DE4222087A1 - Schadstoffreduzierter Dieselmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Für stationäre Dieselmotoren gelten ab 1991 aufgrund der konkretisierten Dynamisierungsklausel der technischen An­ leitung Luft (TA-Luft) niedrigere Werte für die Emission von Stickoxiden und Partikeln (Rußpartikel). Beide Schad­ stoffe sind für verschiedene Optimierungen des Motors einander gegenläufig, d. h. bei niedrigen Stickoxidemissio­ nen tritt ein erhöhter Partikelausstoß auf und umgekehrt.

Um diese Ziel-Grenzwerte der TA-Luft einhalten zu können, ist es bekannt, den Motor entweder auf minimale Rußemissio­ nen zu optimieren und die Stickoxide mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR) unter den gesetzlichen Grenz­ wert zu senken, oder den Motor auf minimale Stickoxidemis­ sionen hin zu optimieren und die damit einhergehende stark erhöhte Rußemission mit einem Rußfilter zu reduzieren. Der erstgenannte Weg - die SCR-Entstickung - ist, besonders für kleinere Motorleistungen, sehr teuer, weshalb dem zweitge­ nannten Weg der Vorzug zu geben ist.

Ein solcher Dieselmotor nach dem beschriebenen vorteilhaf­ ten Weg der optimierten minimalen Stickoxidemission mit einhergehender Reinigung des Abgases mittels Partikelfilter ist in der DE-OS 40 07 516 beschrieben.

Dieser Dieselmotor weist eine Ladeluftleitung auf, in der der Verdichter eines Abgasturboladers angeordnet ist und eine Abgasleitung, in der die Abgasturbine des genannten Abgasturboladers angeordnet ist. Zur Reinigung des Abgases ist in der Abgasleitung hinter dem Abgasturbolader ein Par­ tikelfilter angeordnet. Weiterhin befindet sich in Strö­ mungsrichtung hinter dem Partikelfilter und der Abgastur­ bine eine Abgasrückführleitung, welche die Abgasleitung mit der Ladeluftleitung verbindet. Zur Kühlung des rückgeführ­ ten Abgases ist in der Rückführleitung ein Abgaskühler an­ geordnet.

Diese Schadstoffreduzierung ist jedoch mit Problemen ver­ bunden. Als gravierendste Nachteile sind zu nennen:

• - Durch die Abgasrückführung (AGR) fällt bei vollastna­ hen Betriebszuständen eines Dieselmotors eine sehr hohe Rußemission an, die zu häufigen Regenerationen des Rußfilters führt, so daß ein signifikanter Ener­ gieverbrauch für den mit Fremdenergie zu regenerieren­ den Rußfilter den Verbrauchsvorteil der AGR gegenüber anderen schadstoffreduzierenden Maßnahmen stark schmä­ lert.
• - Schwierige Regelbarkeit der Rückführmenge wegen stark schwankender Abgastemperaturen (Häufiger Wechsel zwi­ schen Regeneration und Nicht-Regeneration).
• - Verbrauchsnachteile durch Drosselung der Ansaugluft zur Realisierung hoher AGR-Raten bei Teillast.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Die­ selmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bei wei­ test möglicher Beibehaltung der Verbrauchsvorteile mit mi­ nimalen Schadstoffemissionen zu betreiben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Anordnung des Partikelfilters in Strömungsrichtung vor der Abgasturbine hat den Vorteil, daß das Abgas mit mehr als 400°C in den Partikelfilter gelangt. Da die Anspring­ temperatur moderner Partikelfilter in diesem Temperaturbe­ reich liegt, ist es möglich, schon oberhalb von der Halblast des Motors den Filter ohne Fremdenergiebedarf permanent zu regenerieren. Bei Stationärmotoren ist dies besonders günstig, weil diese relativ wenig mit niedriger Teillast und im wesentlichen nur im oberen Lastbereich be­ trieben werden, wodurch eine zusätzliche Regenerationsein­ richtung mit Fremdenergiebedarf nicht nötig ist. Ein weite­ rer wesentlicher Vorteil ist, daß der Energiegewinn aus der Rußverbrennung durch die Abgasturbine noch teilweise ge­ nutzt werden kann, wodurch die Leistungsausbeute des Motors steigt. Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß in Strömungsrich­ tung hinter dem Abgasturbolader kein thermodynamisch ungün­ stiger Abgasgegendruck entsteht, der die Welle des Turbola­ ders zusätzlich belastet. Dieser zusätzliche Abgasgegen­ druck würde entstehen, wenn der Partikelfilter in Strö­ mungsrichtung hinter dem Abgasturbolader angeordnet wäre.

Grundsätzlich ist die beschriebene Anordnung auch für mo­ bile Dieselmotoren verwendbar. Wie beschrieben, sind jedoch bei stationär betriebenen Dieselmotoren die besten Resul­ tate zu erzielen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Parti­ kelfilter katalytisch wirksam, d. h. die filternden Ele­ mente des Partikelfilters weisen eine katalytische Be­ schichtung auf. Diese katalytische Beschichtung ist in zweck­ mäßiger Weise so zu modifizieren, daß die gasförmigen Kohlenstoffverbindungen CO und HC oxidiert werden, ohne daß die SO₂-Emission zu SO₃ aufoxidiert wird, das sich als Sulfat an den Partikeln anlagert.

Der weitere wesentliche Punkt der Erfindung ist die an und für sich schon bekannte Beimengung des gekühlten rückge­ führten Abgases zur Ladeluft. Hierbei ist erfindungsgemäß in der Einmündung der Abgasrückführleitung in die Ladeluft­ leitung ein nach dem Venturi-Prinzip arbeitender Mischer oder eine andere Mischeinrichtung, die bei geringen Druck­ verlusten eine hohe und gleichmäßige Durchmischung des Ab­ gases mit der Luft bewirkt, angeordnet. Dadurch ist eine wesentlich bessere Homogenität der Mischung bei allen Zy­ lindern des Motors zu erreichen, wodurch die Rückführrate bei gleicher Stickoxidemission zu senken ist. Weiterhin kann die Drosselung der Ladeluft zur Erreichung der benö­ tigten Rückführraten entfallen, was einen Verbrauchsvorteil mit sich bringt. Durch den so möglichen Entfall der Dros­ selklappen, auch in der Ladeluftleitung, wird die Regelung der Rückführrate weniger störanfällig.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Zeich­ nung, die nachfolgend beschrieben ist.

In der Zeichnung ist schematisch mit 1 ein Dieselmotor be­ zeichnet. Dieser ist über eine Abgasleitung 2, in die ein Rußfilter 3 integriert ist, mit der Turbine 4 eines Ab­ gasturboladers verbunden. In Strömungsrichtung hinter der Abgasturbine zweigt von der Abgasleitung eine Rückführlei­ tung 5 ab, die eine Teilmenge des Abgases durch den Abgas­ kühler 6 in den Mischer 7 leitet. Dieser Mischer ist in der Ansaugleitung 8 installiert, die in Strömungsrichtung vor dem Verdichter 9 des Abgasturboladers angeordnet ist. Das im Verdichter komprimierte Gemisch strömt durch die Leitung 10 in einen Gemischkühler 11 und von dort durch die Ansaug­ leitung 12 weiter in den Dieselmotor 1.

Die Funktionsweise ist die folgende

Die heißen, ungereinigten Abgase des Dieselmotors 1 gelan­ gen, nach dem sie den Motor verlassen haben, in den kataly­ tisch wirksamen Partikelfilter 3, wo sie gereinigt werden. Bei Stationärmotoren bzw. Motoren, die während der meisten Zeit bei mehr als Halblast betrieben werden, ist eine per­ manente Selbstregenerierung des Filters 3 gegeben, da die Abgastemperatur höher als die Anspringtemperatur des Fil­ ters 3 ist. Das so gereinigte Abgas treibt die Abgasturbine 4 eines Abgasturboladers an und gelangt über die Abgaslei­ tung ins Freie. Ein Teil des gereinigten Abgases wird über die Rückführleitung 5 mit dem darin enthaltenen Abgaskühler 6 in die Ansaugluftleitung 8 geführt. Die Mischung der La­ deluft mit dem rückgeführten, gereinigten und gekühlten Ab­ gas erfolgt über den (z. B. nach dem Venturiprinzip) ver­ lustarm arbeitenden Mischer 7. In Strömungsrichtung hinter dem Mischer 7 ist der Lader 2a des Abgasturboladers ange­ ordnet, der das Ladeluft-Abgasgemisch zu den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 fördert.

Claims (5)

1. Dieselmotor mit einer Ladeluftleitung (8), in der der Verdichter (9) eines Abgasturboladers angeordnet ist und einer Abgasleitung (2), in der die Abgasturbine (4) des ge­ nannten Abgasturboladers und ein Partikelfilter (3) ange­ ordnet sind, sowie mit einer Abgasrückführleitung (5), die in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter (3) der Ab­ gasturbine (4) von der Abgasleitung abzweigt und diese mit der Ladeluftleitung (8) verbindet und einem Abgaskühler (6) in der Abgasrückführleitung (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (3) in Strö­ mungsrichtung vor der Abgasturbine (4) angeordnet ist.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dieselmotor stationär be­ trieben wird.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die filternden Elemente des Partikelfilter (3) eine katalytische Beschichtung aufwei­ sen.

4. Dieselmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einmündung der Abgas­ rückführleitung (5) in die Ladeluftleitung (8) ein vorzugs­ weise nach dem Venturi-Prinzip arbeitender Mischer (7) an­ geordnet ist.

5. Dieselmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ladeluftleitung keine Drosselklappen angeordnet sind.