DE202008010121U1

DE202008010121U1 - Einrichtung zur Durchführung des Abgasreinigungsverfahrens (Dieselmotor)

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Publication number: DE202008010121U1
Application number: DE202008010121U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2018-07-30

Abstract

Einrichtung zur Verarbeitung der Abgase (Diesel) bestehend aus Rohrleitungen, Katalysatoren, Turbolader, etc. für Dieselmotoren, welche bei Kraftstoffverbrennung verschmutzte Gase (Ruß, NOx, CO, CnHm) mit einer vom Null abweichenden Energie (potenziell und kinetisch) erzeugen; besteht in Wechselwirkung von Abgasen und Katalysatoren.
1. Einrichtung unterscheidet sich dadurch, dass die entsprechenden Teile des Dieselmotors und dessen Abgasanlage (einschließlich Turbolader), welche mit Abgasen in Berührung kommen, sind zwecks des Umweltschutzes sowie der Erhöhung der spezifischen Leistung und Wirtschaftlichkeit mit einem Katalysator beschichtet sind oder sich aus den katalytisch aktiven Stoffen zusammensetzten.
Der auf den Schaufeln und an den Abgaskanal-Wänden vorhandene Katalysator lässt die Schadstoffe nachbrennen und den Einsatz eines Filters ausschließen.
2. Einrichtung unterscheidet sich vom P. 1 dadurch, dass die entsprechenden Teile der Verbrennungskammer des Dieselmotors (z. B. Zylinder-Kolben-Gruppe, Ventile) zwecks des Umweltschutzes sowie der Erhöhung der spezifischen Leistung und Wirtschaftlichkeit mit einem katalytisch aktiven Stoff beschichtet sind oder sich...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Umweltschutz sowie Eirichtung zur Verarbeitung von Dieselabgasen.
Ziel:
Entwicklung eines Gerätes zur katalytischen Verarbeitung von Abgasen zwecks einer Reduzierung der Schadstoffemission und Erhöhung der Sparsamlichkeit des Motors.
Stand der Technik:
Die Reduktion der Schadstoffemission wird durch den Einsatz optimaler Kraftstoff-Sauerstoff/Luft-Proportion sowie optimaler Temperaturverhältnisse innerhalb der Verbrennungskammer und am Katalysator erzielt.
Es sind katalytische Reaktoren bekannt, welche Keramik- oder Metallträger mit erforderlicher Katalysator-Beschichtung verwenden.
Jede Einrichtung besitzt ein Metallgehäuse (üblicherweise aus rostfreiem Stahl), welches eine einstückige Struktur aus Keramik oder rostfreiem Stahl enthält. Die Struktur wird mit einem erforderlichen Katalysator beschichtet.
Ein Katalysator oxydiert CO und CnHm, der andere reduziert NOx aus den Abgasen eines Dieselmotors.
Wegen seiner dünnen Wände ist der Keramikträger des Katalysators spröde und geneigt zu Vibrationen oder zum Schaden (Brechen) beim Rütteln.
Schäden, welche am Katalysator eintreten, können durch Schwingungseinflüsse oder Temperaturschock bei einem Kontakt mit Pfützenspritzern verursacht werden.
Ein Kfz-Katalysator erfüllt mehrere Funktionen. Er übernimmt nicht nur die chemische Reinigung, sondern auch Geräuschreduzierung und Bildung eines vorgesehenen Gegendruckes in der Abgasanlage.
Moderne katalytische Anlagen sichern einen effektiven Kontakt mit dem Katalysator durch den Einsatz von Einrichtungen mit großem hydraulischem Widerstand (Nennwert Re > 10000).
Die existierenden bekannten Typen von Katalysatoren haben ihre Nachteile, und zwar: hohen aerodynamischen Widerstand bei größeren Beanspruchungen, insbesondere im Falle einer zwei- oder mehrstufigen Reinigung. Der Durchflussquerschnitt der Kanäle bleibt im Laufe des Betriebs unverändert, deswegen ist die Wirbelbildung bei geringeren Durchflussmengen unzureichend, bei höheren Durchflussmengen ergibt sich überschüssiger Widerstand.
Daher wird ein Teil der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors zur überwindung des aerodynamischen Widerstandes der Katalysatorkonstruktion nutzlos ausgegeben, was eine wesentliche Reduktion der Motorleistung und -wirtschaftlichkeit mitbringt.
Bei Temperaturen unter optimalem Betriebstemperatur finden Verlangsamung und Verluste am Wirkungsgrad der katalytischen Reaktion statt.
Wenn die Reaktionstemperatur höher als der optimale Wärmezustand ist, kann der Katalysator sowie dessen Keramikträger beschädigt werden (z. B. Sinterung).
Der in verschiedenen Betriebsarten funktionierende Motor erzeugt Verbrennungsgase, welche unterschiedliche Temperaturen und chemische Zusammensetzungen haben.
Die Temperatur der Abgase ändert sich ebenfalls beim Durchlaufen durch das Auspuffsystem.
Im Moment gibt es keinen einheitlichen Katalysator, welcher die Reinigung der Diesel-Abgase von sämtlichen Schadstoffen ausführen würde, was eine Notwendigkeit bedingt, mehrstufige Reinigungsverfahren einzusetzen (z. B.: Bluetec für Mercedes-Benz, 3- bis 4-stufig).
Die z. Z. bestehenden Entwicklungsarbeiten (Abgasrückführung, alternative Kraftstoffarten usw.) können nur teilweise Lösungen für diese Problematik bieten, weil der Kraftstoff trotzdem fehlerhaft brennt und die Umwelt verschmutzt wird (CO, CnHm, NOx), d. h. der Einsatz eines Katalysators ist notwendig, welcher seinerseits Verluste an Leistung und Wirtschaftlichkeit durch hydraulische Widerstände mitbringt.
Bekanntes Patent ( DE 3929297 C2 ) bittet: Katalysator zur Reinigung von Abgasen insbesondere aus überstöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren und Gasturbinen aus einem einstückigen als Wabenkörper vorliegenden Abgasreinigungskatalysator, der in einem anströmseitigen Abschnitt einen Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden mittels Ammoniakgas und in einem abströmseitigen Abschnitt einen Oxidationskatalysator aufweist und als Beschichtung aus einem abströmseitigen Abschnitt eines als Vollextrudat Reduktionskatalysators aufgebracht ist.
Bei einer bekannten Erfindung ( DE 103 35 265 A1 ) enthalt ein Vorschalldämpfer mit Hydrolysekatalysator und ein Hauptschalldaempfer mit Oxidationskatalsator
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Aufgabe, eine neue Technologie für die katalytische Abgasanlage und für die Verbrennungskammer zu entwickeln, welche die o. e. Probleme zu lösen verhilft.
Der Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Abgasanlage ohne eine separate Katalysator-Einheit und einen separaten Schaldämpfer funktionieren kann; dabei wird die Qualität der katalytischen Reinigung aufrechterhalten und noch gebessert.
Die Erfindung minimiert die Leisutungsabsenkung des Motors in den Betriebsarten, welche erhöhte und maximale Leistung verlangen (Aufwärtsfahren, überholung usw.), und trägt somit zur Sicherheit, Wirtschaftlichkeit sowie zum Umweltschutz bei.
Ferner gewährleistet diese Erfindung eine qualitative Kraftstoffverbrennung bei Ausschließung der Extremtemperatur-Einheiten, was zur Reduzierung aller Schadstoffemissionen führt.
Beschreibung
1 – stellt eine der existierenden Variant der Abgasreinigung der Dieselmotoren (Bluetec-Mersedes).
2 – Stellt das vorgeschlagene system zur Abgasreinigung der dieselmotoren dar Volgende Beschreibungen beziehen sich auf das 2.
Teile des Motors und der Abgasanlage (inkl. Abgasturbolader (2, 3, 5, 6)), welche mit Abgasen in Berührung kommen, sind mit katalytisch aktiven Stoffen beschichtet (oder setzten sich aus diesen zusammen). Dies ermöglicht es, auf eine separate Katalysator-Einheiten (1., pp. 3, 4, 6) zu verzichten, die die Absenkung der Motorleistung verursacht, und die katalytische Reinigung ohne Leistungsverluste durch hydraulische Widerstände des Katalysators durchzuführen.
Dabei wird die Wahrscheinlichkeit mechanischer und chemischer Beschädigungen des Katalysators reduziert.
An den katalytischen Komponenten des Motors erfolgen Vermischung und wechselseitige Reaktion von Kraftstoff und Oxydator (z. B.: Dieselkraftstoff und Luft). Wände, Kolben und andere Teile des Motors sind mit Katalysator beschichtet oder setzen sich aus diesem zusammen.(1)
Dies erlaubt es, den Verbrennungsvorgang zu verbessern, ihn vollständiger und sparsame zu machen sowie Schadstoffemissionen (CO, CnHm, NOx, Ruß) zu reduzieren. Der Einsatz der Beschichtungen aus Katalysatoren (z. B. Oxydierungs- und anderen Katalysatoren) lässt die Bildung von Verbrennungsrückständen und sonstigen Ablagerungen auf der Oberfläche des Abgassystems sowie Abgasturboladers vermeiden. Dies erlaubt es, die Lebensdauer des Katalysators und Turboladers zu steigern sowie zum besseren Umweltschutz beizutragen.
Zur Kraftstoffersparung und Emissionsverringerung sowie zum Unterhalten der Betriebstemperatur des Katalysators wird elektrische Energie vom Generator, welcher durch den Turbolader angetrieben wird, verwendet.
Der katalytische Abgasturbolader arbeitet im Temperaturbereich, der optimal für die katalytische Reaktion ist (z. B. wird elektrisch aufgewärmt).
Die Verwendung unterschiedlich gerichteter Katalysatoren der Abgasanlage entlang erlaubt es, alle Schadstoffe aus den Auspuffgasen zu entfernen.
Z. B.: Zuerst wird der Kraftstoff am Oxydationskatalysator (2) oxydiert und anschließend, nach Zugabe eines Reduktionsmittels (8)[NH3, CO(NH2)2 usw.], werden Stickstoffoxyde (NOx) in dem Reduktionskatalyseabschnitt (6) entfernt.
Das Anschließen des Turboladers beispielsweise an einem Generator bzw. an einem anderen einstellbaren Widerstand lässt eine optimale Geschwindigkeit und einen optimalen Widerstand von Abgasströmen erreichen. Der Widerstand eines Generators bzw. sonstiger veränderlicher Widerstände wird zwecks der Erreichung eines optimalen Widerstandes im Auspuffsystem auf den Motorbetriebszustand angepasst.
Dies erlaubt es, die durch den Turbolader erzeugte Energie in entsprechenden Prozessen für die Verbesserung der Motorkennwerte einzusetzen.
Bekannt ist ein Verfahren zur Kühlung von Turbinenschaufeln (beweglichen oder feststehenden) mit Luft, welche durch die eingearbeiteten internen Kanäle zugeführt wird und aus den spezifischen Fenster-öffnungen hinaustritt ( RU 2 294 438 C2 ; FR 04 00289 ).
In dieser Erfindung wird durch die o. e. Kühlfenster, welche sich an den beweglichen bzw. feststehenden Schaufeln befinden, ein chemisches Medium/eine Mischung zur Reduktion der Schadstoffemission sowie zur gleichzeitigen Kühlung der Schaufeln zugeführt.(5).
Zum Beispiel: Ein Reagens zur Emissionsherabsetzung (z. B.: Harnlösung) wird durch die Fenster an den Schaufeln in der katalytischen Turbine und/oder vor dem Katalysator zugeführt, was eine optimale Vermischung bei einem minimalen Widerstand erreichen lässt. Dies erlaubt es, die Schadstoffemissionen zu verringern.
Die Verwendung dieser Erfindung erlaubt es, die Beschleunigungskennwerte des Motors bei dessen steigender Belastung (Anfahren, überholen usw.) zu verbessern. Dies trägt somit zur Reduktion der Störungshäufigkeit, Herabsetzung des Kraftstoffverbrauchs und dementsprechend zur Verringerung der Schadstoffemission bei.

1 – stellt eine der exisitierenden Varianten der Abgasreinigung der Dieselmotoren (BLUETEC-Merzedes)

1: Motor und Auspuffsystem
2: Turbolader
3: Oxidationskatalysator
4: DeNOx-Katalysator
5: Partikelfilter
6: SCR-Katalysator

2

2 – stellt das vorgeschlagene Einrichtung zur Verarbeitung von Abgasen dar (Dieselmotoren).

1: Motor mit katalytischen Kolben und Auspuffsystem
2: Turbolader mit Oxidationskatalysator.
3: Turbolader mit Oxidationskatalysator für niedrige Temperaturen.
4: Rußvernichter gemäß Pnkt. 10, 11, 12
5: Turbolader mit NOx-reduktionsagenteinführungssystem
6: Turbolader mit DeNOx-katalysator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3929297 C2 [0019]
- DE 10335265 A1 [0020]
- RU 2294438 C2 [0037]
- FR 0400289 [0037]

Claims

Einrichtung zur Verarbeitung der Abgase (Diesel) bestehend aus Rohrleitungen, Katalysatoren, Turbolader, etc. für Dieselmotoren, welche bei Kraftstoffverbrennung verschmutzte Gase (Ruß, NOx, CO, CnHm) mit einer vom Null abweichenden Energie (potenziell und kinetisch) erzeugen; besteht in Wechselwirkung von Abgasen und Katalysatoren. 1. Einrichtung unterscheidet sich dadurch, dass die entsprechenden Teile des Dieselmotors und dessen Abgasanlage (einschließlich Turbolader), welche mit Abgasen in Berührung kommen, sind zwecks des Umweltschutzes sowie der Erhöhung der spezifischen Leistung und Wirtschaftlichkeit mit einem Katalysator beschichtet sind oder sich aus den katalytisch aktiven Stoffen zusammensetzten. Der auf den Schaufeln und an den Abgaskanal-Wänden vorhandene Katalysator lässt die Schadstoffe nachbrennen und den Einsatz eines Filters ausschließen. 2. Einrichtung unterscheidet sich vom P. 1 dadurch, dass die entsprechenden Teile der Verbrennungskammer des Dieselmotors (z. B. Zylinder-Kolben-Gruppe, Ventile) zwecks des Umweltschutzes sowie der Erhöhung der spezifischen Leistung und Wirtschaftlichkeit mit einem katalytisch aktiven Stoff beschichtet sind oder sich aus solchem zusammensetzen. 3. Einrichtung unterscheidet sich von P. 1 und 2 dadurch, dass der Katalysator so ausgeführt ist, dass er zwecks des Umweltschutzes sowie der Erhöhung der spezifischen Leistung und Sparsamlichkeit des Diesel eine abweichende chemische Zusammensetzung in verschiedenen Abschnitten der Abgasabführungsbahn einschl. Verbrennungskammer aufweist, was dadurch bedingt ist, dass sich die Kennwerte der Gase im Laufe nach des Verbrennungsprozesses in Abgasabführungsbahnen ändern. 4. Einrichtung unterscheidet sich vom P. 1 dadurch, dass es für die Reinigung von diversen Verschmutzungskomponenten im Dieselmotor (z. B.: CO, CnHm gegen NOx) zwecks des Umweltschutzes sowie der Erhöhung der spezifischen Leistung und Sparsamkeit ein mehrstufige Reinigungsverfahren (Oxydation und Reduktion) verwendet wird, wozu verschiedene Turboladerstufen mit veschiedenen Katalysatoren beschichtet oder – im Falle meherer Turbolader – verschiedene Katalysatoren auf verschiedene Turbolader aufgetragen werden. 5. Einrichtung unterscheidet sich vom P. 1 dadurch, dass zwecks des Umweltschutzes sowie der Erhöhung der spezifischen Leistung und Wirtschaftlichkeit zur Verbesserung des Katalyse-Prozesses innerhalb der Abgasabführungsbahn des Dieselmotors eine Reihe diverser Verbesserungsteile (z. B.: Wirbelungseinsätze, Spezialform der Gasabführungsbahn, optimale Rauhigkeit sowohl der Wände, als auch des Turbinenrades des Turboladers usw.) implementiert wird. 6. Einrichtung unterscheidet sich vom P. 4 dadurch, dass zwecks des Umweltschutzes sowie der Erhöhung der Sparsamlichkeit des Dieselmotors der Turbolader einen einstellbaren Hydraulikwiderstand (z. B.: durch Anschluss am Generator oder an einem anderen einstellbaren Widerstand, Verwendung der Variabelwinkel-Schaufeln usw.) besitzt, was eine optimale Geschwindigkeit und einen optimalen Widerstand von Abgasströmen erreichen lässt. Der Widerstand des Generators usw. wird auf den Betriebszustand des Dieselmotors zwecks der Erreichung eines optimalen Widerstandes des Auspuffsystems angepasst. 7. Einrichtung unterscheidet sich vom P. 1 bis 5 dadurch, dass zwecks des Umweltschutzes, der Erhöhung der spezifischen Leistung sowie Sparsamkeit die Teile des Dieselmotors und/oder der Abgasanlage mit einem Katalysator mit integrierten Heizkühlanlage versehen sind, welche die Temperatur der Katalysatoren im optimalen Bereich halten. Der Betrieb der Heizkühlanlage wird durch ein intergriertes Kontroll- und Regelungssystem gewählt. 8. Einrichtung unterscheidet sich von P. 5 dadurch, dass zwecks Unterhaltung der Betriebstemperatur des Dieselmotor-Katalysators elektrische Energie verwendet wird, welche durch einen vom Turbolader angetriebenen Generator erzeugt wird, was es ermöglicht, vom überstöchiometrischen Motorbetrieb wegzugehen und im Endergebnis Kraftstoffersparung und Herabsenkung der Emissionen zu gewinnen. 9. Einrichtung unterscheidet sich vom P. 7 dadurch, dass zur Unterhaltung der Betriebstemperatur des Dieselmotor-Katalysators in die Abgase ein leicht oxydierbarer Kraftstoff und/oder Oxydationsmittel (z. B.: Propan und Luft) notwendigerweise hinzugefügt werden. 10. Einrichtung zur Entfernung des Rußes aus den Dieselmotor-Abgasen werden erforderliche Mengen vom Oxydant (z. B.: N2O4 u. a.) zugeführt. Der Oxydant dient zum Nachbrennen von Ruß und sonstigen Verschmutzungen bei untereren Temperaturen, was es erlaubt, auf den Rußfilter zu verzichten. 11. Einrichtung unterscheidet sich von P. 10 dadurch, dass der Abschnitt der Abgasabführungsbahn im Dieselmotor, in dem der zusätzliche Kraftstoff (Oxydationsmittel) verbrannt wird, als ein Brenner oder als eine ähnliche Einrichtung ausgeführt ist. Je nach Bedarf wird der Oxydant und/oder Kraftstoff in Stufen zugeführt. 12. Einrichtung unterscheidet sich dadurch, dass durch Kühlungsfenster auf den Schaufeln des Dieselmotor-Turboladers ein Medium/eine Mischung zur Verringerung der Schadstoffemission zugeführt wird, welche zu gleicher Zeit für Kühlung dient. 13. Einrichtung unterscheidet sich vom P. 12 dadurch, dass die Kühlkanäle, welche das Kühlmedium (Gas oder Flüssigkeit) auf den Dieselmotor-Turbolader zuführen, aus einem Katalysator gefertigt oder mit einem Katalysator beschichtet sind, welcher das Kühlmedium durch endotherme Reaktion verwandelt, was für eine bessere Kühlung sorgt.