EP0442331B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Ortbarkeit von Gasen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Ortbarkeit von Gasen Download PDF

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EP0442331B1 EP91101318A EP91101318A EP0442331B1 EP 0442331 B1 EP0442331 B1 EP 0442331B1 EP 91101318 A EP91101318 A EP 91101318A EP 91101318 A EP91101318 A EP 91101318A EP 0442331 B1 EP0442331 B1 EP 0442331B1
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exhaust
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    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for reducing the location of gases, in particular exhaust gases from a diesel internal combustion engine.
  • Exhaust gases from diesel engines can be located due to their emission of electromagnetic waves in the visible and infrared range.
  • white and blue smoke emissions play a role in cold starts and warm-up operation
  • black smoke emissions play a role in warm starts, acceleration and under load.
  • the entire exhaust gas mass radiates in the infrared range depending on its temperature.
  • the diesel soot which is a black emitter, emits particularly intensely.
  • GB-A 2,161,397 describes a device for the aftertreatment of the exhaust gases from diesel engines, in which the exhaust gas is filtered in the entire operating range of the diesel internal combustion engine and then cooled and in certain cases can be heated before cooling.
  • the invention has for its object to improve the solution of the generic script to prevent the location of the exhaust gases from internal combustion engines, in particular diesel internal combustion engines in their entire operating range including cold start and warm-up.
  • the filtering of the exhaust gases primarily removes the clearly visible and intensely heat-radiating soot particles.
  • the cold but also clearly visible White and blue smoke is ignited by heating and burns to invisible carbon dioxide and water vapor due to the residual oxygen contained in the exhaust gas of the diesel engine. It is basically the same whether the white and blue smoke is heated before or after filtering the exhaust gas.
  • heating up before filtering has the advantage that only one exhaust gas heating device is required to burn the hydrocarbons in the exhaust gas and to heat up the particle filter for regeneration.
  • Cooling the exhaust gas reduces its radiation intensity in the infrared range. Since the exhaust gas heat is required for the regeneration of the particle filter device and since heat is generated during the regeneration in the particle filter device itself, it is expedient to carry out the cooling of the exhaust gas after the filtering and therefore to arrange the exhaust gas cooling device downstream of the particle filter device.
  • the exhaust gas cooling device acts in all operating points of the diesel internal combustion engine, while the exhaust gas heating device is only required for the combustion of the white and blue smoke and for the regeneration of the particle filter device.
  • Monolithic ceramic filters are particularly suitable for thermal regeneration. They can be heated by means of electrical resistance heating or by means of flame heating.
  • the electrical resistance heating has the advantage that it does not consume any residual oxygen when heating, and is therefore particularly suitable for burning the hydrocarbons during cold start and warm-up.
  • flame heating has the advantage of being operated with low electrical energy. This in turn offers the option of operating the flame heater before starting the diesel engine.
  • the diesel engine can be preheated via the exhaust gas cooling device if it is connected to the liquid cooling system of the diesel engine. In this way, the formation of white and blue smoke is largely avoided and its possible existing residues are burned immediately, so that an optical location of the diesel engine is hardly possible even with a cold start.
  • the exhaust gas cooling device can be bypassed by an advantageous development of the invention and thus be overridden. In this case, the exhaust gas flows outside without cooling, which saves cooling power and thus fuel.
  • An advantageous design of the exhaust gas cooling device provides corrosion protection against the hot sulfur dioxide-containing exhaust gases and against aggressive components of the cooling water. This advantage has a particular impact on marine diesel engines, where the risk of corrosion is particularly high due to the high sulfur content of the fuel and - in the case of sea water cooling - because of the aggressiveness of the sea water.
  • the figure shows: is a schematic representation of the diesel engine with a device for reducing the location of the exhaust gases.
  • the diesel internal combustion engine 1 is supplied with combustion air via the intake air line 8 and in turn emits the exhaust gases to the exhaust line 2.
  • An exhaust gas heating device 3, a particle filter device 4 and an exhaust gas cooling device 5 are provided in the exhaust gas line 2 in series in the flow direction.
  • the exhaust gas cooling device 5 is connected to a bypass line 6 with a shut-off device 7 in parallel.
  • the device works as follows: The exhaust gases of the diesel internal combustion engine 1 are conducted via the exhaust line 2 to the particle filter device 4, in which the exhaust soot is largely filtered out. The cleaned exhaust gas then passes into the exhaust gas cooling device 5, in which the exhaust gas is cooled.
  • This is preferably a ceramic heat exchanger that is particularly resistant to the hot, corrosive exhaust gas and the cooling water.
  • the cooling circuit of the exhaust gas cooling device 5 is connected to that of the diesel internal combustion engine, so that the cooling heat of the diesel internal combustion engine 1 and the exhaust gas cooling device 5 is given to the air in a common recooler.
  • a bypass line 6 with a shut-off device 7 is available.
  • the particle filter device 4 is a monolithic ceramic filter or ceramic wound-candle filter or other filter of known or possible type. If these filters are coated with soot, they can e.g. B. regenerated by burning.
  • the exhaust gas heating device 3 supplies the heat required for this purpose. With the exhaust gas heating device 3, the exhaust gas is also heated during the cold start and warm-up of the diesel internal combustion engine 1. This burns any white or blue smoke that may be generated and prevents the diesel engine from being recognized even during a cold start. Likewise, however, are all other regeneration processes that work according to the heating method or the method of lowering the reaction temperatures of soot, white and blue smoke.
  • the exhaust gas heating device 3 can also be used for preheating the diesel engine and for auxiliary heating.
  • the exhaust gas cooling device 5 is used via the common cooling circuit, the diesel engine 1 and a possibly existing heating heat exchanger to heat up.
  • an electric cooling water pump is advantageously provided, which keeps the cooling circuit going even when the diesel internal combustion engine is at a standstill.
  • the exhaust gas cooling device 5 In stationary application, it may be advantageous to use the exhaust gas cooling device 5 as part of a total energy system. This possibility also exists in the case of ship drives, with fresh water cooling of the exhaust gas cooling device 5 being possible here in the event of a lack of heat.
  • the device according to the invention makes it possible, by cleaning and cooling the exhaust gas, to make it considerably more difficult to locate diesel internal combustion engines, specifically when they are used in vehicles, ships and stationary systems.

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Description

  • Die Erfindung betriffl ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung der Ortbarkeit von Gasen, insbesondere von Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine.
  • Abgase von Dieselbrennkraftmaschinen können aufgrund ihrer Emission von elektromagnetischen Wellen im sichtbaren und infraroten Bereich geortet werden. Im sichtbaren Bereich spielt bei Kaltstart und Warmlaufbetrieb die Weiß- und Blaurauchemission, beim Warmstart, Beschleunigen und unter Last die Schwarzrauchemission eine Rolle. Im Infrarotbereich strahlt die gesamte Abgasmasse in Abhängigkeit von ihrer Temperatur. Besonders intensiv emittiert der Dieselruß, der ein schwarzer Strahler ist.
  • Die durch Emissionen im sichtbaren und unsichtbaren Bereich bedingte Ortbarkeit von Abgasen kann speziell in militärischen Anwendungsfällen unerwünscht sein.
  • In der GB-A 2,161,397 ist eine Vorrichtung zur Nachbehandlung der Abgase von Dieselmotoren beschrieben, bei der im gesamten Betriebsbereich der Diesel-Brennkraftmaschine das Abgas gefiltert und anschließend gekühlt wird und in gewissen Fällen vor dem Kühlen aufgeheizt werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lösung der gattungsbildenen Schrift dahingehend zu verbessern, die Ortbarkeit der Abgase von Brennkraftmaschinen insbesondere von Dieselbrennkraftmaschinen in deren gesamten Betriebsbereich einschließlich Kaltstart und Warmlauf zu verhindern.
  • Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.
  • Durch die Filterung der Abgase werden in erster Linie die gut sichtbaren und intensiv wärmestrahlenden Rußpartikel beseitigt. Der kalte aber ebenfalls gut sichtbare Weiß- und Blauqualm wird durch Aufheizen entflammt und verbrennt aufgrund des im Abgas der Dieselbrennkraftmaschine enthaltenen Restsauerstoffs zu unsichtbarem Kohlendioxid und Wasserdampf. Dabei ist es grundsätzlich gleich, ob der Weiß- und Blauqualm vor oder nach dem Filtern des Abgases aufgeheizt wird. Das Aufheizen vor dem Filtern hat jedoch den Vorteil, daß nur eine Abgasaufheizvorrichtung erforderlich ist um die Kohlenwasserstoffe im Abgas zu verbrennen und das Partikelfilter zur Regeneration aufzuheizen.
  • Durch das Abkühlen des Abgases verringert sich dessen Strahlungsintensität im Infrarotbereich. Da die Abgaswärme zur Regeneration der Partikelfiltervorrichtung benötigt wird und da bei der Regeneration in der Partikelfiltervorrichtung selbst Wärme anfällt, ist es zweckmäßig, die Kühlung des Abgases nach der Filterung vorzunehmen und deshalb die Abgaskühlvorrichtung in Strömungsrichtung hinter der Partikelfiltervorrichtung anzuordnen. Die Abgaskühlvorrichtung wirkt in allen Betriebspunkten der Dieselbrennkraftmaschine, während die Abgasaufheizvorrichtung nur zur Verbrennung des Weiß- und Blauqualms und zur Regeneration der Partikelfiltervorrichtung benötigt wird.
  • Für eine thermische Regeneration eignen sich besonders monolitische Keramikfilter. Ihre Aufheizung kann mittels elektrischer Widerstandsheizung oder mittels Flammheizung erfolgen. Die elektrische Widerstandsheizung bietet den Vorteil, daß sie beim Heizen keinen Restsauerstoff verbraucht, und deshalb zur Verbrennung der Kohlenwasserstoffe während des Kaltstarts und Warmlaufs besonders geeignet ist. Dem gegenüber hat die Flammheizung den Vorteil, mit geringer elektrischer Energie betrieben zu werden. Das wiederrum bietet die Möglichkeit, die Flammheizung vor Inbetriebnanme der Dieselbrennkraftmaschine zu betreiben. Dadurch kann die Dieselbrennkraftmaschine über die Abgaskühlvorrichtung vorgewärmt werden, falls diese an das Flüssigkeitskühlsystem der Dieselbrennkraftmaschine angeschlossen ist. Auf diese Weise wird die Bildung von Weiß- und Blauqualm weitgehend vermieden und dessen evtl. vorhandene Reste werden sofort verbrannt, so daß eine optische Ortung der Dieselbrennkraftmaschine auch bei einem Kaltstart kaum möglich ist.
  • So lange eine optische Tarnung der Dieselbrennkraftmaschine nicht erforderlich oder gewünscht ist, kann durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung die Abgaskühlvorrichtung umgangen und damit außer Kraft gesetzt werden. In diesem Fall strömt das Abgas ungekühlt ins Freie, wodurch Kühlleistung und damit Kraftstoff gespart werden.
  • Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Abgaskühlvorrichtung wird ein Korrosionsschutz gegen die heißen schwefeldioxidhaltigen Abgase und gegen agressive Bestandteile des Kühlwassers erreicht. Dieser Vorteil wirkt sich besonders bei Schiffdieselmotoren aus, bei denen die Korrosionsgefahr wegen des hohen Schwefelgehaltes des Kraftstoffs und -bei Seewasserkühlung- wegen der Agressivität des Seewassers besonders hoch ist.
  • Weitere Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.
  • Die Figur zeigt:
    eine schematische Darstellung der Dieselbrennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Verminderung der Ortbarkeit der Abgase.
  • Die Dieselbrennkraftmaschine 1 wird über die Ansaugluftleitung 8 mit Verbrennungsluft versorgt und gibt ihrerseits die Abgase an die Abgasleitung 2 ab. In der Abgasleitung 2 sind in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet eine Abgasaufheizvorrichtung 3, eine Partikelfiltervorrichtung 4 und eine Abgaskühlvorrichtung 5 vorgesehen. Der Abgaskühlvorrichtung 5 ist eine Umgehungsleitung 6 mit einer Absperrvorrichtung 7 parallel geschaltet.
  • Die Vorrichtung funktioniert folgendermaßen: Die Abgase der Dieselbrennkraftmaschine 1 werden über die Abgasleitung 2 zur Partikelfiltervorrichtung 4 geleitet, in der der Abgasruß weitgehend ausgefiltert wird. Anschließend gelangt das gereinigte Abgas in die Abgaskühlvorrichtung 5, in der das Abgas gekühlt wird. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen Keramikwärmetauscher, der besonders widerstandsfähig gegen das heiße, korrosive Abgas und gegen das Kühlwasser ist.
  • Im Falle eines Fahrzeugs steht der Kühlkreislauf der Abgaskühlvorrichtung 5 mit dem der Dieselbrennkraftmaschine in Verbindung, so daß die Kühlwärme der Dieselbrennkraftmaschine 1 und der Abgaskühlvorrichtung 5 in einem gemeinsamen Rückkühler an die Luft angegeben wird. Für den Fall, daß die Abkühlung der Abgase nicht erforderlich ist, steht eine Umgehungsleitung 6 mit einer Absperrvorrichtung 7 zur Verfügung.
  • Bei der Partikelfiltervorrichtung 4 handelt es sich um monolithische Keramikfilter oder keramische Wickelkerzenfilter oder andere Filter bekannter oder möglicher Bauart. Wenn diese Filter mit Ruß belegt sind, können sie z. B. durch Abbrennen regeneriert werden. Die dazu erforderliche Wärme liefert die Abgasaufheizvorrichtung 3. Mit der Abgasaufheizvorrichtung 3 wird das Abgas auch während des Kaltstarts und Warmlaufens der Dieselbrennkraftmaschine 1 aufgeheizt. Dadurch wird evtl. entstehender Weiß- oder Blauqualm verbrannt und die Erkennbarkeit der Dieselbrennkraftmaschine auch bei einem Kaltstart verhindert. Ebenso eignen sich aber alle anderen Regenerierverfahren, die nach der Aufheizmethode oder aber nach der Methode der Absenkung der Reaktionstemperaturen von Ruß, Weiß- und Blaurauch funktionieren.
  • Die Abgasaufheizvorrichtung 3 kann auch zur Vorwärmung der Dieselbrennkraftmaschine und zur Standheizung verwendet werden. In diesem Fall wird die Abgaskühlvorrichtung 5 dazu benutzt über den gemeinsamen Kühlkreislauf die Dieselbrennkraftmaschine 1 und einen evtl. vorhandenen Heizungswärmetauscher aufzuheizen. Dazu ist vorteilhafterweise eine elektrische Kühlwasserpumpe vorgesehen, die auch bei stillstehender Dieselbrennkraftmaschine den Kühlkreislauf in Gang hält.
  • Im stationären Anwendungsfall kann es von Vorteil sein, die Abgaskühlvorrichtung 5 als Teil einer Totalenergieanlage zu verwenden. Diese Möglichkeit besteht auch bei Schiffsantrieben, wobei hier im Falle fehlenden Wärmebedarfs eine Frischwasserkühlung der Abgaskühlvorrichtung 5 möglich ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, durch Reinigen und Kühlen des Abgases die Ortung von Dieselbrennkraftmaschinen erheblich zu erschweren, und zwar bei deren Einsatz in Fahrzeugen, Schiffen und Stationäranlagen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Minderung der Ortbarkeit von Abgasen einer Diesel-Brennkraftmaschine, bei dem im gesamten Betriebsbereich der Diesel-Brennkraftmaschine das Abgas gefiltert und anschließend gekühlt wird und in gewissen Betriebsbereichen vor dem Kühlen aufgeheizt werden kann,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen der Abgase während des Kaltstarts und des Warmlaufens der Dieselbrennkraftmaschine zur Verbrennung im Abgas enthaltener Kohlenwasserstoffe erfolgt, um dadurch auch die Ortbarkeit von sichtbarer Kohlenwasserstoffemission zum mindern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen der Abgase vor dem Filtern derselben erfolgt.
  3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Dieselbrennkraftmaschine (1), deren Abgase in einer Abgasleitung (2) geführt sind, wobei in der Abgasleitung (2) in Strömungsrichtung gesehen hintereinander geschaltet eine Partikelfiltervorrichtung (4) und eine Abgaskühlvorrichtung (5) sowie vor der Partikelfiltervorrichtung (4) gegebenenfalls eine Abgasaufheizvorrichtung (3) angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelfiltervorrichtung (4) als monolithisches Keramikfilter ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasaufheizvorrichtung (3) als eine elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasaufheizvorrichtung (3) als eine Flammheizung ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß vor oder im Filter (4) eine Vorrichtung zur Absenkung der Reaktionstemperaturen von Ruß, Blau- und Weißrauch angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaskühlvorrichtung (5) als korrosionsfester, vorzugsweise keramischer Wasser-Gaskühler ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf der Abgaskühlvorrichtung (5) mit dem Kühlkreislauf der Dieselbrennkraftmaschine (1) in Wirkverbindung steht.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaskühlvorrichtung (5) direkt von Seewasser beaufschlagbar ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine absperrbare Umgehungsleitung (6) für die Abgaskühlvorrichtung (5) vorgesehen ist.
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