DE2348866A1

DE2348866A1 - Verfahren zur reinigung der abgase von mit fluessigem brennstoff betriebenen motoren und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2348866A1
Application number: DE19732348866
Authority: DE
Inventors: Alfred Leins
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 1973-09-28
Filing date: 1973-09-28
Publication date: 1975-04-10
Also published as: FR2245853A1; GB1481057A; IT1017777B; FR2245853B1; JPS5077727A; SE7412221L

Description

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J. Eberspächer 73 Esslingen/N., den 14. Sept. 1973

Eberspächerstr. 24

Verfahren zur Reinigung der Abgase von mit flüssigem Brennstoff betriebenen Motoren und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rinigung der Abgase von mit flüssigem Brennstoff betriebenen Motoren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung eines bekannten Abgasturboladers.

Es ist bekannt, daß für die Abgasreinigung zwei Verfahren verwendet werden können. Diese beiden Verfahren, katalytisch^ Oxydation und Nachverbrennung können wahlweise oder gemeinsam angewendet werden. Bei dem Verfahren der katalytischen Oxydation wird das zu reinigende Abgas einem Katalysator zugeführt, der aus einem keramischen Wabenkörper besteht und aktiviert worden ist und bei dem beim Vorbeiströmen des heißen Abgases an der katalytischen Oberfläche eine Katalyse stattfindet, bei welcher vorzugsweise Stickoxyde reduziert werden. Bei dem Verfahren der Nachverbrennung wird dem Abgas zusätzlicher Sauerstoff zugeführt, so daß ein Verbrennungs vor gang eingeleitet werden kann, bei dem die brennbaren Anteile von Kohlenoxyd und Kohlenwasserstoff verbrennen. Es hat sich gezeigt, daß erst durch die gemeinsame Anwendung der beiden Verfahren eine optimale Reinigung des Abgases durchgeführt werden kann. Bei dem Verfahren der Nachverbrennung ist es bekannt, daß möglichst nahe an den Auslaßventilen die Zufuhr vdii zusätzlicher Verbrennungsluft erfolgt, so daß die dem Abgas eigene hohe Temperatur ausgenutzt wird, um die Verbrennung einzuleiten. Bei katalytischen Reinigungseinrichtungen ist es wesentlich, daß eine gute thermische Isolation eingebaut ist, damit die Oxydation der Verbrennungs gase bei den hohen Temperaturen, die in der Vorrichtung herrschen, erfolgen kann. Aus diesem Grund sind auch die Katalysatoren möglichst nahe an den Auslaßventilen angebracht, d.h., die gesamte Einrichtung muß sich in unmittelbarer Nähe des Motors befinden.

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Für beide Verfahren sind bereits verschiedene Ausführungsbeispiele bekannt geworden. Im Falle der Nachverbrennungsanlagen haben sie jedoch den Nachteil, daß sie eine zusätzliche Brennkammer mit einer ebenfalls zusätzlichen Luftpumpe für die zur Verbrennung notwendige Luft benötigen, so daß die Anlage recht aufwendig wird. Für die bekannt gewordenen Verfahren zur katalytischen Oxydation ergibt sich der Nachteil, daß die bekannten Katalysatoren an einer Stelle in der-Abgasleitung eingebaut sind, an der die Pulsationen des Abgases noch zu hoch sind, so daß der Katalysator unzulässig stark beansprucht wird. Den bekannten Verfahren haftet ferner der Nachteil an, daß durch die bekannten Einrichtungen zur Abgasreinigung ein Leistungsverlust unvermeidbar ist, so daß der Wirkungsgrad des Motors eine weitere Wschlechterung erfährt und der spezielle Kraftstoffverbrauch höher wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, nach dem die, aus dem Auslaßventil ausströmenden ungereinigten und damit toxischen Abgase gereinigt werden, wobei die brennbaren Anteile von Kohlenoxyd und Kohlenwasserstoffen durch eine Nachverbrennung und darüber hinaus die Stickoxyde durch eine katalytisch wirkende Einrichtung reduziert werden.

Ferner soll eine hierzu geeignete Einrichtung aufgezeigt werden, wobei nebenher Reinigung der Abgase noch eine Leistungssteigerung des Motors durch Aufladung mittels Turbolader erzielt werden soll. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, daß Turbolader als Mittel zur Abgasreinigung geeignet sind. Ausgehend von den bekannten Verfahren, sowohl der katalytischen Oxydation als auch der Nachverbrennung \xi rd diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abgase des Motors zunächst vor der Turbine des Abgasturboladers zur Emperaturerhöhung und Einleitung der Verbrennung aufgestaut werden, und daß sie sodann nach Durchströmenofer Turbine einem weiteren Verbrennungsprozeß unterworfen werden, der durch eine, nach dem Verdichter abgezweigte Luftmenge, die dem Abgas zugefügt wird, eingeleitet wird. Es hat sich nämlich gezeigt, daß ein sehr hoher Reinigungseffekt bereits durch das erfindungs gemäße Verfahren der Nachverbrennung erreicht werden kann. Es wurde festgestellt, daß die Turbine wie eine Drossel-

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stelle wirkt und es ist bekannt, daß je stärker die Drossel ist, desto stärker der Aufstau erfolgt, wobei mit jedem Aufstau eine Temperaturerhöhung verbunden ist und damit eine Verbesserung der Reaktion bei der Nachverbrennung. Durch dieses erfindungs gemäße Aufstauverfahren kann erreicht werden, daß die Temperatur am Turbineneingang höher ist, als die Temperatur am Auslaßventil des Motors. Dabei ist der Stau regelbar durch die Wahl der entsprechenden Turbine. Die für cje Verbrennung erforderliche Luftmenge wird dabei nach dem erfindungs gemäß en Verfahren von dem Verdichter, der zu dem Abgasturbolader gehört, abgezweigt und sodann dem Abgas zugeführt, so daß die Verbrennung mit dem erforderlichen Sauer Stoffüberschuß erfolgen kann. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungs gemäß en Verfahrens die für den Verbrennungsprozeß nach dem Durchströmen der Turbine zugeführte Verbrennungsluft in einem getrennten Strömungskanal des Abgasturboladers vorgewärmt wird. Mit dieser erfindungs gemäß en Weitereitwicklung des Verfahrens wird erreiht, daß die durch das Stauverfahren gewonnene Höhe der Temperatur erhalten bleiben kann. Um eine noch bessere Reinigung des Abgases zu erreichen, wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens das Abgas des -Motors der katalytisch wirksam gestalteten Turbine zwecks Reduktion der- Stickoxyde zugeführt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß in dem Abgasturbolader sowohl die Nachverbrennung stattfinden kann, als auch die katalytische Reduktion der Verunreinigungen des Abgases. Dabei ist die erfindungs gemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, daß bei einem bekannten Abgasturbolader an den Innenwänden des Strömungskanals für das Abgas eine metallische Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist. Diese metallische Schicht kann durch ein Blech gebildet werden, das bei dem Herstellen des Turbinengehäuses aus Sphäroguß mit eingegossen wird. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß das Turbinengehäuse vor einer Überhitzung geschützt werden kann. Außerdem dient diese Metallschicht zum Schutz des aus Sphäroguß bestehenden Turbinengehäuses gegen mechanische Beanspruchungen. Um zu einer noch besseren Wärmeisolierung des Ab«asturb';laders zu kommen, wird gemäß einer zweckmäßigen weiteren Ausl ^slaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß zwischen der Metallausklei-73 0!) 14 - 4 -

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dung des Abgaskanals und dem Gehäuse des Abgasturbolders eine Wärmeisolierung angeordnet ist. Diese kann erfindungs gemäß aus einer keramischen Schicht bestehen, die wiederum zweckmäßigerweise aus Aluminiumcxyd (A1_O„) mit Zirkonoxyd ( ZrO₀) besteht, Durch disse erfindungs gemäße Aus-

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gestaltung der Einrichtung ergibt sich ein maximaler Schutz der Turbine vor schädlicher Überhitzung. Da es bei dem Betrieb der erfindungs gern äßen Einrichtung vorkommen kann, daß trotz allem noch eine zu hohe thermische Belastung des Turboladergehäuses auftritt, wird gemäß einer Weiterführung der Erfindung vorgesehen, daß an dem Gehäuse des Abgasturboladers Lufteintrittsbohrungen angebracht werden. Diese Lufteintrittsbohrungen dienen dazu, um von dem Lader entnommene Kühlluft in ganz bestimmter Dosierung dem Turbolader zuzuführen, so daß ein Kühlluft schleier entsteht. Über diese Anordnung hinaus kann eine weitere Verbesserung noch dadurch erzielt werden, daß erfindungs gemäß die Metallschicht mindestens teilweise mit Luftdurchtrittsöffnungen versehen ist. Eine besondere Wirkung des Verbrennungsprozesses nach der Turbine wird durch die Vorwärmung der vom Verdichter abgezweigten Luft erreicht. Diese wird in einem separaten Strömungskanal, der um den eigentlichen Gaskanal gewickelt ist, erwärmt. Es hat sich gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Turboladereinrichtung auch alle Mittel zur katalytischen Reinigung angeordnet werden können. So wird in den radialen Ringraum zwischen Turbinenradeintritt und Strömungskanal ein Düsenring mit Schaufeln, bestehend aus einer porösen, keramischen zur Ktalyse aktivierten Masse, angeordnet. Mit dieser Einrichtung wird erreicht, daß das Abgas während des Durchlaufens durch das Abgasturboladergehäuse katalytisch gereinigt wird. Hierzu dient auch gemäß einer Weiterführung, daß in dem radialen Ringraum zwischen Turbinenradeintritt und Strömungskanal ein, aus einem Edelstahl bestehender Düsenring eingebaut ist, der eine auf galvanisierte Metallschicht, vorzugsweise Kupieroxydschicht aufweist. Hierdurch wird erfindungsgemäß der erforderliche Düsenring für die Aufgabe der katalytischen Reinigung mit zweckmäßig ausgestaltet. Ganz wesentlich erscheint jedoch, daß am Eintritt in das Turbinengehäuse ein Monolith als Katalysator in dem geschlossenen Kanal angeordnet ist. An dieser Stelle des Eintritts oder, wie auch gemäß einer zweckmäßigen weiteren Ausgestaltung, an der Stelle des Austritts, läßt sich ein 73 09 14 - 5 -

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hinreichend großer Katalysator einbauen, so daß die Verweilzeit des Abgases beim Durchströmen des Katalysators ausreichend erscheint. Schließlich kann auch zu einer weiteren Verbesserung des erfindungs gemäß en Verfahrens die Anlage dadurch verbessert werden, daß ein Turbinenrad aus Edelstahl mit auf galvanisiert er Metallschicht, vorzugsweise Kupferschicht in dem Abgasturbolader angeordnet ist. Es ist nämlich bekannt, daß diese Metallschichten ganz wesentlich zur Katalyse beitragen.

Anhand der Figuren 1 und 2 soll ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung näher beschrieben werden. Es zeigt Fig. 1 ein Schaltschema für das erfindungs gemäße Verfahren, Fig. 2 ein Schnittbild eines erfindungs gemäß en Abgasturboladers. In Fig. 1 bedeutet ¹¹M" den Kolbenmotor, ¹¹A" die abgasführenden Leitungen; ¹¹L" die luftführenden Leitungen. Vom Motor ¹¹M" werden die Abgase in einem besonders zweckmäßig gestalteten Auspuffkrümmer und in der Turbine aufgestaut. Durch eine entstehende Ausstoßreaktion, hervorgerufen durch den Aufstau der AbgasjSe und einer sich dadurch ergebenden Druck- und Temperatursteigerung, erfolgt eine Verbrennung der CO- und CH-Verbindungen. In der Turbine gemäß Fig. 2, die aus Gehäuse, Düsenring(3) und Zentripedal- oder Zentrifugalturbine (4) besteht, werden beim weiteren Durchströmen der Abgase durch eine katalytische Wirkung die Stickoxyde verbrannt. Eine nochmalige Nachverbrennung erfolgt sodann im Austritt des Turbinengehäuses. Eingeleitet werden diese Verbrennungen im Turbinenaustritt (5) durch einen, vom Verdichter (8) abgezweigten Luftstrom (6), der im Turbinengehäuse (7) erwärmt wird. Der größte Teil der verdichteten Luft wird zur Aufladung des Motors verwendet; dazu ist eine Regelung im Luftfilter vor dem Motor angeordnet. Die Regelung kann für die Nachverbrennung und für den Luftverbrauch des Motors verwendet werden. Die verdichtete Luft strömt nach dem Verdichter durch einen Ladeluftkühler zum Vergaser zur Gemischaufbereitung oder, bei Verwendung einer Einspritzpumpe direkt in den Motor. Fig. 2 zeigt das Schnittbild der Turbine eines beispielhaften Abgasturboladers, der für das erfindungs gemäße Verfahren zur Abgasentgiftung besonders vorteilhaft verwendet werden kann. Die dargestellte Turbine unterscheidet sich von dem Bekannten dadurch, daß erfindungsge-

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maß am Eintritt (1) und Austritt (2) des Turbinengehäuses ein aktiv wirkender Granulat oder aktiv wirkender Monolith eingebaut ist. Außerdem ist der Düsenring und das zentripedale Turbinenrad, beides hochwertige Nickälegierungen, mit einer aufgalvanisierten Metall- oder Kupferschicht überzogen.

Dabei ergibt sich durch die Wechselwirkung zwischen dem Kupfer und dem Nickelanteil des Radwerkstoffes eine Oberfläche, die sich ähnlich der, der bekannten Nickel-Kupferkatalysator en verhält. Es besteht auch die Möglichkeit, den Düsenring als Monolithen auszubilden. Die zur Nachverbrennung nach der Turbine benötigte Luft wird durch die Bohrungen in den Raum nach der Turbine eingeführt, nachdem sie sich in dem Strömlings kanal erwärmt hat. Eine sehr gute Vermischung der in dem Turbinenraurn einströmenden, erwärmten Luft mit dem durch das Turbinenrad strömenden Gas erfolgt durch die rotierende Schaufel des Turbinenrades. In einem geschlossenen Kanal mit vorgesehenen Anschlüssen, welche um den Gaskanal gewickelt sind und sehr große Berührungsflächen besitzen, nimmt die durchströmende, vom Verdichter abgezweigte Luft Wärme im Gegenstrom auf. Als Wärmequelle dienen die im Gaskanal durchströmenden heißen Abgase, welche vom Motor kommen und in der Turbine expandieren. Eine besondere Nachbrennkammer ist nicht erforderlich, " weil einerseits eine Nachverbrennung vor bzw. in der Turbine, andererseits aber auch nach der Turbine stattfindet. Die Anlage wird dadurch billiger als die üblichen Anlagen. In dem Ladeluftkühler sind Radiatoren aneinandergereiht, die der durchströmenden verdichteten Luft Wärme entziehen. Dabei kann als Kühlmedium das Kuhlwasser des Motors bei entsprechender Aufladung dienen oder ein, vom Kühlgebläse des Motors erzeugter Luftstrom, wder es kann die zur Kühlung erforderliche Kühlluftmenge in anderer Weise hinzugeführt werden. Die in dem Ladeluftkühler heruntergekühlte Luft besitzt eine größre Dichte und bezweckt somit eine höhere Leistung des Motors sowie eine Verringerung der Prozeßtemperatur im Verbrennungsraum des Motors. Die Verringerung der Prozeßtemperatur bewirkt dabei eine beträchtliche Absenkung der NO-Werte.

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Claims

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Patentans prü ch e

1. / Verfahren zur Reinigung der Abgase von mit flüssigem Brennstoff

betriebenen Motoren mittels eines Turboladers, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase des Motors zunächst vor der Turbine zur Temperaturerhöhung und Einleitung der Verbrennung aufgestaut werden und daß sie sodann nach Durchströmen der Turbine einem weiteren Verbrennungsprozeß unterworfen werden, der durch eine nach dem Verdichter abgezweigte Luftmenge, die dem Abgas zugefügt wird, eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Verbrennungsprozeß nach Durchströmen der Turbine zugeführte Verbrennungsluft in einem getrennten Strömungskanal des Abgasturboladers vorgewärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase des Motors der katalytisch wirksam gestalteten Turbine zwecks Reduktion der Stickoxyde zugeführt werden.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem bekannten Turbolader an den Innenwänden, des Strömungskanals für das Abgas eine Metallschicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der MrI a I Jaus kleidung des Abgaskanals und dem Gehäuse des Abgasturboladers eine Wärmeisolierung angeordnet ist.

R. Rinrich*-mg nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß 73 09 14 _ 2

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auf der Innenseite des Strömungskanals eine keramische Schicht angeordnet, ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Strömungskanals eine Schicht von Aluminiumoxyd (Al O„) mit Zirkonoxyd (ZrO₀) angeordnet ist.

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8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse des Abgasturboladers Lufteintrittsbohrungen

(21) angebracht sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht mindestens teilweise mit Luftdurchtritts öffnungen versehen ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Strömungskanal des Abgases ein weiterer Kanal

(22) angeordnet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den radialen Ringraum zwischen Turbinenradeintritt und Strömungskanal (23) ein Düsenring (24) mit Schaufeln, bestehend aus einer porösen keramischen, zur Katalyse aktivierten Masse angeordnet ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 10, dadurch geken- zeichnet, daß in den radialen Ringraum zwischen Turbinenradointritt und Strömungskanal ein aus einem Edelstahl bestehender Düsenring (24) eingebaut ist, der eine aufgalvanisierte Metallschicht aufweist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 12, dadurch gekennzeichnet, da«'· am Eintritt (25 a) in da.«-. \ urbinengehäuse ein Monolith

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als Katalysator in dem geschlossenen Kanal angeordnet ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-12, dadurch gekennzeichnet, daß am Austritt (25 b) aus dem Turbinengehäuse ein Monolith als Katalysator angeordnet ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Turbinenrad (26) aus Edelstahl mit aufgalvanisierter Kupferschicht in dem Abgasturbolader angeordnet ist.

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