DE4239357C1

DE4239357C1 - Verfahren zur thermischen Regeneration eines Partikelfilters für das Abgas eines einen Generator antreibenden Dieselmotors

Info

Publication number: DE4239357C1
Application number: DE4239357A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Ing Teetz; Peter Dipl Ing Mattes
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2012-11-25

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur thermischen Regeneration eines Partikelfilters für das Abgas eines einen Generator antreibenden Dieselmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ohne Regeneration verstopfen Partikelfilter nach kurzer Zeit, was dann aufgrund steigenden Abgasgegendruckes zu Betriebsstörungen des Dieselmotors führt.

Aus der DE 36 08 370 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, das bei einem Fahrzeug-Motor zur Anwendung kommt. Die Temperaturerhöhung der Abgase für die thermische Regeneration des Partikelfilters wird dabei mit elektrischer Energie aus der Lichtmaschine bewirkt. Dazu wird die Lichtmaschine während der Schubphase des Fahrzeugbetriebes, d. h. bei Leerlauf des Motors, zugeschaltet, um kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln. Der Aufwand an elektrischer Energie ist bei diesem Verfahren zwangsläufig hoch, weil die betriebsbedingt niedrige Abgastemperatur bei Leerlauf des Motors einen großen Temperaturhub durch die elektrischen Heizelemente erfordert. Leistungsstarke Heizelemente sind aber groß und teuer. Dieses bekannte Verfahren ist zudem bei stationär eingesetzten Dieselmotoren wegen des Fehlens umwandelbarer kinetischer Energie nicht anwendbar.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur thermischen Regeneration eines Partikelfilters für das Abgas eines einen Generator antreibenden Dieselmotors zu schaffen, bei dem der Primärenergieaufwand für eine Temperaturerhöhung des Abgases zur Auslösung einer thermischen Partikelfilter-Regeneration bei Teillast minimiert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß nur eine kleine Baugröße von elektrischen Heizelementen erforderlich ist, weil aufgrund der aus der Leistungssteigerung des Dieselmotors erwachsenden Abgastemperaturerhöhung der noch erforderliche Temperaturhub bis zur Entzündungstemperatur der abgeschiedenen brennbaren Abgasbestandteile klein ist, und daß sich durch die Abgaswärmenutzung eine verbesserte Brennstoffausnutzung gegenüber dem Bezug der elektrischen Energie aus einem öffentlichen Netz ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Anordnungsschema für ein Diesel-Generator-Aggregat mit einem Partikelfilter;

Fig. 2 Verlauf der Abgastemperatur in Abhängigkeit der Motorleistung;

Fig. 3 Energieflußdiagramm für die Regeneration eines Partikelfilters mit Heizenergieerzeugung durch Stromentnahme aus einem öffentlichen Netz;

Fig. 4 Energieflußdiagramm für die Regeneration eines Partikelfilters mit kombinierter Heizenergieerzeugung aus Abgaswärme und direkter Stromentnahme vom angetriebenen Generator.

Ein mit einem Partikelfilter 12 zur Abgasreinigung ausgerüsteter Dieselmotor 11 ist als Antriebsmaschine eines Generators 13 zur Stromversorgung eines Verbrauchers 16 eingesetzt. Um die Funktionsfähigkeit des Partikelfilters 12 aufrecht zu erhalten, ist die Beseitigung der im Partikelfilter 12 abgeschiedenen Abgasbestandteile von Zeit zu Zeit erforderlich. Bekannt und bewährt ist hierfür die sogenannte thermische Regeneration, bei der die im Partikelfilter angelagerten, brennbaren Abgasbestandteile entzündet und verbrannt werden.

Der Verlauf der Abgastemperatur T in Abhängigkeit der Leistung P eines Dieselmotors 11 zeigt die Kurve in Fig. 2. Bei einer Motorteilleistung P_G erreicht das Abgas eine Grenztemperatur T_G, ab der eine Selbstentzündung der im Partikelfilter 12 angelagerten, brennbaren Abgasbestandteile stattfindet. Betriebszeiten mit Leistungen des Dieselmotors 11 oberhalb der Motorleistung P_G bewirken aufgrund ausreichender Abgastemperaturen durch Selbstentzündung automatisch die thermische Regeneration des Partikelfilters 12.

Bei Betrieb des Dieselmotors 11 im Leistungsbereich unterhalb der Motorleistung P_G muß die Abgastemperatur T für die Auslösung einer Regeneration des Partikelfilters 12 durch Energiezufuhr auf die Grenztemperatur T_G angehoben werden. Hierzu werden elektrisch betriebene Heizelemente 14 verwendet, die in einem vom Abgas durchströmten Behälter, bzw. innerhalb des Partikelfilters 12 angeordnet, oder in die Filterelemente des Partikelfilters 12 integriert sein können.

Wenn der Dieselmotor 11 mit einer Teilleistung P₁ betrieben wird, ergibt sich eine Abgastemperatur T₁. Um die Selbstentzündung der im Partikelfilter 12 angelagerten Abgasbestandteile auszulösen, ist die Anhebung der Abgastemperatur von T₁ auf T_G erforderlich. Wird die elektrische Energie E_Ö für die Heizelemente 14 einem öffentlichen Stromnetz entnommen, ergibt sich das in Fig. 3 dargestellte Energieflußdiagramm. Wenn man den Energieverbrauch E_N = E_Ö für den Temperaturhub T_G-T₁ gleich 100% setzt, beträgt zurückgerechnet der Primärenergieaufwand E_K im Kraftwerk 285%. Dabei sind etwa 170% Kraftwerksverluste E_V und etwa 15% Übertragungsverluste E_Ü berücksichtigt.

Wird hingegen die elektrische Energie E_H für die Heizelemente 14 direkt an den Generatorklemmen 15 entnommen, muß der Dieselmotor 11 zwangsläufig mit einer etwas erhöhten Leistung P₂ betrieben werden, damit die vom Generator 13 an den Verbraucher 16 abgegebene elektrische Leistung gleich bleibt. Die Leistungssteigerung von P₁ nach P₂ des Dieselmotors 11 bewirkt aber eine Erhöhung der Abgastemperatur von T₁ auf T₂. Die jetzt noch von den Heizelementen 14 aufzubringende Heizleistung für die Temperaturerhöhung T_G-T₂ des Abgases um den Energiebetrag E_A, der aus der im Betriebspunkt P₂ gegenüber P₁ erhöhten Abgastemperatur T₂ resultiert, ist niedriger als die erforderliche elektrische Energie E_Ö nach dem vorherigen Beispiel. Das Energieflußdiagramm nach Fig. 4 für dieses Verfahren zeigt, daß die für den gesamten Temperaturhub T_G-T₁ erforderliche Energie E_N sich etwa zur Hälfte aus Abgasenergie E_A aufgrund der erhöhten Abgastemperatur und zur anderen Hälfte aus der dem Generator entnommenen elektrischen Energie E_H für die Heizelemente 14 zusammensetzt. Für E_N = E_A + E_H = 100% ergibt sich zurückgerechnet ein Primärenergieaufwand E_D am Dieselmotor von 130%, wobei Generatorverluste E_G von etwa 3% und Kühlwasserverluste E_W von etwa 27% berücksichtigt sind. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich demnach durch einen wesentlich geringeren Primärenergieaufwand aus, was eine verbesserte Brennstoffausnutzung bedeutet.

Claims

Verfahren zur thermischen Regeneration eines Partikelfilters für das Abgas eines einen Generator antreibenden Dieselmotors, wobei sich die Regeneration bei ausreichender Temperatur des Abgases durch Abbrand der im Partikelfilter angelagerten, brennbaren Abgasbestandteile voll zieht und bei nicht ausreichender Abgastemperatur eine Temperatur erhöhung mittels elektrisch betreibbarer Heizelemente erfolgt und die elektrische Energie zum Betreiben der Heizelemente direkt vom Gene rator abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dauer der Regeneration der Dieselmotor (11) mit einer der erhöhten Generatorbe lastung entsprechenden höheren Leistung betrieben wird.