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Bezeichnung: Einrichtung zur Verminderung der Schadstoff-
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anteile in den Abgasen eines Verbrennungsmotors Beschreibung: Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verminderung der Schadstoffe in den Abgasen
eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors einer Untertagelokomotive,
die in der Abgasleitung wenigstens einen Filter-Katalysator aufweist.
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Es ist grundsätzlich bekannt, Schadstoffanteile aus Motorabgasen mit
Hilfe eines Filter-Katalysators zu beseitigen. Ein derartiger Filterkatalysator
ist so aufgebaut, daß das zu reinigende Abgas aus einem Einströnkanal durch eine
poröse Keramikschicht in einen Austrittskanal strömt. Durch eine entsprechende Umlenkung
der Abgase im Einströmkanal werden Feststoffbestandteile im Abgas wie Ruß oder dgl.
weitgehend abgesondert, wobei feinere Feststoffpartikel durch die poröse Keramikschicht
festgehalten werden. Da zumindest aer Abströmkanal eine katalytische
Beschichtung
aufweist, findet in diesem Bereich eine Umwandlung des im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxyds
und der Kohlenwasserstoffe statt. Entscheidend für die Wirksamkeit eines derartigen
Filter-Katalysators ist es jedoch, daß das ihn durchströmende Abgas eine Temperatur
von mindestens 1650 C, die sogenannte Anspringtemperatur aufweist. Bei Abgastemperaturen
unter 1650 C findet die katalytische Aufspaltung von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffen
nicht statt. Bei Abgastemperaturen unter 4800 C schlagen sich Rußpartikel im Filter
nieder ohne abzubrennen, so daß für einen im wesentlichen wartungsfreien Betrieb
eines derartigen Filter-Katalysators dafür Sorge getragen werden muß, daß zumindest
zeitweise die Arbeitstemperatur des Filter-Katalysators über 4800 C ist, -so daß
in den Filter gelangende Rußpartikel selbständig abbrennen.
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Um diese Arbeitsbedingungen einhalten zu können, wurde in einer Reihe
von Anwendungsfällen in der Weise gearbeitet, daß der Filter-Katalysator in der
Abgas leitung unmittelbar im Bereich der Abgasauslässe der einzelnen. Zylinder angeordnet
wurde, um so die möglichst hohe Arbeitstemperatur gewährleisten zu können. Bei Motoren
mit gleichbleibender Last reicht dies aus. Bei Motoren, die mit wechselnder Belastung
betrieben werden, beispielsweise bei Fahrzeugmotoren, wurden Temperaturunterschreitungen
in den Abgasen dadurch ausgeglichen, daß ein zweiter Filter-Katalysator in der Abgasleitung
vorgesehen wurde, dem ein Zusatzbrenner vorgeschaltet war. Bei Unterschreiten der
Abgastemperatur unter eine Mindesttemperatur wurde dieser Brenner zugeschaltet und
die Abgase vor dem Eintritt in den zweiten Filter-Katalysator zusätzlich aufgeheizt,
um nicht nur die katalytische Aufspaltung von Kohlenmonoxyd und noch etwa enthaltener
Kohlenwasserstoffe zu gewährleisten, sondern auch um sich auf dem Filter niederschlagende
Rußpartikel abbrennen zu können.
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Ein derartiges Verfahren ist jedoch zumindest für Fahrzeuge, die unter
Tage, beispielsweise im Kohlebergbau eingesetzt werden, nicht anwendbar, da der
erzielbaren Verminderung der Schadstoffbelastung der Wetter eine erhöhte Abgasmenge
und eine erhöhte Wärmeabgabe des Fahrzeugs gegenüberstehen, was in jedem Fall zu
einer erhöhten Belastung der Bewetterung führt. Hinzu kommt noch, daß im Untertagebetrieb
verhältnismäßig kurze Fahrstrekken durch eine derartige Lokomotive zurückzulegen
sind, wobei häufige Lastwechsel stattfinden, die zur Folge haben, daß ein derartiger
Zusatzbrenner-praktisch ununterbrochen in Betrieb sein muß.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der
eingangs bezeichneten Art zu schaffen, mit deren Hilfe eine wirksame Verminderung
der Schadstoffanteile in den Abgasen eines Verbrennungsmotors erzielt werden kann,
ohne daß hierbei zusätzliche Belastungen der Umgebungsluft durch Erhöhung der Abgasmengen
und erhöhte Wärmeabstrahlung auftreten.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Abgasleitung zwischen
Verbrennungsmotor und Filter-Katalysator ein von den heißen Motorabgasen umströmtes
Wärmespeicherelement angeordnet ist. Da das Wärmespeicherelement durch die umströmenden
heißen Motorabgase aufgeheizt wird und beispielsweise bei längerer Vollastfahrt
die gleiche Temperatur annimmt, wie die umströmenden Motorabgase, ergibt sich für
einen nachfolgenden Teillast- oder auch Leerlaufbetrieb der Vorteil, daß die dann
mit erheblich geringerer Abgastemperatur durch das Wärme speichere lement strömenden
Motorabgase aufgeheizt werden und mit einer über der Anspringtemperatur des Katalysators
liegenden Temperatur diesen durchströmen. Aufgrund der üblichen Folge von Volllast-,
Teillast- und Leerlaufbetrieb wird die Temperatur des Wärmespeicherelementes zwischen
Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe um einen mittleren Wert schwanken, der jedoch
mit
Sicherheit immer über der Anspringtemperatur des Katalysators liegt, so daß in jedem
Fall eine katalytische Aufspaltung des im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxyds und der
im Abgas noch verhandenen Kohlenwasserstoffe gewährleistet ist. Da darüber hinaus
bei längerem Vollastbetrieb in jedem Fall Motorabgase mit einer Temperatur über
4800 C in den Filter-Katalysator einströmen, ist gewährleistet, daß im Filterbereich
des Filter-Katalysators sich niederschlagende Rußanteile selbständig abbrennen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung -ist vorgesehen, daß das
Wärmespeicherelement im Bereich der Abgassammelleitung unmittelbar am Motor angeordnet
ist. Hierdurch ist eine größmögliche Aufheizung des Wärmespeicherelementes gewährleistet.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, daß zumindest das Wärmespeicherelement
mit einem wärmeisolierenden Mantel umgeben ist. Hierdurch wird die Wärmeabstrahlung
an die Umgebung im Bereich des Wärmespeicherlementes zumindest vermindert und so
gewährleistet, daß die vom Wärmespeicherelement aufgenommene Wärmemenge praktisch
nur an die durchströmenden Abgase bei sinkenden Abgastemperaturen abgegeben werden.
Hierbei ist es ferner zweckmäßig, wenn auch die zwischen Motor und Filter-Katalysator
liegenden Teile der Abgasleitung mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
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Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 die Grundanordnung der Einrichtung, Fig. 2 die CO-Emission eines
Dieselmotors bei CH4-haltige Ansaugluft, Fig. 3 den Umsetzungsgrad eines Katalysators
in Abhängigkeit von der Temperatur, Fig. 4 einen Verlauf der Abgastemperatur während
eines Fahrzyklus.
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In Fig. 1 ist schematisch ein Dieselmotor 1 dargestellt, der beispielsweise
eine Lokomotive antreibt, die im Kohlebergbau unter Tage eingesetzt ist. Die Abgasauslässe
2 der einzelnen Zylinder münden in ein Wärme speicherelement 3, das zweckmäßigerweise
dicht am Motor 1 angebracht ist, um Wärmeverluste durch Abstrahlung weitgehend zu
vermeiden. Das Wärmespeicherelement 3 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse
4, beispielsweise aus Metall, das einen Wärmespeicherkörper 5 umschließt. Der Wärmespeicherkörper
5 istzweckmäßigerweise aus einem hochwarmfesten keramischen Material hergestellt
und ist auf seiner von den Motorabgasen umspülten Innenseite mit Vorsprüngen 6 in
Form von Stegen, Zapfen oder dgl. versehen, die die -Wärmetauscherfläche zur -Wärmeufnahme
und Wärmeabgabe vergrößern.
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Die Vorsprünge 6 können hierbei so angeordnet sein, daß sie eine mehrfache
Umlenkung der heißen Motorabgase bewirken, wobei die Umlenkungen jedoch so vorgesehen
sein sollten, daß der Strömungswiderstand in diesem Bereich nicht allzu sehr erhöht
wird. Dies kann durch eine versetzte Anordnung entlang der Innenwandung des Wärmetauscherkörpers
5 in Form einer Schraubenlinie oder in Form einer Zick-zack-Linie erfolgen.
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Zweckmäßigerweise ist der Wärmetauscherkörper aus mehreren Einzelsegmenten
zusammengesetzt, was in der schematischen Darstellung nicht gezeigt ist, um die
bei den wechselnden Temperaturen auftretenden Längen- und Durchmesseränderungen
aufnehmen zu können.
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Sowohl die Zuleitung 2 als auch das Wärmetauscherelement 3 sind auf
ihren Außenseiten mit einer hier nicht näher dargestellten Wärmeisolierung versehen.
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ueber eine Verbindungsleitung 7 gelangen die Motorabgase in einen
Filter-Katalysator 8. Dieser besteht im wesentlichen aus einem Einströmkanal 9 und
einem Abströmgehäuse 10, die durch einen Katalysatoreinsatz 11 voneinander getrennt
sind. Dieser Katalysatoreinsatz besteht aus einem porösen, und damit gasdurchlässigen
keramischen Material, das zumindest auf der Seite des Einströmkanals 9 mit einer
katalytischen Beschichtung versehen ist. Wie aus der schematischen Zeichnung ersichtlich,
können die in den Einströmkanal 9 gelangenden Abgase aufgrund der Porosität des
Filter-Katalysatorkörpers diesen durchströmen und in das Abströmgehäuse 10 gelangen.
Vom Abströmgehäuse 10 treten die nunmehr gereinigten Abgase entweder unmittelbar
ins Freie oder können bei entsprechender Menge und/oder entsprechendem Wärmeinhalt
auch über eine Abgasturbine zur Verwertung der in den Abgasen enthaltenen Energie
geführt werden.
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Für den Untertagebetrieb im Kohlebergbau ist zur Beurteilung des Schadstoffgehaltes
der Abgase ferner von Bedeutung, daß in unterschiedlichen Mengen in der Ansaugluft
des Motors Methangase (CH4) enthalten sind. Da die mit der Ansaugluft in den Verbrennungsraum
des Motors gelangenden Methangase.zusätzlich zum zugeführten Kraftstoff mitverbrannt
werden, ergibt sich für eine Untertagelokomotive im Kohlebergbau gegenüber einem
übertagebetriebenen Dieselmotor je nach CH4-Gehalt der Ansaugluft eine
erhebliche
Steigerung der CO-Emission. Dies ist für unterschiedliche Lastzustände in Fig. 2
dargestellt. Die Kurve 12 zeigt hierbei den Anstieg des CO-Gehaltes im Abgas eines
Dieselmotors bei 1000 U/min entsprechend einem Drehmoment von 50 Nm. Die Kurve 13
zeigt den Verlauf bei einer Drehzahl von 1700 U/min entsprechend einem Drehmoment
von 150 Nm und die Kurve 14 zeigt den Anstieg des CO-Gehaltes bei methanhaltiger
Ansaugluft bei 2100 U/min unter Volllast. Hieraus ist ersichtlich, daß insbesondere
für den Betrieb unter Tage bei methanhaltiger Ansaugluft die Reduzierung des CO-Gehaltes
im Abgas beispielsweise einer dieselgetriebenen Lokomotive von erheblicher Bedeutung
ist. Schon geringe Erhöhungen des Methangehaltes in der Ansaugluft führen selbst
im Leerlauf zu einem starken Anstieg des C0-Gehaltes im Abgas.
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In Fig. 3 ist der Umsetzungsgrad von Katalysatoren zur Aufspaltung
von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt.
Hierbei ist der Verlauf für die Umsetzung von CO in etwa gleich dem Verlauf für
die Umsetzung von Kohlenwasserstoff, so daß hier der Einfachheit halber nur eine
Kurve dargestellt ist. Aus dem Verlauf der Kurve 15 ist ersichtlich, daß bis zu
einer Abgastemperatur von etwa 1600 C der Katalysator praktisch inaktiv ist. Erst
bei einer Temperatur von mindestens 1650 C "springt der Katalysator an" und bewirkt
eine volle Umsetzung von Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff. Hieraus ist ersichtlich,
daß schon dann eine praktisch vollständige Beseitigung des Kohlenmonoxyds im Abgas
erreicht wird, wenn es gelingt, während der gesamten Betriebsdauer den Filter-Katalysator
oberhalb dieser Anspringtemperatur von etwa 1650 C zu halten und zwar auch dann,
wenn die Abgastemperatur beispielsweise im Leerlaufbetrieb soweit absinkt, daß die
Anspringtemperatur unterschritten wird. Die Bedeutung für den Untertagebetrieb wird
insbesondere im Hinblick auf die anhand von
Fig. 2 dargestellte
starke Erhöhung des CO-Gehaltes im Abgas bei methanhaltiger Ansaugluft erkennbar.
Fig. 4 zeigt schematisch den Verlauf der Abgastemperatur während eines Fahrzyklus,
d.h. also in Abhängigkeit von der Zeit. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß
die Temperaturkurve 16 abgesehen von einem kurzen Zeitraum nach dem Anlassen des
Motors weitgehend über der Anspringtemperatur (Linie 17) liegt. Diese Temperaturlinie
wird während des Betriebes entsprechend den Gegebenheiten kurzzeitig unterschritten,
während zu anderen Zeitpunkten diese Temperaturlinie 17 erheblich überschritten
wird und zeitweise auch die Linie 18, d.h. eine Temperatur von 480" C überschreitet,
die diejenige Temperatur kennzeichnet, bei der im Filter-Katalysator abgelagerte
Rußanteile selbsttätig abbrennen.
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Durch die Anordnung des anhand von Fig. 1 beschriebenen Wärmespeicherelementes
3 in der Abgasleitung vor dem Filter-Katalysator 8, läßt sich nun erreichen, daß
die Temperatur der in den Filter-Katalysator 8 eintretenden Abgase mit Sicherheit
immer weit über der Anspringtemperatur des Filter-Katalysators liegt und so sichergestellt
ist, daß der Filter-Katalysator auch dann aktiv bleibt, wenn bei Leerlauf die Temperatur
der den Motor verlassenden Abgase absinkt. Die zulässige Leerlaufzeit, während der
der Filter-Katalysator noch aktiv bleibt, kann über die Bemessung der Speicherkapazität
des Wärmespeicherelementes festgelegt werden.
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Der von den heißen Motorabgasen umströmte wärmespeichernde Teil des
Wärmespeicherelementes ist aus einem Material mit hohem Wärmespeichervermögen hergestellt,
das jedoch auch eine gute Temperaturwechselfestigkeit aufweist. Hierzu kann beispielsweise
keramisches Material verwendet werden. Bei entsprechender Gestaltung ist es auch
möglich, die entsprechenden Bauteile aus Metall doppelwandig auszubilden und den
entstehenden Hohlraum mit entsprechendem festen oder auch flüssigen Stoffen mit
hohem Wärmespeichervermögen zu füllen.
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- L e e r s e i t e -