DE10024254A1 - Vorrichtung zur Abgasbehandlung - Google Patents

Vorrichtung zur Abgasbehandlung

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter (4) vorgeschlagen, die gegenüber herkömmlichen Systemen mit weniger Aufwand zu realisieren ist und eine sichere Partikelfilterregeneration gewährleistet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung (1) einen katalytischen Brenner (3) umfasst, wobei der Brenner (3) zwischen der Brennkraftmaschine und dem Partikelfilter (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftstoffmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Entsprechend dem fortschreitenden Kenntnisstand werden zum Schutz der Gesundheit und der Umwelt gesetzliche Vorgaben, die die Emissionen von Kraftfahrzeugen regeln, ständig verschärft. Zur Erfüllung dieser Vorgaben werden beispielsweise, neben der Verwendung von entsprechend modifizierten Treibstoffen, feste Partikel mittels Filter aus dem Abgas entfernt.
Besonders Dieselantriebe produzieren große Mengen Ruß, wobei der Verdacht besteht, dass Dieselabgase eine Krebs erzeugende Potenz besitzen. So wurden bereits viele Anordnungen zur Behandlung von Dieselabgas vorgeschlagen. Im Allgemeinen bestehen diese Anordnungen aus Filtersystemen, die die partikulären Inhaltsstoffe zurückhalten. Ein effizienter Filter hält hierbei die Rußpartikel, die insbesondere einen Durchmesser von ca. 10 bis 5000 Nanometern aufweisen, wirkungsvoll zurück.
Die von entsprechenden Filtern zurückgehaltenen Teilchen verursachen jedoch durch Belegung des Filters bzw. seiner Oberfläche eine Verringerung des Gasdurchsatzes und bewirken hierdurch einen Anstieg des Filtrationswiderstandes. Dieser Wideratand führt zu einem Mehrverbrauch an Treibstoff bis hin zum Motorstillstand, so dass eine häufige Regeneration vorgesehen werden muss. Die Regeneration erfolgt im Allgemeinen durch eine nahezu rückstandsfreie Verbrennung des gespeicherten Rußes. Die im Dieselabgas vorhandenen Temperaturen von ca. 200°C reichen hierzu in aller Regel nicht aus, so dass zusätzliche Systemhilfen bereitgestellt werden müssen.
Ohne zusätzliche Maßnahmen oxidiert der Ruß ab ca. 550 bis 600°C. Durch Kombination des Rußfilters mit einem Oxidationskatalysator oder durch katalytische Beschichtung des Filters lässt sich die untere Temperaturschwelle für die Rußoxidation auf ca. 250 bis 350°C absenken. Jedoch liegen diese Temperaturen für moderne Dieselmotoren immer noch oberhalb üblicher Abgastemperaturen, so dass temperatursteigernde Maßnahmen zur sicheren Filterregeneration notwendig sind.
Zur Steigerung der Abgastemperatur werden bislang beispielsweise elektrische Zuheizungen, Mikrowellenheizungen oder innermotorische Maßnahmen vorgesehen, wobei diese beispielsweise aufgrund der erforderlichen hohen Heizleistung gegebenenfalls zusätzliche Batterien erforderlich machen, einen hohen Systemaufwand aufweisen oder die notwendige Temperaturerhöhung nicht sicher gewährleisten können.
So werden bei Nutzkraftwagen zum Teil auch Brenner eingesetzt, wobei mit einer offenen Flamme der Filter freigebrannt wird. Hierbei sind jedoch die Anforderungen bezüglich Temperaturgleichverteilung, Zündbedingungen, Brenngesetz usw. sehr anspruchsvoll, so dass entsprechende Systeme recht aufwendig zu realisieren sind. Weiterhin stellt besonders das Zünden und das Verbrennen mit offener Flamme hohe sicherheitstechnische Anforderungen an das gesamte System.
Diese Abgasfiltersysteme sind demnach insgesamt vergleichsweise aufwendig und/oder gewährleisten keine sichere Temperaturerhöhung zur Regeneration des Partikelfilters in jedem Betriebspunkt.
Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter vorzuschlagen, das den systembedingten Aufwand deutlich reduziert und gleichzeitig eine sichere Partikelfilterregeneration in jedem Betriebspunkt gewährleistet, wobei keine sicherheitstechnischen Risiken ent stehen.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass die Vorrichtung einen katalytischen Brenner umfasst, wobei der Brenner zwischen der Brennkraftmaschine und dem Partikelfilter angeordnet ist.
Mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung wird Kraftstoff (HC) mit Sauerstoff (O2) am Katalysator zu Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) umgesetzt. Durch die dabei freigesetzte Reaktionswärme wird die Abgastemperatur auf die Regenerationstemperatur angehoben, so dass die Regeneration des Partikelfilters einsetzt.
Vorteilhafterweise entfällt erfindungsgemäß die Bereitstellung eines gut zünd- und brennfähigen Kraftstoffgemisches sowie eine Vorrichtung zum Zünden des Gemisches. Sicherheitstechnische Risiken, die das Zünden sowie das Verbrennen des Kraftstoffgemisches mit sich bringen, entfallen. Das katalytische Material des erfindungsgemäßen Brenners gewährleistet einen Umsatz von Kraftstoff bereits bei Abgastemperaturen von ca. 200°C.
Vorzugsweise ist zwischen der Brennkraftmaschine und dem katalytischen Brenner eine Kraftstoffzumessvorrichtung angeordnet, so dass Kraftstoff bedarfsgerecht zugeführt wird, d. h. Kraftstoff wird in den Abgasstrom vor dem katalytischen Brenner zugemessen, wenn beispielsweise der Abgasgegendruck einen vorgegebenen Grenzwert erreicht hat. Beispielsweise wird die Kraftstoffzumessung gestoppt, wenn der Filter freigebrannt ist.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Kraftstoffzumessvorrichtung eine Kraftstoffzerstreuungseinheit, so dass der zugeführte Kraftstoff vergleichsweise gut mit dem katalytischen Material des Brenners in Kontakt gebracht wird, wobei der zugemessene Kraftstoff vollständig umgesetzt und hierdurch die zur Filterregeneration notwendige Wärme freigesetzt wird.
Vorteilhafterweise ist eine Steuerung der Kraftstoffzumessvorrichtung vorgesehen, so dass die Kraftstoffzumessung beispielsweise automatisch bei einem vorgegebenem Gegendruck des Abgases erfolgt und wiederum automatisch abschaltet, wenn der Filter freigebrannt ist. Weiterhin ist eine flexible Anpassung der Kraftstoffzuführung möglich, beispielsweise in Abhängigkeit des Abgasstromes und/oder dessen Rußgehaltes.
Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Stickoxid-Oxidationseinheit, wobei diese im Abgasstrom vermehrt Stickstoffdioxid (NO2) aus Stickstoffmonoxid (NO) und Sauerstoff (O2)erzeugt. Im nachgeschalteten Partikelfilter erfolgt der umgekehrte Vorgang und das frei gewordene Sauerstoffatom verbrennt den Kohlenstoff des Rußes bereits bei tieferen Abgastemperaturen, so dass eine noch sichere Partikelfilterregeneration gewährleistet wird.
Hierbei ist jedoch bei einer Dieselbrennkraftmaschine zu beachten, dass vergleichsweise schwefelarmer Dieselkraftstoff verwendet wird, wodurch sich eine nachhaltige Schädigung der Stickoxid-Oxidationseinheit verhindern lässt.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen beschichteten Partikelfilter, was eine weitere Absenkung der unteren Rußoxidationstemperatur gewährleistet. Die Regeneration an einer katalytisch beschichteten Wand verläuft vergleichsweise langsam, so dass vorteilhafterweise die vollständige Umsetzung der entsprechenden Substanzen erfolgt.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Heizvorrichtung. Beispielsweise wird mittels einer elektrischen Beheizung eine sichere Partikelfilterregeneration auch unter schwierigsten Betriebsbedingungen, z. B. beim Kaltstart, bei Schubabschaltung, usw. gewährleistet. Außerdem kann der katalytische Brenner vergleichsweise schnell auf eine optimale Betriebstemperatur gebracht werden.
Die vorstehend beschriebene Erfindung gewährleistet eine sichere Partikelfilterregeneration auch unter schwierigsten Verhältnissen, wie sie bei Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen anzutreffen sind, insbesondere bei schnellen Lastwechseln, unter Kaltstartbedingungen, bei Schubabschaltung oder beim Betrieb mit unterschiedlichen Drehzahlen.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasbehandlung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Stickoxid- Oxidationseinheit und einer Heizvorrichtung und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem beschichteten Partikelfilter.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Abgasbehandlung, wobei Abgas 2 (mit einer Temperatur von ca. 200°C) auf einen katalytischen Brenner 3 trifft und anschließend einen Partikelfilter 4 durchströmt. Vor dem katalytischen Brenner 3 wird mittels einer Kraftstoffzumessvorrichtung 5 Kraftstoff zerstreut, so dass das Abgas 2 im katalytischen Brenner 3 aufgrund der Oxidation von Kraftstoff (HC) zu Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) und der hierdurch freigesetzten Wärme auf ca. 600°C aufgeheizt wird. Bei diesen Abgastemperaturen reagiert im Partikelfilter 4 der Kohlenstoff (C) des Dieselrußes mit dem im Abgas 2 vorhandenen restlichen Sauerstoff (O2), wobei sich dieser zu Kohlendioxid (CO2) verbindet. Hierbei wird Kraftstoff (HC) der Vorrichtung 1 zugeführt, beispielsweise nach Erreichen eines vorgegebenen Abgasgegendrucks, und solange dosiert im Abgasstrom zerstreut, bis der Partikelfilter 4 freigebrannt ist, wobei auch das Ende der Zuführung druckgesteuert erfolgen kann.
In Fig. 2 ist eine Weiterbildung der Vorrichtung 1 dargestellt, wobei im Vergleich mit der Vorrichtung aus Fig. 1 zusätzlich eine Heizvorrichtung 6 am katalytischen Brenner 3 und eine Stickoxid-Oxidationseinheit 7 zwischen dem katalytischen Brenner 3 und dem Partikelfilter 4 angeordnet ist. Für bestimmte Betriebsbedingungen des Motors eines Fahrzeugs, wie beispielsweise beim Kaltstart oder bei Schubabschaltung, kann eine zusätzliche Aufheizung des Abgases 2 notwendig werden. So wird mittels der Heizvorrichtung 6, die beispielsweise durch die fahrzeuginternen elektrischen Quellen versorgt wird, wie Batterie oder Lichtmaschine, eine sichere Partikelfilterregeneration auch unter schwierigen Betriebsbedingungen gewährleistet. Weiterhin kann mittels der Heizvorrichtung 6 der katalytische Brenner 3 bei Bedarf gezielt beheizt werden, so dass eine optimale Oxidation des zugeführten Kraftstoffs gewährleistet wird.
Mittels der Stickoxid-Oxidationseinheit 7 wird Stickstoffmonoxid (NO) des Abgases 2 zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert. Es erfolgt vorteilhafterweise eine kontinuierliche Verbrennung der Rußrückstände im Partikelfilter 4 ab einer Abgastemperatur von ca. 250°C. Der katalytische Brenner wird nur zugeschaltet, wenn diese Temperatur über einen längeren Zeitraum hinweg nicht erreicht wurde.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 umfasst im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 statt des Partikelfilters 4 einen beschichteten Partikelfilter 8. Der beschichtete Partikelfilter 8 fasst hierbei die Stickoxid- Oxidationseinheit 7 und den Partikelfilter 4 aus Fig. 2 in einem Bauteil zusammen, so dass im beschichteten Partikelfilter 8 Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert wird, das anschließend den Ruß gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung oxidiert 2NO + C + O2 → 2NO2 + C → 2NO + CO2. Eine weitere Stickoxid-Behandlung kann bei Bedarf nachgeschaltet werden. Vorteilhafterweise senkt die katalytische Beschichtung außerdem die für die direkte Oxidation von Ruß erforderliche Temperatur.
Der Kraftstoff für den katalytischen Brenner 3 kann bei erfindungsgemäßen Abgasfiltersystemen sowohl bevorzugt gasförmig als auch flüssig zugeführt werden. Hierbei kann die Kraftstoffzuführung sowohl periodisch als auch kontinuierlich erfolgen.
Bezugszeichenliste
1
Vorrichtung zur Abgasbehandlung
2
Abgas
3
katalytischer Brenner
4
Partikelfilter
5
Kraftstoffzumessvorrichtung
6
Heizvorrichtung
7
Stickoxid-Oxidationseinheit
8
beschichteter Partikelfilter

Claims (9)

1. Vorrichtung (1) zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen katalytischen Brenner (3) umfasst, wobei der Brenner (3) zwischen der Brennkraftmaschine und dem Partikelfilter (4) angeordnet ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkraftmaschine und dem Brenner (3) eine Kraftstoffzumessvorrichtung (5) angeordnet ist.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzumessvorrichtung (5) eine Kraftstoffzerstreuungseinheit umfasst.
4. 'Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung der Kraftstoffzumessvorrichtung (5) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine - Stickoxid-Oxidationseinheit (7) umfasst.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen beschichteten Partikelfilter (8) umfasst.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Heizvorrichtung (6) umfasst.
8. Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche vorgesehen ist.
9. Verfahren zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter (4), dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.
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