DE4222087C2 - 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 gegeben 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 Ansaugluftleitung 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.

Aus DE 36 01 703 A1 ist ein Dieselmotor mit Abgasturbolader be­ kannt, wobei in der Abgasleitung benachbart zu dem Auslassventil und vor dem Abgasturbolader ein katalytisch beschichteter Partikel­ filter angeordnet ist. Weiterhin ist eine Abgasrückführleitung vor­ gesehen, die in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter und vor dem Abgasturbolader von der Abgasleitung abzweigt und in die Ladeluftleitung vorzugsweise nahe einem Einlassventil einmündet. Durch diese Anordnung wird für die Steuerung der Abgasrückfüh­ rung das natürliche, wechselnde Druckgefälle zwischen Abgaslei­ tung und Ladeluftleitung ausgenutzt, wobei zusätzlich eine Drossel­ klappe in der Abgasleitung vorgesehen sein kann.

Die DE 35 06 217 A1 zeigt eine fremdgezündete Brennkraftma­ schine mit einem hinter einem Abgasturbolader angeordneten Drei- Wege-Katalysator, zwischen denen eine Abgasrückführleitung ab­ zweigt und über einen Mischer in die Ansaugleitung zu dem Lader des Abgasturboladers einmündet.

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 betrieben werden, wo­ durch eine zusätzliche Regenerationseinrichtung mit Fremdenergie­ bedarf nicht nötig ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass der Energiegewinn aus der Rußverbrennung durch die Abgasturbine noch teilweise genutzt werden kann, wodurch die Leistungsausbeute des Motors steigt. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass in Strömungsrichtung hinter dem Abgasturbolader kein thermodynamisch ungünstiger Ab­ gasgegendruck entsteht, der die Welle des Turboladers zusätzlich be­ lastet. Dieser zusätzliche Abgasgegendruck würde entstehen, wenn der Partikelfilter in Strömungsrichtung hinter dem Abgasturbolader angeordnet wäre. Dabei ist der Partikelfilter katalytisch wirksam, d. h. die filternden Elemente des Partikelfilters weisen eine katalytische Beschichtung auf. Diese katalytische Beschichtung ist zweckmäßiger Weise so zu modifizieren, dass die gasförmigen Kohlenstoffverbin­ dungen CO und HC oxidiert werden, ohne dass die SO₂-Emission zu SO₃ aufoxidiert wird, das sich als Sulfat an den Partikeln anlagert.

Grundsätzlich ist die beschriebene Anordnung auch für mobile Die­ selmotoren verwendbar. Wie beschrieben, sind jedoch bei stationär betriebenen Dieselmotoren die besten Resultate zu erzielen.

Der weitere wesentliche Punkt der Erfindung ist die an und für sich schon bekannte Beimengung des gekühlten rückgeführten Abgases zur Ladeluft. Hierbei ist erfindungsgemäß in der Einmündung der Ab­ gasrückführleitung in die Ansaugluftleitung ein nach dem Venturi- Prinzip arbeitender Mischer, der bei geringen Druckverlusten eine hohe und gleichmäßige Durchmischung des Abgases mit der Luft be­ wirkt, angeordnet. Dadurch ist eine wesentlich bessere Homogenität der Mischung bei allen Zylindern des Motors zu erreichen, wodurch die Rückführrate bei gleicher Stickoxidemission zu senken ist. Weiter­ hin kann die Drosselung der Ladeluft zur Erreichung der benötigten Rückführraten entfallen, was einen Verbrauchsvorteil mit sich bringt. Durch den so möglichen Entfall der Drosselklappen, auch in der La­ deluftleitung, wird die Regelung der Rückführrate weniger störanfällig.

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

In der Zeichnung ist schematisch mit 1 ein Dieselmotor bezeichnet. Dieser ist über eine Abgasleitung 2, in die ein Partikelfilter 3 integriert ist, mit der Abgasturbine 4 eines Abgasturboladers verbunden. In Strömungsrichtung hinter der Abgasturbine zweigt von der Abgaslei­ tung 2 eine Abgasrückführleitung 5 ab, die eine Teilmenge des Abga­ ses durch den Abgaskühler 6 in den Mischer 7 leitet. Dieser Mischer 7 ist in der Ansaugluftleitung 8 installiert, die in Strömungsrichtung vor dem Verdichter 9 des Abgasturboladers angeordnet ist. Das im Ver­ dichter 9 komprimierte Gemisch strömt durch die Ladeluftleitung 10 in einen Gemischkühler 11 und von dort durch die Ladeluftleitung 12 weiter in den Dieselmotor 1.

Die Funktionsweise ist die folgende:
Die heißen, ungereinigten Abgase des Dieselmotors 1 gelangen, nachdem sie den Motor verlassen haben, in den katalytisch wirk­ samen Partikelfilter 3, wo sie gereinigt werden. Bei Stationärmotoren bzw. Motoren, die während der meisten Zeit bei mehr als Halblast betrieben werden, ist eine permanente Selbstregenerierung des Par­ tikelfilters 3 gegeben, da die Abgastemperatur höher als die An­ springtemperatur des Partikelfilters 3 ist. Das so gereinigte Abgas treibt die Abgasturbine 4 eines Abgasturboladers an und gelangt über die Abgasleitung ins Freie. Ein Teil des gereinigten Abgases wird über die Abgasrückführleitung 5 mit dem darin enthaltenen Abgas­ kühler 6 in die Ansaugluftleitung 8 geführt. Die Mischung der Ladeluft mit dem rückgeführten, gereinigten und gekühlten Abgas erfolgt über den nach dem Verturiprinzip verlustarm arbeitenden Mischer 7. In Strömungsrichtung hinter dem Mischer 7 ist der Verdichter 9 des Ab­ gasturboladers angeordnet, der das Ladeluft-Abgasgemisch zu den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 fördert.

Claims (3)

1. Dieselmotor mit einer Ansaugluftleitung (8) und einer Ladeluft­ leitung (10), in der der Verdichter (9) eines Abgasturboladers ange­ ordnet ist und einer Abgasleitung (2), in der die Abgasturbine (4) des genannten Abgasturboladers und ein Partikelfilter (3) angeordnet sind, sowie mit einer Abgasrückführleitung (5), die in Strömungsrich­ tung hinter dem Partikelfilter (3) der Abgasturbine (4) von der Abgas­ leitung (2) abzweigt und diese mit der Ansaugluftleitung (8) verbindet und einem Abgaskühler (6) in der Abgasrückführleitung (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (3) in Strömungs­ richtung vor der Abgasturbine (4) angeordnet ist, dass die filternden Elemente des Partikelfilters (3) eine katalytische Beschichtung auf­ weisen und dass in der Einmündung der Abgasrückführleitung (5) in die Ansaugluftleitung (8) ein nach dem Venturi-Prinzip arbeitender Mischer (7) angeordnet ist.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselmotor stationär betrieben wird.

3. Dieselmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftleitung (10) drosselklap­ penfrei ausgebildet ist.