WO2007020025A1

WO2007020025A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufbereitung eines abgases einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: WO2007020025A1
Application number: PCT/EP2006/007975
Authority: WO
Inventors: Peter Treiber
Original assignee: Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
Priority date: 2005-08-15
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2007-02-22
Also published as: RU2418176C2; CN101278109A; JP2009504982A; US20080196400A1; PL1917423T3; JP4971328B2; DE102005038707A1; US8015806B2; DE502006008477D1; KR20080042132A; EP1917423A1; RU2008109648A; CN101278109B; EP1917423B1; KR100966782B1

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbereiten eins Abgases (6) einer Verbrennungskraftmaschine (19), wobei mindestens zwei Module (3, 4, 5, 17) zur Abgasaufbereitung ausgebildet sind, ist darauf gerichtet, dass ein Abgasstrom zumindest zum Teil in Abhängigkeit von einem Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine (19) so umlenkbar ist, dass ein oder mehrere Module (3, 4, 5, 17) zumindest von Teilen des Abgases (6) durchströmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) erlauben es in vorteilhafter Weise auch die Abgassysteme von großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen (19) so zu gestalten und zu betreiben, dass auch im Leerlauf und grundsätzlich bei sehr geringen Abgasmassenströmungen eine Umsetzung und Aufbereitung des Abgases (6) in einzelnen Modulen (5, 3, 4, 17) erfolgt. Die einzelnen Module (3, 4, 5, 17) können an verschiedene Lastpunkte der Verbrennungskraftmaschine (19) angepasst sein.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine. Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist ein Einsatz zur Aufbereitung eines Abgases von großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmaschinen, insbesondere in Lokomotiven und Wasserfahr- zeugen.

Die Abgase von Verbrennungskraftmaschinen enthalten unerwünschte Substanzen, deren Anteil am Abgas in vielen Staaten gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte unterschreiten muss. Hierbei handelt es sich auch um die Konzentration von Partikeln im Abgas, die in vielen Ländern gewisse Werte nicht überschreiten darf. Insbesondere bei großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen ist jedoch gerade unter Leerlaufbedingungen das Einhalten von Grenzwerten teilweise schwierig.

Von daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mittels derer die Emission von unerwünschten Substanzen auch bei großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen sicher verringert werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbereitung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, wobei mindestens zwei Module zur Abgasaufbereitung aus- gebildet sind, basiert darauf, dass ein Abgasstrom zumindest zum Teil in Abhängigkeit von einem Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine so umlenkbar ist, dass ein oder mehrere Module zumindest von Teilen des Abgases durchströmt werden.

Unter einer Abgasaufbereitung wird hier insbesondere die Verringerung der Kon- zentration mindestens einer Komponenten des Abgases verstanden. Bevorzugt wird unter einer Abgasaufbereitung hier auch eine Reduktion des Partikelanteils des Abgases verstanden. Der Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine wirkt sich insbesondere auf folgende Größen des Abgases aus: Temperatur, Abgasmassenstrom, Schadstoffkonzentration und/oder mittlere Abgasgeschwindigkeit. Ge- rade bei Verbrennungskraftmaschinen mit großen Hubräumen, insbesondere entsprechende Dieselkraftmaschinen, die in Zugtriebwagen, beispielsweise Lokomotiven, Wasserfahrzeugen, beispielsweise Schiffen und/oder Booten und im stationären Betrieb eingesetzt werden, treten häufig nur sehr wenige Lastpunkte auf, beispielsweise ein Leerlauflastpunkt, ein Teillastpunkt und ein Volllastpunkt. Durch entsprechende Ausgestaltung der Module und entsprechende Verfahrens- fuhrung kann so eine genau an diese Lastpunkte angepasste Abgasaufbereitung erfolgen. So können beispielsweise alle Module als Leerlaufmodul ausgebildet sein, welches an die Abgassituation im Leerlauf angepasst ist und damit für die Aufbereitung des Abgases unter Leerlaufbedingungen geeignet ist. Durch eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung der Verbindungsmittel kann der Abgasstrom so umgelenkt werden, dass mindestens zwei Module im Wesentlichen gleichmäßig mit einem summarischen Abgasstrom beaufschlagt werden. Unter einem summarischen Abgasstrom wird insbesondere ein über die Zeit, die das entsprechende Modul durchströmt wird, summierter und/oder integrierter Abgas- ström, insbesondere ein Abgasmassen- oder -volumenstrom verstanden. Dies führt zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Durchströmung der Module. Insbesondere dann, wenn jedes Modul mindestens einen Partikelfilter zur Reduzierung des Gehalts an Partikeln im Abgas umfasst, wird in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Beladung und gegebenenfalls ein sich gleichmäßig ändernder Druckver- lust erreicht. Ein erstes Modul kann so ausgebildet sein, dass es allein oder mit einem weiteren Modul an die Abgassituation im Teillastpunkt angepasst ist, während ein zweites Modul so ausgebildet sein kann, dass es im Zusammenwirken mit einem weiteren Modul und dem ersten Modul an die Abgassituation im Volllastpunkt angepasst ist. So kann ein modularer Aufbau und eine entsprechende Umlenkung des Abgases jeweils zu einer optimalen Umsetzung des Abgases in den verschiedenen Lastpunkten kommen.

Ein Modul umfasst regelmäßig mindestens einen Wabenkörper, welcher für ein Abgas durchströmbare Hohlräume, beispielsweise Kanäle, umfasst. Ein Wabenkörper kann insbesondere einen keramischen und/oder einen metallischen Wabenkörper umfassen. Ein keramischer Wabenkörper kann als extrudierter Monolith hergestellt werden, während ein metallischer Wabenkörper mindestens eine zumindest teilweise strukturierte Lage umfassen kann, die insbesondere so ver- formt ist, dass für ein Abgas durchströmbare Hohlräume entstehen. Unter dieser Verformung wird insbesondere ein Wickeln oder auch ein Verwinden mindestens eines Stapels aus mindestens einer metallischen Lage verstanden. Hierbei können auch im wesentlichen glatte Lagen zum Einsatz kommen, die gemeinsam mit den Strukturen der zumindest teilweise strukturierten Lage die Hohlräume bilden. Der Wabenkörper kann auch für ein Fluid teilweise durchströmbare Wände umfassen. Der Wabenkörper kann einen Partikelfilter bilden oder umfassen.

Die Effektivität einer Abgasaufbereitung ist in hohem Maße von den Strömungsgegebenheiten durch das entsprechende Modul abhängig. So ist es insbesondere vorteilhaft, dass möglichst keine laminaren Strömungen im Modul vorliegen, sondern vielmehr möglichst turbulente Strömungen auftreten. So können laminare Randströmungen, die dazu führen, dass nur ein geringer Teil des Abgases mit den Wänden der Hohlräume im Wabenkörper, die im Regelfall eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisen, in Kontakt kommen, wirksam vermieden werden. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn ein offener Partikelfilter im Modul umfasst ist, da dessen Effektivität stark von einer entsprechenden turbulenten Strömung abhängig ist. Gerade bei großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen liegt jedoch aufgrund der regelmäßig großen Abmessungen der entsprechenden Abgassysteme, sowie der geringen Leerlaufdrehzahl solcher Maschinen im Leerlauf ein sehr geringer Abgasmassenstrom vor, der geringe Strömungsgeschwindigkeiten bedingt. Dies führt zu einer relativ niedrigen Reynoldszahl der Strömung beim Durchströmen der Module und somit zu einem möglicherweise zu geringen Turbulenzgrad. Hier kann das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Erhöhung der Reynoldszahl führen, in dem quasi die insgesamt zur Verfügung stehende durchströmbare Fläche der Module zur Abgasaufbereitung verringert und somit die Strömungsgeschwindigkeit und Reynoldszahl erhöht wird.

Beispielsweise ist es möglich, dass ein entsprechendes Abgassystem vier Module zur Reduktion der Partikelkonzentration im Abgas umfasst. Im Leerlauf wird die Anlage durch entsprechende Ansteuerung der Verbindungsmittel so betrieben, dass jeweils nur eins von vier möglichen Modulen vom Abgas durchströmt wird. Zwar reduziert sich dadurch auch die maximal zur Verfügung stehende Reaktions- beziehungsweise Filterfläche, jedoch führt dies in besonders vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit zu einer Erhöhung der Reynoldszahl der Strömung. Die geringere Reaktions- und/oder Filterfläche ist jedoch nicht von Nachteil, da bei Leerlaufbedingungen insbesondere der Partikelanteil so gering ist, dass die entsprechende Filter- beziehungsweise Reaktionsfläche des Moduls für eine genügende Umsetzung beziehungsweise Filterung ausreicht. So kann auch im Leerlauf bei großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen eine Aufbereitung des Abgases in effektiver Weise erfolgen. Dies ist vorteilhaft, da es gerade bei großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen längere Leerlaufoder Schwachlastphasen gibt, beispielsweise bei Rangierloks beim Warten auf den nächsten Rangiervorgang oder bei Schiffsmaschinen, die beispielsweise im Hafen lediglich zur Stromversorgung eingesetzt werden.

Mit steigender Last, also beispielsweise mit steigender Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, können so beispielsweise nach und nach weitere Module vom Abgas durchströmbar geschaltet werden. Bei höheren Drehzahlen liegt regelmäßig eine höhere mittlere Abgasgeschwindigkeit und ein höherer Abgasmassenstrom vor, so dass dann eine Durchströmung mehrerer Module vorteilhaft ist um eine genügend große Reaktions- beziehungsweise Filterfläche zur Verfügung zu stellen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in jedem Modul zumindest eine Reduktion der Partikelkonzentration des das Modul durchströmenden Abgases.

Hierzu kann insbesondere in jedem der Module ein Partikelfilter ausgebildet sein. Die Ausbildung weiterer Komponenten ist möglich und vorteilhaft, so kann beispielsweise stromaufwärts des Partikelfilters ein entsprechender Oxidationskataly- sator auf einem Wabenkörper ausgebildet sein, der insbesondere zu einer Oxidati- on von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) führt, welches als Oxi- dationsmittel des in den Partikeln enthaltenen Kohlenstoffs dient. Ein solcher Partikelfilter wird als kontinuierlich regenerierender Partikelfilter (CRT, continuous regenerating trap) bezeichnet.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Reduktion der Partikelkonzentration in einem offenen Partikelfilter.

Unter einem offenen Partikelfilter wird ein Partikelfilter verstanden, bei dem das den Partikelfilter durchströmende Abgas nicht eine Wand des Partikelfilters durchströmen muss. Im Gegensatz hierzu steht ein geschlossener Partikelfilter, bei dem eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet ist, von denen jeweils ein Teil ein- gangsseitig offen und ausgangsseitig verschlossen ist, während ein anderer Teil eingangsseitig verschlossen und ausgangsseitig offen ist. Hierdurch wird der Ab- gasstrom gezwungen, die poröse Wand des Partikelfilters zu durchströmen, um von einem eingangsseitig offenen in einen ausgangsseitig offenen Kanal zu gelan- gen. Beim Durchströmen durch die Wand erfolgt hierbei eine Filterung der im Abgas umfassten Partikel. Offene Filter werden auch als Nebenstromfilter verstanden, bei denen keine Filterung des Hauptstroms, beispielsweise durch einen Dieselpartikelfilter mit wechselweise verschlossenen Kanälen, sondern nur eines Nebenstroms erfolgt.

Ein offener Partikelfüter kann somit nicht im eigentlichen Sinne verstopfen. Zwar besteht theoretisch die Möglichkeit, dass die als Filterflächen dienenden porösen Wände so mit Partikeln beladen sind, dass keine Filterung von Partikeln mehr erfolgt, jedoch können in diesem Fall die ungefilterten Abgase ungehindert den Partikelfilter durchströmen, während ein geschlossener Filter bei dem die Filterflächen zugesetzt sind, einen sehr hohen Gegendruck ausbildet welcher letztendlich dazu führt, dass kein Abgas mehr den Partikelfilter durchströmen kann. Ein offener Partikelfilter kann insofern auch als ein barrierefreier Partikelfilter ver- standen werden.

Bei einem offenen Partikelfilter ist es insbesondere bevorzugt, dass dieser aus im Wesentlichen glatten und zumindest teilweise gewellten Lagen aufgebaut sind. Insbesondere kann hier die im wesentlichen glatte Lage zumindest in Teilberei- chen aus einem für ein Fluid durchströmbaren und insbesondere porösen Material aufgebaut sein, während die zumindest teilweise gewellte Lage beispielsweise aus dünnem Blech oder einer dünnen Blech- oder einer dünnen Metallfolie aufgebaut ist. Bevorzugt kann die gewellte Lage Leitstrukturen aufweisen, die eine Umlenkung des Abgases hin zu den Filterbereichen bewirken. Im Hinblick auf die Aus- gestaltung solcher oder ähnlicher Leitstrukturen ist bevorzugt, dass diese eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Abgases im Kanal bewirken, so dass insbesondere der Anteil des Abgases, der in dem offenen Kanal verbleibt und an der Filterfläche vorbei bzw. entlang strömt, eine gegenüber der Geschwindigkeit des Abgasen beim Eintritt in den Kanal deutlich erhöhte Geschwindigkeit aufweist. Tests haben gezeigt, dass mit steigender Geschwindigkeit dieses „Bypass"- oder „Ne- ben"-Abgasstromes die Abscheiderate der Filterfläche(n) bzw. der Partikelfalle erhöht werden kann.

Insbesondere bei einem offenen Partikelfilter welcher in den Modulen jeweils umfasst ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, da hier auch bei geringen Leerlaufdrehzahlen insbesondere auch großvolumiger Verbrennungskraftmaschinen gewährleistet ist, dass die Strömung in den Modulen eine so große Reynoldszahl beim Durchströmen des Partikelfüters beziehungsweise aufweist, dass trotzdem eine wirkungsvolle Abscheidung der Partikel beziehungsweise Um- Setzung der Komponente erfolgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Umlenkung des Abgases in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen: 4.1) einer Regenerationsfähigkeit des Abgases für ein Modul und 4.2) einer Regenerationsbedürftigkeit eines Moduls.

Unter einer Umlenkung des Abgases wird hier eine Umlenkung durch die Verbindungsmittel verstanden. Eine Regeneration eines Partikelfilters umfasst insbeson- dere eine Oxidation der im Partikelfilter eingelagerten Partikel. Dies kann einerseits durch Bereitstellung eines Oxidationsmittels wie beispielsweise Stickstoffdioxid erfolgen, wobei es alternativ oder zusätzlich jedoch beispielsweise auch zusätzliche Heimaßnahmen möglich ist, die Temperatur des Partikelfilters über eine Grenztemperatur zu erhöhen, ab der eine Oxidation der Partikel bevorzugt abläuft. Weist nun das Abgas eine gewisse Temperatur auf, die dazu führen kann, dass beim Durchströmen eines Moduls eine erhöhte Regeneration stattfinden würde, so kann hier von einer Regenerationsfälligkeit des Abgases gemäß 4.1) gesprochen werden. Andererseits bezeichnet eine Reaktionsbedürftigkeit 4.2) eines Moduls beispielsweise im Falle eines Partikelfilters dass die eingelagerte Partikelmenge einen Grenzwert überschritten hat, oberhalb der eine Regeneration des Moduls vorteilhaft ist. Dies kann sich auch insbesondere bei einem Partikelfilter in einem Anstieg des Druckverlustes über diesen Partikelfilter zeigen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens werden in einem Leerlauflastzustand der Abgasstrom so umgelenkt, dass im Mittel im wesentlichen alle Module von einem im wesentlichen identischen summarischen Abgasstrom durchströmt.

Unter einem summarischen Abgasstrom wird hier die Summe und/oder das zeitli- che Integral des Abgasstroms, bevorzugt des Abgasmassenstroms oder des Abgasvolumenstroms, über die Durchströmungszeit verstanden, während derer das jeweilige Modul durchströmt wird. Der summarische Abgasstrom stellt also bevorzugt eine Masse dar, wenn der Abgasmassenstrom betrachtet wird, oder ein Volumen, wenn der Abgasvolumenstrom betrachtet wird. Hierbei sind insbeson- dere Durchströmungszeiten von bis zu 5 Minuten, bis zu 10 Minuten oder sogar von einer Stunde und mehr möglich und erfindungsgemäß. Grundsätzlich bevorzugt wird hier eine Verfahrensführung, bei der die Strömungsgeschwindigkeit in einem Modul, bevorzugt in einem Kanal eines Wabenkörpers, der zumindest Teil eines Moduls ist, im Bereich von 10 Meter pro Sekunde und 25 Meter pro Sekun- de.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens steigt die Zahl der durchströmten Module monoton mit mindestens einer der folgenden Größen: 6.1) Abgastemperatur und 6.2) Abgasmassenstrom.

Insbesondere die Abhängigkeit vom Abgasmassenstrom ist vorteilhaft, da ansonsten bei beispielsweise nur einem durchströmten Modul bei höheren Lastzuständen insbesondere auch bei Volllast die Durchströmung nur eines Moduls für die Effektivität der Abgasaufbereitung nachteilig sein kann. Insbesondere dann, wenn jedes der Module einen offenen Partikelfilter umfasst, ist es von Vorteil, wenn bis zum Volllastzustand der Verbrennungskraftmaschine alle Module vom Abgas durchströmt werden. Insbesondere kann während des Volllastzustandes auch eine Regeneration der entsprechenden Partikelfilter erfolgen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen umfassend eine Abgasleitung, welche mit der Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist und mindestens zwei Module zur Abgasaufbereitung, die mit der Ab- gasleirung verbindbar sind, wobei mindestens ein mindestens einem Modul zugeordnetes Verbindungsmittel ausgebildet ist, mit dem dieses Modul so mit der Abgasleitung verbindbar ist, dass zumindest ein Teil des Abgases durch dieses Modul strömen kann.

Jedes Modul umfasst insbesondere einen Wabenkörper, welcher bevorzugt eine entsprechende katalytisch aktive Beschichtung umfasst und/oder zur Partikelfilterung geeignet ist. Unter einem Verbindungsmittel wird insbesondere ein Bauteil verstanden, mittels welchem eine für ein Fluid durchströmbare Verbindung zu dem Modul herstell- oder trennbar ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Verbin- dungsmittel um eine entsprechend ausgebildete Klappe, die im geschlossenen Zustand eine Durchströmöffnung hin zum Modul verschließen und im geöffneten Zustand freigeben kann. Insbesondere können die unterschiedlichen Verbindungsmittel so ausgebildet werden, dass jeweils nur ein Teil des Abgases durch das zugeordnete Modul oder auch das gesamte Abgas durch das zugeordnete Mo- dul strömen kann. Insbesondere bei letzterer Möglichkeit können verschiedene Verbindungsmittel zusammenwirken.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Verbindungsmittel so ausgebildet, dass jedes Modul allein durchströmbar ist. So kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so betrieben werden, dass insbesondere im Leerlaufbetrieb die einzelnen Module gleichmäßig von Abgas durchströmt und gleichmäßig genutzt werden. Insbesondere dann, wenn die Module Partikelfilter umfassen, kann so eine im wesentlichen gleichförmige Beladung der Parti- kelfilter in den Modulen erreicht werden. Dies fuhrt zu einem im wesentlichen gleichmäßigen Druckverlust über die jeweiligen Module.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt jedes Modul zumindest eine Verringerung der Partikelkonzentra- tion des das Modul durchströmenden Abgasstroms.

Bevorzugt ist hierbei, dass jedes Modul mindestens einen Partikelfilter umfasst, welcher besonders bevorzugt offen ist. Für die Definition eines offenen Partikelfilters wird auf die oben gemachten Ausführungen, sowie auf die WO 02/00326 A2 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt in Bezug auf die Ausbildung des Partikelfilters in diese Erfindung mit aufgenommen wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Verbindungsmittel mindestens eine Klappe.

Eine Klappe stellt ein zum einen einfach herzustellendes Verbindungsmittel dar, welches in der Lage ist, wirksam eine Verbindung zu einem Modul herzustellen oder zu unterbinden. Weiterhin sind Klappen einfach anzusteuern und haben sich im Einsatz im Abgassystem als stabil und dauerhaltbar erwiesen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Verbindungsmittel so gestaltet, dass es dann, wenn das zugeordnete Modul vom Abgas durchströmbar ist, mindestens ein weiteres Modul von der Abgasströmung ausschließt. Dies lässt sich insbesondere durch eine Klappe verwirklichen, die drei mögliche Stellungen aufweist:

1.) eine erste Stellung, in der die Verbindung zum Modul verschlossen ist, 2.) eine zweite Stellung, bei der die Verbindung zum Modul offen und die Ab- gasleitung versperrt ist, so dass sämtliches an der Verbindung zum Modul vorliegende Abgas durch dieses Modul strömt und 3.) eine dritte Stellung, bei der sowohl das Modul als auch die Abgasleitung frei durchströmbar sind.

Durch solche Klappen kann insbesondere eine erfindungs gemäße Vorrichtung verwirklicht werden, bei der alle Module einzeln durchströmbar sind.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Schienenfahrzeug, bevorzugt ein Schienen- triebfahrzeug, besonders bevorzugt eine Lokomotive vorgeschlagen, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst oder in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren abläuft.

Weiterhin wird ein Wasserfahrzeug vorgeschlagen, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst oder in welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren abläuft.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich in besonders vorteilhafter Weise in Abgassystemen von Dieselmaschinen umsetzen. Bevorzugt weisen auch das Schienenfahrzeug und das Wasserfahrzeug eine Dieselmaschine auf. Weiterhin ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren in stationären Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Dieselverbrennungskraftmaschinen einzusetzen.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Vorteile und Details sind in gleicher Weise auf die erfindungsgemäße Vorrichtung Übertrag- und anwendbar.

Gleiches gilt für die für die erfindungsgemäße Vorrichtung offenbarten Details und Vorteile, die in gleicher Weise auf das erfindungsgemäße Verfahren übertrag- und anwendbar sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf die dort gezeigten Details und Vorteile beschränkt ist. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor- richtung;

Fig. 2 schematisch einen Ausschnitt aus einem Modul einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 schematisch eine stirnseitige Ansicht eines Moduls einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung in einem ersten Längsschnitt;

Fig. 5 das zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zweiten Längsschnitt;

Fig. 6 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verbindungsmittel in einer ersten Stellung;

Fig. 7 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verbindungsmittel in einer zweiten Stellung und

Fig. 8 schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verbindungsmittel in einer dritten Stellung. Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Aufbereitung eines Abgases 6. Diese umfasst eine Abgasleitung 2, ein erstes Modul 3 und ein zweites Modul 4 zur Abgasaufbereitung. Weiterhin ist ein Leerlaufmodul 5 ausgebildet. Die nicht gezeigte Verbrennungskraftmaschine emittiert ein Abgas 6, welches die Abgasleitung 2 in einer Durchströmungsrichtung 7 durchströmt. Dem ersten Modul 3 zur Abgasaufbereitung ist ein erstes Verbindungsmittel 8 zugeordnet. Dieses Verbindungsmittel 8 umfasst im vorliegenden ersten Ausfuhrungsbeispiel eine schwenkbare Klappe, mittels der das Mo- dul 3 mit der Abgasleitung 2 so verbindbar ist, dass zumindest ein Teil des Abgases 6 durch dieses Modul 2 strömen kann. Entsprechend ist ein zweites Verbindungsmittel 9 ausgebildet, welches dem zweiten Modul 4 zur Abgasaufbereitung zugeordnet ist.

Dem Leerlaufmodul 5 ist kein Verbindungsmittel zugeordnet, da dieses Leerlaufmodul 5 auch dann vom Abgas 6 durchströmt wird, wenn das erste 8 und das zweite Verbindungsmittel 9 in einer ersten Stellung sind, welche ein Durchströmen des ersten 3 und zweiten Moduls 4 unterbindet. Insbesondere für großvolu- mige Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise von Lokomotiven, von Wasser- fahrzeugen wie insbesondere Schiffen oder Booten sowie von stationären Anlagen ist es vorteilhaft, das Leerlaufmodul 5 auf die Abgassituation in Leerlaufphasen abzustellen. Beispielsweise ist bei einer Rangierlok die Verbrennungskraftmaschine zu einem sehr großen Anteil der Laufzeit im Leerlauf, so dass eine Anpassung auf Leerlaufbedingungen sinnvoll ist. Zudem weisen großvolumige Verbrennungskraftmaschinen eine sehr niedrige Leerlaufdrehzahl und sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten und damit geringe Reynoldszahlen im Leerlauf auf. Würde nun auch im Leerlauf das Abgas 6 sowohl das Leerlaufmodul 5 als auch das erste 3 und zweite Modul 4 zur Abgasaufbereitung durchströmen, so würde dies dazu fuhren, dass die Abgasströmung in allen Modulen 3, 4, 5 eine sehr geringe Reynoldszahl aufweist. Dies würde zu einem eher laminaren Fluss führen, was regelmäßig in Modulen zur Abgasaufbereitung unerwünscht ist. Sind beispielsweise in den Modulen 3, 4, 5 offene Partikelfilter umfasst, so ist aber eine laminare Strömung durch diese Partikelfilter unerwünscht. Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem solchen offenen Partikelfilter. Ein solcher offener Partikelfilter wird beispielsweise aus gewellten metallischen Lagen 10 und im wesentlichen glatten Lagen 11 ausgebildet. Die im wesentlichen glatten Lage 1 1 ist dabei aus einem für ein Fluid zumindest teilweise durchströmbaren Material wie beispielsweise einem gesintertem porösen Werkstoff oder einem porösen Faserwerkstoff ausgebildet.

Hierbei weist die gewellte metallische Lage Durchbrechungen 12 auf, die Leitschaufeln 13 bilden. Die im wesentlichen glatten Lagen 11 und die gewellten metallischen Lagen 10 bilden dabei Kanäle 14, durch die das Abgas 6 strömen kann. Das Abgas 6 folgt dabei den angedeuteten Strömungslinien. Durch die Durchbre- chungen 12 und Leitschaufeln 13 wird das Abgas 6 durch die im wesentlichen glatte Lage 11 hindurchgeführt. Die Partikel 15, die im Abgas 6 enthalten sind, lagern sich dabei in der im wesentlichen glatten Lage 11 an.

Ein Modul 3, 4, 5 kann dabei mindestens einen Wabenkörper 16 umfassen, wie er in einem Querschnitt schematisch in Fig. 3 gezeigt ist. Der Wabenkörper 16 ist hier aus gewellten metallischen Lagen 10 und im wesentlichen glatten Lagen 11 gebildet. Diese wurden zu drei Stapeln gestapelt und diese Stapel dann verwunden, so dass sich Kanäle 14 bilden. Neben einem Partikelfilter können auch andere Arten von Wabenkörpern ausgebildet sein. Beispielsweise können Wabenkör- per 16 ausgebildet sein, die eine katalytisch aktive Beschichtung tragen und/oder die nur aus Metallfolien gebildet sind. Insbesondere kann diese katalytisch aktive Beschichtung Washcoat umfassen, welcher katalytisch aktive Partikel umfasst. Insbesondere ist es auch vorteilhaft, wenn ein Modul 3, 4, 5 einen Oxidationskata- lysator umfasst, dessen katalytisch aktive Zentren zumindest die Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stockstoffdioxid katalysieren und stromabwärts von diesem Oxidationskatalysator einen entsprechenden offenen Partikelfilter umfassen. Dann kann das so gebildete Stickstoffdioxid in vorteilhafter Weise zur Regeneration des Partikelfilters d. h. zur Oxidation der Partikel 15 dienen. Sowohl die im wesentliche glatten 11, als auch die gewellten Lagen 10 können aus dünnen Metallfolien ausgebildet sein. Auf die Ausbildung von Leitschaufeln 13 und Durchbrechungen kann verzichtet werden, insbesondere dann, wenn der Wabenkörper 16 nicht als Partikelfilter, sondern ausschließlich als Träger einer katalytisch aktiven Be- schichtung eingesetzt wird.

Fig. 4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä- ßen Vorrichtung 1 zur Abgasaufbereitung. Diese Vorrichtung 1 umfasst eine Ab- gasleitung 2, ein erstes 3, zweites 4, drittes 17 und viertes Modul 33 zur Abgasaufbereitung. Ein Leerlaufmodul ist hier nicht ausgebildet. Weiterhin sind ein erstes 8, zweites 9 und drittes Verbindungsmittel 18 ausgebildet, die den jeweiligen Modulen 3, 4, 17 zugeordnet sind. Die Zahl der Verbindungsmittel 8, 9, 17 ist also um eins geringer als die Zahl der Module 3, 4, 17, 22. Die Verbindungsmittel 8, 9., 17 sind so ausgebildet, dass jedes Modul 3, 4, 17, 22 allein durchströmbar ist. Das von einer Verbrennungskraftmaschine 19 emittierte Abgas kann so in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von einem Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine 19 mittels der Verbindungsmittel 8, 9, 18 so umgelenkt werden, dass ein oder mehrere Module 3, 4, 17, 22 zur Abgasaufbereitung zumindest von Teilen des Abgases durchströmt werden.

Insbesondere ist es gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfmdungsge- mäßen Vorrichtung 1 vorteilhaft möglich, im Leerlauflastzustand den Abgasstrom so umzulenken, dass im Mittel alle Module 3, 4, 17, 22 von einem im wesentlichen identischen summarischen Abgasstrom durchströmt werden. Somit werden im Leerlauf im wesentlichen alle Module 3, 4, 17, 22 im wesentlichen gleichmäßig beaufschlagt.

Fig. 5 zeigt schematisch einen weiteren Längsschnitt des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Aufbereitung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine 19. Jedes der Module 3, 4, 17, 22 umfasst dabei mehrere Wabenkörper 16. Jeder der Wabenkörper 16 kann dabei unterschiedliche Zonen umfassen. Am Beispiel der Wabenkörper 16 des vierten Moduls 22 soll dies im folgenden näher erläutert werden. Jeder der Wabenkörper 16 des vierten Moduls 22 umfasst dabei eine Oxidationskatalysatorzone 20 und eine Partikelfilterzone 21. Diese Zonen 20, 21 sind so angeordnet, dass das Abgas zunächst die Oxidationskatalysatorzone 20 und dann die Partikelfilterzone 21 durchströmt. In den weiteren Modulen 3, 4, 17 sind noch weitere Katalysatorzonen eingezeichnet, die so ausgebildet sind, dass sie an die jeweiligen Lastzustände, zu denen diese Module 3, 4, 5, 17 zugeschaltet werden, angepasst sind. Es kann sich herbei insbesondere um weitere Oxidationskatalysatorzonen 20, um Zonen zur Umsetzung von Stickoxiden und übliche Drei-Wege-Katalysatorzonen handeln. Diese Aufzählung ist beispielhaft, andere Katalysatorzonen sind möglich und erfindungsgemäß. Statt mehrerer Zonen 20, 21 pro Modul 3, 4, 17, 22 können auch mehrere entsprechende Wabenkörper 16 hintereinander ausgebildet sein.

Insbesondere kann die Vorrichtung zur Aufbereitung eines Abgases so betrieben werden, dass die durch die Verbindungsmittel 8, 9, 18 erfolgende Umlenkung des Abgases in Abhängigkeit von der Regenerationsfähigkeit des Abgases 6 und einer Regenerationsbedürftigkeit eines Moduls 5, 3, 4, 17, 22 erfolgt. Das heißt, dass dann, wenn das Abgas bestimmte zur Regeneration der Partikelfilterzonen 21 erforderlichen Parameter erfüllt, beispielsweise eine gewisse Grenztemperatur überschreitet, dieses Abgas gezielt zu einem regenerationsbedürftigen Modul 3, 4, 17, 22 hingeleitet wird. Dies kann insbesondere durch die Verbindungsmittel 8, 9, 18 erfolgen, die so ausgebildet sind, dass neben einem Verbinden der jeweiligen Module 5, 3, 4, 17, 22 auch ein Durchströmen anderer Module unterbunden werden kann. Oxidationskatalysatorzone 20 und Partikelfilterzone 21 können auch als einzelne Wabenkörper 16, die nacheinander durchströmbar sind, ausgebildet sein.

Fig. 6 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hier hat ein einem ersten Modul zur Abgasaufbereitung 3 zugeordnetes Verbindungsmittel 8 eine erste Stellung, wodurch das Abgas 6 der Verbrennungskraftmaschine 19 nicht durch das erste Modul 3 hindurchströmt sondern an diesem vorbeiströmt.

Fig. 7 zeigt schematisch den selben Ausschnitt aus einer erfϊndungsgemäßen Vorrichtung, bei dem das Verbindungsmittel 8 eine zweite Stellung eingenommen hat. Durch diese wird die Abgasleitung 2 verschlossen, das Abgas 6 der Verbrennungskraftmaschine 19 strömt durch das Modul 3. Je nachdem, ob stromaufwärts des ersten Moduls 3 noch weitere Module ausgebildet sind, strömt entweder das gesamte Abgas 6 der Verbrennungskraftmaschine durch das erste Modul 3 oder nur ein entsprechender Anteil des Abgases 6. Der Anteil richtet sich hierbei nach den Druckverlusten in den durchströmbaren Teilen des Abgassystems.

Fig. 8 zeigt schematisch das Verbindungsmittel 8 in einer dritten Stellung. Hierbei ist der Zugang zum ersten Modul 3 geöffnet, so dass ein Teil des Abgases 6 durch das Modul 3 durchströmen kann. Ein weiterer Teil des Abgases 6 kann jedoch weiter durch die Abgasleitung 2 durchströmen. Die Verteilung der Teilströme die die Abgasleitung 2 und das Modul 3 durchströmen ist abhängig vom Druckverlust in den jeweiligen zu durchströmenden Teilbereichen 2, 3.

Die Ausbildung der Verbindungsmittel 8, 9, 18 entsprechend oder ähnlich den Figuren 6 bis 8 erlaubt in vorteilhafter Weise eine Verfahrensführung, bei der jedes Modul einzeln von Abgas durchströmbar ist. Dies bedeutet insbesondere, dass in vorteilhafter Weise insbesondere im Leerlaufbetrieb jedes Modul 3, 4, 17, 22 insbesondere mit einem im wesentlichen gleichen summarischen Abgasstrom beschickt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erlauben es in vorteilhafter Weise auch die Abgassysteme von großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen 19 so zu gestalten, dass auch im Leerlauf und grundsätzlich bei sehr geringen Abgasmassenströmungen eine Umsetzung und Aufbereitung des Abgases 6 in einzelnen Modulen 5, 3, 4, 17, 22 erfolgt. Die einzelnen Module können an verschiedene Lastpunkte der Verbrennungskraftmaschine 19 angepasst sein.

Bezugszeichenliste

I Vorrichtung zur Aufbereitung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine 2 Abgasleitung

3 erstes Modul zur Abgasaufbereitung

4 zweites Modul zur Abgasaufbereitung

5 Leerlaufmodul

6 Abgas 7 Durchströmungsrichtung

8 erstes Verbindungsmittel

9 zweites Verbindungsmittel

10 gewellte metallische Lage

I I im wesentlichen glatte Lage 12 Durchbrechung

13 Leitschaufel

14 Kanal

15 Partikel

16 Wabenkörper 17 drittes Modul zur Abgasaufbereitung

18 drittes Verbindungsmittel

19 Verbrennungskraftmaschine

20 Oxidationskatalysatorzone

21 Partikelfilterzone 22 viertes Modul zur Abgasaufbereitung

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Aufbereitung eines Abgases (6) einer Verbrennungskraftma- schine (19), wobei mindestens zwei Module (3, 4, 5, 17, 22) zur Abgasaufbereitung ausgebildet sind, wobei ein Abgasstrom zumindest zum Teil in Abhängigkeit von einem Lastzustand der Verbrennungskraftmaschine (19) so umlenkbar ist, dass ein oder mehrere Module (3, 4, 5, 17, 22) zumindest von Teilen des Abgases (6) durchströmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in jedem Modul (3, 4, 5, 17, 22) zumindest eine Reduktion der Partikelkonzentration des das Modul durchströmenden Abgases (6) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei der die Reduktion der Partikelkonzentration in einem offenen Partikelfilter erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine Umlenkung des Abgases (6) in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen erfolgt: 4.1) einer Regenerationsfähigkeit des Abgases für ein Modul (3, 4, 5, 17,

22) und 4.2) einer Regenerationsbedürftigkeit eines Moduls (3, 4, 5, 17, 22).

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem Leerlauflastzustand der Abgasstrom so umgelenkt wird, dass im Mittel im wesentlichen alle Module (3, 4, 5, 17, 22) von einem im wesentlichen identischen summarischen Abgasstrom durchströmt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zahl der durchströmten Module (3, 4, 5, 17, 22) monoton mit mindestens einer der folgenden Größen steigt:

6.1) Abgastemperatur und

6.2) Abgasmassenstrom.

7. Vorrichtung (1) zur Aufbereitung eines Abgases (6) einer Verbrennungs- kraftmaschine (19), umfassend eine Abgasleitung (2), welche mit der

Verbrennungskraftmaschine (19) verbindbar ist und mindestens zwei Module (3, 4, 5, 17, 22) zur Abgasaufbereitung, die mit der Abgasleitung (2) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mindestens einem einem Modul (3, 4, 5, 17, 22) zugeordnetes Verbindungsmittel (8, 9, 18) ausgebildet ist, mit dem dieses Modul (3, 4, 5, 17, 22) so mit der Abgasleitung (2) verbindbar ist, dass zumindest ein Teil des Abgases (6) durch dieses Modul (3, 4, 5, 17, 22) strömen kann.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, bei der die Verbindungsmittel (8, 9, 18) so ausgebildet sind, dass jedes Modul (3, 4, 5, 17, 22) allein durchströmbar ist.

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der jedes Modul (3, 4, 5, 17, 22) zumindest eine Verringerung der Partikelkonzentration des das

Modul (3, 4, 5, 17, 22) durchströmenden Abgasstroms bewirkt.

10. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, bei der jedes Modul (3, 4, 5, 17, 22) mindestens einen Partikelfilter umfasst.

11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 , bei der der Partikelfilter offen ist.

12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der das Verbindungsmittel (8, 9, 18) mindestens eine Klappe umfasst.

13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei der das Verbindungsmittel (8, 9, 18) so gestaltet ist, dass es dann, wenn das zugeordnete Modul (3, 4, 5, 17, 22) vom Abgas (6) durchströmbar ist, mindestens ein weiteres Modul (3, 4, 5, 17, 22) von der Abgasströmung ausschließt.

14. Schienenfahrzeug, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13.

15. Wasserfahrzeug, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13.