-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Nachbehandlung
von ölhaltigen Blow-by-Gasen
einer Brennkraftmaschine.
-
Die
Entlüftung
eines Kurbelgehäuses
einer Brennkraftmaschine erfolgt üblicherweise über eine Entlüftungsleitung, über welche
die ölhaltigen Blow-by-Gase
abgeführt,
zum Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen
vor den Turbolader zurückgeführt und solchermaßen der
motorischen Verbrennung zugeführt
werden. Je nach Konstruktion der Brennkraftmaschine können diese
Blow-by-Gase einen relativ hohen Anteil an Motorölaerosolen aufweisen. Um auftretende
Verschmutzungen im Ansaugtrakt und bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen
im Verdichter und Ladeluftkühler
zu verhindern bzw. zu minimieren, können die Ölanteile mittels mechanischer
Abscheider teilweise aus den Gasen entfernt werden. Derartige mechanische Ölabscheider
weisen in der Regel jedoch eine unzureichende Abscheidewirkung von oftmals
nur ca. 20 bis 40 % auf. Mechanische Abscheider mit höheren Wirkungsgraden
weisen eine aufwändige
und komplexe Konstruktion auf und sind daher relativ teuer. Ein
solcher mechanischer Ölabscheider
zur Abscheidung von Öl
bei der Entlüftung des
Kurbelgehäuses
einer Brennkraftmaschine ist bspw. aus der
DE 197 36 040 A1 bekannt.
-
Um
die in den Blow-by-Gasen enthaltenen und für die Umwelt schädlichen
hohen Kohlen-Wasserstoffkonzentrationen zu verringern, wurde bereits vorgeschlagen,
die Blow-by-Gase einem Abgassystem zuzuführen, das eine katalytische
Reinigungsvorrichtung zur Oxidation der Verbrennungsabgase sowie
der Kurbelgehäusegase
aufweist. Eine solche Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Reduzierung
unerwünschter
Emissionen von Brennkraftmaschinen ist in der
GB 945 447 beschrieben.
-
Eine
Viertakt-Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungseinrichtung
für die
Versorgung des Abgases mit Sekundärluft zur Nachverbrennung der Abgase
ist weiterhin aus der
DE
195 49 188 C2 bekannt. Hierbei ist vorgesehen, dass ölhaltige
Kurbelgehäusegase
als sog. Sekundärluft
durch einen Auslasskanal einem Abgasreinigungssystem zugeführt werden,
wo sie mit den heißen
Abgasen vermischt werden, um auf diese Weise schädliche Kohlenwasserstoffe und
Kohlenmonoxide in unbedenkliches Wasser sowie in Kohlendioxid umzuwandeln.
Das in der Sekundärluft
enthalte Öl
und das durchblasende Gas werden ebenso im Abgasreinigungssystem
verbrannt bzw. oxidiert und somit in Form von Wasser und Kohlendioxid
abgelassen.
-
Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, die Öl- und Kohlenwasserstoffanteile der
bei der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine entstehenden und
ins Kurbelgehäuse
gelangenden Blow-by-Gase einer solchen Nachbehandlung zu unterziehen,
dass sie im Ansaugtrakt, sowie im Ladeluftsystem von aufgeladenen
Brennkraftmaschinen keine Verschmutzungen mehr bewirken können.
-
Dieses
Ziel der Erfindung wird mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht. Merkmale
vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
-
Dem
gemäß ist bei
einer Vorrichtung zur Nachbehandlung von ölhaltigen Blow-by-Gasen einer Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 innerhalb
einer Entlüftungsleitung,
die eine Verbindung zwischen Kurbelgehäuse und Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
herstellt, eine katalytische Reinigungsvorrichtung zur Nachbehandlung
der Blow-by-Gase angeordnet. Die katalytische Reinigungsvorrichtung
umfasst vorzugsweise einen Oxidationskatalysator, der die in den
Blow-by-Gasen enthaltenen Schmierölanteile und -aerosole weitgehend
entfernen kann. Die Anteile an unverbrannten Kohlenwasserstoffen
werden dabei im Katalysator zu Kohlendioxid und Wasser aufoxidiert,
so dass weitgehend keine unerwünschten Ölanteile
mehr im rückgeführten Kurbelgehäusegas enthalten
sind.
-
Eine
noch weitgehendere Reinigungswirkung kann erreicht werden, wenn
zusätzlich
zu der katalytischen Reinigungsvorrichtung eine mechanische Ölabscheidung
vorgenommen wird. Hierzu kann bspw. stromaufwärts des Katalysators eine zusätzliche
mechanische Ölabscheidevorrichtung
angeordnet sein, mittels derer ein Reinigungsgrad von bis zu 50
% erzielt werden kann. Insbesondere bei noch nicht betriebswarmem
Katalysator kann hierdurch bereits eine befriedigende Reinigungswirkung der
Blow-by-Gase erreicht werden.
-
Da
der Oxidationskatalysator an der vorgesehenen Einbauposition innerhalb
der Entlüftungsleitung
meist nicht die für
eine optimale Wirkungsweise ausreichenden Temperaturen von mindesten
200 bis 250 °C
erreicht, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor,
dass der Katalysator beheizbar ist. Er kann bspw. eine elektrisch
betreibbare Heizeinrichtung aufweisen, die innerhalb kürzester
Zeit die erforderliche Betriebstemperatur im Katalysator herstellen
kann.
-
Eine
alternative oder zusätzliche
Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Oxidationskatalysator mit
einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, so dass die
Abwärme
des Abgastrakts zur Beheizung des Katalysators genutzt werden kann. Hierzu
kann dieser bspw. in den Abgastrakt integriert sein. Eine schnelle
Erwärmung
des Katalysators kann insbesondere dann gewährleistet werden, wenn dieser
in den Abgaskrümmer
der Brennkraftmaschine integriert wird, da hier der Abgastrakt die höchsten Betriebstemperaturen
erreicht.
-
Beide
Maßnahmen
zur Beheizung können auch
kombiniert werden, so dass in einer Startphase die elektrische Heizeinrichtung
für die
schnelle Erwärmung
des Katalysators sorgt, während
nach längerem
Betrieb die benötigte
Temperatur mittels der Abwärme
das Abgastrakts geliefert wird. Um eine Überhitzung des Katalysators
und damit eine schlechte Reinigungswirkung zu verhindern, kann darüber hinaus
vorgesehen sein, dass die thermische Koppelung mit dem Abgastrakt
bzw. dem Abgaskrümmer
der Brennkraftmaschine variabel steuerbar bzw. auch völlig auftrennbar
ist. Auf diese Weise kann die Oxidationswirkung des Katalysators
in idealer Weise reguliert und optimiert wer den, ohne dass zusätzliche
Maßnahmen
zur Beheizung notwendig sind, die eine zusätzliche Energiezufuhr erfordern
würden.
-
Als
Katalysatoren eignen sich vorzugsweise solche aus Metall bzw. solche
mit einer Edelmetallbeschichtung.
-
Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Nachbehandlung von ölhaltigen
Blow-by-Gasen einer
Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 9 ist vorgesehen, dass die Blow-by-Gase mittels
einer innerhalb der Entlüftungsleitung
angeordneten Reinigungsvorrichtung katalytisch gereinigt werden.
Die Blow-by-Gase werden insbesondere mittels eines Oxidationskatalysators
gereinigt bzw. oxidiert. Auf diese Weise werden unerwünschte Öl- und Kohlenwasserstoffanteile
im Kurbelgehäusegas
weitgehend reduziert, bevor dieses zur motorischen Verbrennung dem
Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Die Kohlenwasserstoffanteile
werden mit Hilfe des Katalysators in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.
Die Nachbehandlung bzw. Reinigung der rückgeführten Blow-by-Gase kann verhindern,
dass die motorische Verbrennung bzw. das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine
durch zu hohe Kohlenwasserstoff- bzw. Ölaerosolanteile negativ beeinflusst
werden kann. Zudem kann mit der Reinigung die Bildung von unerwünschten
Ablagerungen im Ansaugtrakt, in einer Verdichterstufe eines Abgasturboladers
sowie ggf. in einem Ladeluftkühler
verhindert werden.
-
Die
Effektivität
der katalytischen Reinigung kann weiter dadurch erhöht werden,
dass der Oxidationskatalysator bedarfsweise beheizt wird. Diese
bedarfsweise Beheizung kann bspw. mittels einer elektrischen Heizeinrichtung
und/oder durch eine thermische Koppelung mit einem Abgastrakt der
Brennkraftmaschine erfolgen. Mit der Beheizung wird insbesondere
erreicht, dass der Katalysator die für die Reinigungswirkung erforderliche
Betriebstemperatur erreicht. Zudem erreicht er diese Betriebstemperatur unmittelbar
nach dem Starten der Brennkraftmaschine.
-
Weitere
Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus
der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und
auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug nimmt. Dabei zeigt:
-
1 eine
erste Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung
von Kohlenwasserstoffanteilen eines ölhaltigen Gasgemischs einer
Brennkraftmaschine und
-
2 eine
zweite Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
Die 1 und 2 zeigen
jeweils in schematischen Detailschnittdarstellungen verschiedene Varianten
der Reinigungsvorrichtung. Dargestellt ist jeweils ein Teil einer
Brennkraftmaschine 10, die einen Ansaugtrakt 12 zur
Zufuhr von Verbrennungsluft 14 zu wenigstens einem Brennraum 16 sowie
einen Abgastrakt 18 zur Ableitung von Abgasen 20 aus dem
Brennraum 16 aufweist. Der Gaswechsel im Brennraum 16 wird
in bekannter Weise mittels Gaswechselventilen gesteuert, die in
einem Zylinderkopf 22 der Brennkraftmaschine 10 angeordnet
sind. Der notwendige Brennstoff wird über einen in den Brennraum 16 mündenden
Injektor 17 eingebracht, der ebenfalls im Zylinderkopf 22 angeordnet
ist. Die Brennkraftmaschine 10 arbeitet nach dem bekannten Viertakt-Verfahren
und wird im gezeigten Ausführungsbeispiel
mit einem selbstzündenden
Arbeitsverfahren (Diesel-Verfahren) betrieben. Für die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Reduzierung der Kohlenwasserstoffanteile im Kurbelgehäusegas (sog.
Blow-by-Gas) ist das Arbeitsverfahren der Brennkraftmaschine 10 zwar
grundsätzlich
von untergeordneter Bedeutung, doch besteht die Problematik der
aus dem Brennraum 16 in das Kurbelgehäuse 24 dringenden
Blow-by-Gase besonders ausgeprägt
bei hoch aufgeladenen Diesel- und Benzin-Brennkraftmaschinen. Insbesondere
verursachen die ölhaltigen
Blow-by-Gase unerwünschte Verschmutzungen
und Funktionsstörungen
in Turboladern durch die hohen Verdichtungstemperaturen von über 200 °C.
-
Eine
aus dem Kurbelgehäuse 24 der
Brennkraftmaschine 10 führende
Entlüftungsleitung 26 leitet ölhaltige
und kohlenwasserstoffhaltige Brenngase bzw. Blow-by-Gase 32 aus
dem Kurbelgehäuse 24, welche
bei jedem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine 10 an den
Kolbenringen 28 der oszillierenden Kolben 30 vorbei
in den Kurbelraum des Kurbelgehäuses 24 gelangen.
Da diese Kurbelgehäuse-
bzw. Blow-by-Gase 32 aufgrund ihres hohen Schadstoffanteils
nicht einfach in die Atmosphäre
abgelassen werden können,
werden sie bei bekannten Brennkraftmaschinen entweder direkt dem
Abgastrakt mit den darin angeordneten katalytischen Reinigungsvorrichtungen
oder in weitgehend ungereinigter Form bzw. nur mechanisch gereinigt
dem Ansaugtrakt zugeführt,
so dass sie wieder in den Brennräumen
verbrannt werden können.
-
Zur
Reinigung der Blow-by-Gase 32 werden diese gemäß vorliegender
Erfindung durch einen Oxidationskatalysator 34 geführt, der
innerhalb der Entlüftungsleitung 26 angeordnet
ist. In dem Oxidationskatalysator 34 werden die in den
Blow-by-Gasen 32 enthaltenen Kohlenwasserstoffe weitest
gehend zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser
(H2O) oxidiert, so dass die rückgeführten Gase
zu keinen unerwünschten
negativen Effekten bei der motorischen Verbrennung führen können. Zudem
wird durch die katalytische Reinigung verhindert, dass sich Ablagerungen innerhalb
der Entlüftungsleitung 26 und/oder
innerhalb des Ansaugtrakts 12 bzw. einer Mischkammer 36 (vgl. 2)
bilden können,
welche ebenfalls die motorische Verbrennung nachteilig beeinflussen oder
zumindest zu Nachteilen hinsichtlich der Strömungsverhältnisse im Ansaugtrakt 12 führen könnten.
-
Die
mittels des Oxidationskatalysators 34 nachbehandelten und
gereinigten Blow-by-Gase werden
in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Verdichterstufe 40 eines
Abgasturboladers 42 zugeführt. Die Verdichterstufe 40 wird
mittels einer Turbinenstufe 41 angetrieben, durch die das
verbrannte Abgas 20 der Brennkraftmaschine 10 zur weiteren
Nutzung der Abgasenergie geleitet wird. Die den Ladeluftkühler 44 passierende
Ansaugluft wird als Verbrennungsluft 14 dem Ansaugtrakt 12 zugeführt. Diese
Verbrennungsluft 14 enthält die nachbehandelten Blow-by-Gase,
die im Wesentlichen nur noch Kohlendioxid und Wasser enthalten.
Durch die katalytische Nachbehandlung der Blow-by-Gase im Oxidationskatalysator 34 wird
verhindert, dass sich Ablagerungen innerhalb der Verdichterstufe 40 des Abgasturboladers 42 und/oder
innerhalb des Ladeluftkühlers 44 bilden
können,
was sich auf die Funktions- und Lebensdauer dieser Teile nachteilig
auswirken könnte.
-
Als
Oxidationskatalysator 34 kommt vorzugsweise ein Metallkatalysator
in Frage, der bspw. eine aus Edelmetall bestehende bzw. damit beschichtete
Wabenstruktur aufweisen kann. Das Edelmetall, für das bspw. Platin in Frage
kommt, sorgt zudem dafür,
dass der Katalysator 34 eine gewisse Resistenz gegen Öladditive
und/oder Kraftstoffadditive aufweist. Damit der Oxidationskatalysator 34 überhaupt
seine notwendige Betriebstemperatur von typischer Weise mindestens
200 bis 250 °C
erreicht, wird er vorzugsweise extern beheizt. Hierzu kann bspw. eine
elektrische Heizeinrichtung 38 vorgesehen sein, welche
für eine
schnelle und dauerhafte Beheizung des Katalysators 34 sorgen
kann. Diese Variante der Beheizung ist in der 1 dargestellt.
-
Die 2 zeigt
eine alternative Möglichkeit der
Beheizung des Katalysators 34. Dieser kann bspw. thermisch
mit dem Abgastrakt 18 der Brennkraftmaschine 10 gekoppelt
sein, was durch eine Integration des Katalysators 34 im
Abgastrakt 18 angedeutet ist. Der Katalysator 34 kann
vorzugsweise an der heißesten
Stelle des Abgastrakts 18 angeordnet sein. Dies ist der
Abgaskrümmer,
unmittelbar hinter den Auslassventilen, der im Betrieb die höchsten Temperaturen
erreicht.
-
Bei
in 2 dargestellten Alternative handelt es sich um
eine nicht aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der die nachbehandelten
Blow-by-Gase direkt in eine Mischkammer 36 im Ansaugtrakt 12 geführt, und
dort der Verbrennungsluft 14 zugemischt werden.
-
Die
beiden in Verbindung mit den 1 und 2 beschriebenen
Varianten der zusätzlichen
Beheizung des Oxidationskatalysators 34 sind unabhängig davon
einsetzbar, ob es sich um aufgeladene oder nicht aufgeladene Brennkraftmaschinen
handelt und können
wahlweise auch kombiniert werden, so dass unmittelbar nach dem Start
der Brennkraftmaschine 10 zunächst die elektrische Heizeinrichtung 38 eingeschaltet
wird, wogegen nach einer gewissen Betriebsdauer die weitere Beheizung
ausschließlich mittels
der thermischen Koppelung des Katalysators 34 mit dem Abgastrakt 18 erfolgt,
da dieser erst einige Zeit nach dem Start die gewünschte Abwärme zur Beheizung
liefern kann. Ggf. kann es von Vorteil sein, wenn die thermische
Koppelung des Katalysators 34 mit dem Abgastrakt 18 bzw.
dem Abgaskrümmer
der Brennkraftmaschine 10 steuerbar- bzw. hinsichtlich der
optimalen Betriebstemperatur im Katalysator 34 regelbar
ist, so dass dieser nach länger
dauerndem Betrieb vor einer ungünstigen Überhitzung
bewahrt werden kann, welche zu einer Beschädigung oder zumindest zu einer
Verminderung der Reinigungswirkung führen kann.
-
Wahlweise
kann zusätzlich
zum Oxidationskatalysator 34 eine mechanische Abscheidevorrichtung
(nicht dargestellt) innerhalb der Entlüftungsleitung 26 vorgesehen
sein, die vorzugsweise stromaufwärts
des Katalysators 34 angeordnet ist. Ein solcher Abscheider
kann unter allen auftretenden Betriebsbedingungen für eine gewisse
Vorreinigung und Entfernung von ölhaltigen
Aerosolen im Blow-by-Gas 32 sorgen, was insbesondere unmittelbar
nach dem Start der Brennkraftmaschine 10 vorteilhaft sein kann.