DE3002871A1

DE3002871A1 - Verfahren zum reinigen der abgase einer verbrennungskraftmaschine und anordnungen zur durchfuehrung des verfahrens fuer den untertagebetrieb

Info

Publication number: DE3002871A1
Application number: DE19803002871
Authority: DE
Inventors: Martin 5300 Bonn Brunn
Original assignee: BRUNN GmbH and Co KG
Current assignee: BRUNN GmbH and Co KG
Priority date: 1980-01-28
Filing date: 1980-01-28
Publication date: 1981-07-30
Also published as: BE887246A; GB2068259A; ZA81557B

Description

Bezeichnung:

Verfahren zum Reinigen der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens für den Untertagebetrieb

Be Schreibung:__

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine, irisbesondere eines Dieselmotors im Einsatz untertage.

Beim Einsatz von Verbrennungskraftmaschinen/ insbesondere Dieselmotoren, werfen die von der Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgase eine Reihe von Problemen auf. So ist es beispielsweise im Steinkohlenbergbau aus Gründen der Schlagwettersicherheit unbedingt erforderlich, daß die Gase so weit abgekühlt werden, daß am Auspuffrohr eine Maximaltemperatur von etwa 150⁰C nicht überschritten wird. Darüber hinaus stellt für den Unter-

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tagebetrieb generell die von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Verlustwärme im Hinblick auf die Bewetterung ein weiteres Problem dar, da überschlägig in etwa 4 m³/h Luft pro installierte PS unter Tage zusätzlieh bereitgestellt werden müssen. Neben der Temperatur ergeben die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe, insbesondere die gasförmigen Schadstoffe, ein weiteres Problem, die mit Rücksicht auf die Arbeitsbedingungen des unter Tage arbeitenden Personals nach Möglichkeit weitgehend beseitigt werden sollten. Die Schlagwettersicherung wurde bisher dadurch bewerkstelligt, daß in das Abgasrohr Wasser eingespritzt wurde und daß die Abgase anschließend durch eine Wasservorlage geleitet wurden. Eine Abscheidung der gasförmigen Schadstoffe aus den Abgasen war hiermit jedoch kaum möglich. Der Nachteil der bekannten Verfahrensweise besteht außerdem darin, daß die bekannten Vorrichtungen wartungsaufwendig und störanfällig sind, einen großen Platzbedarf aufweisen und einige Schadstoffe, beispielsweise GO und CO₂ nicht beseitigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine bessere Reinigung der Abgase an Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere an Dieselmotoren möglich ist.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Abgase unter ihren Taupunkt abgekühlt und die anfallende Flüssigkeit und zumindest die in den Abgasen enthaltenen Feststoffteilchen abgeschieden werden. Neben dem sicherheitstechnischen Aspekt, daß nämlich bei einer derartigen Absenkung der Abgastemperatur die Schlagwettersicherheit einer Verbrennungskraftmaschine auf jeden Fall gegeben ist, ergibt sich als weiterer Vorteil die Möglichkeit, daß durch das auskondensierende, in den Abgasen enthaltene Wasser wenigstens ein Teil der gasförmigen, wasserlöslichen bzw. mit Wasser reagierenden Schadstoffe, in erster Linie die aus dem Kraftstoff stammenden Schwefelanteile und eine Reihe von Stickoxiden aus den Abgasen entfernt werden. Zusammen mit den anfallenden Flüssigkeitstropfen lassen sich wenigstens zu einem Teil auch in den Gasen enthaltene Feststoffteilchen, auch Rußteilchen abscheiden. Hierdurch ergibt sich schon eine erhebliche Verringerung der Schadstoffbelastung der Umgebung durch die Abgase. Eine Absenkung der Abgastemperatur auf etwa 130-150° C ist schon ausreichend.

Je nach der Menge der in den Abgasen enthaltenen wasserlöslichen bzw. mit Wasser reagierenden Schadstoffanteilen einerseits und der in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfmenge kann es zweckmäßig sein, zusätzlich in den Abgasstrom

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· Flüssigkeit, insbesondere Wasser, einzudüsen, um eine genügende Flüssigkeitsinenge für die Bindung der betreffenden Schadstoffanteile zur Verfügung zu haben- Ein zusätzlicher Vorteil bei der Eindüsung von Flüssigkeit in den Abgasstrom besteht zum einen in dem bekannten Kühleffekt, so daß die für die Abgaskühlung aufzubringende Kühlleistung etwas reduziert wird und zum anderen darin, daß durch die Erhöhung des Flüssigkeitsanteiles im Abgas der Abscheidegrad des einzusetzenden Flüssigkeitsabscheiders infolge Bildung größerer Flüssigkeitstropfen verbessert werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Abgase nach dem Abscheiden von Flüssigkeits- und Feststoffteilchen mit wenigstens einem Sorptionsmittel in Berührung gebracht werden, um weitere gasförmige Schadstoffe aus dem Abgas abzuscheiden. Bei Einsatz entsprechender Sorptionsmittel lassen sich hierdurch auch weitere, nicht wasserlösliche bzw. mit Wasser nicht reagierende gasförmige Schadstoffe aus den Abgasen entfernen. So lassen sich beispielsweise die im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoff-Verbindungen im Wege der Adsorption, beispielsweise durch den Kontakt mit Aktivkohle, weitgehend aus den Abgasen entfernen. CO und CO₂ lassen sich bei Verwendung entsprechender chemisch aktiver Stoffe, mit denen die Abgase in Berührung gebracht werden,

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im Wege der Chemosorption weitgehend aus den Abgasen entfernen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Kühlung der Abgase zumindest teilweise durch die Wärmetauscherfläche des Austreibers einer Absorptions-Kältemaschine erfolgt. Zweckmäßig ist es, wenn die Abgase mit wenigstens einem Teil des in der Absorptions-Kältemaschine erzeugten Kältestromes unter ihren Taupunkt abgekühlt werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß für die Erzeugung der zur Abkühlung der Abgase erforderlichen "Kälte" keine zusätzliche Energie benötigt wird, sondern daß die in den heißen Abgasen enthaltene Verlustwärme zur Erzeugung von Kälteenergie herangezogen wird und durch den Wärmeentzug im Austreiber bereits eine Abkühlung der Abgase bewirkt wird. Mit Hilfe dieser Verfahrensweise ist es möglich, die bei einem gegebenen Lastzustand, beispielsweise mit einer Temperatur von 430° C anfallenden Abgase entsprechend abzukühlen. Darüber hinaus kann mit wenigstens einem Teil des in der Absorptions-Kältemaschine erzeugten Kältestromes, wobei hier auch eine lastabhängige Regelung des für die Kühlung der Abgase benötigten Kältestromes möglich ist, eine weitere Temperaturabsenkung der Abgase, beispielsweise auf 65° C und weniger erreicht werden. Hierdurch ist sichergestellt, daß die verwen-

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deten Sorptionsmittel durch zu hohe Temperaturen nicht zerstört oder thermisch zersetzt werden. Außerdem besteht hierdurch die Möglichkeit, die Abgastemperatur, ggf. durch entsprechende Regelung, so einzustellen, daß die günstigste Reaktionsteraperatur, beispielsweise bei einer Chemosorption im Filterbereich eingestellt ist. Dies sollte bei fester Temperatureinstellung mindestens für den Hauptlastbereich des Motors gegeben sein.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens an einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Dieselmotor und ist dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine mit einem Flüssigkeitsabscheider in Verbindung stehende Kühlfläche angeordnet ist, die mit wenigstens einem Kühlmittelkreislauf verbunden ist. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß das sich zumindest auf einen Teil der Kühlfläche bildende Kondensat aus dem Gasstrom entfernt wird. Bei der Anordnung mehrerer getrennter Kühlflächen können unterschiedliche Kühlmittelkreisläufe, ggf. mit verschiedenen Kühlmitteln, beispielsweise Wasser und Kältemittel vorgesehen werden. Hierbei liefert beispielsweise ein Kühlmittelkreislauf eine "Grundlast", während der zweite und ggf. weitere Kreislauf zur Regelung der Abgastem-

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eingesetzt werden können. Bei entsprechender Ausbildung des Flüssigkeitsabscheiders können zusammen mit den im Gas enthaltenen Flüssigkeitsteilchen auch Feststoffteilchen, beispielsweise Rußteilchen, aus dem Abgas entfernt werden, so daß etwa nachgeschaltete Sorptionsfilter nicht durch Flüssigkeit und/oder Ruß verunreinigt werden. Dadurch, daß entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung die Kühlflächen an einen Kältemittelkreislauf einer Absorptionskältemaschine angeschlossen sind, läßt sich eine hohe, ggf. regelbare Kühlleistung bei kleinem Raumbedarf erzielen. Dies erlaubt es, eine derartige Anordnung auch bei einem durch eine Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Fahrzeug, beispielsweise einer Untertage-Lokomotive oder dergleichen ohne Verlust an Wellenleistung vorzusehen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in Strömungsrichtung der Gase gesehen zumindest vor dem Flüssigkeitsabscheider eine Düsenanordnung zum Einsprühen einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, angeordnet ist. Die Eindüsung von zusätzlicher Flüssigkeit in den Abgaskanal ist dann zweckmäßig, wenn der Wasserdampfgehalt in den Abgasen nicht ausreicht, um die wasserlöslichen bzw. mit Wasser reagierenden gasförmigen Schadstoffe des Abgases im gewünschten Maße zu entfernen. Die Vernebelung von

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Wasser im Abgaskanal hat hierbei den Vorteil, daß neben einer entsprechenden Temperaturabsenkung auch die Aufnahme dieser Abgasbestandteile verbessert wird. Da ohnehin die im Flüssigkeitsabscheider aus dem Abgasstrom abgetrennte Flüssigkeit gesammelt werden muß und insbesondere bei der Eindüsung von zusätzlicher Flüssigkeit, insbesondere Wasser, beispielsweise das Lösungsvermögen der vorhandenen Flüssigkeitsmenge für die abzuscheidenden Schadstoffe nicht voll ausgeschöpft wird, ist es zweckmäßig, mit Hilfe einer Pumpe die im Flüssigkeitssammelraum des Flüssigkeitsabscheiders aufgefangene Flüssigkeit im Kreislauf über die Düsenanordnung wieder in den Abgaskanal zurückzupumpen, um so das bereitzustellende Flüssigkeitsvolumen möglichst gering zu halten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist hinter dem Flüssigkeitsabscheider wenigstens ein Sorptionsfilter vorgesehen. Hier ist zweckmäßig, daß das Sorptionsmittel jeweils in einem Einsatz angeordnet ist, der lösbar in den Abgaskanal eingesetzt ist. Hierdurch kann jeweils nach Erschöpfung des Sorptionsmittels nach einer entsprechenden Betriebsstundenzahl· der Einsatz ausgewechselt werden und die gesamte Anordnung mit wenigen Handgriffen problemlos wieder betriebsbereit gemacht werden. Da auf der einen Seite der Durchflußwiderstand des durch den So.rptionsmitteleinsatz

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gebildeten Sorptionsfilters möglichst gering sein muß, andererseits dafür Sorge getragen werden muß, daß beim Durchströmen des Sorptionsfilters eine intensive Berührung der Gasströmung mit dem Sorptionsmittel erreicht wird, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Sorptionsmittel auf Trägerflächen auf-. gebracht ist, die vorzugsweise unter mehrfacher Umlenkung des Abgasstromes von den Abgasen in Abgaskanal umspült werden.
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Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließbild eines Verfahrensbeispiels;
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Fig. 2 schematisch in einem Horizontalschnitt ein

Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt zu Fig. 2;

Fig. 4 eine weitere Anordnung zur Durchführung des
Verfahrens;

Fig. 5 eine Anordnung gemäß Fig. 4, jedoch mit Kühlung durch ein Kältemittel,

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*Λ5-

Fig. 5 a einen Querschnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 5.

Das anhand von Fig. 1 erläuterte Ausführungsbeispiel ist auf der Verwendung von Kältemittel als Kühlmedium für die Abkühlung der Abgase aufgebaut.

Wie in dem Fließbild gemäß Fig. 1 dargestellt, ist bei einer Verbrennungskraftmaschine 1, beispielsweise einem Dieselmotor, die Abgasleitung 2 über die nicht näher dargestellte Wärmetauscherfläche eines Austreibers einer Absorptions-Kältemaschine 3 geführt. Die aus dem Austreiber der Absorptions-Kältemaschine herausgeführten Abgase werden über eine Rohrleitung 4 einem Abgaskühler 5 zugeführt, dessen Kühlflächen an den Kältemittelkreislauf 6 der Absorptions-Kältemaschine angeschlossen sind. Da die zur Erzeugung des Kältemittelkreislaufs erforderliche Wärmeenergie den Motorabgasen entnommen wird, deren Temperatur beispielsweise 430° C beträgt, erfahren diese bereits eine Abkühlung auf beispielsweise 200° C. Der Abgaskühler 5 ist nun so ausgelegt, daß hier gezielt die Kühlung der Abgase unter ihren Taupunkt erfolgt, so daß die im Abgas enthaltenen Dämpfe kondensieren und als Flüssigkeit anfallen und aus dem Gasstrom abgeführt werden können. Bei diesem Kondensationsvor-5 gang werden gleichzeitig auch die wasserlöslichen bzw. mit

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Wasser reagierenden Gasanteile mitabgeführt. Anstelle des Austreibers 3 und des Abgaskühlers 5 kann auch ein mit Wasser als Kühlmittel betriebener Kühler treten. Je nach Auslegung der Anordnung ist auch eine kombinierte Kühlung mit Wasser und Kältemittel möglich, wie an einem Ausführungsbeispiel noch gezeigt werden wird.

Die aus dem Abgasstrom auskondensierte Flüssigkeit wird dann durch einen Flüssigkeitsabscheider 7 aus dem Abgasstrom entfernt. Wenn auch in dem Fließschema der besseren Übersicht halber Abgaskühler und Flüssigkeitsabscheider als "getrennte" Einheiten dargestellt sind, so ist doch zu berücksichtigen, daß in der Praxis zumindest ein Teil der Kühlflächen zugleich eine Abscheidefunktion für die Flüssigkeit erfüllen müssen,

da sich bei Unterschreiten des Taupunktes der Abgase in diesen Bereichen des Kühlers bereits an den Kühlflächen ein Teil der in den Abgasen enthaltenen Dämpfe als Kondensat niederschlägt.

Dem Flüssigkeitsabscheider sind ein oder mehrere Sorptionsfilter 8,9 nachgeschaltet, in denen weitere gasförmige Schadstoffe entfernt werden können. Das jeweils zu verwendende Sorptionsmittel richtet sich nach den abzuscheidenden Gasbestandteilen. So kann beispielsweise das Sorptionsfilter 8 als Aktivkohlefilter ausgebildet sein, mit dem die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe durch Adsorption weitgehend

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entfernt werden. Das Sorptionsfilter 9 ist dann mit einem Sorptionsmittel ausgerüstet„ durch das im Wege der Chemosorption, beispielsweise CO und CO₂ aus den Abgasen entfernt werden.

In Fig. 2 und 3 ist in einem Horizontal- und einem Vertikalschnitt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt. Der in Horizontalschnitt gemäß Fig. 2 gekennzeichnete Bereich I bildet hierbei im wesentlichen den Abgaskühler, der Bereich II den Flüssigkeits- und Feststoffabscheider, der Bereich III einen ersten Sorptionsfilter und Bereich IV einen zweiten Sorptionsfilter.

Im Kühlbereich I ist bei diesem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel einer Kühlanordnung der Abgaskanal 4 durch eine Vielzahl von parallel zueinander ausgerichteten, vorzugsweise zick-zack-förrnig geführten Lamellen 10 unterteilt.

Diese Lamellen sowie die Kanalwandung in diesem Bereich sind zweckmäßig hohl ausgebildet und über die angedeuteten Zuführungsleitungen 6 und Abzugsleitungen 6¹ an einem Kühlmittelkreislauf, beispielsweise den Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine angeschlossen= Die Ausbildung des Kühlers hängt im wesentlichen von der benötigten Kühlfläche,

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dem zur Verfügung stehenden Raum zur Unterbringung der gesamten Anordnung etc. Bei einem verhältnismäßig flachen Kanal kann es je nach der notwendigen Kühlleistung ausreichen, nur die Kanalwandungen mit dem Kühlmittel zu beaufschlagen, während die Lamellen aus massivem, gut wärmeleitendem Material hergestellt sind und wärmeleitend an die gekühlten Kanalwandungen angeschlossen sind. Auch hierdurch ist ebenfalls der erforderliche Wärmeentzug gewährleistet.

Anstelle der Ausführungsform mit Kühllamellen kann auch ein sogenannter Röhrchenkühler eingesetzt werden, der mit dem Kühlmittel beschickt wird und dessen Röhrchen von den Abgasen durchströmt werden. Die Form der Kühlflächen muß jedoch so gewählt werden, daß ein möglichst geringer Durchflußwiderstand entsteht.

Im Bereich II sind zur Flüssigkeitsabscheidung mehrere vertikal angeordnete, parallel zueinander, aber schräg zur Kanalachse ausgerichtete Lamellen 11, 11' und 12 angeordnet , die an ihrer Abströmkante mit einer durchgehenden Rinne 13 versehen sind. Das untere Ende der Lamellen 11, 11' und 12 reicht, wie aus Fig. 3 ersichtlich, bis in einen Sammelraum 14 zum Auffangen der abgeschiedenen Flüssigkeit hinein. Da die dargestellte Abscheidelamelle 11 vor der Fangrinne 13 eine

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großflächige Prallfläche aufweist, ist es zweckmäßig, diese Prallfläche ebenfalls hohl auszubilden und an den Kühlmittelkreislauf anzuschliessen, so daß die Abscheidelamellen gleichzeitig als Kühlflächen wirken. Die Anordnung muß hinsichtlich ihrer Kühlwirkung jedoch so ausgelegt werden, daß auch bei Vollast die durch den Kanal strömenden Abgase vor der in Strömungsrichtung letzten Fangrinne 13 der Abscheidelamelle 12 den Taupunkt mit Sicherheit unterschritten haben. Die von den Abscheidelamellen 12 gebildete letzte Lamellenreihe braucht nicht mehr gekühlt zu werden, sondern dient dazu, die in der Lamellenreihe 11 nicht erfaßten Flüssigkeitströpfchen aus dem Gasstrom abzuscheiden, so daßhinter dem Flüssigkeitsabscheider die Abgase praktisch keine Flüssigkeitströpfchen mehr enthalten.

In den Sorptionsfilterbereichen III und IV sind die Sorptionsmittel auf entsprechenden Trägerfläche 15 und 16 aufgebracht, die so gerichtet sind, daß eine intensive Umspülung

2Ö dieser Flächen durch die zu behandelnden Abgase gewährleistet ist. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Trägerflächen 15, 16 zick-zack-förmig bzw. wellenförmig verlaufende schmal-e Teilkanäle bilden, so daß davon ausgegangen werden kann, daß praktisch jedes Volumenteilchen des Abgasstromes auf seinem Weg durch jeden Sorptionsfilterbe-

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reich jeweils einmal mit dem jeweiligen Sorptionsmittel in Berührung gekommen ist und sich die betreffenden Schadstoffe anlagern können. Zweckmäßigerweise wird der Sorptionsbereich III mit einer Aktivkohleschicht als Sorptionsmittel ausgebildet, so daß etwa im Abgas noch vorhandene, nicht abscheidbare Flüssigkeitströpfchen ebenfalls aufgenommen werden. Die Flächen des Sorptionsbereiches IV werden dann mit einer Substanz versehen, die die CO- und CO₂-Anteile im Abgas chemisch bindet.

In den Sorptionsbereichen III und IV ist jeweils die Wandung des Abgaskanals offenbar ausgebildet, so daß nach festgesetzten Betriebsstundenintervallen die die Sorptionsmittel tragenden Flächen herausgenommen und durch neue ersetzt werden können. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die einzelnen Flächen in einem Rahmen befestigt sind, die so jeweils als komplette Auswechseleinheit schnell ausgetauscht werden können. Die konstruktive Ausgestaltung der Sorptionsfilter ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Die Anordnung arbeitet nun folgendermaßen:

Das aus dem Austreiber der Kältemaschine 3 mit einer Temperatur von beispielsweise 200° C austretende Motorabgas wird über die Kühlflächen 10 geführt und hierbei so weit abgekühlt, daß

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der Taupunkt unterschritten wird. Hierbei kondensieren die im Abgas enthaltenen Dämpfe in Form von feinen Tröpfchen aus, die von der Abgasströmung in den Abscheidebereich II mitgerissen werden. Infolge der Umlenkung durch die Prallflächen der Abscheidelamellenreihe 11, die ggf. noch gekühlt sind, schlagen sich die Tröpfchen auf der Prallfläche 11 nieder und werden von der Strömung in die an der Hinterkante der Lamelle angeordnete Fangrinne 13 mitgeschleppt. Die Flüssigkeit sammelt sich in der Fangrinne 13, wird durch den entstehenden Luftwirbel in der Fangrinne 13 gehalten und fließt nach unten in den Sammelraum 14 ab. Der gleiche Vorgang wiederholt sich auf der Lamellenreihe 11', 12, so daß die auskondensierten Tröpfchen praktisch vollständig aus dem Abgasstrom abgeschieden sind. Da dem Kondensationsvorgang auch die mit Wasser reagierenden bzw. die wasserlöslichen gasförmigen Schadstoffe in den sich bildenden Tröpfchen erfaßt werden, insbesondere Schwefeldioxid und die wasserlöslichen Stickoxydanteile, werden diese Schadstoffe über die Fangrinne 13 aus dem Abgas abgezogen.

Beim Durchströmen des Sorptionsbereiches III, der beispielsweise als Sorptionsmittel Aktivkohleschichten aufweist, werden im wesentlichen die Kohlenwasserstoffverbindungen durch Adsorption gebunden. Außerdem werden etwa

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noch enthaltene, mechanisch nicht abscheidbare Flüssigkeitsanteile an der Aktivkohleschicht aufgenommen.

Die CO- und CO2-Anteile der Abgase werden dann im Sorptionsbereich IV durch Chemosorption mit entsprechenden Sorptionsmitteln aus den Abgasen weitgehend entfernt, die dann über einen Schalldämpfer nach außen abgeblasen werden können.

Falls die durch die Kondensation gewonnene Flüssigkeitsmenge nicht ausreicht, um den Anteil der mit Wasser bindbaren gasförmigen Schadstoffe in dem gewünschten Maß zu binden, kann, wie in Fig. 2 und Fig. 3 angedeutet, zwischen dem Kühlerbereich I und dem Abscheidebereich II zusätzlich eine entsprechende Wassermenge in den Abgaskanal 4 eingedüst werden. Um die hierzu erforderliche Wassermenge möglichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, wenn mit Hilfe einer Pumpe 17 die im Sammelraum 14 aufgefangene Flüssigkeit im Kreislauf geführt wird. Da der Sammelraum 14 ohnehin von Zeit zur Zeit entleert werden muß, bedeutet es keine wesentliche Erschwerung der Wartung, wenn nach dem Entleeren nach einer entsprechenden Betriebsstundenzahl der Sammelraum zum Teil mit Wasser gefüllt wird, um bereits bei Betriebsbeginn einen entsprechenden Flüssigkeitsvorrat zur Verfügung zu haben. Dieser Flüssigkeitsvorrat braucht jedoch nicht sehr

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groß zu sein, da durch die Wasserdampfkondensation aus den Abgasen der Wasservorrat entsprechend anwächst.

Die Flüssigkeitsein-düsung hat zudem eine entsprechende Kühlwirkung, so daß beispielsweise auf eine Kühlung der Prallflächen der Lamellenreihe 11 verzichtet werden kann oder aber die Kühlerfläche im Kühlbereich I etwas reduziert werden kann, sofern dies aus Platzgründen geboten erscheint. Die Eindüsung erfolgt beispielsweise über Düsen 18, die zu beiden Seiten an der Kanalwandung angeordnet sind. Die beschriebene Anordnung braucht nun nicht, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, so ausgebildet sein, daß die einzelnen Funktionsbereiche I bis IV unmittelbar aufeinanderfolgend im gleichen Kanalquerschnitt angeordnet sind. Während die Funktionsbereiche I (Kühlen) und II (Flüssigkeitsabscheidung) aus Funktionsgründen möglichst in einem Block zusammengefaßt sein sollten, ist es durchaus möglich, die Sorptionsbereiche III und IV entsprechend den baulichen Gegebenheiten an anderer Stelle des Fahrzeuges anzuordnen und über einen entsprechenden Verbindungskanal mit geringem Querschnitt mit dem jeweils vorangegangenen Funktionsbereich zu verbinden. Dies kann aus strömungstechnischen Gründen sogar von Vorteil sein, da eine Reduzierung des Kanalquerschnittes hinter dem Fiüssigkeitsabscheidebereich II zum einen der durch die Kühlung bewirkten Volumenreduzierung Rechnung trägt und zum an-

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deren wieder zu einer Beschleunigung des Abgasstromes führt.

Während die anhand von Fig. 2 und 3 beschriebene Anordnung wegen des etwas komplizierteren Aufbaues, insbesondere des Flüssigkeitsabscheiders, vorzugsweise bei stationär eingesetzten Verbrennungskraftmaschinen, Anwendung findet, wird anhand von Fig. 4 eine Anordnung beschrieben, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise an Verbrennungskraftmaschinen auf Fahrzeugen durchgeführt werden kann. Diese Anordnung ist insbesondere für Untertage-Fahrzeuge vorteilhaft, da dort zusätzlich zu den geforderten Leistungen hinsichtlich Kühlung und Schadstoffabscheidung als weiteres Problem der geringe zur Verfügung stehende Raum zum Einbau von zusätzlichen Aggregaten zu berücksichtigen ist. Bei der dargestellten Ausführungsform münden die Gasauslaßöffnungen 19 der einzelnen Zylinder, beispielsweise eines Vier-Zylinder-Dieselmotors in einen Abgaskanal 20. Der Abgaskanal ist doppelwandig ausgebildet, so daß der Innenraum zwischen der Innen- und Außenwandung von einem Kühlmittel durchströmt werden kann und einen Kühlmantel 21 bildet. Wichtig ist, daß der Abgaskanal 20 in Strömungsrichtung der Abgase gesehen in einem ersten Bereich V zunächst von oben nach unten geführt ist, so daß das sich bei der Kühlung der Abgase bildende Kondensat nach unten ablaufen kann. In einem

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zweiten Bereich VI ist dann der Abgaskanal von unten nach oben geführt, wobei an der tiefsten Stelle eine Flüssigkeitsabscheide- und sammeleinrichtung 22 vorzusehen ist, die beispielsweise durch einen Sammelraum 23 gebildet wird, in den die Abgase von oben eingeführt und unter scharfer Umlenkung wieder nach oben herausgeführt werden, so daß vom Abgasstrom mitgeführte Tropfen im Umlenkungsbereich ausgeschleudert werden. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn entsprechende Leitbleche 24 im. abwärts gerichteten Kanalbereich und auch entsprechende Umlenkbleche 25 im Eintrittsbereich des aufwärts gerichteten Kanalbereiches VI angeordnet sind. Ggf. sind noch zusätzlich Tropfenabweiserbleche 26, 27 im Eintrittsbereich des aufwärts gerichteten Kanalbereiches VI vorgesehen, so daß in den durch diese gebildeten "Strömungstoträumen" entstehenden Wirbeln etwaige noch mitgerissene Tropfen abgeschieden werden und über ein Ablaufblech 27 in den Sammelraum 23 über eine Durchtrittsöffnung 28 eintreten können, die über eine Zwischenwand 29 gegen eine Gasdurchströmung gesichert ist.

Im Kanalbereich VI oberhalb der Tropfenabweiser 26 sind dann entsprechende Sorptionsfilter 30 und 31 angeordnet, mit deren Hilfe in gleicher Weise wie bei dem eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechende Schadstoffe aus den Abgasen entfernt werden.

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Zur Kühlung der Abgase kann je nach Einsatzfall beispielsweise der Kühlwasserkreislauf des Motors verwendet werden, wobei das Kühlwasser im Bereich des Sammelraumes 23 durch eine entsprechende öffnung 32 in den Zwischenraum d_es Kühlmantels 21 eintritt und diesen im Gegenstrom zu den Abgasen durchströmt. Ein Teil des durchgeleiteten Kühlwassers kann dann aus dem Kühlmantel abgezweigt und unmittelbar der Motorkühlung' zugeführt werden. Dies ist durch den Abzugsstutzen 33 angedeutet. Der andere Teil des Kühlwassers durchströmt den Kühlmantel in voller Länge und wird in seinem Endbereich über einen entsprechenden Anschlußstutzen 34 abgezogen und dem Kühlwasserkühler zugeführt. Zur Erhöhung der Kühlfläche ist es zweckmäßig, wenn ein Teil der Innenwandungen des nach unten geführten Abgaskanals mit in den Abgasstrom hinein ragenden, in Strömungsrichtung verlaufenden Kühlrippen 35 versehen ist, so daß die von den heißen Abgasen umspülten Flächen entsprechend vergrößert sind. Hierbei können jeweils in den Umlenkungsbereichen der Abgasströmung auf der "Prallseite" angeordneten Kühlrippen entsprechend tiefer in den Abgasstrom hineinragen als die auf der Innenseite der Umlenkung bzw. in den geraden Kanalbereichen befindlichen Kühlrippen. Von Bedeutung ist, daß in dem Bereich, in dem bei den verschiedenen Laststufen des Motors jeweils die Taupunktunterschreitung zu erwarten ist, keine horizontale Kanalführung vorhanden ist, sondern durch eine entsprechende Neigung, wie sie für den

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Kanalbereich VII angedeutet ist, für einen reibungslosen Ablauf der auskondensierenden Flüssigkeit Sorge getragen ist.

Der Kühlmantel kann nun ganz oder teilweise statt mit Wasser als Kühlmittel auch mit einem Kältemittel beschickt werden. Die Anordnung kann so vorgesehen worden, daß der Kühlmantel 21 im Hochtemperaturbereich, d. h. in dem Bereich, in dem die heißen Motorabgase aus den Zylindern in den Auspuff übertreten, als Wärmetauscherfläche des Austreibers einer Absorptionskältemaschine 3 dient, so daß die in den Abgasen enthaltene Wärmeenergie als Heizenorgie für den Betrieb des Austreibers benutzt wird. Da die auf diese Weise bewirkte Temperaturabsenkung der Abgase keine Abkühlung der Gase unter die Taupunkttemperatur bewirkt, wird der übrige Teil des Abgaskanals, wie vorstehend beschrieben, mit Wasser gekühlt. Ist eine sehr starke Absenkung der Abgastemperatur erwünscht, beispielsweise auf etwa 20° bis 30° C, dann ist es zweckmäßig, wenn auch der untere Bereich durch Kältemittel gekühlt wird. Dies kann dadurch geschehen, daß ein Teil der in der Absorptionskältemaschine erzeugten "Kälteenergie" zur Kühlung der Abgase verwendet wird, d. h. das kalte Kältemittel in dem entsprechenden Bereich wiederum durch den Kühlmantel geleitet wird und so die in den Abgasen enthaltene Wärme aufnimmt. Dies ist in Fig. 5 dargestellt, entsprechend dem Fließbild in Fig. 1.

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Die strömungstechnische Führung der Abgase in den einzelnen Funktionsbereichen sowie die konstruktive Ausgestaltung in den einzelnen Funktionsbereichen ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere im Funktionsbereich II (Flüssigkeitsabscheidung) sind auch anders konstruierte Flüssigkeitsabscheider verwendbar. Insgesamt ist darauf zu achtem, daß der Durchflußwiderstand der Gesamtanordnung keinen die Leistung der Verbrennungskraftmaschine beeinträchtigenden Rückstau bewirkt.

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BAD ORIGINAL

Al-

e e r s e i t e

Claims

Maxton · Maxton ■ Laragmaädc" * ^: Patentanwälte

Patentanwälte Maxton & Langmaack ■ Pferdmangeaatr. SO ■ 500OKoInSI

Anmelderin:

Robert Breda (1895-1043) Än'rad Manton ar. (1943-197B) Alfred Maxton Jürgen Langmaack

Brunn GmbH & CO KG Dlplom-Ingenleure

JUStUS-V.-Liebigstr. 24 zugelassen bei dem

Europäischen Patentamt

5300 Bonn

5000 Köln 51

Unsere Zeichen Datum

808 pg 796 25.01.80

Verfahren zum Reinigen der Abgase einer Verbrennungskraftmaschine und Anordnungen zur Durchführung des Ver-5 fahrens für den Untertagebetrieb

Ansprüche:

(1.) Verfahren zum Reinigen der Abgase einer Verbrennungs-10 kraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors im Einsatz unter Tage,

dadurch gekennzeichnet , daß die Abgase unter ihren Taupunkt abgekühlt und die anfallende Flüssigkeit und zumindest die in den Abgasen enthaltenen Fest-15 stoffteilchen abgeschieden werden.

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Telefon: (0221) 380238 · ¹V".jr-rrT.; !nv«v .'■>' Xr¹.;

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß in den Abgasstrom Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, eingedüst wird.

3, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abgase nach dem Abscheiden von Flüssigkeits- und Feststoffteilchen mit wenigstens einem Sorptionsmittel in Berührung gebracht werden, um weitere, gasförmige Schadstoffe aus dem Abgas abzuscheiden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlung der Abgase zumindest teilweise durch die Wärmetauscherfläche des Austreibers einer Absorptionskältemaschine erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Abgase mit wenigstens einem Teil des in der Absorptionskältemaschine erzeugten Kältestromes unter ihren Taupunkt abgekühlt werden.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens an einer

Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einem Dieselmotor,

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nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß im Abgaskanal (4, 20) der Verbrennungskraftmaschine (1) wenigstens eine mit einem Flüssigkeitsabscheider (7) in Verbindung stehende Kühlfläche (5, 35) angeordnet ist, die mit wenigstens einem Kühlmittelkreislauf (6) verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens ein Teil der Kühlfläche 6/ 35) mit einem vorzugsweise zweiten Kühlmittelkreislauf verbunden ist, der durch den Kältemittelkreislauf einer Absorptionskältemaschine (3) gebildet wird und daß dieser Teil der Kühlfläche durch die Wärmetauscherfläche (5) des Austreibers der Kältemaschine gebildet wird.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet , daß in Strömungsrichtung -der Gase gesehen zumindest vor dem Flüssigkeitsabscheider (7) eine Düsenanordnung (18) zum Einsprühen einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß die Düsenan-Ordnung (18) über eine Pumpe (17) saugseitig mit dem Flüs-

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sigkeitssammelraum (14) des Flüssigkeitsabscheiders . (7) in Verbindung steht.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß in Strömungsrichtung der Abgase gesehen dem Flüssigkeitsabscheider (7) wenigstens ein Sorptionsfilter (8, 9, 30, 31) nachgeordnet ist.'

11- Anordnung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß das Sorptionsmittel im jeweiligen Sorptionsfilter (8, 9, 30, 31) jeweils in einem Einsatz angeordnet ist, der lösbar in den Abgaskanal (4) eingesetzt ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet , daß das Sorptionsmittel auf Trägerflächen (15, 16) aufgebracht ist, die vorzugsweise unter mehrfacher Umlenkung des Abgas-2ü stromes von den Abgasen im Abgaskanal (4) umspült werden.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Abgaskanal (20) der Verbrennungskraftmaschine über wenigstens einen Teil seiner Länge mit einem wasserdurchströmten

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Kühlmantel (21) umgeben ist, der mit dem Kühlwasserkreislauf der Verbrennungskraftmaschine in Verbindung steht.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil der Wandung des Abgaskanals 20 durch die Wärmetauscherfläche des Austreibers einer Absorptionskältemaschine (3) gebildet wird und vorzugsweise im Eitrittsbereich der Abgase in den Abgaskanal (20) angeordnet ist.

15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskanal (20) in Strömungsrichtung der Abgase gesehen in einem ersten Kanalbereich (V) im wesentlichen nach unten gerichtet verläuft, wobei die jeweils unten liegenden Innenwandungen des Abgaskanals zumindest teilweise geneigt angeordnet sind, und in einem zweiten Kanalbereich (VI) ■ nach oben gerichtet verläuft und daß der Flüssigkeitsabscheider (22) an der tiefsten Stelle zwischen dem ersten und dem zweiten Kanalbereich angeordnet ist.

16. Anordnung nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet , daß der Sorptionsfilter (30, 31) im zweiten, nach oben gerichteten Kanalbereich (VI) angeordnet ist.

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