DE4222087C2 - Schadstoffreduzierter Dieselmotor - Google Patents
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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.
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.
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