DE102017128959A1 - Kombiniertes Verfahren und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung und Abgasrückführung eines druckaufgeladenen Brennkraftmotors - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Motorabgas, insbesondere aus schwerölbetriebenen 2-Takt- und 4-Takt-Großmotoren, wobei der Hauptabgasstrom in einem Schüttschichtfilter weitestgehend von Schwefeloxiden und Partikeln gereinigt wird und ein Teilabgasstrom, der aus dem vorgereinigten Hauptabgasstrom abgezogen wird, als Abgasrückführungsluft über einen Abgasrückführungsluftkühler einer zweiten Partikelfeinreinigungsstufe zugeführt wird und mittels im Abgasrückführungspfad angeordneten Verdichters der Motorverbrennungsluft zugeführt. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die im Abgasrückführungspfad angeordnete Partikelfeinreinigungsstufe, bestehend aus Filterpatronen, die mittels eines Abreinigungssystems, bestehend aus dem Drucklufttank und dem Druckluftblasrohr, regeneriert wird und einen konstanten Druckverlust generiert.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein kombiniertes Verfahren zur Reduzierung von Schwefeldioxid-, Stickoxid-, und partikulären Emissionen aus mit Schwerölen betriebenen, hochdruckaufgeladenen Brennkraftmaschinen, insbesondere Schiffsbrennkraftmaschinen.
- Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet, um Schadstoffemissionen zu reduzieren. Die wesentlichen Schadstoffe aus dem Abgas von an Bord von Schiffen betriebenen Brennkraftmaschinen sind Stickoxide (NOX), Schwefeldioxid (SO2), Schwefeltrioxid (SO3), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), wie Paraffine, Aldehyde, Olefine, Aromaten sowie Rußpartikel, die den Kohlenstoff sowohl als Feststoff als auch in Form der sogenannten „volatile organic compounds“ (VOC) enthalten. Des Weiteren gehören Feinstaubpartikel dazu, die entsprechend ihrer Partikelgröße als „PM 2,5“ und „PM 10“ bekannt sind. Ferner sind Schwermetalle wie Vanadium, Nickel, Blei, Zink und Cadmium, sowie Aluminium, Magnesium, Kobalt und Silizium enthalten.
- Aus der Praxis sind bereits turboaufgeladene Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung (AGR) bekannt. Bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung wird der Abgasstrom der Brennkraftmaschine in der Turbine des Abgasturboladers entspannt, wobei die Turbine des Abgasturboladers einen Verdichter antreibt, der die Verbrennungsluft, die der Brennkraftmaschine zuzuführen ist, verdichtet. Stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers wird dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine ein Teilstrom entnommen, der in die verdichtete Verbrennungsluft rückgeführt wird und mit derselben vermischt wird. Die Mischung von Ladeluft und Abgasteilstrom erfolgt stromaufwärts der Brennkraftmaschine. Das rückgeführte Abgas wirkt als Inertgas. Der reduzierte Sauerstoffanteil der Verbrennungsluft verzögert die Geschwindigkeit der Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Absenkung der Verbrennungstemperatur, was zu einer deutliche Abnahme des so genannten thermischen NOx führt. Das Potenzial der Verringerung der Stickoxidemissionen steigt mit der so genannten Rückführungsrate und einer möglichst geringen Temperatur des rückgeführten Abgases, was durch den Einsatz eines Abgasrückführkühler erreicht wird.
- Die Realisierung der Abgasrückführung kann dabei durch eine Hochdruck-Abgasrückführung und/oder durch eine Niederdruck-Abgasrückführung erfolgen. Bei aufgeladenen Motoren ist die Hochdruckvariante, d.h., die Entnahme von Abgas vor der Turbine des Abgasturboladers und die Beimischung dem Gas nach dem Verdichter (nach Abkühlung) die energetisch günstigste Variante. Sie ist im Bereich von kleinen Motoren, wie sie z.B. in PKW und LKW verwendet werden, sehr verbreitet. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass der Abgasdruck vor der Turbine in weiten Bereichen des Motorkennfeldes höher ist als der Druck der Ladeluft nach dem Turboladerverdichter. Die
DE 10 2009 022 938 A1 schlägt ein solches System vor. Der Nachteil des hier vorgeschlagenen Systems besteht darin, dass die Brennkraftmaschine nicht mit schwefelhaltigem Schweröl betrieben werden kann, da die aus dem Betrieb resultierenden Ruß- und Partikelemissionen zu Ablagerungen im Ansaugtrakt führen können und nach der Abkühlung des rückgeführten Abgases im Abgasrückführkühler ein Kondensat aus Schwefelsäure und schwefeliger Säure gebildet werden kann, was zu unerwünschten Korrosionen führen kann. - Durch die hohen Wirkungsgrade der Aufladung eines Großmotors wird eine positive Druckdifferenz zwischen den Bedingungen vor und nach dem Zylinder erzeugt. Dies ist für den Motorbetrieb erwünscht, da dadurch die Spülung des Brennraumes möglich wird und die Ladungswechselarbeit reduziert wird.
- Bei den Schiffsbrennkraftmaschinen handelt es sich um langsam drehende 2-Takt-Motoren, die mit Schwerölen der Qualitäten IFO180, IFO380, MDO und MGO betrieben werden, sowie um 4-Takt-Motoren, die mit den gleichen Schwerölen betrieben werden. Kraftstoffe für PKW und LKW enthalten heutzutage Schwefelgehalte von 10 ppm bis 50 ppm, während Brennstoffe für Schiffsbrennkraftmaschinen, z.B. das Heavy Fuel Oil (HFO), üblicherweise einen Anteil von organisch gebundenem Schwefel haben, der um etwa einen Faktor von bis zu 1000 höher liegt und 4,5 Vol.-% erreichen kann. Zudem enthalten in Schiffsmotoren verwendete Schweröle hohe Anteile an Schwermetallen im Milligrammbereich pro Liter Brennstoff.
- Anders als bei zum Stand der Technik gehörenden Abgasreinigungsanlagen für Personen- oder Lastkraftwagen liegt somit die Herausforderung der Abgasrückführung partikel- und schwefeloxidhaltiger Abgase in der Bereitstellung eines Abgasrückführungssystems, das die Partikel- und Schwefeloxidmengen bewältigen kann.
- Insbesondere bei mit Schweröl betriebenen Dieselbrennkraftmaschinen ist die aus der Praxis der PKW- und LKW-Motoren bekannte Art der Abgasrückführung problematisch, da im Schweröl erhebliche Anteile an Asphalten, Asche und Schwefel enthalten sind, so dass bei der Verbrennung von Schweröl Rückstände entstehen, die sich nach Mischung des rückzuführenden Teilstroms des Abgasstroms mit der verdichteten Verbrennungsluft an den die Verbrennungsluft führenden Bauteilen ablagern können, wobei die Funktion derselben beeinträchtigt wird.
- In
DE 10 2009 010 808 B3 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem mittels Beaufschlagung des Abgases mit einer Reinigungsflüssigkeit und Durchströmung des mit Reinigungsflüssigkeit beaufschlagten Abgases durch ein Bad aus Reinigungsflüssigkeit das Abgas gereinigt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass nur im intransienten Betrieb des Motors und der Abgasreinigungsanlage zufriedenstellende Reinigungsergebnisse zu erzielen sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Abgasrückführungsrate nicht variabel gesteuert werden kann. - Eine ähnliche Reinigungsvorrichtung ist in der
WO 03/045524 A2 - Auch bei der Vorrichtung der
WO 90/00437 - Der Nachteil dieser drei zitierten Verfahren besteht in der systembedingten Regelungsträgheit, die ein schnelles Anpassen der AGR-Luftmenge an den Motorbetrieb stark verzögert. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren liegt in der Schaffung eines Abwassers, welches an Bord eines Schiffes gesonderte Tankanlagen erfordert.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abgasrückführung von Abgasen aus schwerölbetriebenen 2- und 4-Takt-Schiffsmotoren bereitzustellen, das es ermöglicht auch hohe Abgasrückführungsraten trotz hoher Schwefeloxid- und Partikelbeladungen des Abgases zu erreichen.
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Schwefeloxide und Partikel enthaltenden Abgasstrom in einem zweistufigen Verfahren zu reinigen und einen gereinigten Teilstrom dem Motor als rückgeführtes Abgas zu zuführen. Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung sind schwerölbetriebene 2- und 4-Takt-Großmotoren, wie sie beispielsweise als Antriebe für Schiffe oder für stationäre Kraftwerke oder dergleichen Verwendung finden können.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, dass einen hohen Reinigungsgrad des rückgeführten Abgases gewährleistet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und die Erzielung optimaler Verfahrensergebnisse ermöglicht.
- Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
- Die in einem zum Beispiel gemäß der
DE 10 2008 041 530.8 vorgeschlagenen Verfahren gereinigten Motorabgase werden in einen Haupt- und einen Teilstrom geteilt, wobei der Hauptstrom über einen Auspuff oder Schornstein abgeführt wird und der Teilstrom mittels eines AGR-Verdichters als rückgeführtes Abgas der Verbrennungsluft des Motors beigemischt wird. Dieser Teilstrom enthält noch Partikel, die bei Eintritt in den Motor zu Fehlfunktionen in Form von Ablagerungen und Anbackungen im Zylinder und an den Ventilen führen können und daher eine weitere Feinreinigung erforderlich machen. Um die Baugröße der Partikelfeinreinigungsstufe zu minimieren, wird das rückgeführte Abgas zunächst mittels eines Wärmeaustauschers abgekühlt, wobei ein ausreichender Temperaturabstand zum Wassertaupunkt des Abgases eingehalten wird. Die vergleichsweise niedrige Temperatur ermöglicht es, die Partikelfeinreinigungsstufe mit dem Stand der Technik entsprechenden Filtermedien aus Geweben oder Nadelfilzen zu betreiben, wobei diese Filtermedien idealerweise mit Filtrationsmembranen laminiert sind, die sehr niedrige Reingasstaubwerte ermöglichen. Der AGR-Verdichter ist stromabwärts der Partikelfeinreinigungsstufe angeordnet. Das rückgeführte und abgekühlte Abgas wird anschließend mit der Verbrennungsluft, die mittels des Abgasturboladers verdichtet und anschließend gekühlt wurde, gemischt und als Verbrennungsluft dem Motor zugeführt. - Die Regelung der AGR-Luftmenge erfolgt durch den vom Motorsteuergerät geregelten AGR-Verdichter und führt zusammen mit einer optimierten Turboaufladung zu einer schnelleren Lastaufnahme und einem schnelleren Durchlaufen des transienten Betriebes.
- Die im Wärmeaustauscher des AGR-Pfades abgeführte Wärme kann einer weiteren Nutzung in Form von Dampferzeugung und Turbine zur Stromerzeugung genutzt werden oder zur Kraftstoffvorwärmung eingesetzt werden und somit zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades beitragen.
- In den nachstehend beschriebenen Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung des Großdieselmotors mit einer in die Abgasleitung eingebauten Abgasreinigungsanlage mit Abgasrückführung und -
2 eine schematische Darstellung der im Abgasrückführungspfads installierten Partikelfeinreinigungsstufe. - Der Abgasstrom der Brennkraftmaschine
10 wird mittels der Abgasleitung20 in die Turbine30a geführt, die über eine gemeinsame Welle den Verdichter30b antreibt. Das Abgas verlässt die Turbine und wird in ein mit Kalkhydratgranulat gefülltes Schüttschichtfilter40 geführt, in dem das Abgas weitestgehend von Schwefeloxiden und Partikeln befreit wird. Das so gereinigte Abgas verlässt das Schüttschichtfilter40 und wird in einen Schornstein über ein Abgasrückführungsventil50 geleitet. Die Abgasrückführluftmenge wird dem Abgasrückführungsventil50 entnommen. - Dieses rückgeführte Abgas wird mittels der Rückführleitung
60 einem Abgaskühler70 zugeführt, in welchem das Abgas gekühlt wird. Stromaufwärts des Abgaskühlers70 wird das rückgeführte und gekühlte Abgas einem filternden Abscheider80 zugeführt, in welchem die Partikel, die nicht in dem Schüttschichtfilter40 abfiltriert wurden, nahezu vollständig abgeschieden werden. Das rückgeführte Abgas gelangt durch die Filtereintrittsöffnung84 in die Partikelfeinreinigungsstufe80 . - Das partikelhaltige Abgas strömt durch die Filterelemente
81 , wobei an der Oberfläche der Filterelemente81 das Abgas von den Partikeln gereinigt wird, die an der Oberfläche der Filterelemente81 zurückgehalten werden und dort einen Filterkuchen bilden. Die Filterelemente81 sind an der Trennplatte86 befestigt, die die Rohgaskammer87 von der Reingaskammer88 trennt. Der durch den Filterkuchen generierte Druckverlust der Partikelfeinreinigungsstufe80 wird mittels Druckluft regeneriert, die einem Drucklufttank82a entnommen wird und welche in die Filterelemente81 durch ein Druckluftblasrohr82b eingeblasen wird, wobei die Druckluft das Druckluftblasrohr82b durch die Druckluftblasrohrstutzen82c verlässt und zentriert in das Filterelement81 eingeblasen wird. Durch die kurzzeitige und mit hoher Geschwindigkeit stattfindende Umkehrung der Strömungsrichtung wird der Filterkuchen abgeworfen und gelangt gravimetrisch in das Staubaustragsorgan83 . - Das so gereinigte Abgas
85 wird mittels eines Gebläses90 der Verbrennungsluftleitung120 zugeführt, welche die mittels des Verdichters30b angesaugte und verdichtete Verbrennungsluft, die mittels des Ladeluftkühlers110 abgekühlt wurde, enthält. Das gereinigte rückgeführte Abgas und die angesaugte Ladeluft werden vermischt und als Verbrennungsluft dem Motor zugeführt. Die Absperrklappe100 verhindert bei Motorbetrieb ohne Abgasrückführung das Zurückschlagen von Motorabgas in den AGR-Pfad. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009022938 A1 [0004]
- DE 102009010808 B3 [0009]
- WO 03/045524 A2 [0010]
- WO 9000437 [0011]
- DE 102008041530 [0017]
Claims (11)
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas, insbesondere aus schwerölbetriebenen 2-Takt- und 4-Takt-Großmotoren, wobei der Hauptabgasstrom in einem Schüttschichtfilter (40) weitestgehend von Schwefeloxiden und Partikeln gereinigt wird und ein Teilabgasstrom, der aus dem vorgereinigten Hauptabgasstrom abgezogen wird, als Abgasrückführungsluft über einen Abgasrückführungsluftkühler (70) einer zweiten Partikelfeinreinigungsstufe (80) zugeführt wird und mittels im Abgasrückführungspfad angeordneten Verdichters (90) der Motorverbrennungsluft zugeführt, dadurch gekennzeichnet, dass die im Abgasrückführungspfad angeordnete Partikelfeinreinigungsstufe (80), bestehend aus Filterpatronen (81), die mittels eines Abreinigungssystems (82), bestehend aus dem Drucklufttank (82a) und dem Druckluftblasrohr (82b), regeneriert wird und einen konstanten Druckverlust generiert.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas, insbesondere aus schwerölbetriebenen 2-Takt- und 4-Takt-Großmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in zwei Stufen gereinigt wird.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführungsluftkühler (70) stromaufwärts der Partikelfeinreinigungsstufe (80) angeordnet ist.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführungsrate durch eine variable Regelung des AGR-Verdichters (90) durch das Motorsteuergerät ohne Eingriff in die Abgasturboaufladung gesteuert wird.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführungsmenge mittels eines stufenlos regelbaren AGR-Verdichter (90) bestimmt wird.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust der Partikelfeinreinigungsstufe (80) mittels Druckluft, die einem Drucklufttank (82a) entnommen wird, und die in die Filterelemente (81) durch ein Druckluftblasrohr (82b) eingeblasen wird, regeneriert wird, wobei die Druckluft das Druckluftblasrohr (82b) durch die Druckluftblasrohrstutzen (82c) verlässt und zentriert in das Filterelement (81) eingeblasen wird.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Feinreinigungsstufe (80) abgeschiedene Filterstaub mittels einer Zellenradschleuse (83) aus der Feinreinigungsstufe (80) ausgeschleust wird und dem Reststoffsilo des Schüttschichtfilters (40) zugeführt wird.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wärmeaustauscher des AGR-Pfades abgeführte Wärme einer weiteren Nutzung in Form von Dampferzeugung und Turbine zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wärmeaustauscher des AGR-Pfades abgeführte Wärme zur Kraftstoffvorwärmung genutzt werden kann.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abgasrückführungsraten von 1 % bis 50 %, bevorzugt 20 % bis 30 %, bezogen auf die Verbrennungsluftmenge, eingestellt werden können.
- Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorabgas in einem Nasswäscher weitestgehend von Schwefeldioxiden und Partikeln gereinigt wird.
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