WO2018104442A1 - Abgaspfad für eine brennkraftmaschine, brennkraftmaschine mit einem solchen abgaspfad und verfahren zum agglomerieren von russpartikeln im abgas einer brennkraftmaschine - Google Patents

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exhaust gas
line section
internal combustion
combustion engine
exhaust
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Alexander Brecht
Marc Hehle
Markus Wild
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an exhaust path for an internal combustion engine, an internal combustion engine with such an exhaust path and a method for agglomerating soot particles in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the invention has for its object to provide an exhaust path for an internal combustion engine, an internal combustion engine with such an exhaust path and a method for agglomerating soot particles in the exhaust gas of an internal combustion engine, said disadvantages do not occur.
  • the object is achieved in particular by providing an exhaust gas path for an internal combustion engine, which has an exhaust gas turbine.
  • the exhaust path also has a first, arranged upstream of the exhaust gas turbine and with the exhaust gas turbine
  • the exhaust path for the internal combustion engine in the operation thereof.
  • the exhaust path also has a second one
  • Particle size distribution due to this prolonged residence time is influenced by coagulation of the particles.
  • a return of a partial flow of the exhaust gas via the second line section from the Ausmündestelle to the injection point is advantageous because so already grown by agglomeration, larger particles to a point upstream of the They can be traced back to a place where the
  • Magnets or vacuum cleaner can act for smaller particles and collect or capture them, so that the particle growth continues to progress, and the particle size distribution is all the more changed to larger particles.
  • smaller particles diffuse much more than larger ones, with the larger particles providing a larger surface area for agglomerating the smaller particles.
  • the combination of these effects with each other gives the described "vacuum cleaner effect", with particles of different sizes stronger
  • agglomerate than is the case with the isolated occurrence of a particle size. Due to the increased pressure in the operation of the exhaust path upstream of the exhaust gas pressure, the concentration of the particles in the exhaust gas is additionally increased, so that in shorter for the agglomeration shorter distances for particle collisions compared to a
  • Particle filter device associated disadvantages for an equipped with the exhaust path internal combustion engine.
  • part of the soot particles can already be oxidized by the higher residence time at the higher temperature level upstream of the exhaust gas turbine, which at the same time lowers the particle mass and also the particle number.
  • the second line section opens in particular with a first end on the
  • the fact that the exhaust gas flow delay device is arranged to decelerate the exhaust gas flow along the first and / or second line sections means that the exhaust gas stays longer in the first conduit section and / or in the second conduit section than outward due to the exhaust flow retardation device - In particular upstream - the exhaust gas flow delay device present flow rate and the length of the first and / or second line section is expected. Such a delay can be reduced in particular by reducing the
  • the exhaust gas flow delay device is arranged in the first line section, it is preferably arranged fluidically between the inlet point and the outlet point.
  • the exhaust gas turbine may be part of an exhaust gas turbocharger, wherein it is operatively connected to a compressor arranged or arrangeable in a charging path of an internal combustion engine. But it can also be a power turbine, the output shaft, for example, for mechanical support of an internal combustion engine with this, for example, associated with a crankshaft gear drive the same, or can be operatively connected to an electric machine for generating electrical power.
  • the electric machine is preferably designed as a generator.
  • the exhaust gas flow delay device is preferred as such
  • Exhaust gas flow delay device as a flow-through, with respect to its inner diameter compared to the rest, having the exhaust gas flow delay device
  • Line section extended cavity preferably as a container with such an expanded inner diameter is formed. Due to the expansion of the flow cross section in the line section region can be a structurally very simple way a delay of the
  • Exhaust gas flow can be achieved.
  • Such an exhaust gas flow delay device designed as a line section region with an enlarged flow cross section is particularly preferably arranged in the first line section.
  • Exhaust gas flow delay device has a Abgasschikaneumble. Under one
  • the exhaust gas gap is understood to be, in particular, an exhaust gas line which comprises at least one fluidic installation, at least one guide plate and / or at least one
  • Exhaust gas flow delay device can be extended so that the exhaust gas flow itself is delayed. At the same time, such an exhaust gas gap results in a narrower path
  • the exhaust gas duct distance comprises a plurality of deflections for the exhaust gas flow.
  • the deflections can be formed in particular by vanes or baffles.
  • the exhaust gas flow delay device particularly preferably has a container provided with guide vanes or baffles, in particular offset with respect to one another, wherein it is preferably designed as such a container.
  • An exhaust gas delay device with an exhaust gas chaff line is particularly preferably arranged in the second line section. In particular, it is possible for particles branched off from the exhaust gas flow in the second line section to agglomerate in the exhaust gas flow delay device at the outlet point and form larger particles, which then advantageously at the injection point in the first along
  • Exhaust gas flow delay device has a pipe section, whose inner diameter along the longitudinal sers extension of the pipe section varies, wherein the inner diameter of the pipe section is preferably alternately - particularly preferably periodically - larger and smaller.
  • the pipe section may in particular have a wavy wall, in particular a quasi-peristaltic structure.
  • the change in the inner diameter of the pipe section is matched to an internal combustion engine to be operated with the exhaust path such that standing waves are formed in the pipe section.
  • the inner diameter variation of the tube section is preferably matched to a firing sequence of the internal combustion engine, which is preferably operated under stationary conditions and in particular at a constant rotational speed, so that shock wave compression can be used for particle agglomeration.
  • Such an exhaust gas flow delay device which has a pipe section with a varying inner diameter, is particularly preferably arranged in the first pipe section. It is provided in particular that the first line section and / or the second
  • Exhaust gas flow delay device can be kept within prescribed limits.
  • the first line section and / or the second line section has / have no electrical Rußabscheider responded, no catalytic Rußabscheider responded and / or no cyclone separator.
  • the exhaust path proposed here can be designed particularly cost-effective, although the relevant limits for the
  • first line section and / or the second line section are free of a Rußabscheider listening means in particular that they have no Such Rußabscheider immunity.
  • the first line section has a flow constriction at the mouth parts of the second line section, into which the second line section opens. In this way, the
  • a Venturi tube or a Venturi nozzle can be provided at the location of the injection point in the first line section, so that the venturi effect for conveying the exhaust gas flow through the second line section can be used.
  • the second line section is preferably otherwise free of a conveyor. Rather, the pressure conditions prevailing at the point of entry point, in particular due to the Venturi tube or Venturi nozzle arranged there, are sufficient to convey the exhaust gas along the second line section.
  • the venturi effect has the further advantage that a pressure drop in the main exhaust gas flow along the first line section is small.
  • Exhaust gas flow switching device which is configured to lock or bypass the second line section and / or the exhaust gas flow delay device parameter-dependent. This takes into account the fact that the delayed exhaust gas flow can be unfavorable for the transient behavior of the exhaust gas turbine. In order to provide a rapid response for the exhaust gas turbine and thus the dynamics of the exhaust path
  • Exhaust gas flow switching device provided by which the residence time in the exhaust path for the exhaust gas upstream of the exhaust gas turbine can be reduced. As a result, the response of the exhaust gas turbine can be improved, in particular in transient operating states.
  • the exhaust gas flow switching device is therefore in particular configured to block or bypass the second line section and / or the exhaust gas flow delay device in a transient operating state of the internal combustion engine equipped with the exhaust path.
  • the exhaust path in combination with a
  • the exhaust gas flow switching device preferably has at least one valve device and / or at least one exhaust gas flap. Particularly preferably, it is possible that the
  • Exhaust gas flow switching device has a 4/2-way ball valve or a 4/2-way valve, through which, as needed, the second line section and / or the
  • Exhaust gas flow delay device be acted upon or bypassed with exhaust gas
  • the object is also achieved by providing an internal combustion engine having an exhaust path according to one of the embodiments described above.
  • the internal combustion engine is preferably set up for an off-road operation, in particular for the drive of at least mainly not used in road traffic commercial vehicles, such as construction machinery, mining vehicles such as dump trucks, or the like.
  • the internal combustion engine can also be used in a rail vehicle.
  • the internal combustion engine is preferably set up for use in the maritime sector, in particular for driving a
  • Watercraft in particular a ship, or an amphibious vehicle.
  • Internal combustion engine is very particularly preferably set up for a stationary application, in particular for stationary power generation or stationary drive
  • Internal combustion engine in a stationary operating point, in particular at a constant speed - for example, to drive a synchronous electric machine - operated.
  • the internal combustion engine is designed as a reciprocating piston engine.
  • the first line section is arranged downstream of an outlet valve associated with a combustion chamber of the internal combustion engine, with which at the same time the inlet and the outlet are arranged downstream of the exhaust valve.
  • the first line section is arranged downstream of an exhaust manifold of the internal combustion engine, in particular immediately downstream of the exhaust valve and / or the exhaust manifold.
  • the first line section preferably connects the exhaust valve or the exhaust manifold with the exhaust gas turbine.
  • the internal combustion engine is free of a particle filter.
  • the internal combustion engine can preferably be operated without a particulate filter and thus also without the disadvantages associated with such a particulate filter, whereby nevertheless predetermined limit values for the emission of particles, in particular limit values for the particulate mass and also for the particle number, can be maintained.
  • the object is finally solved by a method for agglomerating
  • Soot particles in the exhaust gas of an internal combustion engine comprises the following steps: An exhaust gas flow is conducted along a first line section of an exhaust gas path arranged upstream of an exhaust gas turbine. A partial flow is branched off from the exhaust gas flow at an outflow point of the first line section. The partial flow is via a second line section from the Ausmündestelle to a - along the first
  • an exhaust gas path according to one of the previously described embodiments is preferably used, or the method is used in an internal combustion engine according to one of the embodiments described above.
  • the partial flow is conveyed along the second line section by means of a Venturi effect, wherein the Venturi effect preferably takes place at the location of the entry point, in particular by means of a Venturi tube or a Venturi nozzle in the first line section, but generally with a flow constriction of the first line section, in which the second line section opens, is generated.
  • the partial flow is preferably conveyed exclusively by the Venturi effect along the second line section.
  • the description of the method on the one hand and the exhaust path and the internal combustion engine on the other hand are to be understood complementary to each other.
  • features of the exhaust path or the internal combustion engine which have been described explicitly or implicitly in connection with the method, preferably individually or combined with each other features of a preferred embodiment of the exhaust path and the internal combustion engine.
  • the exhaust path and / or the internal combustion engine are preferably characterized by at least one feature that is caused by at least one method step of a preferred embodiment of the method according to the invention or a preferred embodiment.
  • the method preferably has at least one method step which is caused by at least one feature of a preferred embodiment of the exhaust gas path and / or of the internal combustion engine according to the invention or preferred embodiments.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of an exhaust path
  • Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of an exhaust path
  • FIG. 4 is a detailed view of another embodiment of an exhaust path.
  • 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an internal combustion engine 1, which is preferably designed as a reciprocating piston engine, and which has an exhaust gas path 3.
  • the exhaust path 3 has an exhaust gas turbine 5, which may be formed for example as a power turbine or the turbine of an exhaust gas turbocharger, in the latter case preferably in particular with a arranged in a charging path of the internal combustion engine 1 not shown compressor drive s is operatively connected.
  • a first line section 7 is arranged, which is fluidically connected to the exhaust gas turbine 5.
  • the exhaust path 3 also has a second one
  • Line section 7 seen - the Ausmündestelle 11 opens at a junction point 13 in the first line section 7.
  • the second line section 9 is set up to divert a part of the exhaust gas flowing along the first line section 7 at the exit point 11 and to guide it back to the point of entry 13.
  • Exhaust gas flow delay device 15 is arranged. In the illustrated here, first
  • the exhaust gas flow delay device 15 is arranged in the first line section 7.
  • the exhaust gas flow delay device 15 is set up to be along the first line section 7 - and / or the second
  • Returned line section 9 to the injection point 13 and the exhaust gas stream, which flows along the first line section 7, can be supplied again, such larger exhaust particles effectively capture smaller exhaust particles and so particularly efficient contribute to the fact that the particle size distribution in the exhaust gas is shifted towards higher particle sizes , Upstream of the exhaust gas turbine 5 prevail - both in terms of pressure and in terms of temperature - particularly suitable conditions for the
  • Particle agglomeration While an applicable limit for the particulate mass in the exhaust gas can be maintained by internal engine measures, a current limit for the particle number, in particular with the embodiment of the exhaust path 3 presented here by Agglomeration of particles are complied with.
  • the internal combustion engine 1 therefore does not require a particle filter in its exhaust aftertreatment system.
  • the exhaust gas flow delay device 15 preferably has a line section region 17 with an enlarged flow cross-section compared to the remaining line section 7, 9 having the exhaust gas flow delay device 15.
  • the exhaust gas flow delay device 15 is formed in particular as a container with respect to its inner diameter compared to the remaining first line section 7 enlarged inner diameter.
  • the first line section 7 and / or the second line section 9, more preferably both line sections 7, 9, are free of any Rußabscheider observed which is adapted to separate soot particles from the exhaust gas.
  • at least one of the line sections 7, 9, preferably both line sections 7, 9, has no electrical or catalytic Rußabscheider issued and also no cyclone separator.
  • the internal combustion engine 1 as a whole preferably has no Rußabscheider worn on.
  • the first line section 7 is preferably downstream of a combustion chamber of
  • Internal combustion engine 1 associated exhaust valve and arranged here in particular downstream of an exhaust manifold 19, wherein it extends in particular between the exhaust manifold 19 and the exhaust gas turbine 5. Also, the injection point 13 and the Ausmündestelle 11 are located downstream of the exhaust valve and here in particular downstream of the exhaust manifold 19. As already mentioned, the internal combustion engine 1 is preferably free of a particle filter, so it has no particle filter.
  • a method for agglomerating soot particles in the exhaust gas of the internal combustion engine 1 is preferably carried out, wherein the exhaust gas flow is passed along the first line section 7, wherein a partial flow diverted from the exhaust stream at the Ausmündestelle 11 of the first line section 7 and the second
  • Line section 9 is returned from the Ausmündestelle 11 to the injection point 13, wherein the partial flow is introduced there into the exhaust gas stream.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of an exhaust gas path 3 for the internal combustion engine 1.
  • the same and functionally identical elements are the same
  • the exhaust gas flow delay device 15 is here in the second line section 9, wherein it has a Abgasschikanerow 21 with a plurality of deflections 23, of which the sake of clarity, only one is provided with a reference numeral, for the exhaust stream.
  • the deflections 23 are preferably effected by baffles 25 which is arranged offset to one another along the exhaust gas chaff line 21.
  • the exhaust gas flow delay device 15 as a container with
  • the particles may agglomerate due to the delay of the exhaust gas flow and the longer residence time in the exhaust gas duct 21, so that the particles flowing in the first line section 7 exhaust stream in the region of the injection point 13 larger particles for more efficient agglomeration can be recycled.
  • FIG. 2 likewise shows that the first line section 7 has a flow constriction 27 at the point of entry 13 of the second line section 9, into which the second line section 9 terminates.
  • the flow constriction 27 is preferably part of a Venturi tube or a venturi nozzle 29.
  • the exhaust gas flow delay device 15 is designed here in particular as a calming container with the guide vanes 25 and ensures a narrower residence time distribution of the exhaust gas. This has a particularly favorable effect on particle agglomeration.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the exhaust path 3 for the internal combustion engine 1.
  • the same and functionally identical elements are the same Reference numerals provided so that reference is made to the preceding description.
  • first line section 7, which has the exhaust gas flow delay device 15, is shown here.
  • second line section 7 which has the exhaust gas flow delay device 15, is shown here.
  • second line section 7 which has the exhaust gas flow delay device 15, is shown here.
  • second line section 7 which has the exhaust gas flow delay device 15
  • Line section 9 is here - as for example in the embodiment of Figure 1 - in particular designed as a bypass path to the exhaust gas flow delay device 15, so that this configuration need not be discussed here.
  • the exhaust gas flow delay device 15 here has a pipe section 31, whose
  • Inner diameter along the longitudinal extent of the pipe section 31 varies, in particular, it is alternately, more preferably periodically, larger and smaller again. This results in an advantageous manner in particular periodic
  • the exhaust path 3 may have an exhaust gas flow switching device 33 which is adapted to the second line section 9 and / or - as shown here - the exhaust gas flow delay device 15 parameter-dependent - in particular depending on an operating or load point of the internal combustion engine 1 - lock or bypass, here in particular to get around.
  • the exhaust gas flow switching device 33 in the embodiment shown here, a valve device 35, which is designed as a 4/2-way ball valve. In this case, in one of the two functional states of this valve, the
  • Exhaust gas flow are passed through the exhaust gas flow delay device 15, which is shown here by solid lines within the valve device 35, wherein it is in a second functional state of the valve device 35, bypassing the
  • Exhaust gas flow delay device 15 can be guided past this, which is shown here by dashed lines within the valve device 35.
  • the exhaust gas flow switching device 33 can also have at least one exhaust gas flap, or it can have a valve device 35 which is designed as a 4/2 way valve, for example with a linear travel.
  • the exhaust gas flow switching device 33 is used in particular to improve the response of the exhaust gas turbine 5 in transient operating conditions of the internal combustion engine 1 by the second line section 9 and / or the Abgasstromverzögerungs Rhein 15 is bypassed /, whereby the flow velocity at the location of the exhaust gas turbine 5 is increased. In this way, dynamic losses for the internal combustion engine 1 can be avoided.
  • the exhaust gas path 3 is particularly preferably used in an internal combustion engine 1 which is used in stationary operation and is operated in particular in a stationary load point and preferably at a constant rotational speed. Transient operating conditions are then rare events, so that the benefits of the exhaust path 3 almost throughout

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaspfad (3) für eine Brennkraftmaschine (1), mit einer Abgasturbine (5), einem ersten, stromaufwärts der Abgasturbine (5) angeordneten und mit der Abgasturbine (5) strömungstechnisch verbundenen Leitungsabschnitt (7), und mit einem zweiten Leitungsabschnitt (9), der an einer Ausmündestelle (11) aus dem ersten Leitungsabschnitt (7) ausmündet, und stromaufwärts – in Richtung eines Abgasstroms durch den ersten Leitungsabschnitt (7) gesehen – der Ausmündestelle (11) an einer Einmündestelle (13) in den ersten Leitungsabschnitt (7) einmündet, wobei der zweite Leitungsabschnitt (9) eingerichtet ist, um einen Teil von entlang des ersten Leitungsabschnitts (7) strömendem Abgas an der Ausmündestelle (11) abzuzweigen und zu der Einmündestelle (13) zurückzuführen, wobei in dem ersten Leitungsabschnitt (7) und/oder in dem zweiten Leitungsabschnitt (9) wenigstens eine Abgasstromverzögerungseinrichtung (15) angeordnet ist, die eingerichtet ist, um den entlang des ersten und/oder zweiten Leitungsabschnitt (7,9) strömenden Abgasstrom zu verzögern. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Agglomerieren von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine.

Description

BESCHREIBUNG Abgaspfad für eine Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgaspfad und Verfahren zum Agglomerieren von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Abgaspfad für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgaspfad und ein Verfahren zum Agglomerieren von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine.
Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Dieselbrennverfahren betrieben werden, besteht das Problem eines vergleichsweise hohen Anteils an Rußpartikeln im Abgas, die unter emissionsrechtlichen und gesundheitlichen Aspekten problematisch sind. Derzeit existieren für den sogenannten Offroad-Bereich, das heißt für Brennkraftmaschinen, die nicht im Rahmen des normalen Straßenverkehrs, sondern vielmehr beispielsweise im marinen Bereich, als stationäre Brennkraftmaschinen zur Energieerzeugung, zum Antrieb von Pumpen oder zu anderen Zwecken, zum Antrieb von Nutzfahrzeugen außerhalb des Straßenverkehrs, beispielsweise von Baufahrzeugen, Minenfahrzeugen, der Verteidigung dienenden Fahrzeugen oder dergleichen, Grenzwerte für die zu emittierende Partikelmasse. Diese können meist durch innermotorische Maßnahmen eingehalten werden. Wo dies nicht möglich, oder aus anderen Gründen eine Partikelfilterung erwünscht ist, werden Partikelfiltersysteme eingesetzt, die jedoch diverse Nachteile mit sich bringen. So tritt im Abgasstrang der mit einem Partikelfiltersystem ausgestatteten Brennkraftmaschine ein Druckverlust auf, der zu einem Kraftstoffmehrverbrauch führt, wobei Aschespeicherkapazität für im Filter anfallende Asche vorgehalten werden muss, wobei sich weiterhin Wartungsintervalle - insbesondere zur Aschereinigung - verkürzen, und wobei sich nicht zuletzt ein erhöhter Bauraumbedarf für die gesamte Abgasnachbehandlung ergibt. Zukünftig wird es auch im Offroad-Bereich Grenzwerte für die emittierte Partikelzahl geben, insbesondere da sich herausgestellt hat, dass gerade kleine Partikel für die Gesundheit gravierende Nachteile haben können. Dabei gilt bei gegebener Partikelmasse der einfache Zusammenhang, dass die Partikelgröße umso kleiner ist, je höher die Partikelzahl ist. Zur hinreichenden Reduzierung der Partikelzahl werden innermotorische Maßnahmen zukünftig voraussichtlich alleine kaum ausreichen. Es wäre dann nötig, auch diejenigen Offroad- Brennkraftmaschinen mit Partikelfiltern auszustatten, bei denen dies bisher unterbleibt. Damit ergeben sich aber wiederum die bereits zuvor erwähnten Nachteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaspfad für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgaspfad und ein Verfahren zum Agglomerieren von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Abgaspfad für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welcher eine Abgasturbine aufweist. Der Abgaspfad weist außerdem einen ersten, stromaufwärts der Abgasturbine angeordneten und mit der Abgasturbine
strömungstechnisch verbundenen Leitungsabschnitt auf. Begriffe wie„stromaufwärts" und „stromabwärts" beziehen sich dabei - soweit nichts anderes erläutert ist - auf eine
bestimmungsgemäße Strömungsrichtung des Abgases in dem Abgaspfad, wenn dieser in
Kombination mit einer Brennkraftmaschine als Abgaspfad für die Brennkraftmaschine im Betrieb derselben verwendet wird. Der Abgaspfad weist außerdem einen zweiten
Leitungsabschnitt auf, der an einer Ausmündestelle aus dem ersten Leitungsabschnitt ausmündet, wobei er - in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch den ersten Leitungsabschnitt gesehen - stromaufwärts der Ausmündestelle an einer Einmündestelle in den ersten Leitungsabschnitt einmündet, wobei der zweite Leitungsabschnitt eingerichtet ist, um einen Teil von entlang des ersten Leitungsabschnitts strömendem Abgas an der Ausmündestelle abzuzweigen und zu der Einmündestelle zurückzuführen, wobei in dem ersten Leitungsabschnitt und/oder in dem zweiten Leitungsabschnitt wenigstens eine Abgasstromverzögerungseinrichtung angeordnet ist, die eingerichtet ist, um den entlang des ersten und/oder des zweiten Leitungsabschnitts strömenden Abgasstrom zu verzögern. Durch die Abgasstromverzögerungseinrichtung und den damit verzögerten Abgasstrom wird die Verweilzeit von in dem Abgasstrom enthaltenen Partikeln stromaufwärts der Abgasturbine erhöht, wobei die Partikelzahl und insbesondere die
Partikelgrößenverteilung aufgrund dieser verlängerten Verweildauer durch Koagulation der Partikel beeinflusst wird. Eine Rückführung eines Teilstroms des Abgases über den zweiten Leitungsabschnitt von der Ausmündestelle zu der Einmündestelle ist dabei vorteilhaft, weil so bereits durch Agglomeration gewachsene, größere Partikel an eine Stelle stromaufwärts der Ausmündestelle zurückgeführt werden können, wo sie an einem Ort, wo die
Partikelgrößenverteilung noch zu kleineren Partikelgrößen hin verschoben ist, quasi wie
Magnete oder Staubsauger für kleinere Partikel wirken und diese sammeln oder einfangen können, sodass das Partikelwachstum weiter fortschreitet, und die Partikelgrößenverteilung insgesamt noch stärker zu größeren Partikeln hin verändert wird. Kleinere Partikel diffundieren nämlich sehr viel stärker als größere, wobei die größeren Partikel eine größere Oberfläche zur Agglomeration der kleineren Partikel bieten. Die Kombination dieser Effekte miteinander ergibt die beschriebene„Staubsaugerwirkung", wobei Partikel verschiedener Größe stärker
agglomerieren als dies beim isolierten Auftreten einer Partikelgröße der Fall ist. Durch den im Betrieb des Abgaspfads stromaufwärts der Abgasturbine erhöhten Druck wird zusätzlich die Konzentration der Partikel im Abgas vergrößert, sodass sich in für die Agglomeration vorteilhafter Weise kürzere Wegstrecken für Partikelkollisionen im Vergleich zu einer
Anordnung stromabwärts der Abgasturbine ergeben. Weiterhin herrscht stromaufwärts der Abgasturbine im Betrieb eine erhöhte Temperatur, wodurch die Brownsche Molekularbewegung der Partikel verstärkt wird, was ebenfalls die Agglomeration fördert. Zwar kann sich die stromaufwärts der Abgasturbine erhöhte Abgasdichte negativ auswirken, wobei jedoch in Summe dieser Einfluss durch die positiven Effekte der höheren Temperatur und des höheren Drucks überkompensiert wird. Mithilfe der beiden Leitungspfade und der
Abgasstromverzögerungseinrichtung ist es demnach möglich, sehr effizient die
Partikelgrößen Verteilung in Richtung einer höheren mittleren Partikelgröße zu verschieben und so insbesondere auch - bei gegebener Partikelmasse - die Partikelzahl zu senken. Werden nun Grenzwerte der Partikelmasse durch innermotorische Maßnahmen eingehalten, kann zugleich ein Partikelzahl-Grenzwert durch den hier vorgeschlagenen Abgaspfad eingehalten werden, ohne dass es darüber hinaus einer Partikelfilterung bedarf. Damit entfallen alle mit einer
Partikelfiltereinrichtung verbundenen Nachteile für eine mit dem Abgaspfad ausgestattete Brennkraftmaschine. Es kommt noch hinzu, dass ein Teil der Rußpartikel durch die höhere Aufenthaltszeit auf dem höheren Temperaturniveau stromaufwärts der Abgasturbine bereits oxidiert werden kann, was zugleich die Partikelmasse als auch die Partikelzahl senkt. Der zweite Leitungsabschnitt mündet insbesondere mit einem ersten Ende an der
Ausmündestelle aus dem ersten Leitungsabschnitt aus, wobei er mit einem - dem ersten Ende entlang des zweiten Leitungsabschnitts strömungstechnisch gegenüberliegenden - zweiten Ende an der Einmündestelle in den ersten Leitungsabschnitt einmündet. Dass die Abgas Stromverzögerung seinrichtung eingerichtet ist, um den entlang des ersten und/oder zweiten Leitungsabschnitts strömenden Abgasstrom zu verzögern, bedeutet insbesondere, dass das Abgas aufgrund der Abgasstromverzögerungseinrichtung in dem ersten Leitungsabschnitt und/oder in dem zweiten Leitungsabschnitt länger verweilt, als nach der außerhalb - insbesondere stromaufwärts - der Abgasstromverzögerungseinrichtung vorliegenden Strömungsgeschwindigkeit sowie der Länge des ersten und/oder zweiten Leitungsabschnitts zu erwarten ist. Eine solche Verzögerung kann sich insbesondere durch Verringerung der
Strömungsgeschwindigkeit des Abgases und/oder durch Verlängerung des Strömungswegs in dem ersten und/oder zweiten Leitungsabschnitt, beispielsweise durch Schikanen, das heißt insbesondere strömungstechnische Einbauten, Umlenkungen und/oder Leitbleche, ergeben.
Ist die Abgasstromverzögerungseinrichtung in dem ersten Leitungsabschnitt angeordnet, ist sie bevorzugt strömungstechnisch zwischen der Einmündestelle und der Ausmündestelle angeordnet.
Die Abgasturbine kann Teil eines Abgasturboladers sein, wobei sie mit einem in einem Ladepfad einer Brennkraftmaschine angeordneten oder anordenbaren Verdichter antrieb s wirkverbunden ist. Es kann sich aber auch um eine Nutzturbine handeln, deren Abtriebswelle beispielsweise zur mechanischen Unterstützung einer Brennkraftmaschine mit dieser, beispielsweise mit einem einer Kurbelwelle zugeordneten Rädertrieb derselben, oder aber mit einer elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Leistung wirkverbunden sein kann. Die elektrische Maschine ist dabei bevorzugt als Generator ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Abgasstromverzögerungseinrichtung einen Leitungsabschnittbereich aufweist, der einen
Strömungsquerschnitt aufweist, der im Vergleich zu einem - insbesondere konstanten oder gemittelten - Strömungsquerschnitt des restlichen, die Abgasstromverzögerungseinrichtung aufweisenden Leitungsabschnitts außerhalb der Abgasstromverzögerungseinrichtung, das heißt des ersten Leitungsabschnitts und/oder des zweiten Leitungsabschnitts, vergrößert ist.
Insbesondere ist die Abgasstromverzögerungseinrichtung bevorzugt als ein solcher
Leitungsabschnittbereich des entsprechenden Leitungsabschnitts ausgebildet. Es ist möglich, dass der Leitungsabschnittbereich und damit zugleich auch die
Abgasstromverzögerungseinrichtung als durchströmter, bezüglich seines Innendurchmessers im Vergleich zu dem restlichen, die Abgasstromverzögerungseinrichtung aufweisenden Leitungsabschnitt erweiterter Hohlraum, bevorzugt als Behälter mit einem derart erweiterten Innendurchmesser, ausgebildet ist. Durch die Erweiterung des Strömungsquerschnitts in dem Leitungsabschnittbereich kann auf baulich sehr einfache Weise eine Verzögerung des
Abgasstroms erreicht werden. Eine solche, als Leitungsabschnittbereich mit vergrößertem Strömungsquerschnitt ausgebildete Abgasstromverzögerungseinrichtung ist besonders bevorzugt in dem ersten Leitungsabschnitt angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Abgasstromverzögerungseinrichtung eine Abgasschikanestrecke aufweist. Unter einer
Abgasschikanestrecke wird dabei insbesondere eine Abgasstrecke verstanden, die wenigstens einen strömungstechnischen Einbau, wenigstens ein Leitblech und/oder wenigstens eine
Umlenkung aufweist, um den durch die Abgasstrecke strömenden Abgasstrom aus einer geraden Strömungsrichtung aus- und/oder wenigstens einmal - vorzugsweise um mindestens 90° - umzulenken. Hierdurch kann - im Vergleich zu der in direkter, insbesondere gerader Richtung gemessenen Länge des die Abgasstromverzögerungseinrichtung aufweisenden
Leitungsabschnitts - der Strömungsweg für das Abgas in der
Abgasstromverzögerungseinrichtung verlängert werden, sodass auch die Abgasströmung selbst verzögert wird. Eine solche Abgasschikanestrecke bewirkt zugleich eine engere
Verweilzeitverteilung für den Abgasstrom. Vorzugsweise weist die Abgasschikanestrecke eine Mehrzahl von Umlenkungen für den Abgasstrom auf. Die Umlenkungen können dabei insbesondere durch Leitschaufeln oder Leitbleche gebildet sein. Besonders bevorzugt weist die Abgasstromverzögerungseinrichtung einen mit - insbesondere versetzt zueinander angeordneten - Leitschaufeln oder Leitblechen versehenen Behälter auf, wobei sie bevorzugt als solcher Behälter ausgebildet ist. Eine Abgasverzögerungseinrichtung mit Abgasschikanestrecke ist besonders bevorzugt in dem zweiten Leitungsabschnitt angeordnet. Insbesondere ist es möglich, dass an der Ausmündestelle aus dem Abgasstrom in dem zweiten Leitungsabschnitt abgezweigte Partikel in der Abgasstromverzögerungseinrichtung agglomerieren und größere Partikel bilden, die dann in vorteilhafter Weise an der Einmündestelle in den entlang des ersten
Leitungsabschnitts fließenden Abgasstrom zurückgeführt werden, wo sie wiederum kleinere Partikel einsammeln und weiterwachsen. Die Agglomeration der Partikel kann so besonders effizient durchgeführt und entsprechend die Partikelgrößenverteilung sehr wirksam in Richtung größerer mittlerer Partikelgrößen verschoben werden. Zugleich wird die Partikelzahl gesenkt. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Abgasstromverzögerungseinrichtung einen Rohrabschnitt aufweist, dessen Innendurchmesser entlang der Läng sers treckung des Rohrab Schnitts variiert, wobei der Innendurchmesser des Rohrab Schnitts bevorzugt abwechselnd - besonders bevorzugt periodisch - größer und kleiner wird. Der Rohrabschnitt kann dabei insbesondere eine wellenförmige Wandung, insbesondere quasi eine peristaltische Struktur, aufweisen. Durch die Variation des Innendurchmessers entstehen in dem Rohrabschnitt - örtliche und/oder zeitliche - Strömungsgeschwindigkeits- und Druckvariationen, die sich vorteilhaft auf die Agglomeration der Rußpartikel auswirken.
Besonders bevorzugt ist die Innendurchmesserveränderung des Rohrab Schnitts so auf eine mit dem Abgaspfad zu betreibende Brennkraftmaschine abgestimmt, dass in dem Rohrabschnitt stehende Wellen ausgebildet werden. Hierdurch kann die Agglomeration besonders effizient unterstützt werden. Vorzugsweise ist die Innendurchmesservariation des Rohrab Schnitts so auf eine Zündfolge der bevorzugt unter stationären Bedingungen und insbesondere bei konstanter Drehzahl betriebenen Brennkraftmaschine abgestimmt, dass eine Stoßwellenverdichtung für die Partikelagglomeration genutzt werden kann.
Eine solche Abgasstromverzögerungseinrichtung, die einen Rohrabschnitt mit variierendem Innendurchmesser aufweist, ist besonders bevorzugt in dem ersten Leitungsabschnitt angeordnet. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der erste Leitungsabschnitt und/oder der zweite
Leitungsabschnitt frei ist/sind von einer Rußabscheidereinrichtung, die eingerichtet ist, um Rußpartikel aus dem Abgas abzuscheiden. Einer solchen Rußabscheidereinrichtung bedarf es bei dem hier vorgeschlagenen Abgaspfad nicht mehr, da Grenzwerte für die Partikelmasse durch innermotorische Maßnahmen eingehalten werden können, wobei die Partikelzahl sehr effizient durch die spezifische Ausgestaltung des Abgaspfads und insbesondere die
Abgasstromverzögerungseinrichtung innerhalb vorgesehener Grenzwerte gehalten werden kann.
Der erste Leitungsabschnitt und/oder der zweite Leitungsabschnitt weist/weisen insbesondere keine elektrische Rußabscheidereinrichtung, keine katalytische Rußabscheidereinrichtung und/oder keinen Zyklon-Abscheider auf. So kann der hier vorgeschlagene Abgaspfad besonders kostengünstig ausgestaltet werden, wobei gleichwohl die relevanten Grenzwerte für die
Partikelmasse und die Partikelzahl eingehalten werden können. Dass der erste Leitungsabschnitt und/oder der zweite Leitungsabschnitt frei ist/sind von einer Rußabscheidereinrichtung bedeutet insbesondere, dass diese keine solche Rußabscheidereinrichtung aufweisen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Leitungsabschnitt an der Einmündungssteile des zweiten Leitungsabschnitts eine Strömungsverengung aufweist, in welche der zweite Leitungsabschnitt einmündet. Auf diese Weise kann die
Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms am Ort der Einmündestelle in dem ersten
Leitungsabschnitt erhöht und zugleich der hydrodynamische Druck gesenkt werden, sodass die Abgasströmung aus dem zweiten Leitungsabschnitt in den ersten Leitungsabschnitt durch die dann herrschenden Druckverhältnisse aktiv gefördert wird. Insbesondere kann am Ort der Einmündestelle in dem ersten Leitungsabschnitt ein Venturi-Rohr oder eine Venturi-Düse vorgesehen sein, sodass der Venturi-Effekt zur Förderung des Abgasstroms durch den zweiten Leitungsabschnitt genutzt werden kann. Der zweite Leitungsabschnitt ist bevorzugt im Übrigen frei von einer Fördereinrichtung. Vielmehr genügen die am Ort der Einmündestelle herrschenden Druckverhältnisse, insbesondere aufgrund des dort angeordneten Venturi-Rohrs oder der Venturi-Düse, zur Förderung des Abgases entlang des zweiten Leitungsabschnitts. Somit kann auf aktive Bauteile oder Komponenten wie beispielsweise eine Pumpe verzichtet werden, und der Betrieb des Abgaspfads kann rein passiv und ohne zusätzliche Energiezufuhr erfolgen.
Dadurch kann der Abgaspfad besonders kostengünstig und bauraumsparend ausgestaltet sein. Der Venturi-Effekt hat den weiteren Vorteil, dass ein Druckverlust in dem Hauptabgasstrom entlang des ersten Leitungsabschnitts gering ausfällt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgaspfad eine
Abgasstromschalteinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um den zweiten Leitungsabschnitt und/oder die Abgasstromverzögerungseinrichtung parameterabhängig zu sperren oder zu umgehen. Dies trägt der Erkenntnis Rechnung, dass die verzögerte Abgasströmung ungünstig für das Transientverhalten der Abgasturbine sein kann. Um ein rasches Ansprechverhalten für die Abgasturbine bereitstellen zu können und damit die Dynamik der mit dem Abgaspfad
ausgestatten Brennkraftmaschine zu steigern, ist daher bevorzugt die
Abgasstromschalteinrichtung vorgesehen, durch welche die Verweilzeit in dem Abgaspfad für das Abgas stromaufwärts der Abgasturbine reduziert werden kann. Dadurch kann insbesondere in transienten Betriebszuständen das Ansprechverhalten der Abgasturbine verbessert werden. Die Abgasstromschalteinrichtung ist demnach insbesondere eingerichtet, um den zweiten Leitungsabschnitt und/oder die Abgasstromverzögerungseinrichtung in einem transienten Betriebszustand der mit dem Abgaspfad ausgestatteten Brennkraftmaschine zu sperren oder zu umgehen. Besonders bevorzugt wird allerdings der Abgaspfad in Kombination mit einer
Brennkraftmaschine verwendet, die stationär und bevorzugt in einem stationären Betriebszustand sowie bei konstanter Drehzahl betrieben wird, beispielsweise zur stationären Energieerzeugung oder zum Antrieb stationärer Pumpen oder dergleichen. In diesem Fall spielen transiente Betriebszustände und damit auch das Ansprechverhalten der Abgasturbine nur eine
untergeordnete Rolle.
Die Abgasstromschalteinrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Ventileinrichtung und/oder wenigstens eine Abgasklappe auf. Besonders bevorzugt ist es möglich, dass die
Abgasstromschalteinrichtung ein 4/2- Wege-Kugelventil oder ein 4/2 -Wegeventil aufweist, durch welches bedarfsgerecht der zweite Leitungsabschnitt und/oder die
Abgasstromverzögerungseinrichtung mit Abgas beaufschlagt oder umgangen werden
kann/können.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche einen Abgaspfad nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Abgaspfad erläutert wurden. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt eingerichtet für einen Offroad-Betrieb, insbesondere für den Antrieb zumindest hauptsächlich nicht im Straßenverkehr genutzter Nutzfahrzeuge, beispielsweise Baumaschinen, Minenfahrzeuge wie Muldenkipper, oder dergleichen. Die Brennkraftmaschine kann auch in einem Schienenfahrzeug eingesetzt werden. Alternativ ist die Brennkraftmaschine bevorzugt eingerichtet zur Anwendung im maritimen Bereich, insbesondere zum Antrieb eines
Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Schiffs, oder eines amphibischen Fahrzeugs. Die
Brennkraftmaschine ist ganz besonders bevorzugt eingerichtet für eine stationäre Anwendung, insbesondere zur stationären Energieerzeugung oder zum Antrieb stationärer
Fördereinrichtungen, beispielsweise Pumpen oder dergleichen. Bevorzugt wird die
Brennkraftmaschine in einem stationären Betriebspunkt, insbesondere mit konstanter Drehzahl - beispielsweise zum Antrieb einer elektrischen Synchronmaschine -, betrieben. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine als Hubkolbenmaschine ausgebildet.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der erste Leitungsabschnitt stromabwärts eines einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeordneten Auslassventils angeordnet ist, wobei damit zugleich auch die Einmündestelle und die Ausmündestelle stromabwärts des Auslassventils angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist der erste Leitungsabschnitt stromabwärts eines Abgaskrümmers der Brennkraftmaschine angeordnet, insbesondere unmittelbar stromabwärts des Auslassventils und/oder des Abgaskrümmers. Der erste Leitungsabschnitt verbindet bevorzugt das Auslassventil oder den Abgaskrümmer mit der Abgasturbine.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine frei ist von einem Partikelfilter. Insbesondere bedeutet dies, dass die Brennkraftmaschine keinen Partikelfilter aufweist oder dass der Brennkraftmaschine kein Partikelfilter zugeordnet ist. Die Brennkraftmaschine kann bevorzugt ohne Partikelfilter und damit auch ohne die mit einem solchen Partikelfilter verbundene Nachteile betrieben werden, wobei gleichwohl vorbestimmte Grenzwerte für die Emission von Partikeln, insbesondere Grenzwerte für die Partikelmasse und auch für die Partikelzahl, eingehalten werden können. Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum Agglomerieren von
Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Ein Abgasstrom wird entlang eines stromaufwärts einer Abgasturbine angeordneten ersten Leitungsabschnitts eines Abgaspfads geleitet. Ein Teilstrom wird aus dem Abgasstrom an einer Ausmündungsstelle des ersten Leitungsabschnitts abgezweigt. Der Teilstrom wird über einen zweiten Leitungsabschnitt von der Ausmündestelle zu einer - entlang des ersten
Leitungsabschnitts in Strömungsrichtung des Abgasstroms gesehen - stromaufwärts der Ausmündestelle angeordneten Einmündestelle in den ersten Leitungsabschnitt zurückgeführt. Der zurückgeführte Teilstrom wird in den Abgasstrom an der Einmündestelle eingebracht, und der Abgasstrom in dem ersten Leitungsabschnitt und/oder der Teilstrom in dem zweiten Leitungsabschnitt wird/werden verzögert.
Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens ein Abgaspfad nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet, oder das Verfahren wird bei einer Brennkraftmaschine gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele angewandt. In Zusammenhang mit dem Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Abgaspfad und der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
Besonders bevorzugt wird der Teilstrom entlang des zweiten Leitungsabschnitts durch einen Venturi-Effekt gefördert, wobei der Venturi-Effekt vorzugsweise am Ort der Einmündestelle, insbesondere mittels eines Venturi-Rohrs oder einer Venturi-Düse in dem ersten Leitungsabschnitt, allgemein aber mit einer Strömungsverengung des ersten Leitungsabschnitts, in welche der zweite Leitungsabschnitt einmündet, erzeugt wird. Es bedarf dabei insbesondere keiner zusätzlichen Förderung des Teilstroms. Somit wird der Teilstrom vorzugsweise ausschließlich durch den Venturi-Effekt entlang des zweiten Leitungsabschnitts gefördert.
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und des Abgaspfads sowie der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des Abgaspfads oder der Brennkraftmaschine, welche explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Abgaspfads sowie der Brennkraftmaschine. In analoger Weise sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Abgaspfad oder der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Der Abgaspfad und/oder die Brennkraftmaschine zeichnet/zeichnen sich vorzugsweise durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist. Das Verfahren weist vorzugsweise wenigstens einen Verfahrensschritt auf, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels des Abgaspfads und/oder der Brennkraftmaschine bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer
Brennkraftmaschine mit einem Abgaspfad;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Abgaspfads;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Abgaspfads, und
Figur 4 eine Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abgaspfads. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die bevorzugt als Hubkolbenmaschine ausgebildet ist, und die einen Abgaspfad 3 aufweist. Der Abgaspfad 3 weist eine Abgasturbine 5 auf, die beispielsweise als Nutzturbine ausgebildet oder die Turbine eines Abgasturboladers sein kann, wobei sie in letztem Fall bevorzugt insbesondere mit einem in einem nicht dargestellten Ladepfad der Brennkraftmaschine 1 angeordneten Verdichter antrieb s wirkverbunden ist. Stromaufwärts der Abgasturbine 5 - in Strömungsrichtung des Abgases entlang des Abgaspfads 3 von der Brennkraftmaschine 1 zu der Abgasturbine 5 gesehen - ist ein erster Leitungsabschnitt 7 angeordnet, der mit der Abgasturbine 5 strömungstechnisch verbunden ist. Der Abgaspfad 3 weist außerdem einen zweiten
Leitungsabschnitt 9 auf, der an einer Ausmündestelle 11 aus dem ersten Leitungsabschnitt 7 ausmündet und stromaufwärts - in Richtung des Abgasstroms durch den ersten
Leitungsabschnitt 7 gesehen - der Ausmündestelle 11 an einer Einmündestelle 13 in den ersten Leitungsabschnitt 7 einmündet. Dabei ist der zweite Leitungsabschnitt 9 eingerichtet, um einen Teil des entlang des ersten Leitungsabschnitts 7 strömenden Abgases an der Ausmündestelle 11 abzuzweigen und zurück zu der Einmündestelle 13 zu führen.
In dem ersten Leitungsabschnitt 7 und/oder in dem zweiten Leitungsabschnitt 9 ist eine
Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 angeordnet. Bei dem hier dargestellten, ersten
Ausführungsbeispiel des Abgaspfads 3 ist die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 in dem ersten Leitungsabschnitt 7 angeordnet. Die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 ist eingerichtet, um den entlang des ersten Leitungsabschnitts 7 - und/oder des zweiten
Leitungsabschnitts 9 - strömenden Abgasstrom zu verzögern. Durch die Verzögerung des Abgasstroms wird die Abgasströmung beruhigt und die Raumgeschwindigkeit des Abgases sinkt. Rußpartikel können sich unter diesen Bedingungen in der Gasphase agglomerieren, wobei am Ort der Ausmündestelle 11 vorliegende, größere Partikel entlang des zweiten
Leitungsabschnitts 9 zu der Einmündestelle 13 zurückgeführt und dem Abgasstrom, der entlang des ersten Leitungsabschnitts 7 strömt, wieder zugeführt werden können, wobei solche größeren Abgaspartikel kleinere Abgaspartikel effektiv einfangen und so besonders effizient dazu beitragen, dass die Partikelgrößenverteilung im Abgas zu höheren Partikelgrößen hin verschoben wird. Stromaufwärts der Abgasturbine 5 herrschen dabei - sowohl hinsichtlich des Drucks als auch hinsichtlich der Temperatur - besonders geeignete Bedingungen für die
Partikelagglomeration. Während ein geltender Grenzwert für die Partikelmasse im Abgas durch innermotorische Maßnahmen eingehalten werden kann, kann ein für die Partikelzahl geltender Grenzwert insbesondere mit der hier vorgestellten Ausgestaltung des Abgaspfads 3 durch Agglomeration von Partikeln eingehalten werden. Die Brennkraftmaschine 1 benötigt daher in ihrem Abgasnachbehandlungssystem keinen Partikelfilter.
Die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 weist bevorzugt einen Leitungsabschnittsbereich 17 mit im Vergleich zu dem restlichen, die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 aufweisenden Leitungsabschnitt 7, 9 vergrößertem Strömungsquerschnitt auf. Bei dem in Figur 1 dargestellten, ersten Ausführungsbeispiel ist die Abgas Stromverzögerung seinrichtung 15 insbesondere als Behälter mit einem bezüglich seines Innendurchmessers im Vergleich zu dem restlichen ersten Leitungsabschnitt 7 vergrößerten Innendurchmesser ausgebildet.
Der erste Leitungsabschnitt 7 und/oder der zweite Leitungsabschnitt 9, besonders bevorzugt beide Leitungsabschnitte 7, 9, sind frei von jeglicher Rußabscheidereinrichtung, die eingerichtet ist, um Rußpartikel aus dem Abgas abzuscheiden. Insbesondere weist zumindest einer der Leitungsabschnitte 7, 9, vorzugsweise beide Leitungsabschnitt 7, 9, keine elektrische oder katalytische Rußabscheidereinrichtung sowie auch keinen Zyklon-Abscheider auf. Auch die Brennkraftmaschine 1 insgesamt weist bevorzugt keine Rußabscheidereinrichtung auf.
Der erste Leitungsabschnitt 7 ist bevorzugt stromabwärts eines einem Brennraum der
Brennkraftmaschine 1 zugeordneten Auslassventils und hier insbesondere stromabwärts eines Abgaskrümmers 19 angeordnet, wobei er sich insbesondere zwischen dem Abgaskrümmer 19 und der Abgasturbine 5 erstreckt. Auch die Einmündestelle 13 sowie die Ausmündestelle 11 sind stromabwärts des Auslassventils und hier insbesondere stromabwärts des Abgaskrümmers 19 angeordnet. Wie bereits angesprochen, ist die Brennkraftmaschine 1 bevorzugt frei von einem Partikelfilter, sie weist also keinen Partikelfilter auf.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird vorzugsweise ein Verfahren zum Agglomerieren von Rußpartikeln im Abgas der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt, wobei der Abgasstrom entlang des ersten Leitungsabschnitts 7 geleitet wird, wobei ein Teilstrom aus dem Abgasstrom an der Ausmündestelle 11 des ersten Leitungsabschnitts 7 abgezweigt und über den zweiten
Leitungsabschnitt 9 von der Ausmündestelle 11 zu der Einmündestelle 13 zurückgeführt wird, wobei der Teilstrom dort in den Abgasstrom eingebracht wird. Dabei wird der Abgasstrom - bei dem hier dargestellten ersten Ausführungsbeispiel in dem ersten Leitungsabschnitt 7 - durch die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 verzögert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Abgaspfads 3 für die Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist die Abgas Stromverzögerung seinrichtung 15 hier in dem zweiten Leitungsabschnitt 9 angeordnet, wobei sie eine Abgasschikanestrecke 21 mit einer Mehrzahl von Umlenkungen 23, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist, für den Abgasstrom aufweist. Die Umlenkungen 23 werden vorzugsweise durch Leitbleche 25 bewirkt, die versetzt zueinander entlang der Abgasschikanestrecke 21 angeordnet ist. Insbesondere ist hier die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 als Behälter mit
Leitblechen 25 ausgebildet. Wie schematisch angedeutet, können die Partikel aufgrund der Verzögerung des Abgasstroms und der längeren Verweilzeit in der Abgasschikanestrecke 21 agglomerieren, sodass dem in dem ersten Leitungsabschnitt 7 strömenden Abgasstrom im Bereich der Einmündestelle 13 größere Partikel zur effizienteren Agglomeration wieder zugeführt werden können.
In Figur 2 ist ebenfalls dargestellt, dass der erste Leitungsabschnitt 7 an der Einmündestelle 13 des zweiten Leitungsabschnitts 9 eine Strömungsverengung 27 aufweist, in welche der zweite Leitungsabschnitt 9 einmündet. Die Strömungsverengung 27 ist vorzugsweise Teil eines Venturi-Rohrs oder einer Venturi-Düse 29. Durch den derart im Bereich der Einmündestelle 13 erzeugten Unterdruck kann der entlang des zweiten Leitungsabschnitts 9 zurückgeförderte Teilstrom des Abgases gefördert werden. Es bedarf keiner weiteren Fördereinrichtung in dem zweiten Leitungsabschnitt 9, weswegen dieser auch bevorzugt frei ist von einer weiteren Fördereinrichtung, wobei er also insbesondere keine Fördereinrichtung, insbesondere keine Pumpe oder dergleichen, aufweist.
Die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 ist hier insbesondere als Beruhigungsbehälter mit den Leitschaufeln 25 ausgebildet und sorgt für eine engere Verweilzeitverteilung des Abgases. Dies wirkt sich besonders günstig auf die Partikelagglomeration aus.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Abgaspfads 3 für die Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verweisen. Der einfacheren Darstellung wegen ist hier nur der erste Leitungsabschnitt 7 dargestellt, welcher die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 aufweist. Der nicht dargestellte, zweite
Leitungsabschnitt 9 ist hier - wie beispielsweise auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 - insbesondere als Umgehungspfad um die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 ausgebildet, sodass auf diese Ausgestaltung hier nicht näher eingegangen werden muss. Die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 weist hier einen Rohrabschnitt 31 auf, dessen
Innendurchmesser entlang der Längserstreckung des Rohrab Schnitts 31 variiert, wobei er insbesondere abwechselnd, ganz besonders bevorzugt periodisch, größer und wieder kleiner wird. Dadurch entstehen in vorteilhafter Weise insbesondere periodische
Strömungsgeschwindigkeits- und Druckvariationen in dem Rohrabschnitt 31, die sehr effektiv zur Partikelagglomeration beitragen.
Es zeigt sich auch noch, dass die Anordnung der Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 sowie der Leitungsabschnitte 7, 9 stromaufwärts der Abgasturbine 5 insoweit besonders vorteilhaft ist, als bei der dort herrschenden, sehr hohen Temperatur bereits Rußpartikel verbrannt werden können, was zusätzlich zu dem Effekt der Partikelagglomeration sowohl die Partikelzahl als auch die Partikelmasse senkt. Fig. 4 zeigt eine Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Abgaspfads 3 für die Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist hier dargestellt, dass der Abgaspfad 3 eine Abgasstromschalteinrichtung 33 aufweisen kann, die eingerichtet ist, um den zweiten Leitungsabschnitt 9 und/oder - wie hier dargestellt - die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 parameterabhängig - insbesondere abhängig von einem Betriebs- oder Lastpunkt der Brennkraftmaschine 1 - zu sperren oder zu umgehen, hier insbesondere zu umgehen. Dabei weist die Abgasstromschalteinrichtung 33 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Ventileinrichtung 35 auf, die als 4/2-Wege-Kugelventil ausgebildet ist. Dabei kann in einem der beiden Funktionszustände dieses Ventils der
Abgasstrom durch die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 geleitet werden, was hier durch durchgezogene Linien innerhalb der Ventileinrichtung 35 dargestellt ist, wobei er in einem zweiten Funktionszustand der Ventileinrichtung 35 unter Umgehung der
Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 an dieser vorbeigeleitet werden kann, was hier durch gestrichelte Linien innerhalb der Ventileinrichtung 35 dargestellt ist. Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Abgasstromschalteinrichtung 33 auch wenigstens eine Abgasklappe aufweisen, oder sie kann eine Ventileinrichtung 35 aufweisen, die als 4/2 -Wegeventil - beispielsweise mit linearem Stellweg - ausgebildet ist.
Die Abgasstromschalteinrichtung 33 dient insbesondere dazu, das Ansprechverhalten der Abgasturbine 5 in transienten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1 zu verbessern, indem der zweite Leitungsabschnitt 9 und/oder die Abgasstromverzögerungseinrichtung 15 umgangen wird/werden, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit am Ort der Abgasturbine 5 vergrößert wird. Auf diese Weise können Dynamikeinbußen für die Brennkraftmaschine 1 vermieden werden.
Besonders bevorzugt wird der Abgaspfad 3 allerdings eingesetzt bei einer Brennkraftmaschine 1, die im stationären Betrieb verwendet und insbesondere in einem stationären Lastpunkt und vorzugsweise bei konstanter Drehzahl betrieben wird. Transiente Betriebszustände sind dann seltene Ereignisse, sodass die Vorteile des Abgaspfads 3 nahezu während der gesamten
Betriebszeit der Brennkraftmaschine 1 vollständig zum Tragen kommen.
Insgesamt zeigt sich, dass mit dem hier vorgeschlagenen Abgaspfad 3, der Brennkraftmaschine 1 und dem Verfahren zum Agglomerieren von Rußpartikeln im Abgas der Brennkraftmaschine 1 eine Reduktion der Partikelzahl erfolgen kann, sodass auch zukünftig insbesondere im Offroad- Bereich geltende Grenzwerte für die Partikelzahl ohne Partikelfilter und damit ohne die mit diesem verbundenen Nachteile eingehalten werden können. Grenzwerte für die Partikelmasse können dabei vorzugsweise durch innermotorische Maßnahmen der Brennkraftmaschine 1 eingehalten werden.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Abgaspfad (3) für eine Brennkraftmaschine (1), mit
- einer Abgastürbine (5),
- einem ersten, stromaufwärts der Abgastürbine (5) angeordneten und mit der Abgastürbine (5) strömungstechnisch verbundenen Leitungsabschnitt (7), und mit
- einem zweiten Leitungsabschnitt (9), der an einer Ausmündestelle (11) aus dem ersten Leitungsabschnitt (7) ausmündet, und
- stromaufwärts - in Richtung eines Abgasstroms durch den ersten Leitungsabschnitt (7) gesehen - der Ausmündestelle (11 ) an einer Einmündestelle (13) in den ersten
Leitungsabschnitt (7) einmündet, wobei
- der zweite Leitungsabschnitt (9) eingerichtet ist, um einen Teil von entlang des ersten Leitungsabschnitts (7) strömendem Abgas an der Ausmündestelle (11 ) abzuzweigen und zu der Einmündesteile: (13) zurückzuführen, wobei
- in dem ersten Ldtungsab schnitt (7) und/oder in dem zweiten Ldtungsabschnitt (9)
wenigstens eine Abgasstromverzögerungseinrichtung (15) angeordnet ist, die eingerichtet ist, um den entlang des ersten und/oder zweiten Leitungsabschnitt (7,9) strömenden Abgässtrom zu verzögern.
2. Abgaspfad (3) nach Anspruch 1 ,. dadurch gekennzeichnet, dass die
Abgasstromverzögerungseinrichtung (15) einen Leitungsabsclmittbereich (17) mit im Vergleich zu dem restlichen, die Abgasstromverzögerungseinrichtung (15) aufweisenden Leitungsabschnitt (7,9) vergrößertem Srrömungsquerechnitt aufweist
3. Abgaspfad (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasstnörnverzögerungseinrichtung (15) eine Abgasschikanestrecke (21), vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Umlenkungen (23) für den Abgasstrom, aufweist.
4. Abgaspfad (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasstromverzögerungseinrichtung (15) einen Rohrabschnitt (31) aufweist, dessen
Innendurchmesser- entlang der Längserstreckung des Rolirabschnitts (31) gesehen - variiert, insbesondere abwechselnd - vorzugsweise periodisch - größer und kleiner wird.
5. Abgaspfad (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leitungsabschnitt (7) an der Einmündestelle ( 13) des zweiten Leitungsabschnitts (9) eine Strömungsverengung (27) aufweist, in welche der zweite Leitungsabschnitt (9) einmündet.
6. Abgaspfad (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaspfad (3) eine Abgasstromschalteinrichtung (33) aufweist, die eingerichtet ist, um den zweiten Leitungsabschnitt (9) und/oder die Abgasstromverzögerungseinrichtung (15) parameterabhängig zu sperren oder zu umgehen, wobei die Abgasstromschalteinrichtung (33) vorzugsweise wenigstens eine Ventileinrichtung (35) und/oder wenigstens eine Abgasklappe aufweist.
7. Brennkraftmaschine (1 ), mit einem Abgaspfad (3) nach einem der Ansprüche I bis 6.
8. Brennkraftmaschine ( 1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkraftmaschine (1) frei ist von einem Partikelfilter.
9. Verfahren zum Agglomerieren von Rußpartikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine (I ), mit folgenden Schritten:
- Leiten eines Abgasstroms entlang eines stromaufwärts einer Abgasturbine (5)
angeordneten ersten Leitungsabschnitts (7) eines Abgaspfads (3);
- Abzweigen eines Teilstroms aus dem Abgasstrom an einer Ausmündestelle (1 1 ) des ersten Leitungsabschnitts (7);
- Rückführen des Teilstroms über einen zweiten Leitungsabschnitt (9) von der
Ausmündestelle ( 1 1 ) zu einer - entlang des ersten Leitungsabschnitts (7) in
Strömungsrichtung des Abgasstroms gesehen - stromaufwärts der Ausmündestelle (I I) angeordneten Einmündesteile (13) in den ersten Leitungsabschnitt (7);
- Einbringen des zurückgeführten Teilstroms in den Abgasstrom an der Einmündestelle (13), und
- Verzögern des Abgasstroms in dem ersten Leitungsabschnitt (7) und/oder des Teilstroms in dem zweiten Leitungsabschnitt (9).
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