DE3322439C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verminderung der Schadstoffanteile in den Abgasen eines Verbrennungs­ motors, insbesondere eines Dieselmotors einer Untertage­ lokomotive, die in der Abgasleitung wenigstens einen Fil­ ter-Katalysator aufweist.

Es ist grundsätzlich bekannt, Schadstoffanteile aus Motor­ abgasen mit Hilfe von Filter-Katalysatoren zu beseitigen. Entscheidend für die Wirksamkeit von Filter-Katalysatoren ist es jedoch, daß das aufzubereitende Abgas eine Tempera­ tur von mindestens 165°C, die sogenannte Anspringtempera­ tur aufweist. Bei Abgastemperaturen unter 165°C findet die katalytische Aufspaltung von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasser­ stoffen nicht statt. Zudem schlagen sich bei Abgastempera­ turen unter 480°C Rußpartikel im Filter nieder, ohne selb­ ständig abzubrennen. Es ist daher dafür Sorge zu tragen, daß die Arbeitstemperatur des Filter-Katalysators zumindest zeitweise diese Temperaturgrenze überschreitet.

Aus der DE-OS 14 76 627 ist u. a. eine Einrichtung zur Rei­ nigung von Abgasen von Brennkraftmaschinen bekannt, bei der die Schadstoffe dem Abgasstrom mittels mehrerer hinterein­ andergeschalteter und sowohl mechanisch als auch katalytisch wirksamer Filter entzogen werden. Der Einsatz einer Mehrzahl von Filtern bedingt einen hohen Konstruktions- und Investi­ tionsaufwand; insbesondere die gröberen Verunreinigungen, wie etwa Rußpartikel, verstopfen die Filtermittel und er­ lauben infolgedessen lediglich kurze Wartungsintervalle; die Anspringtemperatur des Filter-Katalysators läßt sich lediglich durch Fremdbeheizung des Abgasstroms erreichen, womit eine Erhöhung der Abgastemperatur und bei Einsatz von Brennstoffen außerdem eine Erhöhung der anfallenden Abgas­ menge verbunden ist. Insbesondere für den Einsatz im Unter­ tagebetrieb ist die Einrichtung gemäß der DE-OS 14 76 627 demnach gänzlich ungeeignet.

Des weiteren sind Filter-Katalysatoren bekannt, in denen das zu reinigende Abgas aus einem Einströmkanal durch eine poröse Keramikschicht in einen Austrittskanal geführt wird. Durch eine entsprechende Umlenkung des Abgasstroms werden dabei die gröberen Feststoffbestandteile im Einströmkanal abgesondert, feinere Feststoffpartikel werden durch die poröse Keramikschicht zurückgehalten. Die im Abgas ebenfalls enthaltenen Kohlenwasserstoffe sowie das darin enthaltene Kohlenmonoxyd werden an der katalytischen Beschichtung des Abströmkanals umgesetzt. Um die erforderliche Betriebstem­ peratur zu gewährleisten, werden die Filter-Katalysatoren in der Abgasleitung in unmittelbarer Nähe der Abgasauslässe der einzelnen Zylinder angeordnet. Hinlängliche Temperatur­ bedingungen können auf diese Art und Weise jedoch lediglich bei Motoren mit gleichbleibender Last erreicht werden. Bei Motoren hingegen, die mit wechselnder Belastung betrieben werden, beispielsweise bei Fahrzeugmotoren, ist in der Ab­ gasleitung ein zweiter Filter-Katalysator vorgesehen, dem ein Zusatzbrenner vorgeschaltet wird. Bei Absinken der Ab­ gastemperatur unter einen Mindestwert wird dieser Brenner zugeschaltet, um die Abgase vor dem Eintritt in den zweiten Filter-Katalysator soweit aufzuheizen, daß sowohl die kata­ lytische Aufspaltung des im Abgasstrom noch enthaltenen Kohlenmonoxyds und der darin noch enthaltenen Kohlenwas­ serstoffe als auch das selbständige Abbrennen der auf dem Filter niedergeschlagenen Rußpartikel gewährleistet ist. Insbesondere für Fahrzeuge, die unter Tage, beispielsweise im Kohlebergbau eingesetzt werden, ist eine derartige Vor­ richtung jedoch ebenfalls ungeeignet. So ist der Zugbetrieb im Untertagebergbau gekennzeichnet durch verhältnismäßig kurze Fahrstrecken mit häufigen Lastwechseln. Die Folge wäre, daß ein Zusatzbrenner nahezu ununterbrochen in Betrieb sein müßte. In diesem Fall aber stünde der erzielbaren Ver­ minderung der Schadstoffbelastung der Wetter sowohl eine Erhöhung der Abgasmenge als auch eine Erhöhung der Wärmeab­ gabe des Fahrzeugs gegenüber - beides Faktoren, die die Bewetterung der betreffenden Schachtanlage wesentlich er­ schweren würden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, die es er­ laubt, die Schadstoffanteile in den Abgasen von Verbrennungs­ motoren mit geringem Konstruktions-, Investitions- und War­ tungsaufwand wirksam zu vermindern, ohne dabei die Umgebungs­ luft durch Erhöhung der Abgasmengen und/oder durch Erhöhung der Wärmeabstrahlung zusätzlich zu belasten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Abgaslei­ tung zwischen Verbrennungsmotor und Filter-Katalysator ein von den heißen Motorabgasen umströmtes Wärmespeicher­ element angeordnet ist. Da das Wärmespeicherelement durch die umströmenden heißen Motorabgase aufgeheizt wird und beispielsweise bei längerer Vollastfahrt die gleiche Tem­ peratur annimmt, wie die umströmenden Motorabgase, ergibt sich für einen nachfolgenden Teillast- oder auch Leerlauf­ betrieb der Vorteil, daß die dann mit erheblich geringerer Abgastemperatur durch das Wärmespeicherelement strömenden Motorabgase aufgeheizt werden und mit einer über der An­ springtemperatur des Filter-Katalysators liegenden Temperatur diesen durchströmen. Aufgrund der üblichen Folge von Voll­ last-, Teillast- und Leerlaufbetrieb wird die Temperatur des Wärmespeicherelementes zwischen Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe um einen mittleren Wert schwanken, der jedoch mit Sicherheit immer über der Anspringtemperatur des Filter-Kata­ lysators liegt, so daß in jedem Fall eine katalytische Aufspaltung des im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxyds und der im Abgas noch vorhandenen Kohlenwasserstoffe gewähr­ leistet ist. Da darüber hinaus bei längerem Vollastbetrieb in jedem Fall Motorabgase mit einer Temperatur über 480°C in den Filter-Katalysator einströmen, ist gewährleistet, daß im Filterbereich des Filter-Katalysators sich nieder­ schlagende Rußanteile selbständig abbrennen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Wärmespeicherelement im Bereich der Abgassammel­ leitung unmittelbar am Motor angeordnet ist. Hierdurch ist eine größtmögliche Aufheizung des Wärmespeicherelemen­ tes gewährleistet.

In zweckmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, daß zumin­ dest das Wärmespeicherelement mit einem wärmeisolierenden Mantel umgeben ist. Hierdurch wird die Wärmeabstrahlung an die Umgebung im Bereich des Wärmespeicherlementes zu­ mindest vermindert und so gewährleistet, daß die vom Wär­ mespeicherelement aufgenommene Wärmemenge praktisch nur an die durchströmenden Abgase bei sinkenden Abgastempera­ turen abgegeben werden. Hierbei ist es ferner zweckmäßig, wenn auch die zwischen Verbrennungsmotor und Filter-Katalysator lie­ genden Teile der Abgasleitung mit einer Wärmeisolierung versehen sind.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Grundanordnung der Einrichtung,

Fig. 2 die CO-Emission eines Dieselmotors bei CH₄-haltiger Ansaugluft,

Fig. 3 den Umsetzungsgrad eines Filter-Katalysators in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 4 einen Verlauf der Abgastemperatur während eines Fahrzyklus.

In Fig. 1 ist als Verbrennungsmotor 1 schematisch ein Dieselmotor dargestellt, der beispielsweise eine Lokomotive antreibt, die im Kohle­ bergbau unter Tage eingesetzt ist. Die Abgassammelleitung 2 der einzelnen Zylinder mündet in ein Wärmespeicherelement 3, das zweckmäßigerweise dicht am Dieselmotor 1 angebracht ist, um Wärmeverluste durch Abstrahlung weitgehend zu vermei­ den. Das Wärmespeicherelement 3 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 4, beispielsweise aus Metall, das einen Wärmespeicherkörper 5 umschließt. Der Wärmespeicherkörper 5 ist zweckmäßigerweise aus einem hochwarmfesten kerami­ schen Material hergestellt und ist auf seiner von den Mo­ torabgasen umspülten Innenseite mit Vorsprüngen 6 in Form von Stegen, Zapfen oder dgl. versehen, die die Wärmetau­ scherfläche zur Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe vergrößern. Die Vorsprünge 6 können hierbei so angeordnet sein, daß sie eine mehrfache Umlenkung der heißen Motorabgase be­ wirken, wobei die Umlenkungen jedoch so vorgesehen sein sollten, daß der Strömungswiderstand in diesem Bereich nicht allzu sehr erhöht wird. Dies kann durch eine ver­ setzte Anordnung entlang der Innenwandung des Wärmespeicherkörpers 5 in Form einer Schraubenlinie oder in Form einer Zick-zack-Linie erfolgen.

Zweckmäßigerweise ist der Wärmespeicherkörper 5 aus mehre­ ren Einzelsegmenten zusammengesetzt, was in der schemati­ schen Darstellung nicht gezeigt ist, um die bei den wech­ selnden Temperaturen auftretenden Längen- und Durchmes­ seränderungen aufnehmen zu können.

Sowohl die Abgassammelleitung 2 als auch eine Zuleitung 19 sowie das Wärmespeicherelement 3 sind auf ihren Außenseiten mit einer hier nicht näher dargestellten Wärmeisolierung versehen.

Über eine Verbindungsleitung 7 gelangen die Motorabgase in einen Filter-Katalysator 8. Dieser besteht im wesentli­ chen aus einem Einströmkanal 9 und einem Abströmgehäuse 10, die durch einen Katalysatoreinsatz 11 voneinander getrennt sind. Dieser Katalysatoreinsatz 11 besteht aus einem porösen, und damit gasdurchlässigen keramischen Material, das zu­ mindest auf der Seite des Einströmkanals 9 mit einer ka­ talytischen Beschichtung versehen ist. Wie aus der sche­ matischen Zeichnung ersichtlich, können die in den Ein­ strömkanal 9 gelangenden Abgase aufgrund der Porosität des Filter-Katalysatoreinsatzes 11 diesen durchströmen und in das Abströmgehäuse 10 gelangen. Vom Abströmgehäuse 10 tre­ ten die nunmehr gereinigten Abgase entweder unmittelbar ins Freie oder können bei entsprechender Menge und/oder entsprechendem Wärmeinhalt auch über eine Abgasturbine zur Verwertung der in den Abgasen enthaltenen Energie ge­ führt werden.

Für den Untertagebetrieb im Kohlebergbau ist zur Beurtei­ lung des Schadstoffgehaltes der Abgase ferner von Bedeu­ tung, daß in unterschiedlichen Mengen in der Ansaugluft des Verbrennungsmotors Methangase (CH₄) enthalten sind. Da die mit der Ansaugluft in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors gelan­ genden Methangase zusätzlich zum zugeführten Kraftstoff mitverbrannt werden, ergibt sich für eine Untertageloko­ motive im Kohlebergbau gegenüber einem übertagebetriebe­ nen Dieselmotor je nach CH₄-Gehalt der Ansaugluft eine erhebliche Steigerung der CO-Emission. Dies ist für unter­ schiedliche Lastzustände in Fig. 2 dargestellt. Die Kurve 12 zeigt hierbei den Anstieg des CO-Gehaltes im Abgas eines Dieselmotors bei 1000 U/min entsprechend einem Dreh­ moment von 50 Nm. Die Kurve 13 zeigt den Verlauf bei einer Drehzahl von 1700 U/min entsprechend einem Drehmoment von 150 Nm und die Kurve 14 zeigt den Anstieg des CO-Gehaltes bei methanhaltiger Ansaugluft bei 2100 U/min unter Voll­ last. Hieraus ist ersichtlich, daß insbesondere für den Betrieb unter Tage bei methanhaltiger Ansaugluft die Re­ duzierung des CO-Gehaltes im Abgas beispielsweise einer dieselgetriebenen Lokomotive von erheblicher Bedeutung ist. Schon geringe Erhöhungen des Methangehaltes in der Ansaugluft führen selbst im Leerlauf zu einem starken An­ stieg des CO-Gehaltes im Abgas.

In Fig. 3 ist der Umsetzungsgrad von Filter-Katalysatoren zur Aufspaltung von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff in Ab­ hängigkeit von der Temperatur dargestellt. Hierbei ist der Verlauf für die Umsetzung von CO in etwa gleich dem Verlauf für die Umsetzung von Kohlenwasserstoff, so daß hier der Einfachheit halber nur eine Kurve 15 dargestellt ist. Aus dem Verlauf der Kurve 15 ist ersichtlich, daß bis zu einer Abgastemperatur von etwa 160°C derFilter-Kataly­ sator praktisch inaktiv ist. Erst bei einer Temperatur von mindestens 165°C "springt der Filter-Katalysator an" und bewirkt eine volle Umsetzung von Kohlenmonoxyd und Kohlen­ wasserstoff. Hieraus ist ersichtlich, daß schon dann eine praktisch vollständige Beseitigung des Kohlenmonoxyds im Abgas erreicht wird, wenn es gelingt, während der ge­ samten Betriebsdauer den Filter-Katalysator oberhalb die­ ser Anspringtemperatur von etwa 165°C zu halten und zwar auch dann, wenn die Abgastemperatur beispielsweise im Leerlaufbetrieb soweit absinkt, daß die Anspringtemperatur unterschritten wird. Die Bedeutung für den Untertagebe­ trieb wird insbesondere im Hinblick auf die anhand von Fig. 2 dargestellte starke Erhöhung des CO-Gehaltes im Abgas bei methanhaltiger Ansaugluft erkennbar. Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf der Abgastemperatur wäh­ rend eines Fahrzyklus, d. h. also in Abhängigkeit von der Zeit. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß eine Tem­ peraturkurve 16 abgesehen von einem kurzen Zeitraum nach dem Anlassen des Dieselmotors weitgehend über der Anspringtem­ peratur (Linie 17) liegt. Diese Temperaturlinie 17 wird wäh­ rend des Betriebes entsprechend den Gegebenheiten kurz­ zeitig unterschritten, während zu anderen Zeitpunkten diese Temperaturlinie 17 erheblich überschritten wird und zeitweise auch die Linie 18, d. h. eine Temperatur von 480°C überschreitet, die diejenige Temperatur kenn­ zeichnet, bei der im Filter-Katalysator abgelagerte Ruß­ anteile selbsttätig abbrennen.

Durch die Anordnung des anhand von Fig. 1 beschriebenen Wärmespeicherelementes 3 in der Abgasleitung vor dem Fil­ ter-Katalysator 8, läßt sich nun erreichen, daß die Tem­ peratur der in den Filter-Katalysator 8 eintretenden Ab­ gase mit Sicherheit immer weit über der Anspringtempera­ tur des Filter-Katalysators 8 liegt und so sichergestellt ist, daß der Filter-Katalysator 8 auch dann aktiv bleibt, wenn bei Leerlauf die Temperatur der den Dieselmotor 1 verlassen­ den Abgase absinkt. Die zulässige Leerlaufzeit, während der der Filter-Katalysator 8 noch aktiv bleibt, kann über die Bemessung der Speicherkapazität des Wärmespeicher­ elementes 3 festgelegt werden.

Der von den heißen Motorabgasen umströmte wärmespeichern­ de Teil des Wärmespeicherelementes 3 ist aus einem Material mit hohem Wärmespeichervermögen hergestellt, das jedoch auch eine gute Temperaturwechselfestigkeit aufweist. Hier­ zu kann beispielsweise keramisches Material verwendet werden. Bei entsprechender Gestaltung ist es auch möglich, die entsprechenden Bauteile aus Metall doppelwandig aus­ zubilden und den entstehenden Hohlraum mit entsprechen­ dem festen oder auch flüssigen Stoffen mit hohem Wärme­ speichervermögen zu füllen.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Verminderung der Schadstoffanteile in den Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors einer Untertagelokomotive, die in der Abgas­ leitung wenigstens einen Filter-Katalysator aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Abgas­ leitung zwischen Verbrennungsmotor (1) und Filter-Katalysator (8) ein von den heißen Motorabgasen umströmtes Wärmespeicherele­ ment (3) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeicherelement (3) im Bereich der Abgassam­ melleitung (2) unmittelbar am Verbrennungsmotor (1) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest das Wärmespeicherelement (3) mit einem wärmeisolierenden Mantel umgeben ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die zwischen Verbrennungsmotor (1) und Filter-Katalysator (8) liegenden Teile der Abgasleitung mit einer Wär­ meisolation versehen sind.