EP2977576B1 - Abgasnachbehandlungseinrichtung - Google Patents
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- F01N2590/10—Exhaust or silencing apparatus adapted to particular use, e.g. for military applications, airplanes, submarines for stationary applications
Definitions
- the invention relates to an exhaust aftertreatment device for an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1.
- stationary combustion engines are often used. They have up to 24 cylinders. The cylinders are usually split in a V-arrangement on two cylinder banks.
- stationary internal combustion engines are often equipped with systems for exhaust aftertreatment. For example, to reduce the emissions of unburned hydrocarbons and carbon monoxide, oxidizers in the form of oxidation catalysts are used. For the reduction of nitrogen oxides catalysts are often used for selective catalytic reduction.
- Systems for exhaust aftertreatment of stationary internal combustion engines thus often contain catalytically active assemblies, called catalyst units in a row.
- the object of the present invention is to provide an exhaust aftertreatment device for an internal combustion engine, in which the disadvantages of the prior art are avoided.
- the two catalyst units and the bypass line are arranged in a common housing, wherein the housing has two separate supply lines for untreated exhaust gas and at least one outlet line for treated by the two catalyst units exhaust gas is thus achieved that creates a compact design of the exhaust aftertreatment device is and the guided through the bypass line exhaust gases for heating the at least two catalyst units.
- the separate supply lines for untreated exhaust gas are each connected to a cylinder bank of the internal combustion engine.
- the exhaust gases of the internal combustion engine flow via the separate untreated exhaust gas supply lines into the exhaust aftertreatment device so that the exhaust gases from the one cylinder bank through the one separate supply line and the exhaust gases from the other Cylinder bank through the second separate feed line in the exhaust aftertreatment device occur.
- a catalyst unit can be modularly constructed from catalyst elements.
- the amount of exhaust gas flowing out of the exhaust gas aftertreatment device via the bypass line can be controlled or regulated by a first valve.
- a first valve By this is meant that the proportion of bypassed exhaust gas is controllable or controllable via a valve which is arranged in the bypass line.
- the amount of exhaust gas flowing out of the exhaust gas aftertreatment device via the catalyst unit can be controlled or regulated by a second valve.
- the proportion of bypassed exhaust gas can be controlled or regulated via a second valve, which is arranged in the flow path of the exhaust gases treated in the catalytic converter unit.
- FIG. 1 schematically shows an exhaust aftertreatment device 1 in a cross section.
- the separate feed lines 11, 11 ' via which untreated exhaust enters the exhaust aftertreatment device 1.
- the exhaust gas flows through a mixing device 5.
- the exhaust gas passes through a flow compensation device (also optional) and reaches the catalyst unit 3.
- the valve V1 When the valve V1 is open, the exhaust gas flows through the bypass line 4 and leaves the exhaust gas aftertreatment device 1 via the outlet line 7 For full bypass valve V2 remains closed.
- the apparatus shown can of course also be operated so that the valves V1 and V2 not only be kept in their fully open or fully closed position, but that both valves V1 and V2 are partially open, so that only a portion of the exhaust gas mass flow through the bypass line 4 flows.
- the catalyst unit 3 and the bypass line 4 are arranged in a common housing 2.
- the outlet lines 7 and 8 are combined after exiting the exhaust aftertreatment device 1 in the rule and combined to form an exhaust pipe. This detail is not shown here.
- FIG. 2 shows an exhaust aftertreatment device 1 in an alternative embodiment.
- the valve V1 is designed as a switch which alternately releases or closes the outlet line 7 for exhaust gas treated in the catalyst unit 3 or the outlet line 8 for exhaust gas conducted via the bypass line 4.
- both flow paths 7 and 8 can be switched by only one component.
- the switch may for example be designed as a rotary valve or in the simplest case as a flap.
- the outlet lines 7 and 8 are preferably summarized downstream of the switch to a wiring harness.
- the exhaust aftertreatment device 1 can be made particularly compact and with simple actuators.
- FIG. 3 shows an exhaust aftertreatment device 1 in a further alternative embodiment.
- the valve V1 is arranged so that the exhaust gases exit the exhaust gas aftertreatment device 1 with the valve V1 closed through the catalyst unit 3 and finally through the outlet line 8.
- the outlet line 8 in a section located in the interior of the housing 2 has a perforation, ie openings through which the post-treated by the catalyst unit 3 exhaust gas can occur. If valve V1 is opened, the exhaust gases will preferentially choose the path through the bypass line 4 due to the lower flow resistance and escape through the outlet line 8 untreated.
- valve V1 to determine whether the exhaust gases for the bypass line 4 and finally the outlet line 8 untreated escape from the exhaust aftertreatment device 1, or if the exhaust gases treated by the catalyst unit 3 exit from the exhaust aftertreatment device 1 via the outlet line 8.
- FIG. 4 shows an arrangement with an exhaust aftertreatment device 1, an internal combustion engine 12 and a control device C.
- the arrangement shows an example of an exhaust aftertreatment device 1 according to embodiment of the FIG. 1 ,
- the exhaust aftertreatment device 1 may be designed according to any other embodiment.
- the cylinder banks of the internal combustion engine 12 are designated by the reference symbols A and B.
- Cylinder bank A comprises the cylinders of one cylinder bank, cylinder bank B the cylinders of the other cylinder bank.
- the cylinder bank A is connected via the exhaust pipe L1 to the inlet pipe 11 with the exhaust gas aftertreatment device 1.
- the cylinder bank B is connected via the exhaust gas line L2 to the inlet line 11 'with the exhaust gas aftertreatment device 1.
- the valves V1, V2 receive commands from the controller C to open or close.
- the control / regulating device C is set up so that information about engine sizes, exhaust-gas temperatures, if necessary component temperatures can be supplied and processed.
- the associated sensors and signal lines are not shown, and are carried out as is familiar to those skilled in the art.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
- Zur dezentralen Stromerzeugung werden häufig stationäre Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Sie weisen bis zu 24 Zylinder auf. Die Zylinder sind in der Regel in einer V-Anordnung auf zwei Zylinderbänke aufgeteilt. Zur Einhaltung der Emissionsauflagen werden stationäre Verbrennungskraftmaschinen häufig mit Systemen zur Abgasnachbehandlung ausgestattet. Beispielsweise werden zur Verringerung des Ausstoßes von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid Oxidationseinrichtungen in Form von Oxidationskatalysatoren eingesetzt. Zur Reduktion von Stickoxiden werden häufig Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion eingesetzt. Systeme zur Abgasnachbehandlung von stationären Verbrennungskraftmaschinen beinhalten also häufig katalytisch wirkende Baugruppen, in weiterer Folge Katalysatoreinheiten genannt.
- Im Betrieb solcher Katalysatoreinheiten kann es angezeigt sein, dass nur ein Teil des Abgasmassenstromes der Verbrennungskraftmaschine durch die Katalysatoreinheit strömt, während der übrige Teil über eine Bypassleitung um die Katalysatoreinheit herumgeführt wird. Durch diesen Bypass von Abgasen können Temperaturspitzen im Abgas nach der Katalysatoreinheit gemindert werden. Dies ist besonders dann relevant, wenn die Katalysatoreinheit stromaufwärts eines Abgasturboladers angeordnet ist. Übermäßige Exothermien treten beispielsweise bei der Regenerierung der Katalysatoreinheit oder beim Durchbruch von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, beispielsweise bei Zündaussetzern, auf. Eine andere Motivation Abgas über einen Bypass um die Katalysatoreinheit herumzuleiten ist das Auftreten für die Katalysatoreinheit schädlicher Roh-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine, etwa durch Betrieb mit schwefelreichem Kraftstoff.
- So zeigt die
WO 2012/123636 eine Anordnung einer stationären Verbrennungskraftmaschine mit einer Katalysatoreinheit 3 (hier als Oxidationseinrichtung ausgeführt), die stromaufwärts der Abgasturbine 2 eingerichtet ist. Gemäß dieser Schrift kann bei Verwendung schwefelreichen Kraftstoffes das Abgas über eine Bypass-Leitung 6 um die Katalysatoreinheit 3 herumgeführt werden. Eine ähnliche Vorrichtung ist auch aus derEP2687696A1 benannt. Bei aus dem Stand der Technik für stationäre Verbrennungskraftmaschinen bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtungen mit einer Bypass-Leitung ist die Bypass-Leitung als eine von der Katalysatoreinheit separate Rohrleitung ausgeführt. Einer Bauform der Verbrennungskraftmaschine wird nicht Rechnung getragen. - Dies bringt mehrere Nachteile mit sich: zum einen ist die Bauweise aufwendig, zum anderen trägt das über eine Bypass-Leitung geführte Abgas nicht zur Erwärmung der Katalysatoreinheit bei.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben, bei der die Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden werden.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
- Dadurch dass die zwei Katalysatoreinheiten und die Bypass-Leitung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei das Gehäuse zwei separate Zuführleitungen für unbehandeltes Abgas und wenigstens eine Austrittsleitung für durch die zwei Katalysatoreinheiten behandeltes Abgas aufweist, wird also erreicht, dass eine kompakte Bauform der Abgasnachbehandlungseinrichtung geschaffen ist und die durch die Bypass-Leitung geführten Abgase zur Erwärmung der wenigstens zwei Katalysatoreinheiten betragen.
- Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die separaten Zuführleitungen für unbehandeltes Abgas jeweils mit einer Zylinderbank der Verbrennungskraftmaschine verbunden sind. In diesem Fall strömen die Abgase der Verbrennungskraftmaschine über die separaten Zuführleitungen für unbehandeltes Abgas in die Abgasnachbehandlungseinrichtung so ein, dass die Abgase aus der einen Zylinderbank durch die eine separate Zuführleitung und die Abgase aus der anderen
Zylinderbank durch die zweite separate Zuführleitung in die Abgasnachbehandlungseinrichtung eintreten. Damit wird der Bauform der Verbrennungskraftmaschine Rechnung getragen und es wird eine besonders kompakte Bauform mit einfacher Integration erreicht. - Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Gehäuse zwei separate Katalysatoreinheiten angeordnet sind. Es hat sich als günstig herausgestellt, die Abgasnachbehandlung auf mehrere separate Katalysatoreinheiten zu verteilen, statt eine große Katalysatoreinheit vorzusehen. Dadurch können kostengünstigere kleinere Katalysatorelemente verwendet werden. Eine Katalysatoreinheit kann modular aus Katalysatorelementen aufgebaut werden.
- Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Menge des über die Bypass-Leitung aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung abströmenden Abgases durch ein erstes Ventil steuerbar oder regelbar ist. Darunter ist zu verstehen, dass der Anteil an vorbeigeführtem Abgas über ein Ventil steuerbar oder regelbar ist, das in der Bypass-Leitung angeordnet ist.
- Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Menge des über die Katalysatoreinheit aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung abströmenden Abgases durch ein zweites Ventil steuerbar oder regelbar ist. Das bedeutet, dass der Anteil an vorbeigeführtem Abgas über ein zweites Ventil steuerbar oder regelbar ist, welches im Strömungspfad der in der Katalysatoreinheit behandelten Abgase angeordnet ist.
- Die Erfindung wird im Folgenden durch die Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- Fig. 1
- eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung,
- Fig. 2
- eine Abgasnachbehandlung in einem alternativen Ausführungsbeispiel,
- Fig. 3
- eine Abgasnachbehandlung in einem alternativen Ausführungsbeispiel,
- Fig. 4
- eine Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit dazugehöriger Abtgasnachbehandlungseinrichtung.
-
Figur 1 zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in einem Querschnitt. Zu erkennen sind die separaten Zuführleitungen 11, 11', über welche unbehandeltes Abgas in die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 eintritt. Optional strömt das Abgas durch eine Mischeinrichtung 5. In weiterer Folge tritt das Abgas durch eine Strömungsvergleichsmäßigungseinrichtung (ebenfalls optional) und erreicht die Katalysatoreinheit 3. Bei geöffnetem Ventil V1 strömt das Abgas durch die Bypass-Leitung 4 und verlässt über die Austrittsleitung 7 die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1. Für vollständigen Bypass bleibt das Ventil V2 geschlossen. - Bei geschlossenem Ventil V1 und geöffnetem Ventil V2 tritt das Abgas über die Katalysatoreinheit 3 in die Kammer 6 und verlässt die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 über die Austrittsleitung 8. In der Praxis kann die gezeigte Vorrichtung natürlich auch so betrieben werden, dass die Ventile V1 und V2 nicht nur in ihrer vollkommen geöffneten bzw. vollkommen geschlossenen Stellung gehalten werden, sondern dass beide Ventile V1 und V2 teilweise geöffnet sind, sodass nur ein Teil der des Abgasmassenstromes durch die Bypass-Leitung 4 strömt.
Zu erkennen ist, dass die Katalysatoreinheit 3 und die Bypass-Leitung 4 in einem gemeinsamen Gehäuse 2 angeordnet sind. Die Austrittsleitungen 7 und 8 werden nach Austritt aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in der Regel vereinigt und zu einer Abgasleitung zusammengefasst. Dieses Detail ist hier nicht gezeigt. -
Figur 2 zeigt eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in einer alternativen Ausführungsform. Dabei ist das Ventil V1 als Weiche ausgeführt, welche wechselweise die Austrittsleitung 7 für in der Katalysatoreinheit 3 behandeltes Abgas bzw. die Austrittsleitung 8 für über die Bypass-Leitung 4 geführtes Abgas freigibt bzw. verschließt. Dadurch können beide Strömungspfade 7 und 8 durch nur ein Bauteil geschaltet werden. Die Weiche kann beispielsweise als Drehschieber oder im einfachsten Fall als Klappe ausgebildet sein. Die Austrittsleitungen 7 und 8 werden vorzugsweise stromabwärts der Weiche zu einem Leitungsstrang zusammengefasst.
So kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 besonders kompakt und mit einfachen Stellorganen ausgeführt werden. -
Figur 3 zeigt eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in einer weiteren alternativen Ausführungsform. Hier ist das Ventil V1 so angeordnet, dass die Abgase bei geschlossenem Ventil V1 durch die Katalysatoreinheit 3 und schließlich durch die Austrittsleitung 8 aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 austreten. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Austrittsleitung 8 in einem im Inneren des Gehäuses 2 befindlichen Abschnitt eine Perforation, also Durchbrüche aufweist, durch die das von der Katalysatoreinheit 3 nachbehandelte Abgas treten kann. Ist Ventil V1 geöffnet, werden die Abgase aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes bevorzugt den Weg durch die Bypass-Leitung 4 wählen und durch die Austrittsleitung 8 unbehandelt austreten. Durch diese Variante ist also eine Möglichkeit geschaffen, mit lediglich einem Ventil (Ventil V1) zu bestimmen, ob die Abgase für die Bypass-Leitung 4 und schließlich die Austrittleitung 8 unbehandelt aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 austreten, oder ob die Abgase durch die Katalysatoreinheit 3 behandelt über die Austrittsleitung 8 aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 austreten. -
Figur 4 zeigt eine Anordnung mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 1, einer Verbrennungskraftmaschine 12 und einer Steuer-/Regeleinrichtung C. Die Anordnung zeigt beispielhaft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 nach Ausführungsbeispiel derFigur 1 . Natürlich kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß jedem anderen Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. - Die Zylinderbänke der Verbrennungskraftmaschine 12 sind mit den Bezugszeichen A und B bezeichnet. Zylinderbank A umfasst die Zylinder der einen Zylinderbank, Zylinderbank B die Zylinder der anderen Zylinderbank. Die Zylinderbank A ist über die Abgasleitung L1 mit der Eintrittsleitung 11 mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 verbunden. Die Zylinderbank B ist über die Abgasleitung L2 mit der Eintrittsleitung 11' mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 verbunden. Im Betrieb erhalten die Ventile V1, V2 von der Steuer-/Regeleinrichtung C Befehle zum Öffnen oder Schließen. Die Steuer-/Regeleinrichtung C ist so eingerichtet, dass Information zu Motorgrößen, Abgastemperaturen, ggfs. Bauteiltemperaturen zuführbar und verarbeitbar sind. Die dazugehörigen Sensoren und Signalleitungen sind nicht eingezeichnet, und werden so ausgeführt, wie es dem Fachmann geläufig ist.
- In der in
Figur 3 gezeigten Variante der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 mit zwei Ventilen V1, V2 bewirkt also eine Öffnung des Ventils V1 bei geschlossenem Ventil V2, dass sämtliche Abgase durch die Bypass-Leitung 4 aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 austreten. Umgekehrt bedeutet ein vollständig geschlossenes Ventil V1 bei geöffnetem Ventil V2, dass sämtliche Abgase von der Katalysatoreinheit 3 nachbehandelt aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 austreten. Über Variation der Öffnungszustände der Ventile V1, V2 kann natürlich auch eine Variation der durch die Bypass-Leitung 4 bzw. der durch die Katalysatoreinheit 3 tretenden Abgasmassenströme erreicht werden. Wie anhandFigur 2 erläutert, kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 auch mit lediglich einem Ventil betrieben werden. -
- 1
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Katalysatoreinheit
- 4
- Bypass-Leitung
- 5
- Mischeinrichtung
- 6
- Kammer
- 7
- Austrittsleitung von Bypass
- 8
- Austrittsleitung von Kammer
- 9
- Strömungsvergleichmäßigungseinrichtung
- 11, 11'
- Zuführleitungen
- 12
- Verbrennungskraftmaschine
- A, B
- Zylinderbänke
- C
- Steuer-/Regeleinrichtung
- L1, L2
- Abgasleitungen
- E1, E2
- Austrittsleitungen
- V1, V2
- Ventile
Claims (4)
- Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) für eine Verbrennungskraftmaschine (12), insbesondere eine stationäre Verbrennungskraftmaschine mit zwei, stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine (12) angeordneten Katalysatoreinheiten (3) für Abgase, wobei über eine Bypass-Leitung (4) Abgase von der Verbrennungskraftmaschine an den zwei Katalysatoreinheiten (3) vorbeiführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Katalysatoreinheiten (3) und die Bypass-Leitung (4) in einem gemeinsamen Gehäuse (2) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (2) zwei separate Zuführleitungen (11, 11') für unbehandeltes Abgas und wenigstens eine Austrittsleitung (7, 8) für durch die zwei Katalysatoreinheiten (3) behandeltes Abgas aufweist, wobei die zwei separaten Zuführleitungen (11, 11') im Gehäuse (2) jeweils in separate Katalysatoreinheiten (3) münden.
- Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine (12) wenigstens zwei Zylinderbänke (A, B) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die separaten Zuführleitungen (11, 11') für unbehandeltes Abgas jeweils mit einer Zylinderbank (A, B) der Verbrennungskraftmaschine (12) verbunden sind.
- Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des über die Bypass-Leitung (4) aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) abströmenden Abgases durch ein erstes Ventil (V1) steuerbar oder regelbar ist.
- Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des über die zwei Katalysatoreinheiten (3) aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) abströmenden Abgases durch ein zweites Ventil (V2) steuerbar oder regelbar ist.
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