DE3322439A1

DE3322439A1 - Einrichtung zur verminderung der schadstoffanteile in den abgasen eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE3322439A1
Application number: DE19833322439
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing.(FH) 5300 Bonn Gauchel
Original assignee: BEDIA MASCHF VERWALT
Current assignee: BEDIA MASCHF VERWALT
Priority date: 1983-06-22
Filing date: 1983-06-22
Publication date: 1985-01-03
Also published as: DE3322439C2

Description

Bezeichnung: Einrichtung zur Verminderung der Schadstoff-
anteile in den Abgasen eines Verbrennungsmotors Beschreibung: Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verminderung der Schadstoffe in den Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors einer Untertagelokomotive, die in der Abgasleitung wenigstens einen Filter-Katalysator aufweist.
Es ist grundsätzlich bekannt, Schadstoffanteile aus Motorabgasen mit Hilfe eines Filter-Katalysators zu beseitigen. Ein derartiger Filterkatalysator ist so aufgebaut, daß das zu reinigende Abgas aus einem Einströnkanal durch eine poröse Keramikschicht in einen Austrittskanal strömt. Durch eine entsprechende Umlenkung der Abgase im Einströmkanal werden Feststoffbestandteile im Abgas wie Ruß oder dgl. weitgehend abgesondert, wobei feinere Feststoffpartikel durch die poröse Keramikschicht festgehalten werden. Da zumindest aer Abströmkanal eine katalytische Beschichtung aufweist, findet in diesem Bereich eine Umwandlung des im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxyds und der Kohlenwasserstoffe statt. Entscheidend für die Wirksamkeit eines derartigen Filter-Katalysators ist es jedoch, daß das ihn durchströmende Abgas eine Temperatur von mindestens 1650 C, die sogenannte Anspringtemperatur aufweist. Bei Abgastemperaturen unter 1650 C findet die katalytische Aufspaltung von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffen nicht statt. Bei Abgastemperaturen unter 4800 C schlagen sich Rußpartikel im Filter nieder ohne abzubrennen, so daß für einen im wesentlichen wartungsfreien Betrieb eines derartigen Filter-Katalysators dafür Sorge getragen werden muß, daß zumindest zeitweise die Arbeitstemperatur des Filter-Katalysators über 4800 C ist, -so daß in den Filter gelangende Rußpartikel selbständig abbrennen.
Um diese Arbeitsbedingungen einhalten zu können, wurde in einer Reihe von Anwendungsfällen in der Weise gearbeitet, daß der Filter-Katalysator in der Abgas leitung unmittelbar im Bereich der Abgasauslässe der einzelnen. Zylinder angeordnet wurde, um so die möglichst hohe Arbeitstemperatur gewährleisten zu können. Bei Motoren mit gleichbleibender Last reicht dies aus. Bei Motoren, die mit wechselnder Belastung betrieben werden, beispielsweise bei Fahrzeugmotoren, wurden Temperaturunterschreitungen in den Abgasen dadurch ausgeglichen, daß ein zweiter Filter-Katalysator in der Abgasleitung vorgesehen wurde, dem ein Zusatzbrenner vorgeschaltet war. Bei Unterschreiten der Abgastemperatur unter eine Mindesttemperatur wurde dieser Brenner zugeschaltet und die Abgase vor dem Eintritt in den zweiten Filter-Katalysator zusätzlich aufgeheizt, um nicht nur die katalytische Aufspaltung von Kohlenmonoxyd und noch etwa enthaltener Kohlenwasserstoffe zu gewährleisten, sondern auch um sich auf dem Filter niederschlagende Rußpartikel abbrennen zu können.
Ein derartiges Verfahren ist jedoch zumindest für Fahrzeuge, die unter Tage, beispielsweise im Kohlebergbau eingesetzt werden, nicht anwendbar, da der erzielbaren Verminderung der Schadstoffbelastung der Wetter eine erhöhte Abgasmenge und eine erhöhte Wärmeabgabe des Fahrzeugs gegenüberstehen, was in jedem Fall zu einer erhöhten Belastung der Bewetterung führt. Hinzu kommt noch, daß im Untertagebetrieb verhältnismäßig kurze Fahrstrekken durch eine derartige Lokomotive zurückzulegen sind, wobei häufige Lastwechsel stattfinden, die zur Folge haben, daß ein derartiger Zusatzbrenner-praktisch ununterbrochen in Betrieb sein muß.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, mit deren Hilfe eine wirksame Verminderung der Schadstoffanteile in den Abgasen eines Verbrennungsmotors erzielt werden kann, ohne daß hierbei zusätzliche Belastungen der Umgebungsluft durch Erhöhung der Abgasmengen und erhöhte Wärmeabstrahlung auftreten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Abgasleitung zwischen Verbrennungsmotor und Filter-Katalysator ein von den heißen Motorabgasen umströmtes Wärmespeicherelement angeordnet ist. Da das Wärmespeicherelement durch die umströmenden heißen Motorabgase aufgeheizt wird und beispielsweise bei längerer Vollastfahrt die gleiche Temperatur annimmt, wie die umströmenden Motorabgase, ergibt sich für einen nachfolgenden Teillast- oder auch Leerlaufbetrieb der Vorteil, daß die dann mit erheblich geringerer Abgastemperatur durch das Wärme speichere lement strömenden Motorabgase aufgeheizt werden und mit einer über der Anspringtemperatur des Katalysators liegenden Temperatur diesen durchströmen. Aufgrund der üblichen Folge von Volllast-, Teillast- und Leerlaufbetrieb wird die Temperatur des Wärmespeicherelementes zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe um einen mittleren Wert schwanken, der jedoch mit Sicherheit immer über der Anspringtemperatur des Katalysators liegt, so daß in jedem Fall eine katalytische Aufspaltung des im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxyds und der im Abgas noch verhandenen Kohlenwasserstoffe gewährleistet ist. Da darüber hinaus bei längerem Vollastbetrieb in jedem Fall Motorabgase mit einer Temperatur über 4800 C in den Filter-Katalysator einströmen, ist gewährleistet, daß im Filterbereich des Filter-Katalysators sich niederschlagende Rußanteile selbständig abbrennen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung -ist vorgesehen, daß das Wärmespeicherelement im Bereich der Abgassammelleitung unmittelbar am Motor angeordnet ist. Hierdurch ist eine größmögliche Aufheizung des Wärmespeicherelementes gewährleistet.
In zweckmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, daß zumindest das Wärmespeicherelement mit einem wärmeisolierenden Mantel umgeben ist. Hierdurch wird die Wärmeabstrahlung an die Umgebung im Bereich des Wärmespeicherlementes zumindest vermindert und so gewährleistet, daß die vom Wärmespeicherelement aufgenommene Wärmemenge praktisch nur an die durchströmenden Abgase bei sinkenden Abgastemperaturen abgegeben werden. Hierbei ist es ferner zweckmäßig, wenn auch die zwischen Motor und Filter-Katalysator liegenden Teile der Abgasleitung mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 die Grundanordnung der Einrichtung, Fig. 2 die CO-Emission eines Dieselmotors bei CH4-haltige Ansaugluft, Fig. 3 den Umsetzungsgrad eines Katalysators in Abhängigkeit von der Temperatur, Fig. 4 einen Verlauf der Abgastemperatur während eines Fahrzyklus.
In Fig. 1 ist schematisch ein Dieselmotor 1 dargestellt, der beispielsweise eine Lokomotive antreibt, die im Kohlebergbau unter Tage eingesetzt ist. Die Abgasauslässe 2 der einzelnen Zylinder münden in ein Wärme speicherelement 3, das zweckmäßigerweise dicht am Motor 1 angebracht ist, um Wärmeverluste durch Abstrahlung weitgehend zu vermeiden. Das Wärmespeicherelement 3 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 4, beispielsweise aus Metall, das einen Wärmespeicherkörper 5 umschließt. Der Wärmespeicherkörper 5 istzweckmäßigerweise aus einem hochwarmfesten keramischen Material hergestellt und ist auf seiner von den Motorabgasen umspülten Innenseite mit Vorsprüngen 6 in Form von Stegen, Zapfen oder dgl. versehen, die die -Wärmetauscherfläche zur -Wärmeufnahme und Wärmeabgabe vergrößern.
Die Vorsprünge 6 können hierbei so angeordnet sein, daß sie eine mehrfache Umlenkung der heißen Motorabgase bewirken, wobei die Umlenkungen jedoch so vorgesehen sein sollten, daß der Strömungswiderstand in diesem Bereich nicht allzu sehr erhöht wird. Dies kann durch eine versetzte Anordnung entlang der Innenwandung des Wärmetauscherkörpers 5 in Form einer Schraubenlinie oder in Form einer Zick-zack-Linie erfolgen.
Zweckmäßigerweise ist der Wärmetauscherkörper aus mehreren Einzelsegmenten zusammengesetzt, was in der schematischen Darstellung nicht gezeigt ist, um die bei den wechselnden Temperaturen auftretenden Längen- und Durchmesseränderungen aufnehmen zu können.
Sowohl die Zuleitung 2 als auch das Wärmetauscherelement 3 sind auf ihren Außenseiten mit einer hier nicht näher dargestellten Wärmeisolierung versehen.
ueber eine Verbindungsleitung 7 gelangen die Motorabgase in einen Filter-Katalysator 8. Dieser besteht im wesentlichen aus einem Einströmkanal 9 und einem Abströmgehäuse 10, die durch einen Katalysatoreinsatz 11 voneinander getrennt sind. Dieser Katalysatoreinsatz besteht aus einem porösen, und damit gasdurchlässigen keramischen Material, das zumindest auf der Seite des Einströmkanals 9 mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist. Wie aus der schematischen Zeichnung ersichtlich, können die in den Einströmkanal 9 gelangenden Abgase aufgrund der Porosität des Filter-Katalysatorkörpers diesen durchströmen und in das Abströmgehäuse 10 gelangen. Vom Abströmgehäuse 10 treten die nunmehr gereinigten Abgase entweder unmittelbar ins Freie oder können bei entsprechender Menge und/oder entsprechendem Wärmeinhalt auch über eine Abgasturbine zur Verwertung der in den Abgasen enthaltenen Energie geführt werden.
Für den Untertagebetrieb im Kohlebergbau ist zur Beurteilung des Schadstoffgehaltes der Abgase ferner von Bedeutung, daß in unterschiedlichen Mengen in der Ansaugluft des Motors Methangase (CH4) enthalten sind. Da die mit der Ansaugluft in den Verbrennungsraum des Motors gelangenden Methangase.zusätzlich zum zugeführten Kraftstoff mitverbrannt werden, ergibt sich für eine Untertagelokomotive im Kohlebergbau gegenüber einem übertagebetriebenen Dieselmotor je nach CH4-Gehalt der Ansaugluft eine erhebliche Steigerung der CO-Emission. Dies ist für unterschiedliche Lastzustände in Fig. 2 dargestellt. Die Kurve 12 zeigt hierbei den Anstieg des CO-Gehaltes im Abgas eines Dieselmotors bei 1000 U/min entsprechend einem Drehmoment von 50 Nm. Die Kurve 13 zeigt den Verlauf bei einer Drehzahl von 1700 U/min entsprechend einem Drehmoment von 150 Nm und die Kurve 14 zeigt den Anstieg des CO-Gehaltes bei methanhaltiger Ansaugluft bei 2100 U/min unter Volllast. Hieraus ist ersichtlich, daß insbesondere für den Betrieb unter Tage bei methanhaltiger Ansaugluft die Reduzierung des CO-Gehaltes im Abgas beispielsweise einer dieselgetriebenen Lokomotive von erheblicher Bedeutung ist. Schon geringe Erhöhungen des Methangehaltes in der Ansaugluft führen selbst im Leerlauf zu einem starken Anstieg des C0-Gehaltes im Abgas.
In Fig. 3 ist der Umsetzungsgrad von Katalysatoren zur Aufspaltung von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Hierbei ist der Verlauf für die Umsetzung von CO in etwa gleich dem Verlauf für die Umsetzung von Kohlenwasserstoff, so daß hier der Einfachheit halber nur eine Kurve dargestellt ist. Aus dem Verlauf der Kurve 15 ist ersichtlich, daß bis zu einer Abgastemperatur von etwa 1600 C der Katalysator praktisch inaktiv ist. Erst bei einer Temperatur von mindestens 1650 C "springt der Katalysator an" und bewirkt eine volle Umsetzung von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff. Hieraus ist ersichtlich, daß schon dann eine praktisch vollständige Beseitigung des Kohlenmonoxyds im Abgas erreicht wird, wenn es gelingt, während der gesamten Betriebsdauer den Filter-Katalysator oberhalb dieser Anspringtemperatur von etwa 1650 C zu halten und zwar auch dann, wenn die Abgastemperatur beispielsweise im Leerlaufbetrieb soweit absinkt, daß die Anspringtemperatur unterschritten wird. Die Bedeutung für den Untertagebetrieb wird insbesondere im Hinblick auf die anhand von Fig. 2 dargestellte starke Erhöhung des CO-Gehaltes im Abgas bei methanhaltiger Ansaugluft erkennbar. Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf der Abgastemperatur während eines Fahrzyklus, d.h. also in Abhängigkeit von der Zeit. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß die Temperaturkurve 16 abgesehen von einem kurzen Zeitraum nach dem Anlassen des Motors weitgehend über der Anspringtemperatur (Linie 17) liegt. Diese Temperaturlinie wird während des Betriebes entsprechend den Gegebenheiten kurzzeitig unterschritten, während zu anderen Zeitpunkten diese Temperaturlinie 17 erheblich überschritten wird und zeitweise auch die Linie 18, d.h. eine Temperatur von 480" C überschreitet, die diejenige Temperatur kennzeichnet, bei der im Filter-Katalysator abgelagerte Rußanteile selbsttätig abbrennen.
Durch die Anordnung des anhand von Fig. 1 beschriebenen Wärmespeicherelementes 3 in der Abgasleitung vor dem Filter-Katalysator 8, läßt sich nun erreichen, daß die Temperatur der in den Filter-Katalysator 8 eintretenden Abgase mit Sicherheit immer weit über der Anspringtemperatur des Filter-Katalysators liegt und so sichergestellt ist, daß der Filter-Katalysator auch dann aktiv bleibt, wenn bei Leerlauf die Temperatur der den Motor verlassenden Abgase absinkt. Die zulässige Leerlaufzeit, während der der Filter-Katalysator noch aktiv bleibt, kann über die Bemessung der Speicherkapazität des Wärmespeicherelementes festgelegt werden.
Der von den heißen Motorabgasen umströmte wärmespeichernde Teil des Wärmespeicherelementes ist aus einem Material mit hohem Wärmespeichervermögen hergestellt, das jedoch auch eine gute Temperaturwechselfestigkeit aufweist. Hierzu kann beispielsweise keramisches Material verwendet werden. Bei entsprechender Gestaltung ist es auch möglich, die entsprechenden Bauteile aus Metall doppelwandig auszubilden und den entstehenden Hohlraum mit entsprechendem festen oder auch flüssigen Stoffen mit hohem Wärmespeichervermögen zu füllen.
- L e e r s e i t e -

Claims

Bezeichnung: Einrichtung zur Verminderung der Schadstoffanteile in den Abgasen eines Verbrennungsmotors Ansprüche: Einrichtung zur Verminderung der Schadstoffanteile in den Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors einer Untertagelokomotive, die in der Abgasleitung wenigstens einen Filter-Katalysator aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Abgasleitung zwischen Motor (1) und Filter-Katalysator (8) ein von den heißen Motorabgasen umströmtes Wärmespeicherelement (3) angeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeicherelement (3) im Bereich der Abgassammelleitung (2) unmittelbar am Motor (1) angeordnet ist
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Wärmespeicherelement (3) mit einem wärmeisolierenden Mantel umgeben ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die zwischen Motor (1) und Filter-Katalysator (8) liegenden Teile der Abgasleitung (7) mit einer Wärmeisolation versehen sind.