-
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
-
Moderne Brennkraftmaschinen sind üblicherweise mit einem oder mehreren Abgasturboladern zur Leistungssteigerung ausgestattet. Verschärfte Emissionsvorschriften in einigen Ländern machen Abgasnachbehandlungs-(AGN)Einrichtungen zur Einhaltung von Grenzwerten notwendig. Solche AGN-Einrichtungen sind üblicherweise einer, oder eine Kombination von Abgaskatalysatoren und/oder Filtern, die in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Im weiteren Verlauf dieser Beschreibung wird nur noch von Abgaskatalysatoren geschrieben, wobei auch Filter gemeint sein können. Für eine optimale Funktion und zu einer Regenerierung der Abgaskatalysatoren kann es notwendig sein, dass ein flüssiges oder gasförmiges Reduktions- oder Oxidationsmittel stromaufwärts der Abgaskatalysatoren in die Abgasleitung eingebracht wird. Im weiteren Verlauf dieser Beschreibung wird das Reduktions- oder Oxidationsmittel als Hilfsmittel bezeichnet. Die dafür in Frage kommenden Abgaskatalysatoren und Hilfsmittel sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ebenso ist aus
DE 103 21 105 A1 bekannt, ein Hilfsmittel in die Abgasleitung stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers und eines Abgaskatalysators einzubringen. Dabei dient der Abgasturbolader als Mischer des Hilfsmittels. In solch einem Aufbau ist die Mischung des Hilfsmittels nicht optimal.
-
Aus
DE 10 2008 017 280 A1 geht eine Brennkraftmaschine mit einer zweistufigen Abgasturboladergruppe hervor, bei der in einer Abgasleitung stromabwärts der Brennkraftmaschine eine Hochdruck-(HD)Turbine, und stromabwärts von dieser eine Niederdruck-(ND)Turbine angeordnet ist. Zwischen den beiden Turbinen ist ein Abgaskatalysator angeordnet, zu dessen Regenerierung ihm stromaufwärts ein Hilfsmittel eingespritzt werden kann. Durch das Einspritzen des Hilfsmittels stromabwärts der HD-Turbine und direkt vor dem Abgaskatalysator ist auch hier die Mischung des Hilfsmittels nicht optimal.
-
-
Bei den o. g. Schriften ergibt sich der Nachteil, dass das eingespritzte Hilfsmittel die stromabwärts angeordneten Abgaskatalysatoren im Querschnitt stark inhomogen beaufschlagt. Daraus ergibt sich, dass der zur Verfügung stehende Querschnitt der Abgaskatalysatoren nicht optimal für die gewünschten Reaktionen zum Einsatz kommt. Folglich muss zur Erzielung eines bestimmten chemischen Umsatzes der Abgaskatalysator überdimensioniert werden. Dies beansprucht unnötigen Bauraum und verursacht erhebliche Kosten.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Mischung und Verdampfung des Hilfsmittels vor dem Eintritt in den oder die Abgaskatalysatoren zu verbessern und eine gleichmäßige Verteilung über den gesamten Querschnitt der Abgasleitung und Abgaskatalysatoren zu gewährleisten.
-
Die Lösung erfolgt mit einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
-
Gemäß der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Turbine vorgesehen, die in einer Abgasleitung angeordnet ist, an die stromabwärts ein Abgaskatalysator angeschlossen ist, zusätzlich mit einer stromaufwärts der ersten Turbine angeordneten ersten Einrichtung zum Einbringen eines Hilfsmittels. Dabei ist an der Brennkraftmaschine zwischen der ersten Turbine und dem Abgaskatalysator zumindest eine zweite Turbine angeordnet, wobei dann die erste Turbine eine Hochdruck-(HD)Turbine und die zweite Turbine eine Niederdruck-(ND)Turbine darstellt und stromaufwärts der HD-Turbine die erste Einrichtung zum Einbringen des Hilfsmittels angebracht ist. Beim Einbringen eines flüssigen Hilfsmittels in die Abgasleitung oder vor Turbine, finden im Wesentlichen die Prozesse Wandfilmbildung, Reflexion, mechanische Zerstäubung und Verdampfung statt. Die Wandfilmbildung wird verursacht durch das Anhaften des flüssigen Hilfsmittels an einer Gehäusewand der Abgasleitung oder Turbine. Besonders verstärkt wird die Wandfilmbildung im spiralförmigen Turbinengehäuse an der radial zur Spiralform nach außen gerichteten Wand des Strömungskanals. Zentrifugalkräfte auf das einströmende Abgas samt eingebrachtem Hilfsmittel, hervorgerufen durch das spiralförmige Turbinengehäuse, verursachen eine starke Wandfilmbildung entlang der Spiralform. Der Prozess der Reflexion entsteht durch das Abprallen von Tropfen des Hilfsmittels an einer Gehäusewand zurück in Richtung Abgasstrom. Die mechanische Zerstäubung ist das Zerteilen des flüssigen Hilfsmittels in feinste Tröpfchen beim Einbringen in den Abgasstrom.
-
Die Verdampfung der reflektierten und mechanisch zerstäubten Tropfen findet im heißen Abgasstrom relativ schnell statt. Beim flüssigen Hilfsmittel, welches den Wandfilm bildet setzt eine sogenannte Wandfilmverdampfung ein, die aber im Vergleich zu der vorgenannten Verdampfung der Tropfen länger dauert. Die Folge ist bei niedriger Last der Brennkraftmaschine mit daraus resultierenden niedrigen Abgastemperaturen, dass der Weg bzw. die Zeit für die Verdampfung des Hilfsmittels bis zum Verlassen der HD-Turbine gerade ausreicht, aber eine Gleichverteilung über den Querschnitt der Abgasleitung nicht gegeben ist. Vorteilhafterweise ermöglicht die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in der HD-Turbine die o. g. Verdampfung des eingespritzten Hilfsmittels. Die ND-Turbine übernimmt die Funktion eines Gasmischers des vorher verdampften Hilfsmittels. Das Resultat ist auf einer kurzen Strecke eine optimale Gleichverteilung des Hilfsmittels über den gesamten Querschnitt der Abgasleitung. Daraus folgt eine gleichmäßige Anströmung des stromabwärts angeordneten Abgaskatalysators mit einem optimalen chemischen Umsatz bei kleinstmöglichem Bauraum und kürzester Mischstrecke für das Hilfsmittel. Ähnlich sind die Verhältnisse beim Eindüsen eines gasförmigen Hilfsmittels. Durch den gasförmigen Zustand muss zwar keine Verdampfung mehr stattfinden, die Gleichverteilung ist aber trotzdem nicht gegeben. Durch die Zentrifugalkräfte im spiralförmigen Turbinengehäuse ist auch hier die Konzentration des Gases an der nach außen gerichteten Wand des Strömungskanals wesentlich höher als im restlichen Querschnitt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die ND-Turbine Teil eines Abgasturboladers.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die ND-Turbine Teil einer Nutzturbine. Selbstverständlich werden die o. g. Vorteile nicht nur durch Turbinen von Abgasturboladern erzielt, auch sogenannte Nutzturbinen, beispielsweise zur Stromerzeugung, sind zur Lösung der Aufgabe geeignet.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der HD- und ND-Turbine eine zweite Einrichtung zum Einbringen des Hilfsmittels angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass abhängig vom Lastbereich und Betriebszustand der Brennkraftmaschine zusätzlich Hilfsmittel eingebracht werden kann, wenn Strömungs- und Temperaturverhältnisse eine ausreichende Vermischung in einer Turbine allein sicher stellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die einzubringende Menge des Hilfsmittels auf zwei Einrichtungen verteilt wird, was einen größeren Regelbereich und eine höhere Genauigkeit bei kleinen Dosiermengen ermöglicht.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist stromabwärts zumindest einer der Einrichtungen zum Einbringen des Hilfsmittels und stromaufwärts zumindest einer Turbine eine zusätzliche Abgasnachbehandlungs-(AGN)Komponente mit oxidativer Wirkung angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass mit der zusätzlichen AGN-Komponente mit oxidativer Wirkung, beispielsweise eines Oxidationskatalysators, die Zersetzung und/oder Oxidation des Hilfsmittels, für den stromabwärts der ND-Turbine angeordneten Abgaskatalysator, noch zusätzlich direkt nach dem Einbringen unterstützt wird, und somit die Mischung in den Turbinen noch schneller vonstatten geht. Bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Hilfsmittel unterstützt die sich durch die Oxidation erhöhende Abgasenthalpie die Abgasturbolader beim Hochlaufen der Drehzahl. Damit ist in Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine ein kurzeitiges Verstärken der Leistung der Brennkraftmaschine möglich.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist stromabwärts der HD-Turbine, aber vor dem Abgaskatalysator, eine dritte Einrichtung zum Einbringen von Luft oder destilliertem Wasser angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass damit zusätzlich Luft zur Oxidation des Hilfsmittels eingebracht werden kann. Die damit verbundene Erhöhung der Abgasenthalpie unterstützt die Abgasturbolader in Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine. Andererseits ist durch das Einbringen von Luft oder destilliertem Wasser in gewissen Lastbereichen der Brennkraftmaschine eine gezielte Kühlung des Abgases sowie der stromabwärts folgenden Bauteile möglich.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest um eine der Turbinen eine Umgehungsleitung mit einer regelbaren Absperrvorrichtung angeordnet. Mit einer oder mehreren Umgehungsleitungen samt evtl. darin angeordneten regelbaren Absperrventilen ist eine gezielte Abgasführung in der Abgasleitung möglich. Damit ist abhängig vom Lastbereich und Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine gezielte Temperaturbeeinflussung eines oder mehrerer Abgaskatalysatoren möglich. Beispielweise ist durch eine zeitweise Umgehung des Abgases einer Turbine eine schnellere Aufheizung eines nachfolgenden Abgaskatalysators möglich, der somit schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Im Hinblick auf eine Verbesserung der Mischung und Gleichverteilung des Hilfsmittels unterstützt die Umgehung der Turbine auch dieses Ziel. Der Grund liegt in der Abnahme des Turbinenwirkungsgrades, wenn nicht mehr das gesamte Abgas in die Turbine fließt. Der verringerte Turbinenwirkungsgrad bewirkt einen höheren Drall am Turbinenaustritt, dieser unterstützt wiederum die Mischung und Gleichverteilung des Hilfsmittels. Dieser Effekt ist nur im mittleren und oberen Lastbereich nutzbar, im unteren Lastbereich ist der Drall dafür nicht ausreichend.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zum Einbringen von Hilfsmittel, Luft oder destilliertem Wasser ein Injektor. Der Vorteil dabei ist, dass damit eine genaue Dosierung des Hilfsmittels, der Luft oder des destillierten Wassers und gezieltes Einbringen in die Strömung des Abgases möglich ist. Zusätzlich gestattet ein Injektor ein getaktetes Einspritzen zur noch besseren Zersetzung des Hilfsmittels.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel ein flüssiges oder gasförmiges Oxidationsmittel, oder ein flüssiges oder gasförmiges Reduktionsmittel.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel eine Harnstoffwasserlösung.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Hilfsmittel Ammoniakgas. Der Vorteil bei den gasförmigen Hilfsmitteln ist, dass diese nicht mehr verdampft werden müssen und daher die Gleichverteilung durch die zweistufige Abgasturboladergruppe optimal hergestellt werden kann.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem das Hilfsmittel im mittleren und oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine über die erste und zweite Einrichtung eingebracht wird. Im mittleren und oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine kann der Mehrbedarf an Hilfsmittel gegenüber dem niedrigen Lastbereich zusätzlich über diese zweite Einrichtung eingebracht und dabei auch noch genauer im Einspritzstrahl dosiert werden. Der Vorteil dabei ist, dass im mittleren und oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und Druckpulsationen des Abgases in der Abgasleitung sehr hoch sind. In diesen Lastbereichen genügt eine Turbine allein zu einer gleichzeitigen Verdampfung und Gleichverteilung des Hilfsmittels, um einen stromabwärts der ND-Turbine angeordneten Abgaskatalysator gleichmäßig zu beaufschlagen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem das Hilfsmittel im niedrigen Lastbereich ausschließlich über die erste Einrichtung eingebracht wird. Im niedrigen Lastbereich ergibt sich der Vorteil, dass trotz niederer Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Druckpulsationen des Abgases die Verdampfung und Mischung des Hilfsmittels durch die Ausgestaltung der Erfindung optimal ist. Selbstverständlich ist auch das Einbringen des Hilfsmittels im gesamten Lastdiagramm über die erste Einrichtung möglich.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck- und Niederdruck-Turbine, sowie einer Einrichtung zum Einbringen eines Hilfsmittels in ein Abgas zur optimalen Funktion eines Abgaskatalysators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung
-
2 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck- und Niederdruck-Turbine, sowie einer Einrichtung zum Einbringen eines Hilfsmittels in ein Abgas zur optimalen Funktion eines Abgaskatalysators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
-
3 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck- und Niederdruck-Turbine, sowie zwei Einrichtungen zum Einbringen eines Hilfsmittels in ein Abgas zur optimalen Funktion eines Abgaskatalysators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
-
4 eine qualitative Darstellung eines Lastdiagramms einer Brennkraftmaschine
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit einer Hochdruck-(HD) 2 und Niederdruck-(ND)Turbine 3 in einer Abgasleitung 4. In der Abgasleitung 4 strömt das Abgas in Strömungsrichtung 17. Stromaufwärts der HD-Turbine 2 ist eine erste Einrichtung 5 zum Einbringen eines Hilfsmittels angeordnet. Das Hilfsmittel dient zur optimalen Funktion eines stromabwärts der ND-Turbine 3 angeordneten Abgaskatalysators 18. Die Einrichtung 5 wird in der weiteren Beschreibung als Injektor 6 bezeichnet. Neben dem Beitrag zur Aufladung der Brennkraftmaschine dient die HD-Turbine 2 hier zusätzlich zur Zersetzung, sowie Verdampfung und Mischung des Hilfsmittels. Die HD-Turbine 2 kann mit einer unterstützenden Beschichtung (z. B. TiO2) der Turbinenschaufeln und/oder des Turbinengehäuses (beide nicht dargestellt) ausgestattet sein, welche die Zersetzung zusätzlich fördert. In Strömungsrichtung 17 des Abgases dient die ND-Turbine 3 als weiterer Mischer zur Gleichverteilung des Hilfsmittels über den Querschnitt der Abgasleitung 4, vor einem Eintritt in den Abgaskatalysator 18.
-
2 zeigt wie 1 eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine 1 mit der Hochdruck-(HD) 2 und Niederdruck-(ND)Turbine 3 in der Abgasleitung 4. Wie in 1 ist auch hier die erste Einrichtung 5, bzw. der Injektor 6 zum Einbringen des Hilfsmittels stromaufwärts der HD-Turbine 2 angeordnet. Das Hilfsmittel dient hier ebenso zur optimalen Funktion des stromabwärts der ND-Turbine 3 angeordneten Abgaskatalysators 18. Stromabwärts des Injektors 6 ist hier eine zusätzliche AGN-Komponente 9 mit oxidativer Wirkung, beispielsweise ein Oxidationskatalysator, angeordnet, der zusammen mit den hohen Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten und Druckpulsationen des Abgases eine teilweise Zersetzung und/oder Oxidation des Hilfsmittels einleitet. Die HD-Turbine 2 dient auch hier der weiteren Zersetzung, sowie Verdampfung und Mischung des Hilfsmittels. Die ND-Turbine 3 dient auch hier als weiterer Mischer zur Gleichverteilung des Hilfsmittels über den Querschnitt der Abgasleitung 4, vor dem Eintritt in den Abgaskatalysator 18. Optionale Umgehungsleitungen 13 und 14 mit ihren regelbaren Absperreinrichtungen 15 und 16, ermöglichen eine gezielte Abgasführung um die HD- 2 und ND-Turbine 3, mit dem Ziel einer gezielten Temperaturbeeinflussung der zusätzlichen AGN-Komponente 9 mit oxidativer Wirkung und/oder des Abgaskatalysators 18.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine 1 wie in 2 beschrieben. Zusätzlich zu der Anordnung wie in 2 ist zwischen der HD- 2 und ND-Turbine 3 eine zweite Einrichtung 7 zum Einbringen des Hilfsmittels angeordnet. Diese zweite Einrichtung 7 wird in der weiteren Beschreibung als Injektor 8 bezeichnet. Stromabwärts dieses Injektors 8 ist optional eine zusätzliche AGN-Komponente 10 mit oxidativer Wirkung, beispielsweise ein Oxidationskatalysator, angeordnet. Im mittleren 21 und oberen 22 Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 wird durch diesen Injektor 8 zusätzlich Hilfsmittel eingespritzt, welches in der zusätzlichen AGN-Komponente 10 mit oxidativer Wirkung unterstützt durch die hohen Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten und Druckpulsationen des Abgases zersetzt und/oder oxidiert wird. Zur Gleichverteilung des zusätzlichen Hilfsmittels in der Abgasleitung 4 vor Eintritt in den Abgaskatalysator 18 reicht im mittleren 21 und oberen 22 Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 dann nur die ND-Turbine 3 aus. Eine dritte Einrichtung 11, bzw. Injektor 12, ermöglicht optional zusätzlich Luft oder destilliertes Wasser in das Abgas einzubringen. Die zusätzliche Luft dient einerseits zur Reduktion bzw. Oxidation des Hilfsmittels. Die mit einer Oxidation verbundene Erhöhung der Abgasenthalpie unterstützt die ND-Turbine 3 in Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine 1. Andererseits ist durch das Einbringen von zusätzlicher Luft oder destilliertem Wasser in bestimmten Lastbereichen der Brennkraftmaschine 1 eine gezielte Kühlung des Abgases sowie der stromabwärts folgenden Bauteile möglich.
-
4 zeigt eine qualitative Darstellung eines Lastdiagramms einer Brennkraftmaschine. Auf der Abszisse ist die Drehzahl der Brennkraftmaschine aufgetragen, auf der Ordinate das Drehmoment. Eine Lastkurve 19 ist mit einem typischen Verlauf und einer Unterteilung in drei Lastbereiche 20, 21, 22 dargestellt. Die Lastbereiche sind ein unterer Lastbereich 20 bis zu einer Drehzahl von ca. 1000 1/min, ein mittlerer Lastberich 21 und ein oberer Lastbereich 22.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Hochdruckturbine
- 3
- Niederdruckturbine
- 4
- Abgasleitung
- 5
- erste Einrichtung, zum Einbringen von Hilfsmittel
- 6
- Injektor
- 7
- zweite Einrichtung, zum Einbringen von Hilfsmittel
- 8
- Injektor
- 9
- zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente mit oxidativer Wirkung
- 10
- zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente mit oxidativer Wirkung
- 11
- dritte Einrichtung, zum Einbringen von Luft oder destilliertem Wasser
- 12
- Injektor
- 13
- Umgehungsleitung
- 14
- Umgehungsleitung
- 15
- regelbare Absperrvorrichtung
- 16
- regelbare Absperrvorrichtung
- 17
- Strömungsrichtung Abgas
- 18
- Abgaskatalysator
- 19
- Lastkurve
- 20
- unterer Lastbereich
- 21
- mittlerer Lastbereich
- 22
- oberer Lastbereich
