DE4443260A1 - Aggregat von zwei miteinander verbundenen Wärmekraftmaschinen und Verfahren zur Senkung der Schadstoffkonzentration der Abgase - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung bezieht sich auf bekannte Wärmekraftmaschi­ nen für den stationären oder mobilen Einsatz, die umweltbelastende Abgase abge­ ben. Dabei können diese zum Beispiel in Blockheizkraftwerken, auf Schiffen als Dieselantriebe- oder zum Antrieb von Automobilen eingesetzt werden. Die Erfindung befaßt sich mit der Reinigung der Abgase dieser Maschinen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Besonders Dieselmotore finden durch ihren hohen Wirkungsgrad eine immer stärkere Anwendung für Nutzfahrzeuge, Personenkraftwagen und für stationäre Einsatzfälle. Beim Verbrennungsprozeß des Dieselkraftstoffes entstehen im Abgas umweltschädi­ gende Stoffe, insbesondere Stickoxide, in relativ hoher Konzentration, Ruß, Kohlen­ monoxid und nicht oder nur teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe sowie HC-Verbindungen.

Die bisher technisch erprobten Verfahren zur Reduzierung der Stickoxide in den Ab­ gasen von Dieselmotoren lassen sich in Verfahren unterteilen, die entweder durch ei­ ne Beeinflussung des Verbrennungsprozesses im Dieselmotor oder durch eine Nach­ behandlung der Abgase wirksam sind. In ähnlicher Weise wird bei den anderen übli­ chen Verbrennungskraftmaschinen vorgegangen.

Zur ersten Gruppe von Verfahren gehören:

• - die Optimierung des angesaugten Gasgemisches unter Hinzufügung von Abgas oder von Wasserdampf zur angesaugten Luft und/oder anderer reaktiver Substan­ zen, meist als Gas.
• - die Modifizierung des Dieselkraftstoffes durch die Herstellung einer Wasser-Diesel- Emulsion oder durch die Verdampfung des Dieselkraftstoffes vor der Einspritzung in den Motor.
• - und die Optimierung der Geometrie der Brennkammer und der Strömungsvorgänge der Gasansaugung bzw. die Optimierung des Einspritzprozesses selbst.

Obwohl diese Varianten der Optimierung des Verbrennungsprozesses intensiv unter­ sucht wurden, konnte bisher keine zufriedenstellende Vermeidung von Stickoxiden erreicht werden. In den besten Varianten betrug der Stickstoffoxidgehalt des Abgases immer noch etwa 50% der üblichen Werte. Auch die anderen Schadstoffe treten noch In erheblicher störender Menge aus und können nur durch teuren zusätzlichen Auf­ wand graduell verringert werden.

Konstruktive Veränderungen an den Motoren können nur noch mit erheblichen Ko­ stenaufwand graduelle Verbesserungen mit sich bringen. Besonders Dieselmotore müßten in Zukunft für einige Einsatzgebiete durch andere Motore, wie Gasmotore abgelöst werden, um die bereits in Aussicht genommenen Abgasnormen sichern zu können. Damit wäre teilweise auch ein Verzicht auf die bekannten Vorteile des Diesel­ motors verbunden.

Aus der zweiten Gruppe von Verfahren ist die Nachbehandlung des Abgases durch Zusätze von Ammoniak oder Harnstoff bekannt. Das Gemisch von Stickoxiden und Ammoniak wird an einem Katalysator bei Temperaturen von 350 bis 420 Grad Celsi­ us umgesetzt. Dadurch kann eine nahezu 100%-ige Reduktion der Stickoxide erfol­ gen. Jedoch stellt dieses Verfahren hohe Anforderungen an die Steuertechnik. Der Stickoxidgehalt des Abgases muß gemessen werden, damit Ammoniak jeweils in der richtigen Menge zugegeben werden kann. Die Temperatur des Katalysators ist genau einzuhalten. Aus diesen Gründen ist dieses Verfahren der katalytischen Reduktion der Stickoxide nur für stationäre Motore großer Leistung oder Schiffsdieselmotore wirt­ schaftlich anwendbar [1].

Weiterhin gibt es Vorschläge zu Abgasnachbehandlungen mittels Elektronenstrahlen, Plasmareaktoren, Lichtbestrahlung oder durch elektrische Entladungen. Auf Grund der großen benötigten Energie und der Kompliziertheit der Systeme wurden diese Vorschläge bisher technisch nicht realisiert.

Ziel der Erfindung

Es soll ein neues Verfahren der Abgasreinigung für Verbrennungskraftmaschinen so­ wie eine neue Anordnung von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben werden, die ermöglicht werden durch die Kopplung einer ersten herkömmlichen Verbrennungs­ kraftmaschine mit einer in geeigneter Weise modifizierten zweiten Verbrennungskraft­ maschine. Damit soll erreicht werden, das Abgas von Dieselmotoren oder anderen Wärmekraftmaschinen von den umweltschädigenden Stoffen so effektiv zu befreien, daß alle aktuell bekannten Abgasnormen der BRD und der USA weit unterschritten werden; erst recht die Schadgasmengen herkömmlicher Systeme. Somit sollen die bisherigen Mängel, die der Stand der Technik ausweist, durch ein prinzipiell neues Vorgehen überwunden werden. Für Abgase, die noch oxidierbare Bestandteile oder oxidlerende Bestandteile enthalten, vor allem umweltschädliche Substanzen, soll bei zeitlich schwankenden Drucken , Konzentrationen der Schadstoffe und Gase über­ haupt und Temperaturen ohne besonderen Regelaufwand eine nahezu 100%-ige Umsetzung der Schadstoffe Ruß, Kohlenwasserstoffe, Treibstoffreste, Kohlenmonoxid und nitrose Gase zu die Umwelt nicht schädigenden Endprodukten wie Wasser, Koh­ lendioxid, Stickstoff erreicht werden. Insbesondere soll der Mangel und seine Folgen behoben werden, daß direkt in die Chemie des Dieselmotors oder anderer Wärme­ kraftmaschinen eingegriffen wird. Weder ein Wirkungsgradverlust durch Zusatz von Wirkstoffen, die zwar das Abgas graduell verbessern aber in die chemischen Abläufe beim an sich optimiertem Motor eingreifen und gegebenenfalls den Wirkungsgrad mindern, noch die Verteuerung durch die Zuführung von zusätzlichen Stoffen, noch die Verteuerung durch die konstruktive Verbesserung der Wärmekraftmaschinen, noch zusätzlicher Energieeinsatz zur Verdampfung von flüssigen Treibstoffen, um sie als schneller mit der angesaugten Luft mischbare Gase wirken zu lassen, noch die aufwendige Anwendung von Hilfsmitteln, wie Filtergeräte, Katalysatoren sollen in Kauf genommen werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemäß wird das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, das Ruß, nitrose Gase, Kohlenmonoxid, HC-Verbindungen sowie unverbrannten Kraftstoff enthält in einer zweiten nachgeschalteten Verbrennungskraftmaschine selbst als "Treibstoff" eingesetzt, da die genannten Substanzen in exothermer Reaktion Energie abgeben können. Im Sinne dieser Erfindung ist es sinnvoll, da der Energiegehalt des Abgases vergleichsweise gering ist, weiteren Treibstoff und Luft zuzusetzen. Der Treibstoff kann aus Wasserstoff, gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen, Ammoniak, her­ kömmlichen Treibstoffen, letztere in flüssiger Form und/oder dampfförmig (auch mit Wasserdampfzumischungen und/oder als Aerosol) oder aus den genannten Stoffen als Mischtreibstoff zusammengesetzt sein.

Es kommt jedoch erfindungsgemäß dabei nicht darauf an, daß die nachgeschaltete Maschine, die erfindungsgemäß eine modifizierte Form einer herkömmlichen Maschi­ ne ist, unbedingt ein Maximum an Energie erzeugt, sondern, daß die zusätzlich ge­ wählten Substanzen wohl als Treibstoffe wirken, vorzüglich jedoch so ausgewählt sind, daß der Umsatz der genannten Schadstoffe aus dem Abgas der Basisantriebs­ maschine so weitgehend verläuft, daß im wesentlichen Wasser, Stickstoff und Kohlen­ dioxid als Verbrennungsprodukte auftreten und daß umweltschädliche Anteile an Ruß, nitrosen Gasen, Kohlenmonoxid, Treibstoffresten oder an HC-Verbindungen in voll­ kommen unbedeutenden Mengen austreten und in der nachgeschalteten Maschine auch nicht neu erzeugt werden erfindungsgemäß werden die in den gegenwärtigen gesetzlichen Standards der BRD und der USA vorgeschriebenen maximal zulässigen Konzentrationen der genannten Schadstoffe in sehr hohem Maße unterschritten. Er­ findungsgemäß sind wesentlich geringere Schadstoffkonzentrationen als 1% der ge­ genwärtig bekannten Schadstoffkonzentrationen an Kohlenstoff (Ruß), HC-Verbindun­ gen, Resttreibstoff der Basismaschine, Kohlenmonoxid und nitrosen Gasen erreichbar.

Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, daß die zeitliche Stoffdichte im Abgas sehr viel geringer ist, als Im Motorinnenraum der Basismaschine und daß der chemi­ sche Prozeß im Motorraum nicht durch zusätzliche Eingriffe gestört wird. Die Konzen­ trationen des unverbrannten Treibstoffes, der HC-Verbindungen, der nitrosen Gase, des Kohlenmonoxides und des Kohlenstoffes, der insgesamt exotherm umsetzbaren Bestandteile, sind im Abgas sehr viel geringer als die Konzentration der in die Basis­ kraftmaschine eingeführten als Treibstoffstoffe dienenden Substanzen. Damit ist er­ findungsgemäß der Weg frei bei anderen Arbeitsdrucken und Temperaturen eine chemische Umsetzung der störenden Abgasbestandteile in solcher Weise vorzuneh­ men, daß entweder nur Wärmeenergie freigesetzt wird oder ein Beitrag zur Antriebsenergie geleistet wird, mit der Folge, daß störende Mengen schädlicher Be­ standteile im endgültigen Abgas nicht mehr auftreten können.

Besondere Zusatzstoffe um den Umsatz der Schadstoffe zu für die Umwelt unschädli­ chen Substanzen zu erreichen, werden im wesentlichen dadurch vermieden, als die nachgeschaltete Verbrennungskraftmaschine mit bekannten Treibstoffen zusätzlich
in solcher Weise betrieben wird, daß erfindungsgemäß nun nicht der Zweck einer ma­ ximalen Energieausnutzung bzw. eines hohen Betrages an mechanischer Antriebse­ nergie angestrebt wird, sondern der physikalisch-chemisch optimierte Umsatz an sich schadstoffarmer Treibstoffe oder Gemische mit den Abgasen der Basismaschine ist erfinderische Lösung. Kompression, Stoffmengen in der Zeiteinheit, Verwellzeiten und die Komposition des Gasgemisches sowie die Reaktionstemperaturen sind nun in er­ ster Linie auf die fast vollständige Umsetzung der umweitschädlichen Substanzen ausgerichtet. Dabei wird abhängig von diesem Ergebnis der möglichst hohen Energie­ gewinnung in dieser nachgeschalteten Maschine dennoch alle Aufmerksamkeit gewid­ met. Jedoch darf dieser Anteil zur Antriebsenergie nicht auf Kosten des chemisch op­ timierten Verbrennungsablaufes in der nachgeschalteten Maschine erhöht werden. Die Abgasreinigung erfolgt nicht in einem zusätzlichen reinigenden Aggregat, sondern in einer Verbrennungskraftmaschine, die wohl noch einen Beitrag zur Antriebsenergie liefert, aber wegen der Optimierung der chemischen Prozeßführung am Ende ein be­ sonders sauberes Abgas ausstößt.

Im Sinne der Erfindung wird also die Energiebilanz optimiert indem nicht wesentlich ist, daß die Energieausbeute ein Maximum ist, wie es bei Verbrennungskraftmaschi­ nen allgemein üblich ist, sondern daß vor allem die Schadstoffe im Abgas außeror­ dentlich geringe Konzentrationen aufweisen, die weit unter den vorgeschriebenen und in den nächsten Jahren avisierten Abgasnormen in der BRD und den USA liegen.

Dabei werden bei den Schadstoffen Kohlenstoff (Ruß), Kohlenmonoxid, CH-Verbin­ dungen, Resttreibstoff der Basismaschine sowie Stickoxiden Restkonzentrationen von 10-1 bis 10-5 der gegenwärtig besten Verbrennungskraftmaschinen insbesondere Dieselmotore erreicht. Selbst bei einem optimierten Gasmotor kann so mit einem zweiten als Hybridmaschine gekoppelten Gasmotor, wenn beide im Sinne der Erfin­ dung betrieben werden, eine derartig starke Senkung des Schadstoffausstoßes der Basismaschine erreicht werden. Dabei kann auf die im Stand der Technik beschriebe­ nen Methoden wie Filter bis Katalysatoren verzichtet werden.

Erfindungsgemäß werden die Schadstoffkonzentrationen der Abgase der Basisma­ schine durch das neue angewendete Prinzip, bezogen auf die Schadstoffe Kohlen­ stoff (Ruß), Kohlenmonoxid, CH-Verbindungen, Resttreibstoff der Basismaschine und nitrose Gase, um zwei Zehnerpotenzen und mehr gesenkt, unabhängig davon, wei­ che Basismaschine eingesetzt wird.

Erfindungsgemäß erfolgt die Ausgestaltung der angekoppelten Kraftmaschine in Form einer an sich bekannten Verbrennungskraftmaschine, etwa eines Gasmotors oder ei­ ner Gasturbine in der Weise modifiziert, daß das Abgas der Basismaschine ganz oder teilweise dem Treibstoffgemisch dieser nachgeschalteten Maschine zugeführt wird.

Das Abgas der nachgeschalteten Wärmekraftmaschine besteht dann in diesem Sinne aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid. Für diese chemischen Umsetzungen werden Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindun­ gen und/oder Ammoniak und/oder Ärosole aus Treibstoffen, auch unter Einsatz von Wasserdampf eingesetzt, mit der neuartigen technischen Lösung, die chemische Op­ timierung in einer an sich bekannten Verbrennungskraftmaschine vorzunehmen, ohne auf den dabei erzeugten Energieanteil zu verzichten, aber in Kauf zu nehmen, daß diese Energie nicht das Ziel bei der Betreibung dieses modifizierten Gerätes ist.

Dieses erfindungsgemäße Vorgehen vermeidet rückgreifende Wirkungen auf die Basiskraftmaschine.

Die Basiskraftmaschine kann auch ein älteres Modell sein, das geringere Herstel­ lungskosten erfordert und selbstverständlich kann jede ältere Kraftmaschine erfin­ dungsgemäß nachgerüstet werden.

Ausführungsbeispiel

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird im folgenden Beispiel beschrieben.

Als Basismotor wird ein Vierzylinder-Dieselmotor mit einem Hubraum von 2 l mit Di­ rekteinspritzung, p < 1,8 MPa, eingesetzt. Als damit verbundene nachgeschaltete Wärmekraftmaschine wird ein Vierzylinder-Gasmotor mit einem Hubraum von 2 l bis 3 l verwendet.

Der nachgeschaltete Gasmotor wird in üblicher Weise mit Methan betrieben. Erfin­ dungsgemäß werden Wasserstoffanteile zwischen 20% eingebracht. Außerdem wird Luft beigemischt abhängig von der Sauerstoffbilanz des jeweiligen Abgases der Ba­ sismaschine und der Wasserstoff- und Methananteile. Dabei sind Luftanteile von 0 bis 40 Vol.% opportun. Nach dieser Vorvermischung wird das Abgas der Basismaschi­ ne zugemischt. Das ganze Gasgemisch wird nun in üblicher Weise in den Motorinnenraum eingebracht und zur Zündung gebracht.

Der übliche Dieselmotorschalldämpfer der Basismaschine wird beibehalten oder modi­ fiziert auf den konkreten Anwendungsfall angepaßt. Dabei ist darauf zu achten, daß die Schalldämmung gesichert bleibt und erfindungsgemäß Temperaturen von 100 bis 500 Grad Celsius die nach Fall eingestellt werden. Diese Temperatureinstellung geht wesentlich auf die Reaktionsführung des nachgeschalteten Gasmotors ein.

In Abhängigkeit von der speziellen Betriebsweise des Basisdiesels wird das Mi­ schungsverhältnis von Abgas : Zuluft : Methan : Wasserstoff eingestellt. Damit kann Im Abgas des nachgeschalteten Gasmotors in weiten Grenzen der Gehalt von nitro­ sen Gasen, Ruß, Kohlenwassersstoffverbindungen, Kohlenmonoxid sowie Dieseltreib­ stoffresten gesteuert und damit in bisher unbekannter Weise erheblich gesenkt wer­ den, entsprechend im Wesen der Erfindung angegebenen Grenzwerten für die Abgaskonzentrationen.

Bei der beschriebenen ungeregelten Betriebsweise des Gasmotors ergibt sich eine relativ gleichmäßige Drehzahlin einem voreingestellten Belastungsbereich, die nur geringfügig vom Betriebsfall des Dieselmotors abhängt.

Die Antriebsenergie des nachgeschalteten Gasmotors kann auf die Antriebswelle ge­ koppelt werden und/oder einen Elektrogenerator antreiben, der für das Bordnetz oder andere Einsatzzwecke z. B. bei stationärem Betrieb, zur Verfügung steht.

Der Basisdieselmotor selbst braucht nicht als einen Elektrogenerator antreibende Ma­ schine ausgelegt werden. Er kann daher entweder leistungsfähiger arbeiten als Antriebsmaschine oder geringer dimensioniert und damit kostengünstiger ausgeführt werden.

In einer Variante des Ausführungsbeispiels kann Methan nach dem Kennfeld gesteu­ ert zugesetzt werden und somit Methan eingespart werden.

Der Basismotor kann für alle denkbaren Einsatzfälle eingesetzt werden, die für Ver­ brennungskraftmaschinen typisch sind. Dabei kann die Gesamtleistung beider Ma­ schinen der im konkreten Anwendungsfall notwendigen zu installierenden Leistung gleich sein.

Claims (10)

1. Aggregat von mindestens zwei miteinander verbundenen Wärmekraftmaschinen, bestehend

• - aus einer ersten als Basismaschine bezeichneten Wärmekraftmaschine, die domi­ nierend Antriebsenergie liefert und deren Abgase umweitschädliche Substanzen in störenden Konzentrationen enthalten,
• - und einer zweiten Wärmekraftmaschine, gekennzeichnet dadurch,
• - daß die Abgase der Basismaschine von der zweiten nachgeschalteten Wärmekraft­ maschine vollständig oder anteilig aufgenommen werden,
• - daß die Konzentration der Schadstoffanteile an Kohlenstoff (Ruß), Kohlenmonoxid, HC-Verbindungen, Resttreibstoff der Basismaschine sowie Stickstoffoxiden unab­ hängig davon welche Verbrennungsmaschine als Basismaschine eingesetzt wird, um mindestens zwei Zehnerpotenzen gesenkt wird und als Abgas aus der nachge­ schalteten Maschine entweicht.
• - daß die zweite nachgeschaltete Wärmekraftmaschine ebenfalls einen nutzbaren Energiebeitrag liefert,
• - daß die zweite nachgeschaltete Wärmekraftmaschine jedoch insbesondere che­ misch so optimiert wird, daß das endgültige Abgas umweltbelastende Substanzen außer Kohlendioxid in störenden Konzentrationen im Sinne der einschlägigen staat­ lichen Vorschriften nicht mehr enthält.

2. Aggregat nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Basismaschine eine der üblichen bekannten Verbrennungskraftmaschinen ist und daß insbesondere in modifizierter Form ein Gasmotor oder eine Gasturbine eingesetzt werden.

3. Aggregat nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Basismaschi­ ne ausschließlich der Energieerzeugung dient.

4. Aggregat nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß die nachgeschaltete Ma­ schine auch mit eigenem Treibstoff arbeitet, der in Verbindung mit dem Abgas der Ba­ sismaschine aus chemischen Gründen ein außerordentlich reines Abgas liefert, das keine störenden Mengen umweltschädlicher Abgasbestandteile mehr enthält.

5. Treibstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Treibstoff gasför­ mig oder flüssig ist und bei seiner Verbrennung außer Wasser, Stickstoff und Koh­ lendioxid selbst keine störenden Mengen von anderen Verbrennungsprodukten in das Abgas einbringt

6. Treibstoff nach Anspruch 1, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Treibstoff in der nachgeschalteten Maschine Wasserstoff und/oder gasförmige Kohlenwasser­ stoffverbindungen und/oder Ammoniak enthält.

7. Treibstoff nach Anspruch 1, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Treibstoff in der nachgeschalteten Maschine flüssige Kraftstoffe im gasförmigen Zustand und/oder als Aerosol und/oder mit einem Wasseranteil enthält.

8. Verfahren der Verbrennungsführung in der nachgeschalteten Maschine nach An­ spruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß einer besonderen physikalisch-chemischen Optimierung der Vorrang gegeben wird gegenüber einer maximalen Energieausbeute, ohne darauf zu verzichten, daß bei gesichertem Vorrang der chemischen Optimierung möglichst hohe Energiebeträge abgegeben werden.

9. Verfahren der Verbrennungsführung in der nachgeschalteten Maschine nach An­ spruch 1 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß insbesondere Kohlenstoff (Ruß), HC- Verbindungen, Kohlenmonoxid, unverbrannte Treibstoffe und nitrose Gase aus dem Abgas der Basismaschine nahezu vollständig zu Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umgesetzt werden. Dabei unterschreiten die Konzentrationen der hier aufgeführten Schadstoffe mindestens deutlich ein Hundertstel der gegenwärtig erreichbaren Schadstoff-konzentrationen.

10. Nachgeschaltete Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß ausschließlich nur Wärmeenergie aus dem Abgas der Basiskraftmaschine und den beigemengten Substanzen erzeugt wird, die weiter genutzt werden kann.