DE10042010C2 - Vorrichtung zur Abgasbehandlung - Google Patents

Vorrichtung zur Abgasbehandlung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine mit einem Speicherkatalysator, wobei zur Erzeugung einer reduzierenden Abgasatmosphäre eine Verbrennung eines Brennstoffs in einem Abgasstrom vorgesehen ist, 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, NOx-Speicherkatalysatoren verwendet, die die im mageren Motorbetrieb emittierten Stickoxide speichern, d. h. dass bei entsprechenden Verbrennungsvorgängen ein Luftüberschuss (λ < 1) im Abgasstrom vorliegt. Hierbei kommt es nur zu einer geringen Kohlenmonoxid- und Kraftstoff-Emission, jedoch zu einer vergleichsweise hohen NOx-Emission, wobei das Abgas insbesondere Stickstoffmonoxid (NO) enthält.
Die NOx-Speicherkatalysatoren sind aufgrund ihrer Beschichtung während dieser Speicherphase in der Lage, NOx- Verbindungen aus dem Abgas zu adsorbieren, bis der NOx- Speicherkatalysator voll ist, d. h. bis er keine weiteren Stickoxide mehr speichern kann. Zur Regeneration des NOx- Speicherkatalysators wird eine reduzierende Abgasatmosphäre (λ < 1) erzeugt, die beispielsweise für heutige Dieselmotoren untypisch ist.
Aus unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnissen (λ < 1) resultiert eine unvollständige Verbrennung des Brennstoffes, wobei als Folge vermehrt Kohlenmonoxid (CO) und Kraftstoff (HC) emittiert wird. Besonders diese Reduktionsmittel sowie Wasserstoff (H2) regenerieren während einer kurzzeitigen Regenerationsphase den NOx- Speicherkatalysator, wobei die gespeicherten NOx-Verbindungen zusammen mit dem Kohlenmonoxid (CO) und dem Kraftstoff (HC) beziehungsweise Wasserstoff (H2) im Katalysator vor allem zu Stickstoff (N2) beziehungsweise Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) abgebaut werden.
Im Allgemeinen ist für Ottomotoren sowohl ein magerer als auch ein fetter Betrieb vergleichsweise einfach zu realisieren. Bei Dieselmotoren ist ein fetter Betrieb deutlich schwieriger zu realisieren, so dass bei entsprechenden Motoren die Regeneration des NOx- Speicherkatalysators mittels zusätzlicher Systemhilfen realisiert werden muss.
Bislang wird zur Erzeugung einer reduzierenden Abgasatmosphäre Diesel direkt in den Abgasstrom eingeführt und verbrannt. Der Dieselbrennstoff wird hierbei lediglich in einfacher Weise eingespritzt und gezündet. Der zugeführte Brennstoff verbrennt vergleichsweise unkontrolliert, so dass zum einen eine unerwünschte Rußbildung stattfindet und zum anderen die Verbrennung nur schwierig zu beeinflussen ist.
Aus der DE 195 37 971 A1 ist ein Verfahren zur selektiven, katalytischen NOx-Reduktion in sauerstoffhaltigen Abgasen bekannt, bei dem durch Verbrennen von Kohlenwasserstoffen bei hoher Temperatur unter Luftmangel ein Reduktionsgas zur Regenerierung eines NOx-Reduktionskatalysators erzeugt wird.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die reduzierenden Bestandteile in einem ungeordneten Strom dem NOx-Reduktions­ katalysator zugeführt werden, wobei eine Rußbildung nicht ausgeschlossen ist.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine mit einem Speicherkatalysator und einer zusätzlichen Kraftstoffverbrennung vorzuschlagen, wobei selbst bei stark unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnissen nahezu kein Ruß gebildet wird.
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 zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine dadurch aus, dass eine aerodynamische Steuerung der Verbrennung vorgesehen ist.
Mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung wird gewährleistet, dass auch bei unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff­ verhältnissen nahezu keine unerwünschte Rußbildung stattfindet und gleichzeitig eine gute Regelung der Verbrennung realisierbar ist, beispielsweise bei einem periodischen Betrieb der Vorrichtung.
Vorzugsweise ist hierbei auch eine Steuerung der Brennstoffmenge vorgesehen, so dass das Luft- Kraftstoffverhältnis flexibel an sich ändernde Bedingungen angepasst werden kann.
Vorteilhafterweise erfolgt die Verbrennung mit dem Brennstoff, der auch in der Brennkraftmaschine eingesetzt wird, d. h. im Allgemeinen mit Dieselkraftstoff, oder daraus abgeleiteten Brennstoffen, beispielsweise mit aus dem entsprechenden Brennstoff reformierten Wasserstoff. Jedoch sind hierbei auch andere Brennstoffe einsetzbar, die erfindungsgemäß verbrannt werden und somit beispielsweise ein kohlenmonoxid- oder/und wasserstoffreiches Prozessgas für die Regeneration des Speicherkatalysators erzeugen. Hierbei ist zu beachten, dass es sich bei der erfindungsgemäßen Verbrennung im Wesentlichen um eine unvollständige Oxidation des Brennstoffes handelt.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung umfasst die aerodynamische Steuerung wenigstens eine Stauvorrichtung, so dass der Abgasstrom einerseits beschleunigt und andererseits die Turbulenzintensität sowie die Geschwindigkeitsverteilung gesteuert wird, wobei eine vorteilhafte Verwirbelung beziehungsweise Vermischung des verbrennenden Kraftstoff- Luftgemisches und des Abgasstromes stattfindet. Als Stauvorrichtung beziehungsweise Flammhalter wird beispielsweise eine Düse, ein Gitter oder eine Stauscheibe vorgesehen.
Vorzugsweise umfasst die aerodynamische Steuerung wenigstens eine Verdrallvorrichtung, so dass eine weitere räumliche Lokalisierung beziehungsweise Stabilisierung der Brennerflamme stattfindet. Beispielsweise werden Verdrallvorrichtungen vor und/oder hinter der Kraftstoffzuführung vorgesehen. Hierdurch wird eine rußärmere Verbrennung bei unterstöchiometrischen Bedingungen gewährleistet. So werden die Verbrennungsbedingungen gerade in Kombination mit der zuvor beschriebenen Stauvorrichtung in positiver Weise beeinflusst.
Vorteilhafterweise umfasst die aerodynamische Steuerung wenigstens eine Rezirkulationsvorrichtung, so dass der Brennflamme aus dem Reaktions- beziehungsweise Brennraum ein Teil der Abgase wieder zugeführt wird, was die mittlere Temperatur der Flamme reduziert sowie lokale Temperaturspitzen abbaut, wodurch unter anderem der NOx- Anteil im Abgas abgesenkt wird. Weiterhin wird hierdurch erreicht, dass die unterstöchiometrische Verbrennung zusätzlich räumlich stabilisiert wird, insbesondere auch im Zusammenwirken mit den zuvor beschriebenen Stau- bzw. Verdrallvorrichtungen. Vor allem auch aus der Rezirkulation der Rauchgase resultiert, dass nahezu keine Rußbildung bei der Verbrennung des nah- oder unterstöchiometrischen Luft- Kraftstoffgemisches erfolgt.
In einer weiteren Ausführung umfasst die Vorrichtung wenigstens einen Bypass, der einen Teil des Abgasstromes aus der Brennkraftmaschine aufnimmt, so dass bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine immer ein definierter Abgasvolumenstrom die erfindungsgemäße Vorrichtung passiert. Hierdurch werden nahezu gleichbleibende Strömungsbedingungen in der Vorrichtung gewährleistet, wodurch die Verbrennung in vorteilhafter Weise zusätzlich steuerbar ist.
Mittels einer entsprechenden Abgasstromregelung wird beispielsweise auch eine Anpassung des Abgasvolumenstromes an sich ändernde Brennbedingungen gewährleistet, so kann je nach Bedarf mehr oder weniger Abgas durch die Vorrichtung geleitet werden, das unter anderem beim Zünden der Flamme vorteilhaft ist.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung eine Luftzuführung, so dass die Regeneration des NOx- Speicherkatalysators beispielsweise auch bei Stillstand der Brennkraftmaschine durchführbar ist. Gleichzeitig ermöglicht diese Weiterbildung eine definierte Einstellung des Sauerstoffgehalts im Abgasstrom auf einen vorgegebenen Wert.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Kühlung, so dass ein Überhitzen der Vorrichtung, insbesondere der Kraftstoffzuführung, verhindert wird.
Vorteilhafterweise ist zwischen der Vorrichtung und dem Speicherkatalysator ein Oxidationskatalysator angeordnet, wobei dieser vor allem Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) umgewandelt, so dass dem NOx- Speicherkatalysator nahezu ausschließlich Stickstoffdioxid (NO2) zugeführt wird. Hierdurch wird die Speicherung von Abgas-Stickstoff im NOx-Speicherkatalysator optimiert, da dieser bevorzugt Stickstoffdioxid (NO2) in Nitrate (NO3) umwandelt und diese adsorbiert.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Vorrichtung und dem Speicherkatalysator ein Partikelfilter angeordnet, so dass die Partikelemissionen sowohl der Brennkraftmaschine als auch der Vorrichtung im Partikelfilter zurückgehalten werden und nicht in den Speicherkatalysator gelangen.
Vorzugsweise wird der Partikelfilter durch die erfindungsgemäße Vorrichtung regeneriert, wobei die Regeneration des Partikelfilters bei überstöchiometrischen bzw. mageren Verhältnissen (λ < 1) erfolgt. So wird die Vorrichtung in vorteilhafter Weise mit zwei unterschiedlichen Luftverhältnissen betrieben, wobei zum einen reduzierendes Prozessgas zur Speicherkatalysatorregeneration erzeugt (unterstöchiometrischer Betrieb) und zum anderen in größeren Abständen der Partikelfilter durch Abbrennen der Partikel gereinigt wird (überstöchiometrischer Betrieb).
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 ein Prozessschaltbild mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, einem Oxidationskatalysator sowie einem Speicherkatalysator und
Fig. 3 ein Prozessschaltbild mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, einem Partikelfilter sowie einem Speicherkatalysator.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Behandlung von Abgas 2 einer Brennkraftmaschine, wobei eine reduzierende Abgasatmosphäre mittels Verbrennung eines Brennstoffes 3 erzeugt wird. Hierbei wird der Brennstoff 3 mittels eines Zerstäubers 4 verdüst, wobei ein Zünder 5 den Brennstoff 3 entzündet, so dass dieser in einem Reaktionsraum 6 verbrennt.
Eine Stauscheibe 7, ein Drallerzeuger 8 sowie mehrere Drallschlitze 9, die von der Stauscheibe 7 umfasst werden, lenken das Abgas 2a in der Weise in den Reaktionsraum 6, so dass eine nahezu rußfreie Verbrennung gewährleistet wird. Der Reaktionsraum 6 ist innerhalb eines Rezirkulationskanals 10 angeordnet, wobei mehrere Rezirkulationsöffnungen 11 die Rückführung des Abgases 2b ermöglicht. Beispielsweise könnte die Größe der Rezirkulationsöffnung 11 veränderbar gestaltet werden, so dass eine zusätzliche Anpassung an sich verändernde Bedingungen im Reaktionsraum 6 gewährleistet wird. Nach Verlassen des Reaktionsraumes 6 wird das kohlenmonoxidreiche Abgas 2c einem Speicherkatalysator 12 zugeführt.
Eine weitere flexible Anpassung an sich verändernde Bedingungen im Abgasstrom kann mittels Steuerung der Brennstoffzufuhr erfolgen. Hierdurch und mit Hilfe der Stauscheibe 7, dem Drallerzeuger 8 sowie den Drallschlitzen 9 wird die Geschwindigkeitsverteilung, die Turbulenzintensität sowie die Mischung des zerstreuten Brennstoffes gesteuert, wodurch eine aerodynamische Stabilisierung der Flamme gewährleistet wird.
Vor allem durch die Einbauten im Strömungsfeld, insbesondere mittels Flammhalter (Stauscheibe 7), durch gezielte Verdrallung (Drallerzeuger 8, Drallschlitze 9) und/oder durch die Abgasrückführung (Rezirkulationskanal 10, Rezirkulationsöffnung 11) wird ein Geschwindigkeitsfeld erzeugt, in dem durch den Transport heißer Rauchgase Energie in die Flammwurzel geführt wird und die Flamme ortsfest in der Nähe des Flammhalters stabilisiert wird. Alternativ zu oder in Kombination mit den Verdrallvorrichtungen (Drallerzeuger 8, Drallschlitze 9) kann das Abgas 2 der Vorrichtung 1 bereits verdrallt zugeführt werden.
Fig. 2 zeigt ein Prozessschaltbild, wobei zwischen der Vorrichtung 1 und dem Speicherkatalysator 12 ein Oxidationskatalysator 13 angeordnet ist, so dass dem Speicherkatalysator 12 vermehrt Stickstoffdioxid und weniger Stickstoffmonoxid zugeführt wird.
Fig. 3 zeigt ein Prozessschaltbild, wobei zwischen der Vorrichtung 1 und dem Speicherkatalysator 12 ein Partikelfilter 14 angeordnet ist. Der Partikelfilter 14 kann sowohl ein einfacher Partikelfilter 14 sein als auch ein katalytisch beschichteter Partikelfilter 14, der eine Kombination des Oxidationskatalysators 13 und des einfachen Partikelfilters 14 darstellt. Alternativ kann auch an Stelle des beschichteten Partikelfilters 14 der Oxidationskatalysator 13 zwischen der Vorrichtung 1 und dem einfachen Partikelfilter 14 angeordnet werden.
Die zur Regeneration des Speicherkatalysators 12 erforderliche Brennstoffmenge kann aus einer Berechnung des chemischen Gleichgewichts der Hauptkomponenten einer unterstöchiometrischen Flamme (CO2, CO, H2O, H2, N2) abgeschätzt werden. Der Mehrverbrauch durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 reduziert sich hierbei proportional mit einer Reduzierung des Stickstoffmonoxidgehalts sowie dem eingestellten Luftverhältnis im Abgas 2.
Bezugszeichenliste
1
Vorrichtung
2
Abgas
3
Brennstoff
4
Zerstäuber
5
Zünder
6
Reaktionsraum
7
Stauscheibe
8
Drallerzeuger
9
Drallschlitz
10
Rezirkulationskanal
11
Rezirkulationsöffnung
12
Speicherkatalysator
13
Oxidationskatalysator
14
Partikelfilter

Claims (11)

1. Vorrichtung (1) zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine mit einem Speicherkatalysator (12), wobei zur Erzeugung einer reduzierenden Abgasatmosphäre (λ < 1) eine Verbrennung eines Brennstoffes (3) in einem Abgasstrom (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine aerodynamische Steuerung (7, 8, 9, 10, 11) der Verbrennung vorgesehen ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aerodynamische Steuerung (7, 8, 9, 10, 11) wenigstens eine Stauvorrichtung (7) umfasst.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aerodynamische Steuerung (7, 8, 9, 10, 11) wenigstens eine Verdrallvorrichtung (8, 9) umfasst.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aerodynamische Steuerung (7, 8, 9, 10, 11) wenigstens eine Rezirkulationsvorrichtung (10, 11) umfasst.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) wenigstens einen Bypass umfasst, der einen Teil des Abgasstromes aufnimmt.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Luftzuführung umfasst.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Kühlung umfasst.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationskatalysator (13) zwischen der Vorrichtung (1) und dem Speicherkatalysator (12) angeordnet ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partikelfilter (14) zwischen der Vorrichtung (1) und dem Speicherkatalysator (12) angeordnet ist.
10. Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche vorgesehen ist.
11. Verfahren zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine mit einem Speicherkatalysator (12), wobei zur Erzeugung einer reduzierenden Abgasatmosphäre (λ < 1) eine Verbrennung eines Brennstoffes (3) in einem Abgasstrom (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.
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