DE102004004956A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Nachbehandlung von ölhaltigen Blow-by-Gasen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Nachbehandlung von ölhaltigen Blow-by-Gasen einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von ölhaltigen Blow-by-Gasen, die über eine Entlüftungsleitung aus dem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine abgeführt und in deren Ansaugtrakt zurückgeführt werden. Es ist vorgesehen, dass innerhalb der Entlüftungsleitung (26) eine katalytische Reinigungsvorrichtung zur Nachbehandlung der Blow-by-Gase (32) angeordnet ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Nachbehandlung von ölhaltigen Blow-by-Gasen, die über eine Entlüftungsleitung aus dem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine abgeführt und zu deren Ansaugtrakt zurückgeführt werden, wobei die Blow-by-Gase (32) mittels einer innerhalb der Entlüftungsleitung (26) angeordneten Reinigungsvorrichtung katalytisch gereinigt werden.

Description

  • 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.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur Nachbehandlung von ölhaltigen Blow-by-Gasen, die über eine Entlüftungsleitung aus dem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine abgeführt und in deren Ansaugtrakt zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entlüftungsleitung (26) eine katalytische Reinigungsvorrichtung zur Nachbehandlung der Blow-by-Gase (32) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Reinigungsvorrichtung einen Oxidationskatalysator (34) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kurbelgehäuseentlüftungsleitung (26) zusätzlich eine mechanische Ölabscheidevorrichtung angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölabscheidevorrichtung stromaufwärts der katalytischen Reinigungsvorrichtung angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) beheizbar ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) eine elektrische Heizeinrichtung (38) aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) in Wärme leitender Verbindung mit einem Abgastrakt (18) der Brennkraftmaschine (10) steht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) in den Abgastrakt (18) der Brennkraftmaschine (10) integriert ist.
  9. Verfahren zur Nachbehandlung von ölhaltigen Blow-by-Gasen, die über eine Entlüftungsleitung aus dem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine abgeführt und zu deren Ansaugtrakt zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Blow-by-Gase (32) mittels einer innerhalb der Entlüftungsleitung (26) angeordneten Reinigungsvorrichtung katalytisch gereinigt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blow-by-Gase (32) mittels eines Oxidationskatalysators (34) gereinigt bzw. oxidiert werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) beheizt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) elektrisch beheizt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) mittels der Abwärme eines Abgastrakts (18) der Brennkraftmaschine (10) beheizt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Oxidationskatalysator (34) durch Regelung einer Heizeinrichtung (38) und/oder einer thermischen Koppe lung mit dem Abgastrakt (18) der Brennkraftmaschine (10) geregelt wird.
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