des Zusatzmittels 44 in der Mischkammer 28 angeordnet. Dies ist auch aus 9 und 10 noch deutlicher ersichtlich.
Durch die Leit- und Vermischungselemente 282, 283 findet sowohl eine Umleitung des Abgases 40 als auch eine gute Durchmischung des Abgases 40 und des Zusatzmittels 44 in der Mischkammer 28 statt. Das daraus resultierende Gemisch 46 wird der zweiten Reinigungseinrichtung 29 zugeführt, wie durch in 8 durch Blockpfeile veranschaulicht.
Somit ist gemäß 8 bis 10 die Gaseinlassöffnung 281 für das Gas 42 und die Zusatzmitteleinlassöffnung 26 derart angeordnet, dass der Gasstrom des Gases 42 in Gegenstromrichtung zu der Richtung in die Mischkammer 28 eingelassen wird, in welcher das Zusatzmittel 44 in die Mischkammer 28 eingelassen wird.
An der Zusatzmitteleinlassöffnung 26 kann zusätzlich eine Düse 261, insbesondere Runddüse, vorgesehen sein, die in einem Winkel von bis zu 360° um ihre Achse das Zusatzmittel 44 in die Mischkammer 28 einführen kann. Alternativ kann an der Zusatzmitteleinlassöffnung 26 eine Düse 261 vorgesehen sein, die das Zusatzmittel 44 segmentweise um ihre Achse in die Mischkammer 28 einführen kann. Die Segmente können beliebig wählbare Segmentgrößen haben. Auch dies trägt zur guten Durchmischung des Gases 42 und des Zusatzstoffs 44 bei.
Bei der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 ist die Steuereinrichtung 36 (1) vorzugsweise zur Steuerung der Menge des in die Mischkammer 28 eingeleiteten Zusatzmittels 44 ausgestaltet. Die Menge des eingeleiteten Zusatzmittels 44 ist von der Stickoxidemission der Verbrennungsvorrichtung 10 abhängig. Bei einer Brennkraftmaschine ist die Stickoxidemission der Verbrennungsvorrichtung 10 von der momentanen Drehzahl und dem Drehmoment der Brennkraftmaschine abhängig. Zudem kann die Menge des eingeleiteten Zusatzmittels 44 auf der Grundlage zumindest eines Erfassungsergebnisses der Temperaturerfassungseinrichtung 35 (1) gewählt werden.
Liegt die Temperatur unter einer vorbestimmten Temperatur, die für das zuvor genannte Zusatzmittel 44 gemäß der ISO 22241-1 bei ca. 170° C liegt, ist keine Zugabe von Zusatzmittel 44 erforderlich, da die Reinigung durch die erste Reinigungseinrichtung 27 erfolgt und das Stickoxid in der ersten Reinigungseinrichtung 27 abgelagert wird. Somit findet keine selektive katalytische Reaktion (SCR) des Gemischs 46 in der zweiten Reinigungseinrichtung 29 statt.
Liegt die Temperatur des Gases 42 über der vorbestimmten Temperatur, wird das Zusatzmittel 44 zugegeben. Durch die Aufheizung der zweiten Reinigungseinrichtung 29 durch die erste Reinigungseinrichtung 27, genauer gesagt das Abgas 40 in der ersten Reinigungseinrichtung 27, werden auch Partikel in der zweiten Reinigungseinrichtung 29 abgelagert und somit aus dem Gemisch 46 gefiltert.
Je nach Bedarf kann die Steuereinrichtung 36 jedoch auch ausgestaltet sein, eine Zusatzenergie zum Aufheizen des Gemischs 46 auf die vorbestimmte Temperatur in die Mischkammer 28 zuzuführen, beispielsweise als Heizung, die um das Gehäuse 21 im Bereich der Mischkammer 28 vorgesehen ist.
Auf die zuvor beschriebene Weise kann mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 eine sehr effiziente Abgasbehandlung erreicht werden, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die erste Reinigungseinrichtung 27 in der zweiten Reinigungseinrichtung 29 angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die zweite Reinigungseinrichtung 29 um die erste Reinigungseinrichtung 29 herum angeordnet.
In diesem Fall ist das mindestens eine Leitelement 282 und das mindestens eine Vermischungselement 283 entsprechend anzupassen, um das Gas 42 von innen in der Mischkammer 28 nach außen zu der zweiten Reinigungseinrichtung 29 zu leiten und mit dem Zusatzmittel 44 zu vermischen.
Auch auf diese Weise kann mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 eine sehr effiziente Abgasbehandlung erreicht werden, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel umströmt das gereinigte Abgas 50 zumindest die Einheit aus erster und zweiter Reinigungseinrichtung 27, 29 und gegebenenfalls der Mischkammer 28. Alternativ kann das gereinigte Abgas 50 die gesamte Abgasbehandlungsvorrichtung 20 umströmen.
Hierfür kann das gereinigte Abgas 50 vor seiner Abgabe an die Umgebung in einer Kammer geführt sein, welche um die Einheit aus mindestens der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung 27, 29 herum angeordnet ist. Die Kammer für das gereinigte Abgas 50 umschließt oder umgreift also die Einheit aus mindestens der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung 27, 29 und gegebenenfalls der Mischkammer 28 oder die gesamte Abgasbehandlungsvorrichtung 20.
Auf diese Weise kann mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 weiter die Wärme des gereinigten Abgases 50 genutzt werden, um das Abgas 40 und/oder die Gase 42, 46 aufzuheizen.
Dadurch kann noch eine effizientere Abgasbehandlung erreicht werden, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel umströmt zusätzlich oder alternativ zu dem gereinigten Abgas 50 das Abgas 40 zumindest die Einheit aus erster und zweiter Reinigungseinrichtung 27, 29 und gegebenenfalls der Mischkammer 28. Alternativ kann das Abgas 40 zusätzlich oder alternativ zu dem gereinigten Abgas 50 die gesamte Abgasbehandlungsvorrichtung 20 umströmen.
Hierfür kann das Abgas 40 vor seiner Einleitung in die erste Reinigungseinrichtung 27 in einer Kammer geführt sein, welche um die Einheit aus mindestens der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung 27, 29 herum angeordnet ist. Die Kammer für das Abgas 40 umschließt oder umgreift also die Einheit aus mindestens der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung 27, 29 und gegebenenfalls der Mischkammer 28 oder die gesamte Abgasbehandlungsvorrichtung 20.
Auf diese Weise kann mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 weiter die Wärme des Abgases 40 genutzt werden, um das Abgas 40 und/oder die Gase 42, 46 aufzuheizen.
Dadurch kann noch eine effizientere Abgasbehandlung erreicht werden, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel sind die erste und zweite Reinigungseinrichtung 27, 29 beide ringförmig ausgestaltet. In diesem Fall kann das gereinigte Abgas 50 innen durch den Ring hindurchgeleitet werden.
Auch auf diese Weise kann mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 weiter die Wärme des gereinigten Abgases 50 genutzt werden, um das Abgas 40 und/oder die Gase 42, 46 aufzuheizen.
Dadurch kann noch eine effizientere Abgasbehandlung erreicht werden, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
Gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass die erste und zweite Reinigungseinrichtung 27, 29 wieder beide ringförmig ausgestaltet sind. In diesem Fall kann, im Unterschied zum fünften Ausführungsbeispiel, zusätzlich oder alternativ zu dem gereinigten Abgas 50 das Abgas 40 innen durch den Ring hindurchgeleitet werden. Dadurch kann die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 um die Abgasleitung 30 herum angeordnet sein.
Auch auf diese Weise kann mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 weiter die Wärme des Abgases 40 zusätzlich oder alternativ zum gereinigten Abgas 50 genutzt werden, um das Abgas 40 und/oder die Gase 42, 46 aufzuheizen.
Dadurch kann noch eine effizientere Abgasbehandlung erreicht werden, die einen optimierten Wirkungsgrad aufweist.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Anlage 1, der Verbrennungsvorrichtung 10 und der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere ist eine beliebige Kombination oder Austausch der Merkmale der Ausführungsbeispiele möglich. Bei Bedarf können Merkmale der Ausführungsbeispiele auch entfallen, soweit die beschriebenen Funktionen gewährleistet sind. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Es ist auch möglich, dass die Form der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung 27, 29 anders ausgestaltet ist, als zuvor beschrieben und in den Figuren dargestellt. Beispielsweise kann die zweite Reinigungseinrichtung 29 elliptisch, dreieckig, viereckig, fünfeckig, usw. sein, wobei die Form der ersten Reinigungseinrichtung 27 entsprechend angepasst ist, um die zweite Reinigungseinrichtung 29 zumindest teilweise zu umschließen. Demzufolge sind auch alle anderen Formen der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung 27, 29 möglich, solange die erste und zweite Reinigungseinrichtung 27, 29 in ihren Formen aneinander anpassbar sind, um die Wärme des Abgases 40 auf die zweite Reinigungseinrichtung 29 zu übertragen.
Vorzuziehen ist, dass die Abgasbehandlungsvorrichtung 20 einen zylinderförmigen Außenumfang hat. In diesem Fall kann als Klemmeinrichtung 22 ein einfacher Klemmring mit Befestigungsschraube verwendet werden. Dies ist bei einem elliptischen Außenumfang beispielsweise nicht so einfach möglich. Im Unterschied dazu, sind die Gestaltungsvariationen an der Trennung zwischen den beiden Reinigungseinrichtungen 27, 29 in Bezug auf die Form der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung 27, 29 bei gleich guten Montageeigenschaften größer.
Bei allen vorgenannten Formen der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung 27, 29 kann innen an einer beliebigen Stelle ein Kanal vorgesehen sein, durch welchen das gereinigte Abgas 50 strömen kann, wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Somit ist die Form des Gehäuses 21 der Abgasbehandlungsvorrichtung 20 beliebig wählbar, solange deren zuvor beschriebene Funktion gewährleistet ist.
Die Form der Mischkammer 28 ist beliebig wählbar, solange deren zuvor beschriebene Funktion gewährleistet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ISO 22241-1 [0008]
ISO 22241-1 [0049]
ISO 22241-1 [0055]

Claims

Abgasbehandlungsvorrichtung (20) für eine Verbrennungsvorrichtung (10), mit einer ersten Reinigungseinrichtung (27) zur Reinigung eines Abgases (40) der Verbrennungsvorrichtung (10) durch Abscheiden von Stickoxid aus dem Abgas (40), das bei einer Verbrennung eines Gemischs aus Brennstoff (32) und Luft (33) mit der Verbrennungsvorrichtung (20) erzeugt wird, einer zweiten Reinigungseinrichtung (29) zur Nachbehandlung des von der ersten Reinigungseinrichtung (27) gereinigten Gases (42), und einer Mischkammer (28), die zwischen der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung (27, 29) angeordnet ist, zum Mischen eines Zusatzmittels (44) in das Gas (42) zwischen der ersten und zweiten Reinigungseinrichtung (27, 29), wobei die erste und zweite Reinigungseinrichtung (27) zumindest teilweise aneinander angeordnet sind.
Abgasbehandlungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei die erste Reinigungseinrichtung (27) ringförmig und die zweite Reinigungseinrichtung (29) zylinderförmig ausgestaltet ist, und/oder wobei die erste Reinigungseinrichtung (27) zylinderförmig und die zweite Reinigungseinrichtung (29) ringförmig ausgestaltet ist, und/oder wobei die erste Reinigungseinrichtung (27) entlang der Länge der zweiten Reinigungseinrichtung (29) zumindest teilweise um die zweite Reinigungseinrichtung (29) herum angeordnet ist, und/oder wobei die zweite Reinigungseinrichtung (29) entlang der Länge der ersten Reinigungseinrichtung (27) zumindest teilweise um die erste Reinigungseinrichtung (27) herum angeordnet ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mischkammer (28) aufweist mindestens eine Gaseinlassöffnung (281) zum Einlass des von der ersten Reinigungseinrichtung (27) gereinigten Gases (42) in die Mischkammer (28), und mindestens eine Zusatzmitteleinlassöffnung (26) zum Einlass des Zusatzmittels (44) in die Mischkammer (28), wobei die Gaseinlassöffnung (281) und die Zusatzmitteleinlassöffnung (26) derart angeordnet sind, dass das von der ersten Reinigungseinrichtung (27) gereinigte Gas (42) in Gegenstromrichtung zu einer Richtung in die Mischkammer (28) eingelassen wird, in welcher das Zusatzmittel (44) in die Mischkammer (28) eingelassen wird.
Abgasbehandlungsvorrichtung (20) nach Anspruch 3, wobei die Zusatzmitteleinlassöffnung (26) eine Düse (261) aufweist, die um bis zu 360° oder segmentweise um ihre Achse zum Einlass des Zusatzmittels (44) in die Mischkammer (28) ausgestaltet ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mischkammer mindestens ein Leitelement (282) aufweist zum Leiten des von der ersten Reinigungseinrichtung (27) gereinigten Gases (42) in Richtung der zweiten Reinigungseinrichtung (29), indem die Strömungsrichtung des Gases (42) um bis zu 180° umgelenkt wird.
Abgasbehandlungsvorrichtung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mischkammer (28) mindestens ein Vermischungselement (283) zum Vermischen des von der ersten Reinigungseinrichtung (27) gereinigten Gases (42) mit dem Zusatzmittel (44) aufweist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (20) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das mindestens eine Leitelement (282) als mindestens ein Leitblech ausgestaltet ist, und/oder wobei das mindestens eine Vermischungselement (283) als mindestens ein Vermischungsblech ausgestaltet ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Reinigungseinrichtung (27) stromaufwärts der Mischkammer (28) und der zweiten Reinigungseinrichtung (29) vorgesehen ist, oder wobei die zweite Reinigungseinrichtung (29) stromabwärts der Mischkammer (28) und der ersten Reinigungseinrichtung (27) vorgesehen ist.
Abgasbehandlungsvorrichtung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einer Temperaturerfassungseinrichtung (35) zur Erfassung der Temperatur des Gases (40, 42) vor und/oder nach der ersten Reinigungseinrichtung (27) und/oder in der Mischkammer (28), und einer Steuereinrichtung (36) zur Steuerung des Einlasses des Zusatzmittels (44) in die Mischkammer (28) auf der Grundlage zumindest eines Erfassungsergebnisses der Temperaturerfassungseinrichtung (35).
Anlage (1), mit mindestens einer Verbrennungsvorrichtung (10), und mindestens einer Abgasbehandlungsvorrichtung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Reinigen von Abgas (40), das bei einer Verbrennung eines Gemischs aus Brennstoff (32) und Luft (33) mit der Verbrennungsvorrichtung (10) erzeugt werden.
Anlage (1) nach Anspruch 10, wobei die Anlage (1) ein Fahrzeug ist, und/oder wobei die Verbrennungsvorrichtung (10) ein Dieselmotor ist, und/oder wobei die Verbrennungsvorrichtung (10) ein Dieselstromaggregat ist.