DE2952900C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem für einen Dieselmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Größere Gebäude sind oftmals mit dieselmotorangetriebenen Notstromaggregaten oder Notstromgeneratoren ausgestattet, die im Notfall, z. B. bei Ausfall des Stromnetzes, elektrischen Strom liefern. Um sicherzustellen, daß die Notstromaggregate oder -generatoren im Notfall störungsfrei arbeiten, ist es erforderlich, diese von Zeit zu Zeit versuchs- oder probe­ weise zwecks Überprüfung ihrer einwandfreien und zuverläs­ sigen Funktion laufen zu lassen. Da hierbei die Dieselmoto­ ren nicht belastet sind, erzeugen sie größere Mengen an Rauch, zusammen mit schädlichen Gasen wie Kohlenmonoxid und Kohlen­ wasserstoffen, die in Form übelriechender Abgase ausgestoßen werden. In einigen Fällen werden diese Abgase durch einen Ab­ zugskanal in die Atmosphäre oder Außenluft abgelassen, der nur wenige Meter oberhalb des Erdbodens mündet. Hierbei stel­ len Rauch und Gase nicht nur eine Ursache der Umweltver­ schmutzung dar, sondern legen sich in unansehnlicher Weise über Straßen und Wege und wirken auf Passanten geruchsbe­ lästigend und übelkeitserzeugend.

Für Dieselmotore, die insbesondere in Verbindung mit Bau­ stellengeräten bei Tunnelbauarbeiten eingesetzt werden, sind bereits Abgasreinigungssysteme verschiedener Arten verwendet worden, z. B.

• a) Systeme, bei denen in der Abgasleitung Rauchentfernungs­ einrichtungen, z. B. Zyklone, und katalytische Umwandler vorgesehen sind, und
• b) Systeme, bei denen das Abgas in Wasser eingeblasen wird oder ein katalytischer Umwandler mit einer Rauchent­ fernungseinrichtung von der Art eines Wäschers kombiniert ist, in dem Wasser atomisiert und in das Abgas einge­ sprüht wird.

Die nach dem Trägheitsprinzip funktionierenden Staubsammler, z. B. die Zyklone des Systems a), sind nur wirksam bei Staub­ teilchen einer bestimmten, mehrere Mikrometer übersteigenden Größe und nicht geeignet, die meisten im Abgas enthaltenen Staubteilchen und Rauchteilchen, die zu klein sind, aus dem Abgas zu entfernen. Hinzu kommt, daß bei längerem Betrieb die Kohlenstoffteilchen des Rauches auf der Oberfläche des Kata­ lysators des katalytischen Umwandlers abgelagert werden und dessen Funktion beeinträchtigen. Zur Wiederherstellung der Katalysatorfunktion muß der Katalysator auf mühsame und zeit­ raubende Weise alle zwei bis drei Monate aus dem System ent­ fernt und auf eine Temperatur zwischen 700 und 800°C erhitzt werden. Infolge des wiederholten Erhitzens wird die Katalysatorwirksamkeit beeinträchtigt, und es neigt die Kata­ lysatorsubstanz dazu, verformt und zerbrochen zu werden.

Die als Wäscher ausgebildeten Rauchentfernungseinrichtungen des Systems b) sind zwar zur Entfernung des Rauches geeignet, erzeugen jedoch größere Mengen an Wasserdampf, der in Form einer weißen Wolke in die Umgebung abgeblasen wird und die Sicht beeinträchtigt. Es sind verschiedene Instandhaltungs­ arbeiten wie das Ergänzen des Waschwasservorrats und das Aus­ tragen der abfließenden Flüssigkeit erforderlich. Zur voll­ ständigen Entfernung von üblen Gerüchen und schädlichen Gasen ist es erforderlich, die Auspuffgastemperatur am Katalysa­ toreinlaß zwischen 300 und 500°C zu halten. Das Waschen des Abgases senkt jedoch die Abgastemperatur, so daß es nicht zweckmäßig ist, den katalytischen Umwandler an der stromab­ wärts gelegenen Seite der Rauchentfernungseinrichtung einzu­ bauen.

Die DE-OS 22 54 895 beschreibt ein gattungsgemäßes Abgas­ reinigungssystem zum Entfernen von Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltigen Verbindungen aus Abgasen von Verbrennungs­ motoren wie den in Kraftfahrzeugen verwendeten, die z. B. mit Kohlenwasserstoffgasen, Benzin oder Dieseltreibstoff arbei­ ten. Zur Verbesserung der Abgasreinigung während des Anfangs­ betriebs eines kalten Motors werden die Abgase zu einem nahe zum Motor angeordneten Eingangskatalysator und durch einen nachgeschalteten Folgekatalysator geleitet. Vor dem Eintritt in den Eingangskatalysator werden die Abgase mit von außen zugeführtem Treibstoff wie Methanol und einem sauerstoffhalti­ gen Gas vereinigt. Hierdurch wird der Eingangskatalysator rasch auf eine zur Oxidation der Abgasbestandteile erforder­ liche Temperatur gebracht. Während des Anfangsbetriebs des Motors wird der Folgekatalysator von den heißen Gasen aus dem Eingangskatalysator, denen ebenfalls ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, aufgeheizt, so daß seine Wirksamkeit steigt. Das aus dem Folgekatalysator ausströmende Gas gelangt über eine Abgasleitung zur Atmosphäre. Am Ende der Anfangs­ betriebszeit von etwa 1¹/₂ bis 5 Minuten schließt ein Ventil den Eingang zum Eingangskatalysator und öffnet eine Umge­ hungsleitung, so daß die Mischung von Abgas aus dem Motor und der Sauerstoff direkt durch den Folgekatalysator strömt, der eine zur ausreichenden Oxidation des Abgasverunreinigun­ gen wirksame Arbeitstemperatur erreicht hat.

Bei einem System dieser Art ergeben sich die bereits erwähn­ ten Nachteile infolge der Ablagerung von Kohlenstoffteilchen des Rauches auf der Oberfläche des Katalysators, insbesondere wenn der Dieselmotor hauptsächlich nur zum kurzzeitigen Probelaufen in Betrieb genommen wird.

Die FR-Zusatz-OS 74 35 114 der Publikation 22 88 218 be­ schreibt ein selbstreinigendes Filter mit einem Filterbett aus feuerfestem Material, das zwischen einem Katalysator und dem Motor eines Automobils in eine Hauptabgasleitung so nahe wie möglich zum Motor angeordnet ist, um den Katalysator vor Verbrennungsrückständen oder Ruß zu schützen. Zum Verbrennen der im Filter zurückgehaltenen Rückstände wird der Eintritts­ seite des Filters ständig Frischluft zugeführt, die gegebe­ nenfalls in einem an der Austrittsseite des Filters vorge­ sehenen Wärmeaustauscher erwärmt worden ist.

Bei einem Dieselmotor, der von Zeit zu Zeit nur kurzzeitig laufengelassen wird und relativ selten seine Betriebstempe­ ratur erreicht, ist ein derartiges, vor dem Katalysator an­ geordnetes Filter weitgehend unwirksam, weil es die zum Ver­ brennen der angesammelten Rauchteilchen erforderliche Tempe­ ratur nicht erreicht und somit verstopft wird.

Die DE-OS 19 53 304 beschreibt ein Abgasfilter für Verbren­ nungskraftmaschinen aller Art, das möglichst nahe am Auslaß eines Motors im Abgasstrom einzuschalten ist, so daß es auf­ geheizt wird und eine Nachverbrennung von Abgasbestandteilen, insbesondere des Kohlenmonoxids erfolgt. Das Filter enthält Schichten aus Metallwolle, zwischen denen ein mit dünnen Me­ tallblechen von großer Oberfläche bestückter Reaktoreinsatz angeordnet ist.

Bei diesem Filter ergibt sich ebenfalls der Nachteil, daß es bei nur kurzzeitigem Laufenlassen des Motors nicht ausrei­ chend aufgeheizt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgasreinigungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, insbesondere für einen in einem Gebäude installierten Dieselmotor zum Entfernen von Rauchteilchen und schädlichen Abgasbestandtei­ len, die bei Probe- oder Versuchsläufen, d. h. unter last­ freien Bedingungen entstehen, in der Weise auszugestalten, daß die Wartungsarbeiten vereinfacht sind.

Bei einem gattungsgemäßen Abgasreinigungssystem für Dieselmo­ tore ergibt sich die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Abgasreinigungssystem weist einen Abgas­ vorerhitzer und ein hitzefestes Filter, z. B. ein Metallfaser­ filter auf. Das Abgas fließt zuerst durch das hitzefeste Fil­ ter, in dem die Rauchteilchen aufgefangen und entfernt werden. Das Abgas wird dann in einen katalytischen Umwandler geleitet, so daß die üblen Gerüche und schädlichen Gase ent­ fernt werden. In zusätzlicher Weise ist eine Regenerierungs­ einrichtung vorgesehen, in der das mit Rauchteilchen ver­ stopfte hitzefeste Filter regeneriert wird, so daß die War­ tungsarbeiten vereinfacht sind.

Das hitzefeste Filter ist in einer Abgasreinigungsleitung vorgesehen. Auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Filters ist eine Vorerhitzungseinrichtung für das Abgas angeordnet. Nachdem der im Abgas enthaltene Rauch von der Vorerhitzungs­ einrichtung getrocknet worden ist, werden die Rauchteilchen infolge der Filterwirkung des hitzefesten Filters mit Sicherheit aufgefangen und entfernt.

Das hitzefeste Filter ist in einer Kammer untergebracht, die mit einem Wäscher versehen ist, der die Regenerierung des mit den Rauchteilchen verstopften hitzefesten Filters erleich­ tert. Das Austragen der Abflußflüssigkeit wird durch einen Absetztank erleichtert, der die in der abfließenden Flüssig­ keit enthaltenen Rauchteilchen vom Wasser trennt.

An Hand der Fig. 1, die ein schematisches Diagramm einer bevor­ zugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungs­ systems zeigt, wird die Erfindung näher erläutert.

Eine Hauptabgasleitung 1 führt von einem Dieselmotor zu einem Abzugskanal. In der Hauptabgasleitung 1 ist eine Hauptsperr­ klappe 2 vorgesehen. Von dem stromaufwärts der Hauptsperr­ klappe 2 gelegenen Teil der Hauptgasleitung 1, gesehen in Strömungsrichtung des Abgases, führt eine Abgasreinigungsleitung 3 als Zweigleitung zu einer nachfol­ gend beschriebenen Anordnung. Die Abgasreinigungsleitung 3 enthält eine Sperrklappe 4. Bei dieser Anordnung kann durch entsprechen­ des Öffnen und Schließen der Sperrklappe 4 und der Hauptsperrklappe 2 die Abgasleitung derart geschaltet werden, daß das Abgas entweder di­ rekt durch die Hauptabgasleitung 1 oder durch die Abgasreinigungsleitung 3 führbar ist.

Ein in der Abgasreinigungsleitung 3 vorgesehenes Gebläse 5 ist dazu aus­ gelegt, den Druckabfall des Abgases zu kompensieren, wenn dieses durch die Abgasreinigungsleitung 3 fließt. In der Leitung 3 ist ein hitzefestes Fil­ ter 6 vorgesehen, während auf der stromaufwärts gelegenen Seite des hitzefesten Filters 6 eine Vorerhitzungseinrichtung oder ein Brenner ange­ ordnet ist, so daß das Abgas vor dem Eintreten in das hitzefeste Filter 6 erhitzt wird. Das hitzefeste Filter 6 ist aus Metallfasern hergestellt. Ins­ besondere besteht dieses hitzefeste Filter 6 aus verschiedenen Arten von Metallfasern mit verschiedenen Faserdurchmessern, welche der Teil­ chengrößenverteilung der Rauchteilchen entsprechen. Diese Metallfasern mit verschiedenen Faserdurchmessern sind in Form aufeinandergelegter, laminierter Schichten angeordnet, so daß sich insgesamt eine zylindrische Form ergibt.

Das hitzefeste Filter 6 ist mit einem Wäscher 8 versehen, der im hitze­ festen Filter 6 angeordnet ist. Der Wäscher 8 besteht aus einem Ultra­ schallwäscher oder einer Hochdruckeinspritzdüse. Das hitzefeste Fil­ ter 6 ist insgesamt in einer Kammer 9 untergebracht, die zum Aufbewah­ ren oder Speichern des Waschwassers konstruiert und ausgebildet ist. Das Waschwasser wird in die Kammer 9 durch ein Ventil 10 eingeführt und danach in der Kammer 9 gespeichert.

Eine mit der Hauptabgasleitung 1 über eine Sperrklappe 11 verbundene Trockenleitung 12 und eine mit der Hauptabgasleitung 1 über ein Ventil 13 verbundene Leitung 14 zweigen an der Auslaßseite des hitzefesten Fil­ ters 6 der Abgasreinigungsleitung 3 ab. Die Leitung 14 stellt einen strom­ abwärts gelegenen Teil oder eine Fortsetzung der Abgasreinigungslei­ tung 3 dar und ist mit einem katalytischen Umwandler 15 versehen, der zum Entfernen des Geruchs und der schädlichen Gase aus dem Abgas aus­ gebildet ist. Der katalytische Umwandler 15 enthält einen in einer Kam­ mer 17 untergebrachten Katalysator 16.

Das Ende der Leitung 3, das an der stromabwärts gelegenen Seite der Abzweigung der Leitung 14 liegt, mündet direkt in einen Absetz­ tank 18. Bei dieser Anordnung wird beim Öffnen eines am Ende der Lei­ tung 3 vorgesehenen Ventils 19 das in der Kammer 9 befindliche Wasch­ wasser direkt in den Absetztank 18 abgelassen.

Durch ein am Absetztank 18 vorgesehenes Ventil 20 läßt sich die im Ab­ setztank 18 befindliche überstehende Flüssigkeit beim Öffnen des Ventils 20 in einen Abguß ablassen.

Vom Boden des Absetztanks 18 führt eine Rückführleitung 21 zum Brenner 7. Die im Absetztank 18 abgetrennten und getrockneten Rauchteilchen (Kohlenstoffteilchen) werden über eine Sperr­ klappe 22 und einem Gebläse 23 dem Brenner 7 zugeführt und verbrannt. Das äußerste Ende der Rückführleitung 21 ist über eine Sperrklappe 24 mit der Leitung 12 verbunden, so daß die Kohlenstoffteilchen, falls erwünscht oder zweckmäßig, auch direkt dem Abzugskanal zugeführt werden können.

Das erfindungsgemäße Abgasreinigungssystem vorstehend beschriebener Bauweise funktioniert wie nachstehend erläutert.

Soll zwecks Überprüfung einer Notstromversorgungsquelle der Dieselmotor laufengelassen werden, dann werden nur die Sperrklappe 4 und das Ven­ til 13 geöffnet, während die anderen Ventile und Sperrklappen alle ge­ schlossen bleiben. Das vom Dieselmotor abgegebene Abgas oder Aus­ puffgas wird durch die Sperrklappe 4 in die Abgasreinigungsleitung 3 ge­ leitet. Nach Beschleunigung durch das Gebläse 5 wird das Abgas der Vor­ erhitzungseinrichtung 7 zum Vorerhitzen zugeführt. Das vorerhitzte Ab­ gas wird dann durch das hitzefeste Filter 6 geleitet. In diesem Fall ist die Temperatur des beim Laufen des Dieselmotors ohne Belastung abgege­ benen Abgases relativ niedrig (etwa 100°C) und im Brennstoff enthaltene, nicht verbrannte Substanzen haften an den Rauchteilchen, wodurch diese klebrig werden. Bei der Erfindung werden jedoch die unverbrannten Sub­ stanzen vollkommen von der Vorerhitzungseinrichtung 7 verbrannt und zu weniger klebrigen Kohlenstoffteilchen umgewandelt. Es ist somit möglich, den Anstieg des Druckabfalls des Abgases beim Durchlaufen des hitzefe­ sten Filters 6 zu unterdrücken, wobei der Druckabfall auf das Auffangen der Rauchteilchen durch das hitzefeste Filter 6 zurückzuführen ist. Aus diesem Grund ist es möglich, die Zeitdauer bis zum Verstopfen des Fil­ ters 6 mit Rauchteilchen zu verlängern. Gleichzeitig wird die Regenerie­ rung (das Waschen) des Filters 6 erleichtert.

Um das Verbrennen der an den Rauchteilchen haftenden, unverbrannten Substanzen, sowie auch das Verbrennen des Brennstoffes zu gewährleisten, wird der Vorerhitzungseinrichtung 7 von einem Gebläse 23 Verbrennungs­ luft zugeführt.

Da das hitzefeste Filter 6 aus metallischen Fasern besteht, wird es auch dann überhaupt nicht beschädigt, wenn es dem wiedererhitzten Abgas aus­ gesetzt ist, dessen Temperatur gut 400°C erreicht. Weil zusätzlich das Auffangen der Rauchteilchen von der Filterwirkung des Filters 6 abhängt, ist es möglich, auch kleine Rauchteilchen aufzufangen und zu entfernen.

Das durch das hitzefeste Filter 6 geleitete Abgas wird über die Leitung 14 in den katalytischen Umwandler 15 eingeführt und schließlich über den Ab­ zugskanal an die Atmosphäre oder Außenluft abgegeben.

Da die Abgastemperatur von der Vorerhitzungseinrichtung 7 in genügen­ der Weise erhöht wird, ist der Katalysator 16 des katalytischen Umwand­ lers 15 in genügender Weise aktiviert, um üble Gerüche und schädliche Gase aus dem Abgas wirksam zu entfernen. Hinzu kommt, daß die Rauch­ teilchen vom hitzefesten Filter 6 in genügender Weise aus dem Abgas ent­ fernt worden sind, so daß ein Haften der Rauchteilchen am Katalysator 16 verhindert wird, wodurch eine lange Betriebsdauer des katalytischen Um­ wandlers gewährleistet wird, während gleichzeitig eine Beeinträchtigung der katalytischen Funktion vermieden wird.

Soll dagegen das hitzefeste Filter 6 regeneriert werden, dann wird das Ventil 10 geöffnet, um das Waschwasser in die Kammer 9 einzulassen und der Wäscher 8 betätigt, um die Rauchteilchen vom hitzefesten Filter 6 wegzuspülen. Danach wird das Ventil 19 geöffnet, um nach dem Waschen das Waschwasser in den Absetztank 18 abzulassen. Dieser Vorgang wird drei- bis viermal wiederholt, um das hitzefeste Filter 6 ausreichend zu waschen und zu regenerieren. Die im Absetztank 18 befindliche Flüssigkeit scheidet sich im Verlauf von einigen Stunden in Wasser und Kohlenstoff­ teilchen, weil sich die schwereren Rauchteilchen absetzen. Das abgetrenn­ te, überstehende Wasser wird dann beim Öffnen des Ventils 20 in den Ab­ guß abgelassen.

Es ist auch möglich, das hitzefeste Filter 6 sofort zu trocknen, indem lediglich die Sperrklappe 11 geöffnet und vom Gebläse 23 Heißluft über die Vorerhitzungseinrichtung 7 in die Kammer 9 eingeführt wird. In ähn­ licher Weise ist es auch möglich, die am Boden des Absetztanks 18 ange­ sammelten Rauchteilchen nach Entfernen des überstehenden Wassers schnell zu trocknen, indem die Heißluft über das Ventil 19 in den Absetz­ tank 18 eingelassen wird.

Die im Absetztank 18 befindlichen, getrockneten Rauchteilchen lassen sich von der Saugwirkung des Gebläses 23 durch die Rückführleitung 21 ansaugen und dem Brenner 7 zuführen, wobei sie voll­ kommen verbrannt werden. Das entstehende Gas wird dann über die Lei­ tung 12 und die Hauptabgasleitung 1 abgelassen.

In Notfällen läuft der Dieselmotor bei seiner Nennbelastung. Das bei der vorgesehenen Belastung des Dieselmotors abgegebene Abgasvolumen ist etwa zehnmal größer als dasjenige, das beim Laufen des Dieselmotors ohne Belastung erzeugt wird. In diesem Fall wird die Hauptsperrklappe 2 geöffnet, um das direkte Ablassen der Abgase durch die Hauptabgaslei­ tung 1 zu gestatten. In diesem Fall werden zwar Rauch und schädliche Ga­ se aus dem Abgaskanal, dessen Öffnung nicht weit oberhalb des Erdbodens liegt, in die Atmosphäre abgelassen. Dies dürfte jedoch zulässig und an­ nehmbar sein, weil ein derartiger Betrieb nur im Notfall stattfindet.

Claims (6)

1. Abgasreinigungssystem für einen Dieselmotor, mit

• - einer Hauptabgasleitung, die vom Dieselmotor zu einem Ab­ zugskanal führt,
• - einer in der Hauptabgasleitung vorgesehenen Hauptsperr­ klappe,
• - einer Abgasreinigungsleitung, die sich zwischen einer stromaufwärts von der Hauptsperrklappe liegenden Abzwei­ gung und einer stromabwärts liegenden Abzweigung der Hauptabgasleitung erstreckt, so daß durch entsprechendes Öffnen oder Schließen der Hauptsperrklappe das Abgas ent­ weder direkt durch die Hauptabgasleitung oder durch die Abgasreinigungsleitung führbar ist,
• - einem in der Abgasreinigungsleitung vorgesehenen kataly­ tischen Umwandler zum Entfernen von schädlichen Gasen und
• - Erhitzungseinrichtungen zum Aktivieren des Katalysators,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenner (7) zum Vorer­ hitzen des Abgases und Aktivieren des Katalysators (16), ein hitzefestes Filter (6) zum Auffangen und Entfernen von Rauch­ teilchen, das mit einem Wäscher (8) zum Regenerieren des mit Rauchteilchen verstopften Filters (6) versehen ist, und der katalytische Umwandler (15) in der angegebenen Reihenfolge in der Abgasreinigungsleitung (3, 14) vorgesehen sind.

2. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im hitzefesten Filter (6) angeordnete Wäscher (8) aus einem Ultraschallwäscher oder einer Hochdruckeinspritzdüse besteht.

3. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das hitze­ feste Filter (6) in einer zum Speichern von Wasser geeigneten Kammer (9) untergebracht ist.

4. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absetztank (18) vor­ gesehen ist, in den das in der Kammer (9) befindliche Wasch­ wasser abgelassen werden kann.

5. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Absetztank (18) mit einer davon abzweigenden Rückführleitung (21) zum Brenner (7) versehen ist, so daß die abge­ trennten und getrockneten Rauchteilchen verbrannt werden.