DE102014016448A1

DE102014016448A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102014016448A1
Application number: DE102014016448.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Döring
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-05-12
Also published as: JP6594969B2; US20170314434A1; CN107075994A; EP3215724B1; CN107075994B; EP3215724A1; DK3215724T3; JP2017531758A; KR20170067892A; KR102004626B1; WO2016071112A1; US10450911B2

Abstract

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (11); mit einer von dem Gehäuse (11) definierten, von Abgas kontinuierlich durchströmten Abgaskammer (12), in die Abgas über einen Einlass (13) einströmt und aus der Abgas über einen Auslass (14) abströmt; mit einer von dem Gehäuse (11) definierten, mit der Abgaskammer (12) gekoppelten Schalldämpfungskammer (15), in der ein Fluid oder ein rieselfähiger Feststoff mit einem Füllstandpegel aufgenommen ist, der von der zu dämpfenden Frequenz des Abgasschalls abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung.
Aus der Praxis ist es bekannt, dass einer Brennkraftmaschine als Abgasnachbehandlungsbaugruppen sowohl Abgasreinigungseinrichtungen wie Abgaskatalysatoren oder Abgaswäscher als auch Schalldämpfer nachgeordnet sein können. Die Abgaskatalysatoren dienen insbesondere der Entstickung und/oder Entschwefelung des Abgases und damit der Reduktion von Stickoxidemissionen sowie Schwefeloxidemissionen. Die Schalldämpfer dienen der Geräuschreduzierung und damit der Verminderung von Schallemissionen.
Aus der Praxis bekannte Schalldämpfer sind typischerweise stromabwärts einer Abgasreinigungseinrichtung positioniert und als sogenannte Resonanz- oder Lambda/4-Schalldämpfer ausgeführt, die darauf beruhen, dass Kammern der Schalldämpfer eine an die zu dämpfende Frequenz des Abgasgeräusches angepasste Tiefe bzw. Länge aufweisen. Derartige Schalldämpfer verfügen jedoch über eine schmalbandige Dämpfungswirkung, sodass insbesondere bei Motoren, die mit variabler Drehzahl betrieben werden und daher unterschiedliche Abgasfrequenzen aufweisen, keine ausreichende Abgasschalldämpfung realisiert werden kann.
Um Schalldämpfer mit breitbandiger Dämpfungswirkung für die Abgasschalldämpfung bereitzustellen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Schalldämpfer mit mehreren Kammern auszustatten, die über Ventile freigegeben werden, wodurch die Tiefe der Kammern an die Frequenz des zu dämpfenden Abgasschalls angepasst werden kann.
Derartige Schalldämpfer verfügen jedoch über den Nachteil, dass sich im Abgasstrom bewegliche Teile befinden, die insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine, deren Abgasschall zu dämpfen ist, mit hochschwefelhaltigen Kraftstoffen betrieben wird, zu starker Korrosion neigen. Ferner können auch bei derartigen Schalldämpfern nur mehrere schmalbandige Frequenzbereiche einer effektiven Schalldämpfung unterzogen werden, eine stufenlose Anpassung der Dämpfungswirkung des Schalldämpfers an unterschiedlichste Frequenzbereiche des zu dämpfenden Abgasschalls ist nicht möglich.
Die DE 196 11 133 A1 und die DE 196 19 173 C1 offenbaren jeweils Schalldämpfer mit dem Abgasstrom ausgesetzten, beweglichen Teilen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse; eine von dem Gehäuse definierte, von Abgas kontinuierlich durchströmten Abgaskammer, in die Abgas über einen Einlass einströmt und aus der Abgas über einen Auslass abströmt; und eine von dem Gehäuse definierte, mit der Abgaskammer vorzugsweise über mindestens ein Verbindungsmittel gekoppelte Schalldämpfungskammer, in der ein Fluid oder ein rieselfähiger Feststoff mit einem Füllstandpegel aufgenommen ist, der von der zu dämpfenden Frequenz des Abgasschalls abhängt.
Bei der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann der Füllstandpegel des Fluids oder des rieselfähigen Feststoffs in der Schalldämpfungskammer, die mit der von Abgas durchströmten Abgaskammer gekoppelt ist, stufenlos eingestellt werden, sodass letztendlich die Schalldämpfungswirkung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung stufenlos eingestellt werden kann. Hierdurch kann die Schalldämpfungswirkung flexibel an unterschiedlichste zu dämpfende Abgasschallfrequenzen angepasst werden. Hiermit ist eine besonders effektive Schalldämpfung selbst bei Brennkraftmaschinen möglich, die mit unterschiedlichsten Motordrehzahlen betrieben werden, und zwar unter Vermeidung der Nachteile von aus dem Stand der Technik bekannten Schalldämpfern mit im Abgasstrom beweglichen Bauteilen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Füllstandpegel des Fluid, bei welchem es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit handelt, oder des rieselfähigen Feststoffs, bei welchem es sich vorzugsweise um ein Granulat handlet, in der Schalldämpfungskammer über einen Zulauf der Schalldämpfungskammer und einen Ablauf der Schalldämpfungskammer einstellbar, wobei vorzugsweise eine Steuerungseinrichtung abhängig von der zu dämpfenden Frequenz des Abgases den an die zu dämpfenden Frequenz angepassten Füllstandpegel für die Schalldämpfungskammer automatisch ermittelt und über den Zulauf und/oder Ablauf automatisch einstellt. Durch die Steuerungseinrichtung kann automatisch, abhängig von der zu dämpfenden Frequenz des Abgases, der in der Schalldämpfungskammer zur optimalen Schalldämpfung erforderliche Füllstandpegel automatisch ermittelt und eingestellt werden. Dies erlaubt eine effektive Schalldämpfung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Schalldämpfungskammer im Querschnitt U-förmig ausgebildet und weist zwei in einem unteren Abschnitt derselben gekoppelte Teilkammern auf, wobei eine erste Teilkammer mit dem Zulauf und dem Ablauf der Schalldämpfungskammer kommuniziert, und wobei eine zweite Teilkammer, die mit der ersten Teilkammer gekoppelt ist, entweder oben offen oder oben geschlossen oder schließbar ausgebildet ist. Hiermit kann die Schalldämpfungswirkung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung weiter verbessert werden.
Vorzugsweise ist in der von Abgas durchströmten Abgaskammer mindestens eine Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere ein Abgaskatalysator und/oder ein Abgaswäscher, angeordnet ist. Dann, wenn in der von Abgas durchströmten Abgaskammer eine Abgasreinigungseinrichtung positioniert bzw. integriert ist, dient die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung nicht nur der Schalldämpfung, sondern auch der Abgasreinigung. Hiermit kann der Bauraumbedarf solcher Abgasnachbehandlungsvorrichtungen reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung ist in Anspruch 13 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
2 eine schematisierte Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
3 ein Detail einer dritten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung; und
4 ein Detail einer vierten erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine.
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 11. Das Gehäuse 11 definiert einerseits eine von Abgas kontinuierlich durchströmte Abgaskammer 12, in die Abgas über einen Einlass 13 einströmt und aus der Abgas über einen Auslass abströmt, sowie andererseits eine Schalldämpfungskammer 15.
Die Schalldämpfungskammer 15 ist mit der Abgaskammer 12 gekoppelt.
In der Schalldämpfungskammer 15 ist ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, oder ein rieselfähiger Feststoff, insbesondere ein Granulat, mit einem Füllstandpegel aufgenommen, der von der zu dämpfenden Frequenz des Abgasschalls abhängt. Ändert sich zum Beispiel infolge einer ändernden Last der Brennkraftmaschine die zu dämpfende Frequenz des Abgasschalls, so kann durch einfache Veränderung des Füllstandpegels des Fluids oder des rieselfähigen Feststoffs in der Schalldämpfungskammer 15 die Dämpfungswirkung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 an die sich ändernde Frequenz des Abgasschalls angepasst werden. Hierdurch ist der Dämpfungsbereich bzw. die Dämpfungswirkung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 stufenlos einstellbar.
Bei dem Fluid, welches in der Schalldämpfungskammer 15 mit einem definierten Füllstandpegel aufgenommen ist, handelt es sich vorzugsweise um Wasser. Alternativ zu dem Fluid kann in der Schalldämpfungskammer 15 auch der rieselfähige Feststoff, insbesondere Granulat, mit einem von der zu dämpfenden Frequenz des Abgasschalls abhängigen Füllstandpegel aufgenommen sein.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 ist die Flüssigkeit bzw. der rieselfähige Feststoff der Schalldämpfungskammer 15 über einen Zulauf 16 zuführbar und von der Schalldämpfungskammer 15 über einen Ablauf 17 abführbar. Über dem Zulauf 16 und dem Ablauf 17 zugeordnete Ventile 28, 29 kann der Füllstandpegel der Flüssigkeit bzw. des rieselfähigen Feststoffs innerhalb der Schalldämpfungskammer 15 eingestellt werden.
Wie bereits ausgeführt, ist die Schalldämpfungskammer 15 mit der Abgaskammer 12 gekoppelt, vorzugsweise über mindestens ein Verbindungsmittel. Gemäß 1 sind die Abgaskammer 12 und die Schalldämpfungskammer 15 durch eine gemeinsame Gehäusewand 18 oder einen Gehäusewandabschnitt des Gehäuses 11 getrennt, wobei dieselben über mindestens ein als Ausnehmung 31 in der Gehäusewand 18 ausgebildetes Verbindungsmittel gekoppelt sind. Die Ausnehmung 31 ist dabei gemäß 1 derart in die Gehäusewand 18 eingebracht, dass dieselbe oberhalb des Füllstandpegels der Flüssigkeit oder des Granulats in der Schalldämpfungskammer 15 positioniert ist.
In 1 ist eine Steuerungseinrichtung 26 gezeigt, die abhängig von der Frequenz des zu dämpfenden Abgasschalls den für die Schalldämpfung optimalen Füllstandpegel für die Flüssigkeit bzw. den rieselfähigen Feststoff innerhalb der Schalldämpfungskammer 15 automatisch ermittelt und durch Ansteuerung der Ventile 28, 29 automatisch einstellt. Die zu dämpfende Frequenz des Abgasschalls kann dabei von der Steuerungseinrichtung 26 zum Beispiel rechnerisch über ein Modell ermittelt werden, andererseits ist es möglich, mit Hilfe einer Messeinrichtung 30 die Frequenz des zu dämpfenden Abgasschalls messtechnisch zu erfassen und der Steuerungseinrichtung 26 einen entsprechenden Messwert bereitzustellen. Bei der Messeinrichtung 30 kann es sich zum Beispiel um ein Mikrofon oder auch um einen der Abgaskammer 12 der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 zugeordneten Dehnungsmessstreifen handeln.
Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist innerhalb der Abgaskammer 12 des Gehäuses 11, die kontinuierlich von Abgas durchströmt ist, eine Abgasreinigungseinrichtung 27 angeordnet, bei welcher es sich zum Beispiel um einen Abgaskatalysator oder auch um einen Abgaswäscher handeln kann. Es können eine oder mehrere Abgasreinigungseinrichtungen 27 in der Abgaskammer 12 angeordnet sein.
Dann, wenn in der Abgaskammer 12 des Gehäuses 11 der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 ein Abgaswäscher integriert ist, ist die Schalldämpfungskammer 15 des Gehäuses 11 der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 insbesondere mit Wasser gefüllt, um die Schalldämpfungswirkung bereitzustellen. In diesem Fall liegen nämlich Abgastemperaturen deutlich unterhalb des Siedepunkts des in der Schalldämpfungskammer 15 aufgenommenen Wassers, sodass die sich bei höheren Abgastemperaturen einstellende Verdunstung bzw. Verdampfung des Wassers in der Schalldämpfungskammer 15 von untergeordneter Bedeutung ist. Bei hohen Abgastemperaturen kommt in der Schalldämpfungskammer 15 vorzugsweise ein rieselfähiger Feststoff, insbesondere Granulat, zum Einsatz, um über den Füllstandpegel in der Schalldämpfungskammer 15 die gewünschte Schalldämpfungswirkung im gewünschten Frequenzbereich bereitzustellen.
Zur Erhöhung der Schalldämpfungswirkung können die Kammern, nämlich die Abgaskammer 12 und/oder die Schalldämpfungskammer 15, bzw. dieselben begrenzende Gehäusewände des Gehäuses innen und/oder außen mit einem Absorptionsmittel versehen bzw. verkleidet sein.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden. Nachfolgend wird nur auf Unterschiede zwischen den Ausführungsbespielen der 1 und 2 eingegangen.
Im Ausführungsbeispiel der 2 umfasst die Schalldämpfungskammer 15 zwei Teilkammern 19, 20, die in unteren Bereichen 21, 22 unter Ausbildung einer im Querschnitt U-förmigen Schalldämpfungskammer 15 gekoppelt sind. Die erste Teilkammer 20 der Schalldämpfungskammer 15 kommuniziert dabei mit dem Zulauf 16 und dem Ablauf 17 und ist über mindestens eine Ausnehmung 31 in der Gehäusewand 18, welche die erste Teilkammer 20 von der Abgaskammer 12 trennt, mit der Abgaskammer 12 gekoppelt. Die zweite Teilkammer 19, die mit der ersten Teilkammer 20 im unteren Abschnitt 21 gekoppelt ist, ist in 2 am oberen Ende 23 offen ausgebildet. Dann, wenn in 2 in der Schalldämpfungskammer 15 eine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, aufgenommen ist, bildet sich in beiden Teilkammern 19, 20 der Schalldämpfungskammer 15 ein Füllstandpegel aus. Abgas, welches die Abgaskammer 12 des Gehäuses 11 durchströmt, regt die Flüssigkeit in der Schalldämpfungskammer 15 zu Schwingungen an, wobei die in der zweiten Teilkammer 19 befindliche Flüssigkeitssäule frei gegen Atmosphäre schwingen kann, da die zweite Teilkammer 19 der Strömungskammer 15 im Ausführungsbeispiel der 2 oben offen ausgebildet ist.
Durch die schwingende Flüssigkeitssäule wird der schwingenden Abgassäule kinetische Energie entzogen und dadurch die Schallemission reduziert.
An das Gehäuse 11 können mehrere Schalldämpferkammern 15 angekoppelt sein und die freie Weglänge kann oberhalb des Fluids oder des Granulats in den einzelnen Kammern 15 unterschiedlich sein. So können mehrere Frequenzen gedämpft werden.
In 1 ist die Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgaskammer 12 von unten nach oben gerichtet, wobei in 2 dieselbe von oben nach unten gerichtet ist. In 1 ist die Ausnehmung 31, welche die Schalldämpfungskammer 15 mit der Abgaskammer 12 koppelt, in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts der Abgasreinigungseinrichtung 27 positioniert. In 2 ist diese Ausnehmung 31 in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts der Abgasreinigungseinrichtung 27 positioniert.
3 und 4 zeigen Abwandlungen des Ausführungsbeispiels der 2, in welcher die zweite Teilkammer 19 am oberen Ende 23 geschlossen ausgebildet ist, wobei in 3 die Flüssigkeitssäule in der zweiten Teilkammer 19 gegen eine in der zweiten Teilkammer 19 eingeschlossene Gasblase und in 3 gegen einen durch eine Federelement 25 beaufschlagten Schwimmer 24 arbeitet. Dadurch kann der schwingenden Abgassäule noch mehr kinetische Energie entzogen werden. Hierdurch kann die Dämpfung weiter erhöht werden.
Bezugszeichenliste

10: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
11: Gehäuse
12: Abgaskammer
13: Einlass
14: Auslass
15: Schalldämpfungskammer
16: Zulauf
17: Ablauf
18: Gehäusewand
19: Teilkammer
20: Teilkammer
21: Abschnitt
22: Abschnitt
23: Ende
24: Schwimmer
25: Federelement
26: Steuerungseinrichtung
27: Abgasreinigungseinrichtung
28: Ventil
29: Ventil
30: Messeinrichtung
31: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19611133 A1 [0006]
DE 19619173 C1 [0006]

Claims

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine, mit einem Gehäuse (11); mit einer von dem Gehäuse (11) definierten, von Abgas kontinuierlich durchströmten Abgaskammer (12), in die Abgas über einen Einlass (13) einströmt und aus der Abgas über einen Auslass (14) abströmt; mit einer von dem Gehäuse (11) definierten, mit der Abgaskammer (12) gekoppelten Schalldämpfungskammer (15), in der ein Fluid oder ein rieselfähiger Feststoff mit einem Füllstandpegel aufgenommen ist, der von der zu dämpfenden Frequenz des Abgasschalls abhängt.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstandpegel in der Schalldämpfungskammer (15) über einen Zulauf (16) der Schalldämpfungskammer (15) und einen Ablauf (17) der Schalldämpfungskammer (15) einstellbar ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (27) abhängig von der zu dämpfenden Frequenz den an die zu dämpfenden Frequenz angepassten Füllstandpegel für die Schalldämpfungskammer (15) automatisch ermittelt und über den Zulauf (16) und/oder Ablauf (17) automatisch einstellt.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaskammer (12) und die Schalldämpfungskammer (15) über mindestens ein Verbindungsmittel gekoppelt sind.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaskammer (12) und die Schalldämpfungskammer (15) durch eine gemeinsame Gehäusewand (18) oder einen Gehäusewandabschnitt getrennt und über mindestens eine Ausnehmung (31) in der Gehäusewand (18) oder dem Gehäusewandabschnitt gekoppelt sind.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalldämpfungskammer (15) im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist und zwei in einem unteren Abschnitt (21, 22) derselben gekoppelte Teilkammern (19, 20) aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Teilkammer (20) mit dem Zulauf (16) und dem Ablauf (17) der Schalldämpfungskammer (15) kommuniziert.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilkammer (20) der Schalldämpfungskammer (15) mit der Abgaskammer (12) gekoppelt ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Teilkammer (19), die mit der ersten Teilkammer (20) gekoppelt ist, oben offen ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Teilkammer (19), die mit der ersten Teilkammer (20) gekoppelt ist, oben geschlossen ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstandpegel in der zweiten Teilkammer (19) gegen einen von einem Federelement (25) beaufschlagten Schwimmer (24) schwingt.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der von Abgas durchströmten Abgaskammer (12) mindestens eine Abgasreinigungseinrichtung (27), insbesondere ein Abgaskatalysator und/oder ein Abgaswäscher, angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an das Gehäuse (11) mehrere Schalldämpferkammern (15) angekoppelt sind und die freie Weglänge oberhalb des Fluids oder des Granulats sich in den einzelnen Kammern (15) unterscheidet.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung, insbesondere unter Verwendung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Abgaskammer (12) von Abgas kontinuierlich durchströmt wird, und wobei eine Schalldämpfungskammer (15), die mit der Abgaskammer (12) gekoppelt ist, derart mit einem Fluid oder einem rieselfähigem Feststoff befüllt wird, dass ein Füllstandpegel in der Schalldämpfungskammer (15) von der zu dämpfenden Frequenz des Abgasschalls abhängt.