DE19745067C2 - Großdieselmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Großdieselmotor, insbesondere Zweitakt- Großdieselmotor, mit mehreren Zylindern, die jeweils über wenigstens einen Abgasstutzen mit einem Abgassammler verbunden sind, von dem eine Abgasleitung abgeht und der eine Katalysatoranordnung enthält, die vom Abgas durchströmbar ist, das mittels einer stromaufärts von der Katalysatoranordnung angeordneten Versorgungseinrichtung mit einem Reduktionsmittel beaufschlagbar ist, wobei die Einrichtung zur Beaufschlagung des Abgases mit dem Reduktionsmittel den Abgasstutzen zugeordnete Einspritzventile enthält, mittels derer das Reduktionsmittel in den jeweils zugeordneten Abgasstutzen einspritzbar ist.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der JP 6-50133 A bekannt. Die direkte Einspritzung des Reduktionsmittels in die Abgasstutzen ist zweckmäßig, weil dort eine hohe Abgastemperatur zu erwarten ist. Bei der bekannten Anordnung sind die Abgasstutzen im Bereich zwischen dem jeweils zugeordneten Zylinder und dem Abgassammler jedoch nicht isoliert. Im Bereich der nicht isolierten Abgasstutzen können sich starke Wärmeverluste ergeben. Es besteht daher die Gefahr, daß sich über dem Querschnitt der Abgasstutzen ein ausgeprägtes Temperaturprofil mit einer vergleichsweise niedrigen Wandtemperatur einstellt. Eine niedrige Abgastemperatur, wie sie hier bei Teilen des Abgases zu erwarten ist, kann jedoch die Reduktionswirkung beeinträchtigen. Diese Gefahr ist bei Zweitakt- Großdieselmotoren besonders groß, da hier das Abgas bereits von Anfang an bereits eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweist. Hinzu kommt, daß bei der bekannten Anordnung die Enden der Abgasstutzen, die über ihrer ganzen Länge einen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen, stumpf an den Abgassammler angeschlossen sind. Dadurch werden die oben genannten Nachteile noch verstärkt. Es ist nämlich zu befürchten, daß das aus den Abgasstutzen austretende Abgas hier in Form eines vergleichsweise scharfen Strahls in den Abgassammler eintritt, was einer guten Durchmischung und damit einem Temperaturausgleich und einer homogenen Verteilung des Reduktionsmittels entgegen steht. Bei der bekannten Anordnung ist daher keine optimale Reduktionswirkung zu erwarten.

Die EP-A 0 468 919 zeigt einen Großdieselmotor mit einer in der Abgasleitung angeordneten Katalysatoranordnung und mit einer stromaufwärts von der Katalysatoranordnung angeordneten Einrichtung zur Beaufschlagung des Abgases mit dem Reduktionsmittel. Die Katalysatoranordnung ist hierbei von einem Ringraum umfasst, in welchen die Abgasstutzen einmünden und der strömungsmäßig über eine im Bereich eines Endes des Abgassammlers vorgesehene Umlenkeinrichtung mit einem der Katalysatoranordnung vorgeordneten Diffusor verbunden ist. Die Abgasstutzen sind nicht isoliert und münden tangential in den Abgassammler ein. Das Reduktionsmittel wird hier in den Ringraum oder in den Diffusor eingespritzt. Zur Einspritzung des Reduktionsmittels in den Ringraum ist eine im Bereich einer mit Durchgangslöchern versehenen, etwa in der Mitte des Abgassammlers angeordneten Zwischenwand befestigte Ringleitung vorgesehen. Das stromaufwärts von der genannten Zwischenwand in den Ringraum eingeleitete Abgas wird hierbei nicht direkt mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt, sondern kommt hierdurch nur durch Vermischung mit dem beaufschlagten Abgas in Berührung. Es besteht daher die Gefahr, daß keine homogene Verteilung des Reduktionsmittels auf den gesamten Abgasvolumenstrom erreicht wird. Dem soll durch den der Katalysatoranordnung vorgeordneten Diffusor entgegengewirkt werden. Dieser erfordert jedoch einen hohen Aufwand und führt zu einer erheblichen Verlängerung des Abgassammlers über den Bereich der hieran angeschlossenen Zylinder hinaus. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung ist darin zu sehen, daß die Beaufschlagung des Abgases mit dem Reduktionsmittel in einem vergleichsweise großen Abstand von den Zylindern und damit erst nach Durchströmen einer gewissen Abkühlstrecke erfolgt.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß eine gute Reduktionswirkung erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abgasstutzen im Bereich zwischen Zylinder und Abgassammler mit einer Isolierung versehen sind und ein in eine Sammelschachtanordnung des Abgassammlers in etwa radialer Richtung hineinragendes, diffusorartiges Endstück aufweisen.

Mit diesen Maßnahmen werden die Nachteile der bekannten Anordnungen unter Beibehaltung ihrer Vorteile vermieden. Die direkte Einspritzung des Reduktionsmittels in die Abgasstutzen ist für eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels auf den gesamten Abgasstrom förderlich und stellt gleichzeitig sicher, daß die Einspritzmenge individuell an die Verhältnisse jedes Zylinders angepasst werden kann und daß die Beaufschlagung des Abgases mit dem Reduktionsmittel dort erfolgt, wo hohe Abgastemperaturen zu erwarten sind. In Folge der Isolation der Abgasstutzen werden unerwünschte Wärmeverluste vermieden. Über dem Querschnitt der Abgasstutzen ergibt sich daher ein vergleichsweise ausgeglichenes Temperaturprofil. Dadurch, daß die Abgasstutzen mit einem diffusorartigen Endstück in etwa radialer Richtung in eine Sammelschachtanordnung des Abgassammlers hineinragen, ergibt sich ein Druck- und Strömungsbild, das für eine homogene Temperatur- und Masseverteilung förderlich ist. Es ist daher zu erwarten, daß alle Teile des gesamten Abgasstroms einer praktisch gleich guten, hochgradigen Reduktion unterzogen werden, was sich vorteilhaft auf die Umweltfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Motors auswirkt und auch noch dort gute Ergebnisse ermöglicht, wo das Abgas von Anfang an eine vergleichsweise niedrige Temperatur hat, wie beispielsweise bei Zweitakt-Großdieselmotoren.

Zweckmäßig können die Einspritzmengen der Einspritzventile in Abhängigkeit von den Verbrennungsverhältnissen im jeweils zugeordneten Zylinder gesteuert werden. Diese individuelle Anpassung der Reduktionsmittelmenge an die zu erwartende Abgasqualität ermöglicht einen sparsamen Einsatz des Reduktionsmittels und gewährleistet dennoch gute Ergebnisse.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Großdieselmotors teilweise im Schnitt,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch den Abgassammler der Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III/III in Fig. 2.

Der Aufbau und die Wirkungsweise von Großdieselmotoren, wie Zweitakt- Großdieselmotoren, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Die Fig. 1 zeigt den oberen Bereich eines Zweitakt- Großdieselmotors. Dieser besitzt mehrere, in Reihe nebeneinander angeordnete Zylinder 1, die jeweils mit einem ihrem Zylinderdeckel zugeordneten Auslaßventil 2 versehen sind, mittels dessen ein Auslaßkanal geöffnet bzw. geschlossen werden kann, an den ein Abgasstutzen 3 anschließt. Parallel zur Zylinderreihe ist ein Abgassammler 4 vorgesehen, in den sämtliche Abgasstutzen 3 einmünden und von dem eine zur Turbine eines Abgasturboladers 5 führende Abgasleitung 6 abgeht. Die Abgasstutzen 3 sind mit radial in den rohrförmigen Abgassammler hineinragenden, diffusorartigen Endstücken 7 versehen. Um eine Abkühlung des Abgases zu vermeiden, können die Abgasstutzen 3 mit einer Isolationsmanschette 8 versehen sein.

Der Abgassammler 4 besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 9, das, wie Fig. 2 zeigt, an seinen Enden durch abnehmbare Deckel 10 verschließbar ist. Das rohrförmige Gehäuse 9 enthält eine vom Abgas durchströmbare Katalysatoranordnung 17 zur Reduktion des Ruß- und NO_x-Gehalts des Abgases und eine dieser vorgeordneten Sammelschachtanordnung 26, in die die Endstücke 7 der Abgasstutzen 3 einmünden. Stromaufwärts von der Katalysatoranordnung 17 wird das Abgas mit einem Reduktionsmittel, beispielsweise Amonium oder Harnstoff, beaufschlagt. Das Reduktionsmittel wird in die Abgasstutzen 3 eingespritzt. Die in den Abgasstutzen 3 erfolgende Entspannung des Abgases bewirkt eine gute Durchmischung von Abgas und Reduktionsmittel und führt somit zu einer homogenen Verteilung des Reduktionsmittels. Diese Wirkung wird durch die diffusorartigen Endstücke 7 noch unterstützt.

Zum Einspritzen des Reduktionsmittels ist, wie Fig. 1 weiter erkennen läßt, an jeden Abgasstutzen 3 ein geeignetes Einspritzventil 11 angesetzt, das über eine Versorgungsleitung 12 mit dem Reduktionsmittel, beispielsweise Amonium oder Harnstoff, versorgt und über eine von einer Steuereinrichtung 13 abgehende Signalleitung 14 steuerbar ist. Mit Hilfe der Steuereinrichtung 14 können sämtliche Reduktionsmittel-Einspritzventile 11 gesteuert werden, wie durch weitere, von der Steuereinrichtung 13 abgehende Signalleitungen angedeutet ist. Der Steuereinrichtung 13 wird der Maschinentakt vorgegeben, wie durch eine Signalleitung 15 angedeutet ist. Hierzu kann beispielsweise die Kurbelwelle abgegriffen werden. Es wäre aber auch denkbar, die eine Betätigung der Auslaßventile 2 bewirkenden Signale zu verwenden. In jedem Falle wird hierdurch sichergestellt, daß die Einspritzventile 11 nur dann betätigt werden, wenn auch das zugeordnete Auslaßventil 2 geöffnet ist, also Abgas ausgestoßen wird. Die Einspritzmenge kann fest vorgegeben werden. Es ist aber auch möglich, die Einspritzmenge in Abhängigkeit von den Verbrennungs­ verhältnissen in den einzelnen Zylindern jedem Einspritzventil 11 individuell vorzugeben. Hierzu wird die Steuereinrichtung 13 mit entsprechenden Daten, z. B. der Brennraumtemperatur, versorgt, wie in Fig. 1 durch die Signalleitung 16 angedeutet ist.

Die im Gehäuse 9 des Abgassammlers 4 angeordnete Katalysatoranordnung 17 und Sammelschachtanordnung 26 ist, wie aus Fig. 2 entnehmbar ist, in zwei Katalysatorabschnitte 17a, 17b und Sammelschachtabschnitte 26a, 26b unterteilt, die eine in der Mitte des Abgassammlers 4 angeordnete Auslaßkammer 18 flankieren, von der die das Abgas abführende Abgasleitung 6 abgeht. Es ergibt sich demnach eine zu einer mittleren radialen Symmetrieebene spiegelbildliche Bauweise.

Die beiden Abschnitte 17a, b der Katalysatoranordnung bestehen jeweils aus mehreren, hintereinander angeordneten, in an sich bekannter Weise nach Art eines statischen Mischers aufgebauten Katalysatorelementen, die hier durch Abstandshalter 19 voneinander distanziert sind. In erster Linie sind NO_x- Katalysatorelemente 20 vorgesehen. Im dargestellten Beispiel besitzt jeder Katalysatorabschnitt 17a, b neben den NO_x- Katalysatorelementen 20 noch ein zusätzliches Oxydations- Katalysatorelement 21, mittels dessen Rußpartikel entfernbar sind. Die Oxydations-Katalysatorelemente 21 sind hier am Abgaseingang der jeweils zugeordneten Katalysatorabschnitte 17a, b angeordnet. Es wäre aber auch eine andere Positionierung, beispielsweise im Bereich des Abgasaustritts denkbar. Die Katalysatorelemente 20, 21 werden, wie in Fig. 2 durch mit durchgezogenen Linien gezeichnete Pfeile angedeutet ist, parallel zur Längsachse des Gehäuses 9 durchströmt, wobei bezüglich der beiden Abschnitte 17a, b gegenläufige, aufeinanderzu gerichtete Strömungsrichtungen vorliegen.

Die Katalysatorelemente 20, 21 besitzen, wie den Fig. 1 und 3 entnehmbar ist, einen als zum Mündungsbereich der Abgasstutzen 3 hin offenes Ringsegment ausgebildeten, außermittig im Abgassammler 4 plazierten Segmentquerschnitt, der sich außen an den Innenumfang des rohrförmigen Gehäuses 9 des Abgassammlers 4 anlegt. Dieser ringsegmentförmige Querschnitt ist hier, wie die Fig. 1 und 3 weiter anschaulich erkennen lassen, als zum Mündungsbereich der Abgasstutzen 3 hin offener Polygonzug ausgebildet, was die Herstellung der Katalysatorelemente 20, 21 und deren Montage erleichtert. Zur Aufnahme der Katalysatorelemente 20, 21 ist das Gehäuse 9 des Abgassammlers 4 in seinen den beiden Katalysatorabschnitten 17a, b zugeordneten Bereichen mit jeweils einer eingebauten Trennwand 22 versehen, die eine der Innenkontur des Ringsegmentquerschnitts der Elemente 20, 21 folgende Kontur aufweist und dementsprechend einen ersten außermittigen Kanal mit einem dem Querschnitt der Katalysatorelemente 20, 21 entsprechenden Querschnitt von einem zweiten, den restlichen Querschnitt des Innenraums des Gehäuses 9 einnehmenden Kanal abtrennt.

Dieser fungiert als dem jeweils benachbarten Katalysatorabschnitt 17a bzw. 17b jeweils zugeordneter diesem in Strömungsrichtung des Abgases vorgeordneter Sammelschachtabschnitt 26a bzw. 26b, in den eine jeweils zugeordnete Anzahl von Abgasstutzen 3 einmünden. Zweckmäßig ist jedem Sammelschachtabschnitt 26a, b die Hälfte der Abgasstutzen 3 und damit die Hälfte der Zylinder 1 zugeordnet. Die Sammelschachtabschnitte 26a, b werden gegenläufig zum jeweils zugeordneten Katalysatorabschnitt 17a, b von innen nach außen durchströmt, wie in Fig. 2 durch mit unterbrochenen Linien gezeichnete Pfeile angedeutet ist.

In jeden ersten Kanal sind die Katalysatorelemente 20, 21 des jeweils zugeordneten Katalysatorabschnitts 17a, b einschiebbar. Dies erfolgt von den Enden des Gehäuses 9 her bei jeweils abgenommenem Deckel 10. Auf diese Weise können die beiden Abschnitte 17a, b der Katalysatoranordnung unabhängig voneinander aufgebaut werden. Die einem offenem Polygonzug entsprechende Ringsegmentkontur der Katalysatorelemente 20, 21 ergibt, wie die Fig. 1 und 3 zeigen, Kanten und zwischen diesem sich erstreckende, gerade Flächen, denen im Bereich der Trennwand 22 und des Innenumfangs des Gehäuses 9 vorgesehene Führungsschienen 24 zugeordnet sein können, auf denen die zugeordneten Katalysatorelemente 20, 21 in den jeweils zugeordneten Kanal einschiebbar sind. Die in den jeweils zugeordneten Kanal eingeschobenen Katalysatorelemente liegen in Einschubrichtung vorne an fixen Anschlägen 19a an und werden in Einschubrichtung hinten durch lösbar an der Trennwand 22 festlegbare Halteleisten 25 gehalten.

Die als Sammelschachtabschnitte 26a, b fungierenden zweiten, durch die Trennwände 22 gebildeten Kanäle besitzen, wie am besten aus Fig. 1 erkennbar ist, einen zentralen, zum Gehäuse 9 koaxialen Kanalbereich, der in radialer Richtung in einen Eingangsschlitz übergeht, der sich nach außen trichterförmig öffnet. Die in das Gehäuse 9 hineinragenden, diffusorartig ausgebildeten Endstücke 7 der Abgasstutzen 3 sind so angeordnet, daß sie in den Eingangsschlitz des jeweils zugeordneten Sammelschachtabschnitts 26a, b hineinblasen. Im dargestellten Beispiel befinden sich ihre Achsen auf einer die Längsachse des Gehäuses 9 enthaltenden Symetrie-Ebene befinden, wodurch sich eine zum Zentrieren des zentralen Kanalbereichs hin gerichtete Eingangsströmung ergibt.

Die als Sammelschachtabschnitte 26a, b fungierenden Kanäle sind gegenüber der Auslaßkammer 18 durch an die Trennwände 22 stirnseitig angesetzte Seitenwände 27 verschlossen. Die den Katalysatorelementen 20, 21 zugeordneten Kanäle sind zur Auslaßkammer 18 hin offen. Im Bereich des gegenüberliegenden, deckelseitigen Abschnittsendes sind beide Kanäle 23, 26 offen. Die Trennwände 22 enden jeweils mit Abstand vom jeweils benachbarten Deckel 10 wodurch auch das in Einschubrichtung hinterste Katalysatorelement einen entsprechenden Abstand vom benachbarten Deckel 10 aufweist. Hierdurch ergeben sich im Bereich der Enden des Gehäuses 9 Umlenkkammern 28, durch welche jeder Katalysatorabschnitt 17a, b mit dem jeweils zugeordneten, in Strömungsrichtung vorgeordneten Sammelschachtabschnitt 26a, b strömungsmäßig verbunden werden.

Hierdurch ergibt sich zu beiden Seiten der Auslaßkammer 18 jeweils ein Strömungsweg von den Abgasstutzen 3 über den jeweils zugeordneten Sammelschachtabschnitt 26a, b und den diesem jeweils nachgeordneten Katalysatorabschnitt 17a, b zur Auslaßkammer 18. Das von den Abgasstutzen 3 in den jeweils zugeordneten Sammelschachtabschnitt 26a, b eingeblasene Abgas strömt, wie in Fig. 2 durch mit unterbrochenen Linien gezeichnete Pfeile angedeutet ist, zunächst den im Bereich der Enden des Gehäuses 9 angeordneten Umlenkkammern 28 zu und von dort, wie in Fig. 2 durch mit durchgezogenen Linien gezeichnete Pfeile angedeutet ist, über den jeweils zugeordneten Abschnitt 17a, b der Katalysatoranordnung zur Auslaßkammer 18.

Die zu beiden Seiten der Auslaßkammer 18 vorgesehenen Sammelschachtabschnitte 26a, b sind durch eine unterhalb der Auslaßkammer 18 durchführende Verbindungsschacht 29 miteinander verbunden. Zwischen dem Verbindungsschacht 29 und der Auslaßkammer 18 ist ein fensterförmiger Durchlaß 30 vorgesehen, dem ein Absperrorgan 31 zugeordnet ist, durch welches der Durchlaß 30 geschlossen bzw. geöffnet werden kann, wie in Fig. 2 mit unterbrochenen Linien angedeutet ist. Das Absperrorgan 31 kann als Flügel- oder Jalousieklappen-Anordnung ausgebildet sein. Das Absperrorgan 31 ist zweckmäßig mittels eines in Fig. 3 dargestellten Motors 32 antreibbar.

Sobald das Absperrorgan 31 geöffnet wird, ergibt sich ein die Katalysatorabschnitte 17a, b umgehender, direkt von den Sammelschachtabschnitten 26a, b in die Auslaßkammer 18 führender Strömungsweg. Dieser wird benutzt, wenn beispielsweise dem Abgasturbolader kurzfristig eine erhöhte Leistung zuzuführen ist. Dasselbe gilt, wenn im Katalysatorbereich eine Störung auftritt. Sofern eine derartige Störung nur in einem der beiden Katalysatorabschnitte 17a, b vorliegt, wird das Absperrorgan 31 nur teilweise geöffnet, so daß nur der dem gestörten Katalysatorabschnitt 17a bzw. b zugeordnete Abgasvolumenstrom direkt in die Auslaßkammer 18 gelangt und der dem jeweils anderen Katalysatorabschnitt 17b bzw. a zugeordnete Abgasvolumenstrom über den zugeordneten Katalysatorabschnitt geführt und dementsprechend gereinigt wird. Selbstverständlich wird dabei nur das über den zugeordneten Katalysatorabschnitt 17a bzw. b strömende Abgas mit Reduktionsmittel beaufschlagt. Die den dem jeweils anderen Abschnitt zugeordneten Abgasstutzen 3 zugeordneten Einspritzventile 11 sind dabei abgeschaltet.

Claims (2)

1. Großdieselmotor, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotor, mit mehreren Zylindern (1), die jeweils über wenigstens einen Abgasstutzen (3) mit einem Abgassammler (4) verbunden sind, von dem eine Abgasleitung (6) abgeht und der eine Katalysatoranordnung (17) enthält, die vom Abgas durchströmbar ist, das mittels einer stromaufwärts von der Katalysatoranordnung (17) angeordneten Versorgungseinrichtung mit einem Reduktionsmittel beaufschlagbar ist, wobei die Einrichtung zur Beaufschlagung des Abgases mit dem Reduktionsmittel den Abgasstutzen (3) zugeordnete Einspritzventile (11) enthält, mittels welcher das Reduktionsmittel in den jeweils zugeordneten Abgasstutzen (3) einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasstutzen (3) im Bereich zwischen Zylinder (1) und Abgassammler (4) mit einer Isolierung (8) versehen sind und ein in eine Sammelschachtanordnung (26) des Abgassammlers (4) in etwa radialer Richtung hineinragendes, diffusorartiges Endstück (7) aufweisen.

2. Großdieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmengen der Einspritzventile (11) in Abhängigkeit von den Verbrennungsverhältnissen im jeweils zugeordneten Zylinder (1) steuerbar sind.