DE102005038707A1

DE102005038707A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102005038707A1
Application number: DE102005038707A
Authority: DE
Inventors: Peter Treiber
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2005-08-15
Filing date: 2005-08-15
Publication date: 2007-03-08
Also published as: DE502006008477D1; PL1917423T3; CN101278109B; JP4971328B2; US20080196400A1; CN101278109A; EP1917423A1; KR20080042132A; WO2007020025A1; RU2418176C2; KR100966782B1; EP1917423B1; JP2009504982A; RU2008109648A; US8015806B2

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbereiten eines 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. DOLLAR A 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

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 Wasserfahrzeugen.

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 Konzentration 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. Gerade 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 Verfahrensführung kann so eine genau an diese Lastpunkte angepasste Abgasaufbereitung erfolgen. So kann ein Modul als Leerlaufmodul ausgebildet sein, welches an die Abgassituation im Leerlauf angepasst ist und damit für die Aufbereitung des Abgases unter Leerlaufbedingungen geeignet ist. Ein erstes Modul kann so ausgebildet sein, dass es im Zusammenwirken mit dem Leerlaufmodul an die Abgassituation im Teillastpunkt angepasst ist, während ein zweites Modul so ausgebildet sein kann, dass es im Zusammenwirken mit dem Leerlaufmodul 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 ein keramischer und/oder ein metallischer Wabenkörper sein. Ein keramischer Wabenkörper kann als extrudierter Monolith hergestellt werden, während ein metallischer Wabenkörper mindestens eine zumindest teilweise strukturierte Lage umfassen kann, die insbesondere so verformt 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 Wandungen umfassen, so dass der Wabenkörper einen Partikelfilter bildet.

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 tragen, 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 Leerlaufdrehzahlen dieser 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 Tur bulenzgrad. 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 Ström8ungsgeschwindigkeit erhöht wird.

Beispielsweise ist es möglich, dass ein entsprechendes Abgassystem vier Module zur Reduktion der Partikelkonzentration im Abgas umfasst. Im Leerlauf wird die Anlage so betrieben, dass 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 in Leerlauf bei großvolumigen Verbrennungskraftmaschinen eine Aufbereitung des Abgases in effektiver Weise erfolgen.

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 nötig 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 Oxidationskatalysator auf einem Wabenkörper ausgebildet sein, der insbesondere zu einer Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) führt, welches als Oxidationsmittel 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 eingangsseitig offen und ausgangsseitig verschlossen ist, während ein anderer Teil eingangsseitig verschlossen und ausgangsseitig offen ist. Hierdurch wird der Abgasstrom gezwungen, die poröse Wand des Partikelfilters zu durchströmen, um von einem eingangsseitig offenen in einen ausgangsseitig offenen Kanal zu gelangen. Beim Durchströmen durch die Wand erfolgt hierbei eine Filterung der im Abgas umfassten Partikel.

Ein offener Partikelfilter 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 verstanden 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 Teilbereichen 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.

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 Partikelfilters beziehungsweise aufweist, dass trotzdem eine wirkungsvolle Abscheidung der Partikel beziehungsweise Umsetzung 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.

Eine Regeneration eines Partikelfilters umfasst insbesondere eine Oxidation der im Partikelfilter eingelagerten Partikel. Dies kann einerseits durch Bereitstellung eines Oxidationsmittels wie beispielsweise Stickstoffdioxid erfolgen, wobei es alternativ oder zusätzlich jedoch 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 Regenerationsfähigkeit 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 und/oder nötig 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 Verfahrens wird zumindest ein Modul unabhängig vom Lastzustand durchströmt.

Hierbei kann es sich insbesondere um ein Leerlaufmodul handeln, welches immer dann durchströmt wird, wenn die Verbrennungskraftmaschine im Leerlaufmodus betrieben wird. Insbesondere kann dieses Modul so ausgebildet sein, dass es in Bezug auf seine Fähigkeit, eine bestimmte Komponentenkonzentration im Abgas umzuseten, an die Bedingungen im Leerlauf angepasst sein. Insbesondere kann dies bei einem Wabenkörper im Modul für die Zelldichte, für die Länge des Wabenkörpers, für die Anzahl der Zellen und/oder für die Art der Beschichtung gelten. Insbesondere kann dieses Leerlaufmodul im Hinblick auf die Abgastemperatur, den Abgasmassenstrom, die Partikelkonzentration und/oder die Stickoxidkonzentration im Abgas unter Leerlaufbedingungen angepasst sein.

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.

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 Abgasleitung verbindbar sind, wobei mindestens ein 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 Verbindungsmittel 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 Modul strömen kann. Insbesondere bei letzterer Möglichkeit können verschiedene Verbindungsmittel zusammenwirken. Bevorzugt ist jedem Modul ein entsprechendes Verbindungsmittel zugeordnet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind allen Modulen außer einem Leerlaufmodul Verbindungsmittel zugeordnet.

Das Leerlaufmodul ist das Modul, welches dann, wenn alle Verbindungsmittel die Verbindung zu den übrigen Modulen trennen, vom Abgas durchströmt wird. Bevorzugt ist das Leerlaufmodul an mindestens eine der folgenden Abgasgrößen im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine angepasst ausgebildet:

9.1) eine Abgastemperatur,
9.2) ein Abgasmassenstrom,
9.3) eine Partikelkonzentration und
9.4) eine Stickoxidkonzentration.

Insbesondere kann das Leerlaufmodul einen deutlich kleineren Wabenkörper umfassen, als dies unter Volllast der Fall ist. Bevorzugt ist das Leerlaufmodul so ausgebildet, dass auch unter Leerlaufbedingungen eine möglichst hohe Reynoldszahl beim Durchströmen allein des Leerlaufmoduls vorliegt. Das Leerlaufmodul ist bevorzugt also so ausgebildet, dass unter den Bedingungen 9.1), 9.2), 9.3) und/oder 9.4) des Abgases im Leerlauf eine Verringerung der entsprechenden Konzentration der Komponente des Abgases erfolgt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt jedes Modul zumindest eine Verringerung der Partikelkonzentration 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 recht 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 Abgasleitung 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.

Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Lokomotive vorgeschlagen, welche eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst oder in welcher 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 die Lokomotive 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:

1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 schematisch einen Ausschnitt aus einem Modul einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 schematisch eine stirnseitige Ansicht eines Moduls einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem ersten Längsschnitt;
5 das zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zweiten Längsschnitt;
6 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verbindungsmittel in einer ersten Stellung;
7 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verbindungsmittel in einer zweiten Stellung und
8 schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verbindungsmittel in einer dritten Stellung.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Aufbereitung eines Abgases 6. Diese umfasst eine Abgasleitung 2 und 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 Durch strömungsrichtung 7 durchströmt. Dem ersten Modul 3 zur Abgasaufbereitung ist ein erstes Verbindungsmittel 8 zugeordnet. Dieses Verbindungsmittel 8 umfasst im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel eine schwenkbare Klappe, mittels der das Modul 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 großvolumige Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise von Lokomotiven, von Wasserfahrzeugen 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 führen, 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. 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 11 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 Durchbrechungen 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 gesamtes Modul 3, 4, 5 kann dabei einen Wabenkörper 16 umfassen, wie er in einem Querschnitt schematisch in 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 Wabenkörper ausgebildet sein. Beispielsweise können Wabenkörper 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 Oxidationskatalysator umfasst, dessen katalytisch aktive Partikel 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 Beschichtung eingesetzt wird.
4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Abgasaufbereitung. Diese Vorrichtung 1 umfasst eine Abgasleitung 2, ein Leerlaufmodul 5, ein erstes 3, zweites 4 und drittes Modul 17 zur Abgasaufbereitung. Weiterhin sind ein erstes 8, zweites 9 und drittes Verbindungsmittel 18 ausgebildet, die den jeweiligen Modulen 3, 4, 17 zugeordnet sind. 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 5, 3, 4, 17 zur Abgasaufbereitung zumindest von Teilen des Abgases durchströmt werden.
5 zeigt schematisch einen weiteren Längsschnitt des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Aufbereitung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine 19. Jedes der Module 5, 3, 4, 17 umfasst dabei mehrere Wabenkörper 16. Jeder der Wabenkörper 16 kann dabei unterschiedliche Zonen umfassen. Am Beispiel der Wabenkörper 16 des Leerlaufmoduls 5 soll dies im folgenden näher erläutert werden. Jeder der Wabenkörper 16 des Leerlaufmoduls 5 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 insbe sondere um weitere Oxidationskatalysatorzonen, 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 pro Modul 3, 4, 5, 17 können auch mehrere 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 Reaktionsbedürftigkeit eines Moduls 5, 3, 4, 17 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 reaktionsbedürftigen Modul 3, 4, 5, 17 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 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.
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.
7 zeigt schematisch den selben Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen 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.
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.
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 erfolgt. Die einzelnen Module können an verschiedene Lastpunkte der Verbrennungskraftmaschine 19 angepasst sein.

1: 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
11: 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

Claims

Verfahren zur Aufbereitung eines Abgases (6) einer Verbrennungskraftmaschine (19), wobei mindestens zwei Module (3, 4, 5, 17) 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) zumindest von Teilen des Abgases (6) durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in jedem Modul (3, 4, 5, 17) zumindest eine Reduktion der Partikelkonzentration des das Modul durchströmenden Abgases (6) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei der die Reduktion der Partikelkonzentration in einem offenen Partikelfilter erfolgt.
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) und 4.2) einer Regenerationsbedürftigkeit eines Moduls (3, 4, 5, 17).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei zumindest ein Modul (5) unabhängig vom Lastzustand durchströmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zahl der durchströmten Module (3, 4, 5, 17) monoton mit mindestens einer der folgenden Größen steigt: 6.1) Abgastemperatur und 6.2) Abgasmassenstrom.
Vorrichtung (1) zur Aufbereitung eines Abgases (6) einer Verbrennungskraftmaschine (19), umfassend eine Abgasleitung (2), welche mit der Verbrennungskraftmaschine (19) verbindbar ist und mindestens zwei Module (3, 4, 5, 17) zur Abgasaufbereitung, die mit der Abgasleitung (2) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein einem Modul (3, 4, 5, 17) zugeordnetes Verbindungsmittel (8, 9, 18) ausgebildet ist, mit dem dieses Modul (3, 4, 5, 17) so mit der Abgasleitung (2) verbindbar ist, dass zumindest ein Teil des Abgases (6) durch dieses Modul (3, 4, 5, 17) strömen kann.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, bei der allen Modulen (3, 4, 17) außer einem Leerlaufmodul (5) Verbindungsmittel (8, 9, 17) zugeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, bei der das Leerlaufmodul (5) an mindestens eine der folgenden Abgasgrößen im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine (19) angepasst ausgebildet ist: 9.1) eine Abgastemperatur, 9.2) ein Abgasmassenstrom, 9.3) eine Partikelkonzentration und 9.4) eine Stickoxidkonzentration.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der jedes Modul (3, 4, 5, 17) zumindest eine Verringerung der Partikelkonzentration des das Modul (3, 4, 5, 17) durchströmenden Abgasstroms bewirkt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, bei der jedes Modul (3, 4, 5, 17) mindestens einen Partikelfilter umfasst.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, bei der der Partikelfilter offen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei der das Verbindungsmittel (8, 9, 18) mindestens eine Klappe umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der das Verbindungsmittel (8, 9, 18) so gestaltet ist, dass es dann, wenn das zugeordnete Modul (3, 4, 5, 17) vom Abgas (6) durchströmbar ist, mindestens ein weiteres Modul (3, 4, 5, 17) von der Abgasströmung ausschließt.
Lokomotive, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14.
Wasserfahrzeug, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14.