DE10040907A1

DE10040907A1 - Abgasreinigungsvorrichtung für eine einen Abgasturbolader aufweisende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10040907A1
Application number: DE10040907A
Authority: DE
Inventors: Bernd Heuwieser; Stephan Laubenstein
Original assignee: H U T HEUWIESER UMWELTTECHNIK
Current assignee: H U T HEUWIESER UMWELTTECHNIK
Priority date: 1999-08-21
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2001-04-26

Abstract

Bei einer Abgasreinigungsvorrichtung für eine einen Abgasturbolader aufweisenden Brennkraftmaschine ist ein Katalysator (17) in einem Abgassammelrohr (8) zwischen der Brennkraftmaschine und einer Turbine des Abgastorbuladers angeordnet. Dieser Katalysator (17) stellt einen hohen Umsatz an CH¶4¶ und CO zu CO¶2¶ und H¶2¶O sicher. Dies führt zu einer hohen Druckdifferenz an der Turbine des Abgasturboladers und letztlich zu einem besonders hohen Wirkundgrad der Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine einen Abgasturbolader aufweisende Brennkraftma schine, insbesondere einen zur Verbrennung von Brenngasen vorgesehenen Stationärmotor.

Eine aus der Praxis bekannte Abgasreinigungsvorrichtung weist einen hinter dem Abgasturbolader angeordneten Ab gaskatalysator auf. Durch den Einsatz des Abgasturbola ders lassen sich ein besonders hoher Brenngasgemischfül lungsgrad und hierdurch ein hoher Wirkungsgrad der Brenn kraftmaschine erreichen. In dem Abgaskatalysator sollen insbesondere brennbare Bestandteile des Abgases weiter oxidiert werden. Da das Abgas in Strömungsrichtung gese hen hinter der Turbine des Abgaskatalysators jedoch nur eine geringe Temperatur aufweist, erfolgt insbesondere bei mit Brenngasen betriebenen Brennkraftmaschinen die Oxidation des CH₄ und des CO zu CO₂ und H₂O nur unzurei chend. Der Abgaskatalysator führt zudem zu einem starken Druckverlust und damit zu einer Verringerung des Wir kungsgrades der Brennkraftmaschine.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Abgas reinigungsvorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass sie eine besonders zuverlässige Oxidation der Abgase der Brennkraftmaschine ermöglicht und einen möglichst großen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ge währleistet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen der Brennkraftmaschine und dem Abgasturbolader Mittel zur Oxidation von aus der Brennkraftmaschine aus gestoßenen, einer Turbine des Abgasturboladers zugeführ ten Abgase angeordnet sind.

Durch diese Gestaltung sind die Mittel zur Oxidation an der heißesten Stelle des Abgastraktes angeordnet. Hier durch lassen sich mit besonders geringem konstruktiven Aufwand im Abgas enthaltene brennbare Gase, wie bei spielsweise CO und CH₄ zuverlässig zu CO₂ und H₂O oxidie ren. Dies führt zudem zu einem weiteren Druck- und Tempe raturanstieg der vor dem Abgasturbolader befindlichen Ga se. Hierdurch steigt die Druckdifferenz an der Turbine des Abgasturboladers an, was zu einer besonders hohen Verdichterleistung führt. Die Brennkraftmaschine hat hierdurch einen besonders hohen Wirkungsgrad. Ein Abgas katalysator im Abgastrakt nach der Turbine kann dank der Erfindung wesentlich kleinere Abmessungen aufweisen und einen geringeren Druckverlust verursachen als bei der be kannten Abgasreinigungsvorrichtung. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Druckdifferenz an der Turbine des Abgasturboladers und damit zur weiteren Erhöhung des Wir kungsgrades der Brennkraftmaschine. Im günstigsten Fall ist kein Abgaskatalysator im Abgastrakt nach der Turbine erforderlich.

Die Mittel zur Oxidation könnten beispielsweise einen Nachbrenner aufweisen. Die Mittel zur Oxidation gestalten sich jedoch besonders kostengünstig, wenn sie einen Kata lysator aufweisen. Durch die Anordnung des Katalysators im besonders heißen Bereich des Abgastraktes werden be reits unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine besonders hohe Umsatzraten an CO und CH₄ erzeugt.

Die Mittel zur Oxidation erfordern gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einen besonders geringen Platzbedarf, wenn der Katalysator in einem Ab gassammelrohr der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei in Bussen oder Lastkraftwagen eingesetzten Brennkraftma schinen entspricht das Abgassammelrohr einem sogenannten Hosenrohr oder einem Abgaskrümmer.

Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung erfordert einen besonders geringen baulichen Aufwand, wenn das Ab gassammelrohr an seiner Innenseite eine katalytisch akti ve Schicht aufweist. Weiterhin können in dem Abgassammel rohr Verwirbelungsmittel zur Führung der Strömung des Ab gases an die Wandung des Abgassammelrohrs angeordnet sein.

Zur Verbesserung der Umsetzung der oxidationsfähigen Gase trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn in dem Abgassammelrohr Fasern mit einer katalytisch aktiven Oberfläche angeordnet sind. Solche Fasern müssen ausreichend temperaturbeständig sein und eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen.

Vorhandene Brennkraftmaschinen lassen sich mit der erfin dungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung einfach nachrü sten, wenn die Fasern als Faserbausch in dem Abgassammel rohr angeordnet sind.

Ein Druckverlust im Abgastrakt durch die Fasern mit der katalytisch aktiven Oberfläche lässt sich gemäß einer an deren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten, wenn die in dem Abgassammelrohr angeordne ten Fasern zur einem Rohr gewebt sind.

Zur weiteren Verringerung des Druckverlustes in dem Ab gastrakt trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Wei terbildung der Erfindung bei, wenn in dem Abgassammelrohr ein zu einem Rohr gebogenes Lochblech mit einer kataly tisch aktiven Oberfläche angeordnet ist.

Bei an Stationärmotoren häufig eingesetzten Abgassammel rohren mit radial angeschlossenen Abgasleitungen einzel ner Zylinder der Brennkraftmaschine wird ein besonders hoher Umsatz von oxidierbaren Gasen im Abgas erreicht, wenn der Aussendurchmesser des Rohres kleiner ist als der Innendurchmesser des Abgassammelrohrs. Hierdurch wird das Rohr zunächst radial von dem Abgas der einzelnen Zylinder durchströmt. Anschließend führt das Rohr das Abgas zu dem Abgasturbolader.

Der Katalysator hat gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine besonders hohe mechani sche Stabilität, wenn in dem Abgassammelrohr Mischer elemente mit einer katalytisch aktiven Oberfläche ange ordnet sind.

Die Fasern, das Lochblech oder die Mischerelemente könn ten beispielsweise vollständig aus katalytisch aktivem Material gefertigt sein. Zur weiteren Verringerung der Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Abgasreinigungs vorrichtung trägt es jedoch bei, wenn die Fasern, das Lochblech oder die Mischerelemente aus einem temperatur beständigen Trägermaterial gefertigt sind und wenn die Oberfläche des Trägermaterials katalytisch aktive Parti kel aufweist.

Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung lässt sich mit besonders geringen baulichen Aufwand auf Statio närmotoren mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zylin dern anpassen, wenn die, eine katalytisch aktive Oberflä che aufweisenden Bauteile in voneinander unabhängige Ab schnitte unterteilt sind und wenn die Abschnitte eine einzelner Module des Abgassammelrohrs entsprechende Länge aufweisen.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind mehrere davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brenn kraftmaschine mit einem Abgasturbolader,

Fig. 2 eine Ansicht eines Abgassammelrohrs der Brennkraftmaschine aus Fig. 1,

Fig. 3-6 Schnittdarstellungen durch das Abgassam melrohr aus Fig. 2 mit mehreren darin an geordneten erfindungsgemäßen Abgasreini gungsvorrichtungen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 2. Der Abgasturbolader 2 hat einen mit einer Turbine 3 verbundenen Verdichter 4. Der Ver dichter 4 saugt ein Gas-Luft-Gemisch über einen Gas-Luft- Mischer 5 an und fördert dieses über eine Drosselklappe 6 und einen Ladeluftkühler 7 zu der Brennkraftmaschine 1. Von der Brennkraftmaschine 1 erzeugtes Abgas gelangt zu nächst über ein Abgassammelrohr 8 zu der Turbine 3 und treibt diese an. An der Turbine 3 ist eine Abgasleitung 9 angeschlossen. Die Abgasleitung 9 kann beispielsweise ei nen nicht dargestellten Wärmetauscher, Abgaskatalysator oder einen Schalldämpfer aufweisen und in einen Kamin münden. An der Abgasleitung 9 ist eine Lambda-Sonde 10 zur Messung des Sauerstoffgehalts des Abgases angeordnet. Die Lambda-Sonde 10 erzeugt elektrische Signale. Mittels der elektrischen Signale werden die Drosselklappe 6 über einen Regler 11 und die Gaszufuhr über ein Gasventil 12 angesteuert. Bei der Brennkraftmaschine 1 kann es sich beispielsweise um einen Stationärmotor zur Verbrennung von Erdgas oder anderen Brenngasen handeln.

Fig. 2 zeigt das Abgassammelrohr 8 aus Fig. 1. Das Ab gassammelrohr 8 hat einen Flansch 13 zum Anschluss an die Turbine 3 des Abgasturboladers 2 und insgesamt vier radi al abstehende Flansche 14 zum Anschluss für jeweils einen Zylinder der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1. An seinem dem Flansch 14 für die Turbine 3 abgewandten Ende ist das Abgassammelrohr 8 von einem Blindstopfen 15 verschlossen. Drei der Flansche 14 für die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 sind auf einzelnen Modulen 16 ange ordnet. Diese Module 16 lassen sich entsprechend der vor gesehenen Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine 1 einfach zusammenstecken.

Fig. 3 zeigt das Abgassammelrohr 8 aus Fig. 2 in einem Längsschnitt mit einem Katalysator 17 einer Abgasreini gungsvorrichtung. Der Katalysator 17 hat eine katalytisch aktive Schicht 18 auf der Innenwandung des Abgassammel rohrs 8. Selbstverständlich können in dem Abgassammelrohr 8 auch nicht dargestellte Leitelemente zur Führung des Abgases gegen die katalytisch aktive Schicht 18 angeord net sein.

Fig. 4 zeigt das Abgassammelrohr 8 aus Fig. 2 im Längs schnitt mit einem Katalysator 19. Der Katalysator 19 hat ein in dem Abgassammelrohr 8 eingesetztes Rohr 20 mit ei ner katalytisch aktiven Schicht 21. Bei dem Rohr 20 kann es sich beispielsweise um gerolltes Lochblech oder ein Fasergewebe handeln. Das Rohr 20 stützt sich mit Hal temitteln 22 an der inneren Wandung des Abgassammelrohrs 13 ab. Von der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 einströmende Abgase passieren zunächst die Wandung des Rohres 20 und werden anschließend von diesem zu der Tur bine 3 geführt.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Abgas reinigungsvorrichtung, bei der ein Katalysator 23 als Fa serbausch 24 in dem Abgassammelrohr 8 aus Fig. 2 ange ordnet ist. Der Faserbausch 24 hat eine katalytisch akti ve Oberfläche.

Fig. 6 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung, bei der ein Katalysator 25 als katalytisch aktive Oberfläche auf in dem Abgassammelrohr 8 befestigten Mischerelementen 26 angeordnet ist. Die Mischerelemente 26 dienen zur Verwir belung des Abgases und können nahezu beliebig geformte Ausnehmungen oder Sicken aufweisen. Selbstverständlich kann zusätzlich die innere Wandung des Abgassammelrohrs 8 mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen sein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Als Katalysator eignet sich bei den genannten Ausfüh rungsbeispielen insbesondere ein Edelmetallkatalysator mit Platin oder Palladiumanteilen. Zur Oberflächenvergrö ßerung kann das Edelmetall auf einem sogenannten Washcoat, wie beispielsweise Aluminiumoxid aufgetragen werden.

Claims

1. Abgasreinigungsvorrichtung für eine einen Abgasturbo lader aufweisende Brennkraftmaschine, insbesondere einen zur Verbrennung von Brenngasen vorgesehenen Stationär motor, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brenn kraftmaschine (1) und dem Abgasturbolader (2) Mittel zur Oxidation von aus der Brennkraftmaschine (1) ausgestoße nen, einer Turbine (3) des Abgasturboladers (2) zugeführ ten Abgase angeordnet sind.

2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Oxidation einen Kata lysator (17, 19, 23, 25) aufweisen.

3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, dass der Katalysator (17, 19, 23, 25) in einem Abgassammelrohr (8) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist.

4. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassammelrohr (8) an seiner Innenseite eine kataly tisch aktive Schicht (18) aufweist.

5. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgassammelrohr (8) Fasern mit einer katalytisch ak tiven Oberfläche angeordnet sind.

6. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern als Faserbausch (24) in dem Abgassammelrohr (8) angeordnet sind.

7. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Abgassammelrohr (8) angeordneten Fasern zu ei nem Rohr (20) gewebt sind.

8. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgassammelrohr (8) ein zu einem Rohr (20) gebogenes Lochblech mit einer katalytisch aktiven Oberfläche ange ordnet ist.

9. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser des Rohres (20) kleiner ist als der Innendurchmesser des Abgassammelrohrs (8).

10. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgassammelrohr (8) Mischerelemente (26) mit einer katalytisch aktiven Oberfläche angeordnet sind.

11. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern, das Lochblech oder die Mischerelemente (26) aus einem temperaturbeständigen Trägermaterial gefertigt sind und dass die Oberfläche des Trägermaterials kataly tisch aktive Partikel aufweist.

12. Abgasreinigungsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die, eine katalytisch aktive Oberfläche aufweisenden Bau teile in voneinander unabhängige Abschnitte unterteilt sind und dass die Abschnitte eine einzelner Module (16) des Abgassammelrohrs (8) entsprechende Länge aufweisen.