DE102016113389A1

DE102016113389A1 - Mischvorrichtung für ein Abgasnachbehandlungssystem, Abgasnachbehandlungssystem und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016113389A1
Application number: DE102016113389.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Döring
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: Doering Andreas De
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-01-25
Also published as: CN107642397B; JP6992216B2; KR20180010160A; FI20175658A; JP2018013121A; CN107642397A

Abstract

Mischvorrichtung für ein Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere für ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem, einer Brennkraftmaschine, nämlich zum Mischen einer Vorläufersubstanz eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Ammoniak-Vorläufersubstanz wie Harnstoff, mit Abgas, mit einer zu einem Katalysator, insbesondere zu einem SCR-Katalysator (9), führenden Abgaszuleitung (8), welche das Abgas führt, mit einer der Abgaszuleitung (8) zugeordneten Einbringeinrichtung (12) zum Einbringen der Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels in das Abgas, und mit einer stromabwärts der jeweiligen Einbringeinrichtung (12) angeordneten und von der Abgaszuleitung (8) bereitgestellten Misch- und Zersetzungsstrecke (14) zum Mischen des Abgases mit der Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels und zum Zersetzen derselben in das Reduktionsmittel stromaufwärts des Katalysators, wobei der Abgaszuleitung (8) im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke (14) ein Schalldämpfer (21) zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für ein Abgasnachbehandlungssystem, ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem.
Bei Verbrennungsprozessen in stationären Brennkraftmaschinen, die zum Beispiel in Kraftwerken zum Einsatz kommen, sowie bei Verbrennungsprozessen in nicht-stationären Brennkraftmaschinen, die zum Beispiel auf Schiffen zum Einsatz kommen, entstehen Stickoxide, wobei diese Stickoxide typischerweise bei der Verbrennung schwefelhaltiger, fossiler Brennstoffe, wie Kohle, Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Schweröl oder Dieselkraftstoffen entstehen. Daher sind solchen Brennkraftmaschinen Abgasnachbehandlungssysteme zugeordnet, die der Reinigung, insbesondere der Entstickung, des die Brennkraftmaschine verlassenden Abgases dienen.
Zur Reduzierung von Stickoxiden im Abgas kommen in aus der Praxis bekannten Abgasnachbehandlungssystemen in erster Linie sogenannte SCR-Katalysatoren zum Einsatz. In einem SCR-Katalysator erfolgt eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden, wobei für die Reduktion der Stickoxide als Reduktionsmittel Ammoniak (NH₃) benötigt wird. Eine Ammoniak-Vorläufersubstanz, wie zum Beispiel Urea bzw. Harnstoff, wird hierzu stromaufwärts des SCR-Katalysators in flüssiger Form in das Abgas eingebracht, wobei die Ammoniak-Vorläufersubstanz stromaufwärts des SCR-Katalysators mit dem Abgas vermischt und zum Reduktionsmittel versetzt wird. Hierzu ist nach der Praxis eine Misch- und Zersetzungsstrecke zwischen einer Einbringeinrichtung der Ammoniak-Vorläufersubstanz und dem SCR-Katalysator vorgesehen.
Obwohl mit aus der Praxis bekannten Abgasnachbehandlungssystemen, die einen SCR-Katalysator umfassen, bereits erfolgreich eine Abgasnachbehandlung, insbesondere eine Stickoxidreduzierung, erfolgen kann, besteht Bedarf daran, die Abgasnachbehandlungssysteme weiter zu verbessern. Insbesondere besteht Bedarf daran, bei einer kompakten Bauform eine geräuscharme Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Mischvorrichtung für ein Abgasnachbehandlungssystem, ein Abgasnachbehandlungssystem und eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem zu schaffen, die bei kompakter Bauform eine geräuscharme Abgasnachbehandlung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Michvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Abgaszuleitung im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke ein Schalldämpfer zugeordnet. Bei kompakter Bauform kann eine geräuscharme Abgasnachbehandlung ermöglicht werden.
Vorzugsweise sind ein die Misch- und Zersetzungsstrecke ausbildender Abschnitt der Abgaszuleitung und der Schalldämpfer bzw. die Abgaszuleitung und der Schalldämpfer zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefasst. Bei besonders kompakter Bauform kann eine geräuscharme Abgasnachbehandlung ermöglicht werden.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Schalldämpfer mehrere Schalldämpferkammern auf, die über jeweils mindestens eine Öffnung mit der Abgaszuleitung gekoppelt sind. Bei kompakter Bauform kann eine geräuscharme Abgasnachbehandlung ermöglicht werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine erste Schalldämpferkammer des Schalldämpfers über mindestens eine erste Öffnung und/oder eine zweite Schalldämpferkammer des Schalldämpfers über mindestens eine zweite Öffnung mit der Abgaszuleitung gekoppelt, wobei der Abstand der oder jeder stromauf der der Einbringeinrichtung angeordneten Öffnung maximal dem 3 fachen des Durchmessers der Abgasleitung im Bereich der Einbringeeinrichtung und der Abstand der oder jeder stromab der Einbringeinrichtung angeordneten Öffnung maximal dem 1-fachen oder mindestens dem 2-fachen des Durchmessers der Abgaszuleitung im Bereich der Einbringeinrichtung beträgt. In einem Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke, dessen Abstand von der Einbringeinrichtung zwischen dem 1-fachen des Durchmessers der Abgaszuleitung im Bereich der Einbringeinrichtung und dem 2-fachen des Durchmessers der Abgaszuleitung im Bereich der Einbringeinrichtung entspricht, sind keine Öffnungen ausgebildet, über die Schalldämpferkammern des Schalldämpfers mit der Abgaszuleitung gekoppelt sind. Bei kompakter Bauform kann eine geräuscharme Abgasnachbehandlung ermöglicht werden. Insbesondere wird verhindert, dass die flüssige Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels, wie z.B. Harnstoff, in den Bereich der die Schalldämpferkammern mit der Abgaszuleitung koppelnden Öffnungen gelangt und dieselben verstopft bzw. zusetzt.
Vorzugsweise ist eine dritte Schalldämpferkammer des Schalldämpfers über mindestens eine dritte Öffnung mit der Abgaszuleitung stromaufwärts der Einbringeinrichtung gekoppelt. Bei kompakter Bauform kann eine geräuscharme Abgasnachbehandlung ermöglicht werden. Der Abstand des Endes der Misch- und Zersetzungsstrecke von der Einbringvorrichtung beträgt vorteilhaft zwischen dem 2fachen und dem 6-fachen des Durchmessers der Abgasleitung im Bereich der Einbringvorrichtung.
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem ist in Anspruch 11 definiert.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist in Anspruch 14 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, perspektivische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und
2 ein Detail des Abgasnachbehandlungssystems der 1 im Bereich einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine, so z. B. einer stationären Brennkraftmaschine in einem Kraftwerk oder einer auf einem Schiff zum Einsatz kommenden, nicht-stationären Brennkraftmaschine.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem einer mit Schweröl oder Rückstandöl betriebenen Schiffsdieselbrennkraftmaschine, die vorzugsweise als 2-Takt-Schiffsdieselbrennkraftmaschine ausgeführt ist.
1 zeigt eine Anordnung aus einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturboaufladungssystem 2 und einem Abgasnachbehandlungssystem 3.
Bei der Brennkraftmaschine 1 kann es sich um instationäre oder stationäre Brennkraftmaschine handeln, insbesondere um eine instationär betriebene Schiffsbrennkraftmaschine. Abgas, welches Zylinder 4 der Brennkraftmaschine 1 verlässt, wird im Abgasaufladungssystem 2 genutzt, um aus der thermischen Energie des Abgases mechanische Energie zur Verdichtung von dem Verbrennungsmotor 1 zuzuführender Ladeluft zu gewinnen.
So zeigt 1 eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturboaufladungssystem 2, welches mindestens einen Abgasturbolader 5 umfasst. Abgas, welches die Zylinder 4 der Brennkraftmaschine 1 verlässt, strömt über eine Turbine 6 des Abgasturboladers 5 und wird in derselben entspannt, wobei hierbei gewonnene Energie in einem Verdichter (nicht gezeigt) des Abgasturboladers 5 genutzt wird, um Ladeluft zu verdichten. Die Brennkraftmaschine 1 kann ein zweistufiges Abgasturboaufladungssystem 2 mit einem Hochdruckturbolader und einem Niederdruckturbolader aufweisen.
Zusätzlich zu dem Abgasaufladungssystem 2 umfasst die Brennkraftmaschine 1 das SCR-Abgasnachbehandlungssystem. Das Abgasnachbehandlungssystem 3 ist vorzugsweise zwischen die Zylinder 4 der Brennkraftmaschine 1 und das Abgasaufladungssystem 2 geschaltet, sodass demnach Abgas, welches die Zylinder 4 der Brennkraftmaschine 1 verlässt, zunächst über das Abgasnachbehandlungssystem 3 und erst anschließend über das Abgasaufladungssystem 2 geführt wird.
1 zeigt eine Abgaszuleitung 8, über die Abgas, ausgehend von den Zylindern 4 der Brennkraftmaschine 1 in Richtung auf einen SCR-Katalysator 9 geführt werden kann, der in einem Reaktorraum 10 angeordnet ist. Ferner zeigt 1 eine Abgasableitung 11, die der Ableitung des Abgases vom SCR-Katalysator 9 in Richtung auf die Turbine 6 des Abgasturboladers 5 dient.
Die Brennkraftmaschine 1 der 1 weist einen für alle Zylindern 4 gemeinsamen Abgassammler 7 auf. Abgas, welches die Zylindern 4 der Brennkraftmaschine 1 verlässt, ist ausgehend vom Abgassammler 7 über die Abgaszuleitung 8 in Richtung auf das Abgasnachbehandlungssystem 3, nämlich den jeweiligen Reaktorraum 10 und den jeweiligen SCR-Katalysator 9, und stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems 3 über den Abgasturbolader 5 des Abgasaufladungssystems 2 führbar.
Die zum Reaktorraum 10 und damit zu dem im Reaktorraum 10 positionierten SCR-Katalysator 9 führende Abgaszuleitung 8 sowie die vom Reaktorraum 10 und damit vom SCR-Katalysator 9 wegführende Abgasableitung 11 oder der Abgassammler 7 und die Abgasableitung 11 sind vorzugsweise über einen Bypass (nicht gezeigt) gekoppelt, in den ein Absperrorgan integriert ist. Bei geschlossenem Absperrorgan ist der Bypass verschlossen, sodass über den Bypass kein Abgas strömen kann. Dann hingegen, wenn das Absperrorgan geöffnet ist, kann über den Bypass Abgas strömen, und zwar unmittelbar von der Abgaszuleitung 8 in die Abgasableitung 11 unter Umgehung des Reaktorraums 10 und des im Reaktorraum positionierten SCR-Katalysators 9.
Der Abgaszuleitung 8 des Abgasnachbehandlungssystems 3 ist eine Einbringeinrichtung 12 zugeordnet, über die in den Abgasstrom eine Vorläufersubstanz eines Reduktionsmittels eingebracht werden kann, nämlich eine Ammoniak-Vorläufersubstanz wie Harnstoff bzw. Urea. Die Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels wird mit dem Agas vermischt und zum eigentlichen Reduktionsmittel Ammoniak (NH₃) zersetzt, wobei das Reduktionsmittel benötigt wird, um im Bereich des SCR-Katalysators 9 Stickoxide des Abgases definiert umzusetzen. Bei der Einbringeinrichtung 12 des Abgasnachbehandlungssystems 3 handelt es sich vorzugsweise um eine Einspritzdüse, über welche die Ammoniakvorläufersubstanz in den Abgasstrom innerhalb der Abgaszuführleitung 8 eingedüst wird. 2 verdeutlicht mit einem Kegel 13 die Eindüsung der Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels in den Abgasstrom im Bereich der Abgaszuleitung 8.
Die Strecke des Abgasnachbehandlungssystems 3 bzw. der Abgaszuleitung 8, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts der Einbringeinrichtung 12 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 liegt, wird als Misch- und Zersetzungsstrecke 14 bezeichnet. Insbesondere stellt die Abgaszuleitung 8 stromabwärts der Einbringeinrichtung 12 die Misch- und Zersetzungsstrecke 14 bereit, in welcher die Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels zum Reduktionsmittel zersetzt und das Abgas mit dem Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 gemischt werden kann.
Die Einbringeinrichtung 12 sowie die Abgaszuleitung 8, nämlich ein die Misch- und Zersetzungsstrecke 14 bereitstellender Abschnitt der Abgaszuleitung 8, der stromabwärts der Einbringeinrichtung 12 verläuft, sind Baugruppen einer Mischvorrichtung des Abgasnachbehandlungssystems 3, die dem Zersetzten der Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels zum Reduktionsmittel und dem Mischen des über die Einbringeinrichtung 12 in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels mit dem Abgas dient.
Der Abgaszuleitung 8 ist im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 ein Schalldämpfer 21 zugeordnet. Misch- und Zersetzungsstrecke 14 und Schalldämpfer 21 sind demnach räumlich zusammengefasst. Hiermit kann bei kompakter Bauform eine geräuscharme Abgasnachbehandlung gewährleistet werden. Der Schalldämpfer 21 verfügt vorzugsweise über mehrere Schalldämpferkammern 22, 23 und 24. Jede der Schalldämpferkammern 22, 23 und 24 ist über jeweils mindestens eine Öffnung 25, 26, 27 mit der Abgaszuleitung 8 gekoppelt.
Gemäß 2 ist eine erste Schalldämpfkammer 22 über mindestens eine Öffnung 25 stromauf der Einbringvorrichtung 12 angebracht. Eine zweite Schalldämpferkammer 23 des Schalldämpfers 21 ist über mindestens eine weitere Öffnung 26 mit der Abgaszuleitung 8 stromabwärts der Einbringeinrichtung 12 im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 gekoppelt. Ein Abstand X1 der oder jeder ersten Öffnung 26 von der Einbringeinrichtung 12 entspricht maximal dem 1-fachen des Durchmessers d der Abgaszuleitung 8 im Bereich der Einbringeinrichtung 12.
Ferner ist gemäß 2 eine dritte Schalldämpferkammer 24 des Schalldämpfers 21 über mindestens eine weitere Öffnung 27 mit der Abgaszuleitung 8 wiederum stromabwärts der Einbringeinrichtung 12 im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 gekoppelt. Der Abstand der oder jeder zweiten Öffnung 27 an der Einbringeinrichtung 12 entspricht minimal dem 2-fachen des Durchmessers d der Abgaszuleitung 8 im Bereich der Einbringeinrichtung 12.
In einem Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke 14, dessen Abstand von der Einbringeinrichtung 12 zwischen dem 1-fachen des Durchmessers d der Abgaszuleitung 8 im Bereich der Einbringeinrichtung 12 und dem 2-fachen des Durchmessers d der Abgaszuleitung 8 im Bereich der Einbringeinrichtung 12 entspricht, sind keine Öffnungen ausgebildet, über die Schalldämpferkammern 23, 24 des Schalldämpfers 21 mit der Abgaszuleitung 8 gekoppelt sind. Stromabwärts des Abstands X1 und stromaufwärts des Abstands X2 sind demnach keine derartigen Öffnungen ausgebildet, über die Schalldämpferkammern des Schalldämpfers 21 mit der Abgaszuleitung 8 gekoppelt sind.
Über die obige Positionierung der Öffnungen 25, 26, 27, welche die Schalldämpferkammern 22, 23, 24 des Schalldämpfers 21 mit der Abgaszuleitung 8 koppeln, kann gewährleistet werden, dass keine flüssiges Reduktionsmittel-Vorläufersubstanz, also kein flüssiger Harnstoff, in den Bereich der Öffnungen 25, 26, 27 gelangt und dieselben verstopft.
Bis zum Abstand X1 können keine Tropfen der Reduktionsmittel-Vorläufersubstanz in den Bereich der ersten Öffnungen 26 gelangen. Spätestens beim Abstand X2 ist die Reduktionsmittel-Vorläufersubstanz, also der Harnstoff, zu Ammoniak (NH₃) und CO₂ zersetzt, sodass stromabwärts des Abstands X2 auch keine Gefahr besteht, dass flüssige Reduktionsmittel-Vorläufersubstanz die Öffnungen 27 zusetzt.
Der Schalldämpfer 21 ist als Helmholtz-Resonator und/oder λ/4-Resonator und/oder Absorptions-Schalldämpfer ausgeführt. Der Absorptionsschalldämpfer ist zusätzlich mit schallabsorbierendem Material, wie Glas- oder Keramikfasern, gefüllt. Es kann vorgesehen sein, dass die Schalldämpferkammern 23, 24, die stromabwärts der Einbringeinrichtung 12 über die Öffnungen 26, 27 im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 mit der Abgaszuleitung 8 gekoppelt sind, als λ/4-Resonatoren ausgebildet sind, wohingegen die Schalldämpferkammer 22, die über die Öffnung 25 stromaufwärts der Einbringeinrichtung 12 mit der Abgaszuleitung 8 gekoppelt ist, als Helmholtz-Resonator ausgeführt ist. Obwohl dies bevorzugt ist, ist dies nicht zwingend. Es können alle Schalldämpferkammern als λ/4-Resonatoren oder als Helmholtz-Resonatoren oder als Absorptions-Resonatoren ausgeführt sein. Ferner können die Schalldämpferkammern 23, 24, die stromabwärts der Einbringeinrichtung 12 im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 mit der Abgaszuleitung 8 gekoppelt sind, als Helmholtz-Resonatoren oder als Absorptions-Schalldämpfer ausgeführt sein, wobei die stromaufwärts der Einbringeinrichtung 12 über die Öffnung 25 mit der Abgaszuleitung 8 gekoppelte Schalldämpferkammer 22 als λ/4-Resonator oder als Absorptions-Schalldämpfer ausgeführt sein können.
Zusätzlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, in der Abgasleitung 8 Einbauten 18a, 18b vorzusehen, die einen Querschnittssprung zur Folge haben, wodurch eine weitere Reduzierung der Schallemissionen möglich wird. Bei den Einbauten handelt es sich im einfachsten Fall um Platten die planar (18a), aber auch winkelig (18b) angeordnet oder ausgeführt werden können, zudem können sie in unterschiedlichen Winkeln zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sein. Die Einbauten können entweder stromauf der Einbringvorrichtung 12 und/oder in einem Abstand der mindestens dem 2-fachen Durchmesser d der Abgaszuleitung 8 im Bereich der Einbringeinrichtung 12 entspricht, angeordnet sein.
Der Schalldämpfer 21 und die Abgaszuleitung 8, nämlich in 2 zumindest solche Abschnitte der Abgaszuleitung 8, im Bereich derer der Schalldämpfer 21 angeordnet ist, sind vorzugsweise zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefasst und demnach zu einem Bauelement integriert. Dies ist für eine besonders kompakte Bauform von Vorteil.
Vorzugsweise ist auch der Abgassammler 7 zusammen mit der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 bzw. der Abgaszuleitung 8 und dem Schalldämpfer 21 zu der gemeinsamen Baugruppe zusammengefasst. Dabei ist gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform vorgesehen, dass die Abgasableitung 8, welche die Misch- und Zersetzungsstrecke 14 zumindest abschnittsweise ausbildet, in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, koaxial hinter dem Abgassammler 7 angeordnet ist, sodass das Abgas ausgehend vom Abgassammler 7 der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 umlenkungsfrei zuführbar ist.
In 1 erfährt das Abgas demnach nur beim Eintritt in den Abgassammler 7 im Bereich zylinderseitiger Abgasmündungsstellen 16 und beim Eintritt in den Reaktorraum 10 im Bereich eines stromabwärtigen Endes 15 der Abgaszuleitung 8 stromaufwärts des SCR-Katalysators 9 eine Umlenkung. Dies ist von Vorteil, um eine geräuscharme Abgasnachbehandlung zu gewährleisten.
1, 2 verdeutlichen mit Pfeilen 17 die Strömung des Abgases. 1 kann entnommen werden, dass das Abgas 7 im Bereich der zylinderseitigen Abgasmündungsstellen 16 um in etwa 90° bzw. annähernd 90° umgelenkt wird und in den Abgassammler 7 einströmt. Ausgehend vom Abgassammler 7 strömt das Abgas umlenkungsfrei durch die Abgaszuleitung 8 bis zum stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8, die im Bereich des Reaktorraums 10 mündet. Im Bereich dieses Endes 15 der Abgaszuleitung 8 erfährt das eine Strömungsumlenkung um in etwa 180° bzw. annähernd 180°, wobei das Abgas nach dieser Strömungsumlenkung über den SCR-Katalysator 9 geführt wird.
Die Abgaszuleitung 8 mündet mit dem stromabwärtigen Ende 15 in den Reaktorraum 10. Nach einer bevorzugten Ausführung ist die Abgaszuleitung 8 im Bereich ihres stromabwärtigen Endes 15 unter Ausbildung eines Diffusors 18 trichterförmig aufgeweitet. Hierdurch vergrößert sich der Strömungsquerschnitt der Abgaszuleitung 8 im Bereich des stromabwärtigen Endes 15, wobei vorgesehen sein kann, dass sich in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts des Diffusors 18 des stromabwärtigen Endes 15 der Abgaszuleitung 8 der Strömungsquerschnitt derselben zunächst verringert.
Die Abgaszuleitung 8 und die Abgasableitung 11 greifen an einer gemeinsamen ersten Seite 19 des Reaktorraums 10 an. Dabei erstreckt sich die Abgaszuleitung 8 ausgehend von dieser ersten Seite 19 derart in den Reaktorraum 10 hinein, dass das stromabwärtige Ende 15 derselben benachbart zu einer der ersten Seite 19 des Reaktorraums 10 gegenüberliegenden zweiten Seite 20 des Reaktorraums 10 positioniert ist. Die Abgaszuleitung 8 durchdringt den Katalysator 9.
Die Abgasableitung 11 mündet an der ersten Seite 19 in den Reaktorraum 10. Über die Abgaszuleitung 8 zugeführtes Abgas wird im Bereich der zweiten Seite 20 des Reaktorraums 10, die dem stromabwärtigen Ende 15 der Abgaszuleitung 8 gegenüberliegt, umgelenkt, strömt dann über den SCR-Katalysator 9 und anschließend über die erste Seite 19 in den Bereich der Abgasableitung 11. Die Abgasableitung 11 umgibt die Abgaszuleitung 8 benachbart zur ersten Seite 19 des Reaktorraums 10 abschnittsweise außen, vorzugsweise konzentrisch.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die gemeinsame Baugruppe, welche den Abgassammler 7, die Misch- und Zersetzungsstrecke 14, die Abgaszuleitung 8 und zusätzlich auch den Schalldämpfer 21 bereitstellt, derart ausgeführt, dass das Abgas ausgehend vom Abgassammler 7 der jeweiligen Misch- und Zersetzungsstrecke 14 umlenkungsfrei zuführbar ist. Dies ist, wie oben ausgeführt, bevorzugt. Demgegenüber sind auch Ausführungsbeispiele möglich, bei welchen das Abgas bei seiner Strömung ausgehend vom Abgassammler 7 in den Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 und damit in den Bereich der Abgaszuleitung 8 eine einfache Umlenkung erfährt, und zwar vorzugsweise um maximal 90°, und zwar beim Übertritt aus dem Abgassammler 7 in die Abgaszuleitung 8 und demnach in den Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke 14. Sollte aus Bauraumgründen an der Brennkraftmaschine eine mehrfache Umlenkung des Abgases erforderlich sein, so ist im Sinne der Erfindung vorgesehen, dass die Baugruppe, welche den Abgassammler 7, die Abgaszuleitung 8, die Misch- und Zersetzungsstrecke 14 und das Ausgleichselement 21 bereitstellt, derart ausgebildet ist, dass das Abgas ausgehend vom Abgassammler 7 der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 mit einer maximal 3-fachen Umlenkung bzw. einer Umlenkung des Abgases zwischen Abgassammler 7 und Misch- und Zersetzungsstrecke 14 von maximal 270°, vorzugsweise mit einer maximal 2-fachen Umlenkung bzw. einer Umlenkung des Abgases zwischen Abgassammler 7 und Misch- und Zersetzungsstrecke 14 von maximal 180°, der Misch- und Zersetzungsstrecke 14 zugeführt wird. Eine Umlenkung des Abgases zwischen Abgassammler 7 und Misch- und Zersetzungsstrecke 14 von maximal 90° ist jedoch bevorzugt.
Höchstbevorzugt ist die umlenkungsfreie Zuführung des Abgases ausgehend vom Abgassammler 7 in Richtung auf die Misch- und Zersetzungsstrecke 14.
Die gemeinsame Baugruppe, welche den Abgassammler 7, die Misch- und Zersetzungsstrecke 14 und den Schalldämpfer 21 ausgebildet, ist vorzugsweise derart ausgebildet, das ein Abstand zwischen einer vom SCR-Katalysator 9 oder Reaktorraum 10 am entferntesten liegenden zylinderseitigen Abgasmündungsstelle 16 in den jeweiligen Abgassammler 7 und dem SCR-Katalysator 9 oder Reaktorraum 10 maximal das 4-fache, bevorzugt das maximal 3-fache, besonders bevorzugt das maximal 2-fache, des Abstands zwischen der vom SRC-Katalysator 9 oder Reaktorraum 10 am entferntesten liegenden zylinderseitigen Abgasmündungsstelle 16 in den Abgassammler 7 und einer vom SCR-Katalysator 9 oder Reaktorraum 10 am nächsten liegenden zylinderseitigen Abgasmündungsstelle 16 in den Abgassammler 7 entspricht.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Reaktorraum 10 und damit der SCR-Katalysator 9 abgasströmungsseitig stromaufwärts eines Abgasturboladers 5 angeordnet. Es ist auch möglich, dass der Reaktorraum 10 und damit der SCR-Katalysator 9 abgasströmungsseitig stromabwärts eines Abgasturboladers angeordnet sind. Ferner ist es möglich, dass der Reaktorraum 10 und damit der SCR-Katalysator 9 abgasströmungsseitig zwischen einen Hochdruckabgasturbolader und einen Niederdruckabgasturbolader geschaltet sind.
Die obigen Details eignen sich insbesondere zur Anwendung bei 2-Takt-Brennkraftmaschinen, die mit Rückstandöl bzw. mit Schweröl oder auch mit Erdgas betrieben werden. Die Erfindung kann jedoch auch bei 4-Takt-Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasaufladungssystem
3: Abgasnachbehandlungssystem
4: Zylinder
5: Abgasturbolader
6: Turbine
7: Abgassammler
8: Abgaszuleitung
8a: Abschnitt
8b: Abschnitt
9: SCR-Katalysator
10: Reaktorraum
11: Abgasableitung
12: Einbringeinrichtung
13: Einspritzkegel
14: Misch- und Zersetzungsstrecke
15: Ende
16: Abgasmündungsstelle
17: Strömung
18: Diffusor
19: Seite
20: Seite
21: Schalldämpfer
22: Schalldämpferkammer
23: Schalldämpferkammer
24: Schalldämpferkammer
25: Öffnung
26: Öffnung
27: Öffnung

Claims

Mischvorrichtung für ein Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere für ein SCR-Abgasnachbehandlungssystem, einer Brennkraftmaschine, nämlich zum Mischen einer Vorläufersubstanz eines Reduktionsmittels, insbesondere einer Ammoniak-Vorläufersubstanz wie Harnstoff, mit Abgas, mit einer zu einem Katalysator, insbesondere zu einem SCR-Katalysator (9), führenden Abgaszuleitung (8), welche das Abgas führt, mit einer der Abgaszuleitung (8) zugeordneten Einbringeinrichtung (12) zum Einbringen der Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels in das Abgas, und mit einer stromabwärts der jeweiligen Einbringeinrichtung (12) angeordneten und von der Abgaszuleitung (8) bereitgestellten Misch- und Zersetzungsstrecke (14) zum Mischen des Abgases mit der Vorläufersubstanz des Reduktionsmittels und zum Zersetzen derselben in das Reduktionsmittel stromaufwärts des Katalysators, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaszuleitung (8) im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke (14) ein Schalldämpfer (21) zugeordnet ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer (21) mindestens eine Schalldämpferkammer (22, 23, 24) aufweist, die über jeweils mindestens eine Öffnung (25, 26, 27) mit der Abgaszuleitung (8) gekoppelt ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schalldämpferkammer (22, 23, 24) des Schalldämpfers (21) über mindestens eine Öffnung (25, 26, 27) mit der Abgaszuleitung (8) im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke (14) gekoppelt ist, wobei die Öffnung (25, 26, 27) stromauf der Einbringeinrichtung (12) oder im Bereich der Einbringeinrichtung (12) oder stromab der Einbringeinrichtung (12) angeordnet ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schalldämpfkammer (23, 24) über wenigstens eine Öffnung (26, 27) stromab der Einbringvorrichtung (12) im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke (14) mit dem Abasrohr (8) gekoppelt ist, wobei der Abstand der Öffnung (26, 27) von der Einbringeinrichtung (12) maximal dem 1-fachen oder minimal dem 2-fachen des Durchmessers der Abgaszuleitung (8) im Bereich der Einbringeinrichtung (12) entspricht.
Mischvorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Schalldämpferkammer (24) des Schalldämpfers (21) über mindestens eine zweite Öffnung (27) mit der Abgaszuleitung (8) stromabwärts der Einbringeinrichtung (12) im Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke (14) gekoppelt ist, wobei der Abstand der oder jeder zweiten Öffnung (27) von der Einbringeinrichtung (12) maximal dem 1-fachen oder minimal dem 2-fachen des Durchmessers der Abgaszuleitung (8) im Bereich der Einbringeinrichtung (12) entspricht.
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der Misch- und Zersetzungsstrecke (14), dessen Abstand von der Einbringeinrichtung (12) zwischen dem 1-fachen des Durchmessers der Abgaszuleitung (8) im Bereich der Einbringeinrichtung (12) und dem 2-fachen des Durchmessers der Abgaszuleitung (8) im Bereich der Einbringeinrichtung (12) entspricht, keine Öffnungen ausgebildet sind, über die Schalldämpferkammern (23, 24) des Schalldämpfers (21) mit der Abgaszuleitung (8) gekoppelt sind.
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Schalldämpferkammer (22) des Schalldämpfers (21) über mindestens eine dritte Öffnung (25) mit der Abgaszuleitung (8) stromaufwärts der Einbringeinrichtung (12) gekoppelt ist.
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer (21) einen Helmholtz-Resonator und/oder einen λ/4-Resonator und/oder einen Absorptions-Schalldämpfer ausbildet.
Mischvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schalldämpferkammer (22, 23, 24) des Schalldämpfers (21) einen λ/4-Resonator ausbildet.
Mischvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schalldämpferkammer (22, 23, 24) des Schalldämpfers (21) einen Helmholtz-Resonator ausbildet.
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schalldämpferkammer (22, 23, 24) des Schalldämpfers (21) einen Absorptions-Schalldämpfer ausbildet.
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung (18a, 18b) zur Darstellung eines Querschnittssprungs innerhalb des Abgasrohres 8 im Bereich der Mischvorrichtung angeordnet ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Vorrichtung (18a, 18b) zur Darstellung des Querschnittssprungs stromauf oder stromab der Einbringeinrichtung (12) angebracht ist, wobei für den Fall, dass die Vorrichtung (18a, 18b) zur Darstellung des Querschnittssprungs stromab der Einbringvorrichtung angebracht ist, der Abstand Vorrichtung (18a, 18b) zur Darstellung des Querschnittssprungs von der Einbringeinrichtung (12) minimal dem 2-fachen des Durchmessers der Abgaszuleitung (8) im Bereich der Einbringeinrichtung (12) entspricht.
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Misch- und Zersetzungsstrecke (14) und der Schalldämpfer (21) bzw. die Abgaszuleitung (8) und der Schalldämpfer (21) zu einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefasst sind.
Abgasnachbehandlungssystem (3) für eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere SCR-Abgasnachbehandlungssystem für eine mit Schweröl oder Rückstandöl betriebene Brennkraftmaschine, mit mindestens einem in einem Reaktorraum (10) angeordneten Katalysator (9), insbesondere mit einem SCR-Katalysator, mit einer zum Reaktorraum (10) führenden Abgaszuleitung (8), und mit einer vom Reaktorraum (10) wegführenden Abgasableitung (11), gekennzeichnet durch eine Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Abgassammler (7), der zusammen mit der Misch- und Zersetzungsstrecke (14) und dem Schalldämpfer (21) zu der gemeinsamen Baugruppe zusammengefasst ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Baugruppe derart ausgebildet ist, das ein Abstand zwischen einer vom SCR-Katalysator (9) oder Reaktorraum (10) am entferntesten liegenden zylinderseitigen Abgasmündungsstelle (16) in den Abgassammler (7) und dem jeweiligen SCR-Katalysator (9) oder jeweiligen Reaktorraum (10) maximal das 4-fache, bevorzugt das maximal 3-fache, besonders bevorzugt das maximal 2-fache, des Abstands zwischen der vom SCR-Katalysator (9) oder Reaktorraum (10) am entferntesten liegenden zylinderseitigen Abgasmündungsstelle (16) in den Abgassammler (7) und einer vom SRC-Katalysator (9) oder Reaktorraum (10) am nächsten liegenden zylinderseitigen Abgasmündungsstelle (16) in den Abgassammler (7) entspricht.
Brennkraftmaschine (1), mit mehreren Zylindern (4), mit mindestens einem für eine Gruppe von Zylindern (4) gemeinsamen Abgassammler (7), und mit einem Abgasnachbehandlungssystem (3) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Abgas ausgehend vom jeweiligen Abgassammler (7) über das Abgasnachbehandlungssystem (3) und stromabwärts des Abgasnachbehandlungssystems (3) über mindestens einen Abgasturbolader (5) eines Abgasaufladungssystems (2) der Brennkraftmaschine (1) führbar ist.