DE102017128959B4 - Kombiniertes Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Abgasrückführung eines druckaufgeladenen Brennkraftmotors - Google Patents

Kombiniertes Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Abgasrückführung eines druckaufgeladenen Brennkraftmotors Download PDF

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Abstract

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 vorgereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass 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 wird, und 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.

Description

  • Die Erfindung betrifft 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.
  • Aus der WO 2014/175467 A1 ist es bekannt, den Abgasstrom einer Verbrennungsmaschine in einem zweistufigen Verfahren zu reinigen. Die Reinigungsstufen befinden sich im Abgasstrom hinter einem Abgasturbolader und einem Abgaskühler.
  • Die KR 10 0 999 646 B1 beschreibt eine Abgasrückführungsanordnung, bei welcher ein Kühler für das rückgeführte Abgas auf dessen Niederdruckseite vor einem Filter angeordnet ist.
  • Die DE 10 2009 032 086 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Reinigen einer Katalysatoranordnung eines Kraftfahrzeugs. Der Katalysator wird mit Überdruck entgegen der üblichen Abgasströmung beaufschlagt. Der sich aufbauende Überdruck wird spontan abgelassen, wodurch sich Ablagerungen lösen und ausgetragen werden.
  • 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 beschrieben. Das Abgas strömt durch einen rohrförmigen Einlass in einem im Querschnitt sternförmigen Raum ein, in dem eine Sprühbehandlung stattfindet und der mit einem an seinem unteren Ende vorgesehenen Reinigungsflüssigkeitsbad kommuniziert, dem eine weitere Sprühbehandlung zugeordnet ist. Der sternförmige Querschnitt führt zu einer Aufteilung des Volumenstroms in Teilströme.
  • Auch bei der Vorrichtung der WO 90/00437 wird der Abgas-Volumenstrom für eine Sprühbehandlung in Teilströme unterteilt. Diese Teilströme werden danach wieder zu einem Volumenstrom zusammengeführt und in einem Reinigungsbad zugeleitet. Dort werden die Abgase in Schaumblasen eingeschlossen, gereinigt und wieder freigegeben.
  • Der Nachteil dieser drei zuletzt 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.
  • Aus der DE 10 2008 041 530 A1 ist es bekannt, den Abgasstrom über einen Schüttschichtfilter zu leiten, um den Abgasstrom weitestgehend von Schwefeloxiden und Partikeln zu befreien. Der gesamte Abgasstrom wird anschließend einem Partikelfilter zugeführt. Das so gereinigte Abgas gelangt zu der SCR-Katalysatorstufe, in der die Stickoxide entfernt werden. Der Katalysator wird hier nicht durch die Katalysatorgifte beaufschlagt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, 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.
  • 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 Abgasleitung 20 in die Turbine 30a geführt, die über eine gemeinsame Welle den Verdichter 30b antreibt. Das Abgas verlässt die Turbine und wird in ein mit Kalkhydratgranulat gefülltes Schüttschichtfilter 40 geführt, in dem das Abgas weitestgehend von Schwefeloxiden und Partikeln befreit wird. Das so gereinigte Abgas verlässt das Schüttschichtfilter 40 und wird in einen Schornstein über ein Abgasrückführungsventil 50 geleitet. Die Abgasrückführluftmenge wird dem Abgasrückführungsventil 50 entnommen.
  • Dieses rückgeführte Abgas wird mittels der Rückführleitung 60 einem Abgaskühler 70 zugeführt, in welchem das Abgas gekühlt wird. Stromaufwärts des Abgaskühlers 70 wird das rückgeführte und gekühlte Abgas einem filternden Abscheider 80 zugeführt, in welchem die Partikel, die nicht in dem Schüttschichtfilter 40 abfiltriert wurden, nahezu vollständig abgeschieden werden. Das rückgeführte Abgas gelangt durch die Filtereintrittsöffnung 84 in die Partikelfeinreinigungsstufe 80.
  • Das partikelhaltige Abgas strömt durch die Filterelemente 81, wobei an der Oberfläche der Filterelemente 81 das Abgas von den Partikeln gereinigt wird, die an der Oberfläche der Filterelemente 81 zurückgehalten werden und dort einen Filterkuchen bilden. Die Filterelemente 81 sind an der Trennplatte 86 befestigt, die die Rohgaskammer 87 von der Reingaskammer 88 trennt. Der durch den Filterkuchen generierte Druckverlust der Partikelfeinreinigungsstufe 80 wird mittels Druckluft regeneriert, die einem Drucklufttank 82a entnommen wird und welche in die Filterelemente 81 durch ein Druckluftblasrohr 82b eingeblasen wird, wobei die Druckluft das Druckluftblasrohr 82b durch die Druckluftblasrohrstutzen 82c verlässt und zentriert in das Filterelement 81 eingeblasen wird. Durch die kurzzeitige und mit hoher Geschwindigkeit stattfindende Umkehrung der Strömungsrichtung wird der Filterkuchen abgeworfen und gelangt gravimetrisch in das Staubaustragsorgan 83.
  • Das so gereinigte Abgas 85 wird mittels eines Gebläses 90 der Verbrennungsluftleitung 120 zugeführt, welche die mittels des Verdichters 30b angesaugte und verdichtete Verbrennungsluft, die mittels des Ladeluftkühlers 110 abgekühlt wurde, enthält. Das gereinigte rückgeführte Abgas und die angesaugte Ladeluft werden vermischt und als Verbrennungsluft dem Motor zugeführt. Die Absperrklappe 100 verhindert bei Motorbetrieb ohne Abgasrückführung das Zurückschlagen von Motorabgas in den AGR-Pfad.

Claims (8)

  1. 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 vorgereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass 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 wird, und 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.
  2. Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführungsluftkühler (70) stromaufwärts der Partikelfeinreinigungsstufe (80) angeordnet ist.
  3. 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.
  4. Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführungsmenge mittels eines stufenlos regelbaren AGR-Verdichter (90) bestimmt wird.
  5. 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.
  6. Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Partikelfeinreinigungsstufe (80) abgeschiedene Filterstaub mittels einer Zellenradschleuse (83) aus der Partikelfeinreinigungsstufe (80) ausgeschleust wird und dem Reststoffsilo des Schüttschichtfilters (40) zugeführt wird.
  7. 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.
  8. Verfahren zur Reinigung von Motorabgas nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorabgas in einem Nasswäscher von Schwefeldioxiden und Partikeln gereinigt wird.
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