DE102004025965A1 - Flue gas purification equipment for use in motor vehicle, has exhaust gas catalytic converters in flue gas pipeline of internal combustion engine, and two reactant preheated layers heating reactant on two temperature levels - Google Patents

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Abstract

The equipment has exhaust gas catalytic converters (23, 23`) in a flue gas pipeline of an internal combustion engine. Oxygen and fuel of the engine is supplied to a catalytic fuel reformer (1) which supplies hydrogenous reformer gases at an inlet side of the converter. Two reactant preheated layers (2`, 2) heat the reactant on two temperature levels, where latter level is higher than former level.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung eines Abgases einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The invention relates to an emission control system for cleaning a Exhaust gases of an internal combustion engine having the features of the preamble of Claim 1.

In der Offenlegungsschrift DE 102 10 367 A1 ist eine Abgasreinigungsanlage mit einem in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysator und einem katalytischen Kraftstoffreformer zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformiergases aus Kraftstoff und einem Teilabgasstrom der Brennkraftmaschine beschrieben. Bei dieser Abgasreinigungsanlage ist das vom Kraftstoffreformer erzeugte Reformiergas eingangsseitig des Abgaskatalysators der Abgasleitung zuführbar und dem Kraftstoffreformer eine regelbare Heizvorrichtung zur Aufheizung des Reformers und/oder des Teilabgasstroms zugeordnet.In the published patent application DE 102 10 367 A1 is described an exhaust gas purification system with an arranged in an exhaust pipe of an internal combustion engine exhaust gas catalyst and a catalytic fuel reformer for generating a hydrogen-containing reforming gas from fuel and a partial exhaust gas flow of the internal combustion engine. In this exhaust gas purification system, the reforming gas produced by the fuel reformer can be fed to the exhaust gas line on the input side and to the fuel reformer a controllable heating device for heating the reformer and / or the partial exhaust gas flow.

Aus Kohlenwasserstoffen erzeugtes Reformiergas ist in vielfältiger Weise in Kraftfahrzeugen nutzbar. Auf Grund seines hohen Wasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalts ist das Reformiergas für Kaltstartzwecke und insbesondere als Reduktionsmittel für die Abgasreinigung einsetzbar. Ein wichtiger Aspekt beim Einsatz eines Kraftstoffreformers zur Onboard-Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformiergases aus Kraftstoff betrifft das Wärmemanagement des Reformers, insbesondere wenn dieser diskontinuierlich betrieben wird.Out Hydrocarbon produced reforming gas is in many ways usable in motor vehicles. Due to its high hydrogen and carbon monoxide content is the reforming gas for cold start purposes, and in particular as a reducing agent for the exhaust gas cleaning can be used. An important aspect of use a fuel reformer for onboard generation of a hydrogen-containing Reforming gas from fuel concerns the heat management of the reformer, especially when it is operated discontinuously.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abgasreinigungsanlage mit einem Reformer zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformiergases aus Kraftstoff anzugeben, bei welcher der Reformer mit hohem Wirkungsgrad betreibbar ist.task The invention is therefore an exhaust gas purification system with a Reformer for generating a hydrogen-containing reforming gas indicate fuel in which the reformer with high efficiency is operable.

Diese Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These Task is by an emission control system with the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste Eduktvorheizstufe zur Eduktaufheizung auf ein erstes Temperaturniveau und eine der ersten Eduktvorheizstufe nachgeschaltete zweite Eduktvorheizstufe zur Eduktaufheizung auf ein demgegenüber höheres zweites Temperaturniveau vorgesehen sind. Als dem Reformer zugeführte Edukte kommen hauptsächlich Kraftstoff, Sauerstoff und gegebenenfalls Wasser in Betracht. Vorzugsweise wird ein für den Betrieb der Brennkraftmaschine verwendeter Kraftstoff wie beispielsweise Dieselkraftstoff als ein Edukt für die im Reformer ablaufenden Reformierreaktionen eingesetzt. Diese umfassen eine partielle Oxidation des Kraftstoffs, wobei als wichtige und bevorzugte Produkte Wasserstoff und Kohlenmonoxid entstehen, die zur Unterstützung der katalytischen Abgasreinigung eingesetzt werden. Als Sauerstoffquelle dient vorzugsweise Umgebungsluft. Es kann jedoch auch sauerstoffhaltiges Brennkraftmaschinenabgas als Edukt eingesetzt werden. Das im Abgas enthaltene Wasser kann dabei zur Verbesserung der Wasserstoffausbeute des Reformierprozesses genutzt werden.The Emission control system according to the invention is characterized by the fact that a first Eduktvorheizstufe for Eduktaufheizung to a first temperature level and one of the first Eduktvorheizstufe downstream second Eduktvorheizstufe downstream Eduktaufheizung on the other hand higher second Temperature level are provided. As educts fed to the reformer come mainly fuel, Oxygen and optionally water into consideration. Preferably one for the fuel used in the operation of the internal combustion engine such as Diesel fuel as a starting material for used in the reformer expiring reforming reactions. These include a partial oxidation of the fuel, where as important and preferred products hydrogen and carbon monoxide are formed, the for support the catalytic emission control can be used. As an oxygen source preferably serves ambient air. However, it can also be oxygenated Internal combustion engine exhaust gas can be used as starting material. That in the exhaust contained water can thereby improve the hydrogen yield used in the reforming process.

Die erfindungsgemäße zweistufige Eduktvorheizung ermöglicht einerseits eine besonders gute Aufbereitung des dem Reformer zugeführten Eduktgemisches, was dessen Betriebsverhalten verbessert. Andererseits können durch Nutzung der Reformerabwärme bei der Eduktaufheizung wirkungsgradmindernde Wärme verluste vermieden werden. Durch die auf verschiedenen Temperaturniveaus befindlichen Vorheizstufen lassen sich beim Reformierprozess auf unterschiedlichen Temperaturniveaus anfallende Prozess-Abwärmen effektiv zur Eduktvorheizung nutzen. Auf diese Weise verbleiben große Teile der Abwärme im Prozess, was den thermische Wirkungsgrad des Reformerbetriebs entsprechend verbessert.The two-stage according to the invention Eduktvorheizung allows on the one hand, a particularly good preparation of the educt mixture fed to the reformer, which improves its performance. On the other hand, through Use of reformer waste heat In the Eduktaufheizung efficiency-reducing heat losses are avoided. By the preheating stages located at different temperature levels can be obtained during the reforming process at different temperature levels Process waste heat effectively use for Eduktvorheizung. Remain in this way big parts the waste heat in the process, what the thermal efficiency of the reformer operation improved accordingly.

In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt in der ersten Eduktvorheizstufe eine Wärmeabgabe des vom Kraftstoffreformer abgegebenen Reformiergases. Da der Reformierprozess vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 800°C und 1000°C abläuft, enthält das Reformiergas eine vergleichsweise hohe Wärmeenergie. Diese wird durch teilweise Abgabe an ein Edukt dem Reformierprozess wieder zugeführt. Die erste Eduktvorheizstufe ist dabei bevorzugt als Lufterhitzer ausgebildet. Die Aufheizung der Luft bzw. des sauerstoffhaltigen Einsatzgases erfolgt vorzugsweise auf ein Temperaturniveau, welches eine Verdampfung des dem Reformer zugeführten Kraftstoffs ermöglicht.In Embodiment of the invention takes place in the first Eduktvorheizstufe a heat release of the reformed gas discharged from the fuel reformer. As the reforming process preferably takes place in a temperature range between 800 ° C and 1000 ° C, contains the reforming gas a comparatively high heat energy. This is due to partial release of an educt to the reforming process fed again. The first Eduktvorheizstufe is preferred as an air heater educated. The heating of the air or the oxygen-containing Feed gas is preferably carried out at a temperature level, which is a Evaporation of the reformer supplied fuel allows.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung steht die zweite Eduktvorheizstufe in Wärmeübertragungskontakt mit dem Kraftstoffreformer. Dabei ist eine Konstruktion bevorzugt, bei der ein hoher Anteil der Wärme vom Reformer in Form von Strahlungswärme auf die Edukte abgegeben wird. Dadurch wird die Trägheit des Systems vermindert, was eine rasche Einstellung eines thermischen Gleichgewichts ermöglicht. Durch die Wärmeabgabe wird der Reformer gekühlt, so dass dessen Überhitzung infolge der frei werdenden Reaktionswärme bei der partiellen Oxidation des Kraftstoffs vermieden wird.In Another embodiment of the invention is the second Eduktvorheizstufe in heat transfer contact with the fuel reformer. In this case, a construction is preferred in the case of a high proportion of heat delivered by the reformer in the form of radiant heat to the starting materials becomes. This becomes inertia the system decreases, causing a rapid adjustment of a thermal Equilibrium allows. By the heat emission is the reformer cooled, so that its overheating due to the released heat of reaction in the partial oxidation of the fuel is avoided.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Eduktvorheizstufe als Kraftstoffverdampfer ausgelegt. In die zweite Eduktvorheizstufe wird der flüssige Betriebskraftstoff der Brennkraftmaschine, vorzugsweise fein verteilt eingespritzt. Die zur Verdampfung notwendige Energie wird einer seits von der in der ersten Eduktvorheizstufe aufgeheizten Luft und andererseits vom Reformer geliefert. Gleichzeitig erfolgt eine weitere Aufheizung auf ein gegenüber der ersten Eduktvorheizstufe erhöhtes Temperaturniveau.In a further embodiment of the invention, the second Eduktvorheizstufe is designed as a fuel evaporator. In the second Eduktvorheizstufe the liquid operating fuel of Brennkraftmaschi ne, preferably injected finely distributed. The energy necessary for evaporation is supplied on the one hand by the air heated in the first educt preheating stage and on the other hand by the reformer. At the same time, further heating takes place to a temperature level which is higher than the first Eduktvorheizstufe.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kraftstoffreformer ringförmig ausgeführt. Bevorzugt ist dabei eine langgestreckte Form mit Edukteintritt an einem Ringende und Produktaustritt am anderen Ringende. Aus der Ringstruktur resultiert ein großes Oberflächen-Volumenverhältnis und somit ein verbesserter Wärmeübergang, beispielsweise auf die zweite Eduktvorheizstufe. Die vergleichsweise große Oberfläche der Ringstruktur verringert zusätzlich die thermische Trägheit des Systems.In Another embodiment of the invention is the fuel reformer annular executed. Preference is given to an elongated form with Edukteintritt a ring end and product outlet at the other ring end. From the Ring structure results in a big one Surface volume ratio and thus an improved heat transfer, for example, to the second Eduktvorheizstufe. The comparatively large surface of the Ring structure reduces additionally the thermal inertia of the system.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umgibt die zweite Eduktvorheizstufe den Kraftstoffreformer ringförmig oder sie ist vom Kraftstoffreformer ringförmig umgeben. Dies ermöglicht eine platzsparende Konstruktion, beispielsweise als Rohr-in-Rohr-Anordnung mit hochwirksamer Wärmeübertragung.In Another embodiment of the invention surrounds the second Eduktvorheizstufe the fuel reformer annular or it is surrounded annularly by the fuel reformer. This allows a Space-saving construction, for example as a tube-in-tube arrangement with highly effective heat transfer.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Reformerkatalysator als Wellblechstruktur oder als Drahtgestrick oder als Metallschaum ausgeführt. Diese erfindungsgemäßen metallischen Katalysatorträger weisen verbesserte thermische Eigenschaften gegenüber einer konventionellen Wabenträgerstruktur auf.In Another embodiment of the invention is the reforming catalyst as a corrugated iron structure or as a wire mesh or as a metal foam executed. These metallic according to the invention catalyst support have improved thermal properties over one conventional honeycomb carrier structure on.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umgibt der Kraftstoffreformer die Abgasleitung wenigstens teilweise. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage.In Further embodiment of the invention surrounds the fuel reformer the exhaust pipe at least partially. This allows a particularly compact Structure of the emission control system according to the invention.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.advantageous embodiments are shown in simplified form in the drawings and in the following Description closer explained. It is understood that the above and the following yet to be explained Features not only in the specified combination, but also usable in other combinations or alone are without departing from the scope of the invention.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Blockbilddarstellung einer Anordnung einer Brennkraftmaschine und zugeordneter Abgasreinigungsanlage, 1 a schematic block diagram representation of an arrangement of an internal combustion engine and associated emission control system,

2 eine schematische Blockbilddarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform der Abgasreinigungsanlage und 2 a schematic block diagram representation of an advantageous embodiment of the emission control system and

3 eine schematische Schnittdarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform des Kraftstoffreformers mit zugeordneten Komponenten. 3 a schematic sectional view of an advantageous embodiment of the fuel reformer with associated components.

Die schematische Darstellung der 1 zeigt einen Dieselmotor 20, dessen Abgase über einen Oxidationskatalysator 21 und ein nachgeschaltetes Partikelfilter 22 geführt sind. Die Abgase sind weiter über einen Stickoxid-Speicherkatalysator 23 sowie einen nachgeschalteten SCR-Katalysator 24 geführt. Die Abgasreinigungsanlage weist weiterhin einen Kraftstoffreformer 1 auf, dessen Reformiergasleitung 10 stromauf des Stickoxid-Speicherkatalysators 23 in die Abgasleitung mündet. Dabei sind dem Kraftstoffreformer 1 zur Durchführung der Kraftstoffreformierung Luft und Kraftstoff zuführbar. Dies ist in der 1 stark vereinfacht dargestellt. Auf erfindungsgemäß vorgesehene Eduktvorheizstufen bzw. Wärmetauscher wird weiter unten näher eingegangen. Der dem Reformer 1 zuführbare Dieselkraftstoff ist dem für die Versorgung des Dieselmotors 1 vorgesehenen Kraftstofftank 25 entnehmbar. Weitere zum Betrieb des Dieselmotors und der Abgasreinigungs anlage vorgesehene Einheiten wie Steuergeräte, Sensoren oder Regeleinrichtungen sind der Übersichtlichkeit halber nicht mit dargestellt.The schematic representation of 1 shows a diesel engine 20 , whose exhaust gases via an oxidation catalyst 21 and a downstream particle filter 22 are guided. The exhaust gases are further via a nitrogen oxide storage catalyst 23 and a downstream SCR catalyst 24 guided. The emission control system also has a fuel reformer 1 on, whose reforming gas line 10 upstream of the nitrogen oxide storage catalyst 23 flows into the exhaust pipe. Here are the fuel reformer 1 to carry out the fuel reforming air and fuel fed. This is in the 1 shown greatly simplified. The inventively provided Eduktvorheizstufen or heat exchangers will be discussed in more detail below. The reformer 1 Feedable diesel fuel is that for the supply of the diesel engine 1 provided fuel tank 25 removable. Other for the operation of the diesel engine and the exhaust gas purification system provided units such as control units, sensors or control devices are not shown for clarity.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage beschrieben., wobei davon ausgegangen wird, dass das optionale Umschaltelement 11 nicht vorgesehen ist.The operation of the exhaust gas cleaning system according to the invention will be described below., It being assumed that the optional switching element 11 is not provided.

Die vom Dieselmotor 20 abgegebenen Abgase werden zunächst vom Oxidationskatalysator 21 weitgehend von oxidierbaren Bestandteilen wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff gereinigt. Anschließend erfolgt im Partikelfilter 22 die Entfernung von Abgasteilchen wie beispielsweise Rußpartikeln. Die Abgase werden weiter dem Stickoxid-Speicherkatalysator 23 zugeführt, in welchem sie bei magerem Betrieb des Dieselmotors 20 aus dem Abgas durch Adsorption weitgehend entfernt werden. Anschließend wird das Abgas über den SCR-Katalysator 24 geführt, in welchem die im Abgas enthaltenen restlichen Stickoxide durch selektive Reduktion mit im SCR-Katalysator 24 zwischengespeichertem Ammoniak reduziert werden. Ist die Aufnahmefähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators 23 an Stickoxiden erschöpft, so wird der Betrieb des Dieselmotors 20 auf einen etwa stöchiometrischen oder fetten Betrieb umgestellt, und gleichzeitig wird dem Abgas aus dem Reformer wasserstoffhaltiges Reformiergas über die Reformiergasleitung 10 zugeführt. Dadurch gelangt mit Wasserstoff angereichertes, reduzierend wirkendes Abgas in den Stickoxid-Speicherkatalysator 23. Dadurch werden die dort adsorbierten Stickoxide reduziert, wodurch der Stickoxid-Speicherkatalysator 23 regeneriert wird. Insbesondere aufgrund des hohen Wasserstoffanteils im Abgas entstehen bei der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysator 23 vergleichsweise große Mengen an Ammoniak. Diese werden wiederum im nachgeschalteten SCR- Katalysator adsorbiert und stehen bei dem auf die Regeneration folgenden erneuten Magerbetrieb des Dieselmotors als Reduktionsmittel für Stickoxide zur Verfügung. Mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage ist somit eine wirksame Verminderung der wesentlichen Schadstoffe ermöglicht.The diesel engine 20 discharged exhaust gases are first from the oxidation catalyst 21 largely purified from oxidizable constituents such as carbon monoxide and hydrocarbon. Subsequently, in the particle filter 22 the removal of exhaust particles such as soot particles. The exhaust gases continue to the nitrogen oxide storage catalyst 23 fed in which they in lean operation of the diesel engine 20 be largely removed from the exhaust gas by adsorption. Subsequently, the exhaust gas through the SCR catalyst 24 in which the remaining nitrogen oxides contained in the exhaust gas by selective reduction with in the SCR catalyst 24 Cached ammonia can be reduced. Is the absorption capacity of the nitrogen oxide storage catalyst 23 depleted of nitrogen oxides, so the operation of the diesel engine 20 switched to an approximately stoichiometric or rich operation, and at the same time the exhaust gas from the reformer hydrogen-containing reforming gas via the reforming gas 10 fed. As a result, hydrogen enriched, reducing exhaust gas passes into the nitrogen oxide storage catalyst 23 , As a result, the nitrogen oxides adsorbed there are reduced, causing the nitrogen oxide Speicherkata lyst 23 is regenerated. In particular, due to the high proportion of hydrogen in the exhaust gas arise in the regeneration of the nitrogen oxide storage catalyst 23 comparatively large amounts of ammonia. These are in turn adsorbed in the downstream SCR catalyst and are available for the regeneration following lean operation of the diesel engine as a reducing agent for nitrogen oxides available. With the exhaust gas purification system according to the invention thus an effective reduction of the essential pollutants is possible.

Falls kein Zwischenspeicher für Reformiergas vorgesehen ist, erfordern die oben genannten Ausführungsformen der Abgasreinigungsanlage einen überwiegend diskontinuierlichen Betrieb des Reformers 1. Dieser Nachteil kann durch eine zweiflutige Abgasführung, wie sie schematisch in 2 dargestellt ist, vermieden werden. Dabei sind in der in 2 dargestellten weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage die Bauelemente, soweit sie mit den Teilen der 1 übereinstimmen, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.If no intermediate storage for reforming gas is provided, the abovementioned embodiments of the exhaust gas purification system require a predominantly discontinuous operation of the reformer 1 , This disadvantage can be achieved by a double-flow exhaust system, as shown schematically in 2 is shown avoided. Here are in the in 2 shown further advantageous embodiment of the emission control system according to the invention, the components, as far as they are with the parts of 1 match, identified by the same reference numerals.

2 zeigt als reinigungswirksame Bauteile der Abgasanlage lediglich den Stickoxid-Speicherkatalysator, der hier jedoch ein erstes Stickoxid-Speicherelement 23 und ein zweites Stickoxid-Speicherelement 23' in zwei parallelen Abgasfluten umfasst. Die Stickoxid-Speicherelemente 23, 23' können je nach Stellung eines in die Abgasleitung eingefügten Umschaltelements 11 wechselweise mit Abgas oder mit Reformiergas beaufschlagt werden. Zu diesem Zweck wird dem Umschaltelement 11 Abgas über die Abgasleitung 9 und Reformiergas über die Reformiergasleitung 10 zugeführt und das Umschaltelement 11 entsprechend betätigt. In der gezeigten Stellung erhält das Stickoxid-Speicherelement 23 Reformiergas und befindet sich daher in einem Regenerationsmodus mit Ammoniakbildung, während das Stickoxid-Speicherelement 23' mageres, stickoxidhaltiges Abgas erhält und sich daher im Adsorptionsmodus befindet. Mit dieser Ausführungsform ist ein permanent magerer Betrieb des Dieselmotors und ein überwiegend kontinuierlicher Betrieb des Kraftstoffreformers 1 ermöglicht. 2 shows as cleaning components of the exhaust system only the nitrogen oxide storage catalyst, but here a first nitrogen oxide storage element 23 and a second nitrogen oxide storage element 23 ' in two parallel exhaust gas flows. The nitrogen oxide storage elements 23 . 23 ' can depending on the position of an inserted into the exhaust pipe switching element 11 alternately be acted upon with exhaust gas or with reforming gas. For this purpose, the switching element 11 Exhaust via the exhaust pipe 9 and reforming gas via the reforming gas line 10 supplied and the switching element 11 operated accordingly. In the position shown receives the nitrogen oxide storage element 23 Reformiergas and is therefore in a regeneration mode with ammonia formation, while the nitrogen oxide storage element 23 ' receives lean, nitrogen oxide-containing exhaust gas and is therefore in the adsorption mode. With this embodiment, a permanently lean operation of the diesel engine and a predominantly continuous operation of the fuel reformer 1 allows.

Dem Kraftstoffreformer 1 ist wie in 2 dargestellt erfindungsgemäß ein erster Wärmetauscher 12 sowie ein zweiter Wärmetauscher 14 sowie eine Eduktaufheizstufe 3 zugeordnet. Der erste Wärmetauscher 12 umfasst dabei eine Wärme abgebende Seite 2 und eine Wärme aufnehmende Seite 2', welche als erste Eduktvorheizstufe dem Reformer 1 zugeführte Luft auf ein erstes Temperaturniveau aufheizt. Die Wärme abgebende Seite 2 des ersten Wärmetauschers 12 steht in Wärmekontakt mit dem vom Reformer 1 erzeugten heissen Reformiergas. Der vom Reformiergas auf die Luft übergehende Wärmestrom ist dabei mit einem Doppelpfeil 7 gekennzeichnet. Bei den üblichen Betriebsbedingungen weist das den Reformer 1 verlassende Reformiergas eine Temperatur von etwa 900°C auf. Durch konstruktive Maßnahmen wird erreicht, dass durch den Wärmeübergang das Reformiergas auf beispielsweise etwa 800°C abgekühlt und die aus dem ersten Wärmetauscher 12 ausströmende und in die zweite Eduktvorheizstufe 3 einströmende Luft auf eine Temperatur von vorzugsweise etwa 200°C aufgeheizt wird.The fuel reformer 1 is like in 2 represented according to the invention a first heat exchanger 12 and a second heat exchanger 14 and a Eduktheizheizstufe 3 assigned. The first heat exchanger 12 includes a heat-emitting side 2 and a heat receiving side 2 ' , which as the first Eduktvorheizstufe the reformer 1 supplied air heats up to a first temperature level. The heat-emitting side 2 of the first heat exchanger 12 is in thermal contact with that of the reformer 1 produced hot reforming gas. The transition from the reforming gas to the air heat flow is with a double arrow 7 characterized. In the usual operating conditions, this indicates the reformer 1 leaving reforming gas at a temperature of about 900 ° C. By constructive measures it is achieved that cooled by the heat transfer, the reforming to, for example, about 800 ° C and from the first heat exchanger 12 outflowing and into the second Eduktvorheizstufe 3 incoming air is heated to a temperature of preferably about 200 ° C.

Die zweite Eduktvorheizstufe 3 ist vorzugsweise als Kraftstoffverdampfer ausgelegt. Zur Verdampfung des Kraftstoffs und zur weiteren Aufheizung der dem Reformer 1 zugeführten Edukte ist ein Wärmeübergangskontakt der zweiten Eduktvorheizstufe 3 mit dem Reformer 1 vorgesehen. Es ist vorgesehen, dass der Wärmeübergang durch Strahlung und/oder Konvektion erfolgt. Der Wärmeübergang vom Reformer 1 auf die zweite Eduktvorheizstufe ist dabei mit dem Doppelpfeil 6 gekennzeichnet. Auf diese Weise kann dem Reformer 1 eine im wesentlichen einphasige Luft-Kraftstoffmischung von vorzugsweise etwa 350°C zugeführt werden. Bei dieser Temperatur sind kaum Vorreaktionen des Kraftstoffs zu erwarten, so dass die Reformierung kontrolliert im Reformer 1 ablaufen kann.The second Eduktvorheizstufe 3 is preferably designed as a fuel evaporator. For evaporation of the fuel and for further heating of the reformer 1 supplied educts is a heat transfer contact the second Eduktvorheizstufe 3 with the reformer 1 intended. It is envisaged that the heat transfer by radiation and / or convection takes place. The heat transfer from the reformer 1 on the second Eduktvorheizstufe is doing with the double arrow 6 characterized. In this way, the reformer can 1 a substantially single-phase air-fuel mixture of preferably about 350 ° C are supplied. At this temperature, hardly any pre-reactions of the fuel are to be expected, so that the reforming controlled in the reformer 1 can expire.

Mittels des für die Abgasreinigungsanlage vorzugsweise vorgesehenen zweiten Wärmetauschers 14 wird im etwa noch 800°C heißen Reformiergas enthaltene Wärmeenergie auf das Abgas des Dieselmotors stromauf des Stickoxid-Speicherkatalysators 23, 23' übertragen. Der Wärmeübergang ist dabei mit dem Doppelpfeil 8 gekennzeichnet. Mit der Wärmeübertragung wird auch bei niedriger Motorlast mit entsprechend niedrigen Abgastemperaturen eine verbesserte Wirkung des im Speichermodus befindlichen Speicherelements 23, 23' erreicht. An Stelle der Wärmeabgabe vom Reformiergas auf das Abgas kann jedoch auch eine Wärmeabgabe vom Reformiergas auf das Kühlmittel des Dieselmotors vorgesehen sein.By means of the preferably provided for the exhaust gas purification system second heat exchanger 14 is in about 800 ° C hot reforming gas contained heat energy to the exhaust gas of the diesel engine upstream of the nitrogen oxide storage catalyst 23 . 23 ' transfer. The heat transfer is with the double arrow 8th characterized. With the heat transfer, even at low engine load with correspondingly low exhaust gas temperatures, an improved effect of the storage element located in the storage mode 23 . 23 ' reached. Instead of the heat transfer from the reforming to the exhaust gas, however, a heat output from the reforming can be provided to the coolant of the diesel engine.

Der Kraftstoffreformer 1 ist vorzugsweise als katalytischer Reformer zur Durchführung einer partiellen Oxidation des hier eingesetzten Dieselkraftstoffs ausgebildet. Vorzugsweise wird er mit einem Luft-Kraftstoffgemisch versorgt, welches eine Luftverhältniszahl λ von etwa 0,35 aufweist. Das heißt, dass das Luft-Kraftstoffgemisch einen Sauerstoffanteil enthält, der 35% des Anteils beträgt, der zur vollständigen Oxidation des Kraftstoffs erforderlich ist. Damit wird einerseits eine hohe Wasserstoffausbeute erreicht, und andererseits erfolgt die partielle Oxidation oberhalb der Rußgrenze. Als Katalysator wird vorzugsweise ein katalytisch beschichteter Katalysatorträger eingesetzt. Dieser kann als Wabenkörper ausgebildet sein. Auf Grund der verbesserten Wärmeleitungseigenschaften ist jedoch ein als Wellblech oder Drahtgestrick ausgeführter Katalysatorträger zu bevorzugen. Besonders bevorzugt ist ein Metallschaum-Träger.The fuel reformer 1 is preferably designed as a catalytic reformer for carrying out a partial oxidation of the diesel fuel used here. Preferably, it is supplied with an air-fuel mixture having an air ratio λ of about 0.35. This means that the air-fuel mixture contains an oxygen content that is 35% of the proportion required for complete oxidation of the fuel. Thus, on the one hand, a high hydrogen yield is achieved, and on the other hand, the partial oxidation takes place above the soot limit. The catalyst used is preferably a catalytically coated catalyst support. This can be designed as a honeycomb body. Due to the improved heat conduction properties, however, is a corrugated metal or wire knit catalyst support. Particularly preferred is a metal foam carrier.

Die Funktion des Kraftstoffreformers 1 besteht bei den erläuterten Ausführungsformen der Abgasreinigungsanlage hauptsächlich darin, den für die Ammoniakerzeugung aus im Stickoxid-Speicherkatalysator 23 gespeicherten Stickoxiden wichtigen Wasserstoff bereitzustellen. Es versteht sich jedoch, dass vom Reformer 1 erzeugter Wasserstoff daneben auch für andere Zwecke wie zur Verbesserung des Anspringens des Oxidationskatalysators 21 insbesondere beim Kaltstart des Dieselmotors 20 eingesetzt werden kann. Aufgrund der Reaktionsfreudigkeit des Reformiergases ist dessen Oxidation auch bei vergleichsweise niedrigen Katalysatortemperaturen möglich, so dass die frei werdende Reaktionswärme den Katalysator 21 rasch erwärmt und er somit rasch auf seine normale Betriebstemperatur gebracht wird. Eine Abgasaufheizung durch Oxidation von Reformiergas kann außerdem zur Unterstützung einer Ruß-Regeneration des Partikelfilters 22 genutzt werden. Die Erzeugung der für einen Rußabbrand notwendigen hohen Abgastemperaturen ist somit erleichtert.The function of the fuel reformer 1 consists in the illustrated embodiments of the exhaust gas purification system mainly therein, the for the ammonia production in the nitrogen oxide storage catalyst 23 stored nitrogen oxides provide important hydrogen. It is understood, however, that of the reformer 1 also produced hydrogen for other purposes such as to improve the onset of the oxidation catalyst 21 especially when cold starting the diesel engine 20 can be used. Due to the reactivity of the reforming gas whose oxidation is possible even at relatively low catalyst temperatures, so that the heat of reaction liberated the catalyst 21 heated quickly and thus it is brought quickly to its normal operating temperature. Exhaust gas heating by oxidation of reforming gas may also assist in soot regeneration of the particulate filter 22 be used. The generation of the necessary for Rußabbrand high exhaust gas temperatures is thus facilitated.

In 3 ist eine bevorzuge Ausführungsform des Reformers und der zugeordneten Bauteile in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt, wobei die Bauteile, soweit sie denen der 1 bzw. 2 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Wie dargestellt, ist eine Kreisringform sowohl für den Reformer 1 als auch für den ersten Wärmetauscher 12 vorgesehen. Eine besonders kompakte Ausführung der Abgasreinigungsanlage wird erreicht, wenn die Kreisringstruktur um einen Abgasleitungsabschnitt herum angeordnet ist. Obschon der als Ringspalt ausgeführte Reformer 1 hier innenliegend in Bezug auf die zweite Eduktvorheizstufe 3 ausgeführt ist, kann die Anordnung selbstverständlich auch umgekehrt ausgeführt sein. Sinngemäß gilt dies für die Ausführung des ersten Wärmetauschers 12.In 3 is a preferred embodiment of the reformer and the associated components shown in a schematic sectional view, wherein the components, as far as those of 1 respectively. 2 correspond, are provided with the same reference numerals. As shown, a circular ring shape is for both the reformer 1 as well as for the first heat exchanger 12 intended. A particularly compact embodiment of the exhaust gas purification system is achieved when the circular ring structure is arranged around an exhaust pipe section. Although the reformer designed as an annular gap 1 here inwardly with respect to the second Eduktvorheizstufe 3 is executed, the arrangement can of course be carried out the other way round. This applies analogously to the execution of the first heat exchanger 12 ,

Beim Betrieb des Reformers 1 wird Luft der in der Art eines Ringspalts ausgeführten, Wärme aufnehmende Seite 2' des Wärmetauschers 12 zugeführt. Vorteilhaft ist es dabei, durch konstruktive Maßnahmen eine spiralförmige Strömungsführung für die aufzuheizende Luft vorzusehen. In analoger Weise kann die Wärme abgebende Seite 2 des Wärmetauschers 12 bzw. die zweite Eduktvorheizstufe 3 ausgeführt sein. Vorteilhaft ist für die Wärme tauschenden Bauteile 2, 2', 3 gleichfalls eine Ausführung in Form einer Rohrbündelanordnung, wobei die gasführenden Rohrabschnitte kreisförmig angeordnet sind.When operating the reformer 1 air becomes the heat-receiving side made in the manner of an annular gap 2 ' of the heat exchanger 12 fed. It is advantageous to provide by design measures a spiral flow guide for the air to be heated. In an analogous way, the heat-emitting side 2 of the heat exchanger 12 or the second Eduktvorheizstufe 3 be executed. It is advantageous for the heat exchanging components 2 . 2 ' . 3 also an embodiment in the form of a tube bundle arrangement, wherein the gas-carrying pipe sections are arranged in a circle.

Die in der ersten Eduktvorheizstufe 2' auf etwa 200°C aufgeheizte Luft wird weiter in die sich unmittelbar anschließende zweite Eduktvorheizstufe 3 weitergeleitet. Der zweiten Eduktvorheizstufe 3 wird außerdem Dieselkraftstoff zugeführt. Auf Grund der Wärmeübetragung vom Reformer 1 und des Wämeinhalts der zugeführten Luft erfolgt in der zweiten Eduktvorheizstufe 3 eine Verdampfung des Dieselkraftstoffs und eine weitere Aufheizung des gebildeten Luft-Kraftstoffgemisches auf etwa 350°C. Dieses wird durch Umlenkung in den anliegenden ringförmig ausgebildeten Reformer 1 geleitet. In diesem läuft bei etwa 1000°C die katalytisch unterstützte partielle Oxidation des Dieselkraftstoffs ab, wobei der Dieselkraftstoff überwiegend zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt wird. Die dabei frei werdende Reaktionswärme wird teilweise auf die zweite Eduktvorheizstufe 3 übertragen und zur Eduktaufheizung verwendet.The in the first Eduktvorheizstufe 2 ' heated to about 200 ° C air is further in the immediately following second Eduktvorheizstufe 3 forwarded. The second Eduktvorheizstufe 3 In addition, diesel fuel is supplied. Due to the heat transfer from the reformer 1 and the Wämeinhalts the supplied air takes place in the second Eduktvorheizstufe 3 an evaporation of the diesel fuel and a further heating of the formed air-fuel mixture to about 350 ° C. This is by deflection in the adjacent annular reformer 1 directed. In this runs at about 1000 ° C, the catalytically assisted partial oxidation of the diesel fuel, the diesel fuel is converted predominantly to hydrogen and carbon monoxide. The released heat of reaction is partly to the second Eduktvorheizstufe 3 transferred and used for Eduktaufheizung.

Das erzeugte Reformiergas weist bei seinem Austritt aus dem Reformer 1 typischerweise eine Temperatur von etwa 900°C auf und wird in den sich unmittelbar an den Reformer 1 anschließenden ersten Wärmetauscher 12 geleitet. Dort erfolgt wie beschrieben eine Wärmeabgabe an die dem Reformer zugeführte Luft.The generated reforming gas has at its exit from the reformer 1 Typically, a temperature of about 900 ° C and is in the directly to the reformer 1 subsequent first heat exchanger 12 directed. There takes place as described a heat transfer to the reformer supplied air.

Durch die dargestellte Ausführungsform der Bauteile 1, 2, 2', 3 als miteinander in wärmeübergangskontakt stehende Ringspaltzylinder wird ein besonders günstiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und damit ein besonders guter Wärmeübergang erreicht. Dies vermindert in vorteilhafter Weise die thermische Trägheit des Gesamtsystems, so dass ein rasches Ansprechen des Systems auf veränderte Betriebsbedingungen ermöglicht ist.By the illustrated embodiment of the components 1 . 2 . 2 ' . 3 as standing in heat transfer contact annular gap cylinder a particularly favorable ratio of surface area to volume and thus a particularly good heat transfer is achieved. This advantageously reduces the thermal inertia of the overall system, allowing a rapid response of the system to changing operating conditions.

Für ein vorteilhaftes Ansprechverhalten kann es auch vorgesehen sein, zwei axial hintereinander liegende Zonen des Reformers 1 mit unterschiedlich großen thermischen Massen vorzusehen. Zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften ist es vorteilhaft, im Eingangsbereich eine Zone mit geringer thermischer Masse vorzusehen. Vorteilhaft ist es, dieser wiederum eine Zone mit vergleichsweise großer thermischer Masse nachzuschalten. Dies verbessert das thermische Verhalten bei einem diskontinuierlichen Betrieb des Reformers. Für den Kaltstart bzw. zur Zündung des Luft-Kraftstoffgemisches kann weiter vorgesehen sein, eine mittels einer Glühkerze beheizte Wirbelkammer dem Reformer 1 vorzuschalten oder im Eingangsbereich des Reformers 1 anzuordnen, was im einzelnen nicht dargestellt ist. Es versteht sich, dass Bauteile, deren bestimmungsgemäße Temperatur über der Umgebungstemperatur liegt, mit einer entsprechenden Wärmeisolierung versehen sein können.For an advantageous response, it may also be provided, two axially successive zones of the reformer 1 provide with different sized thermal masses. To improve the cold start properties, it is advantageous to provide a zone with low thermal mass in the entrance area. It is advantageous, this in turn nachzuschalten a zone with a comparatively large thermal mass. This improves the thermal behavior in a batch operation of the reformer. For the cold start or for the ignition of the air-fuel mixture can be further provided, a heated by a glow plug vortex chamber the reformer 1 upstream or in the entrance area of the reformer 1 to arrange what is not shown in detail. It is understood that components whose intended temperature is above the ambient temperature, may be provided with a corresponding thermal insulation.

Claims (8)

Abgasreinigungsanlage zur Reinigung eines Abgases einer Brennkraftmaschine (20), mit – einem in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine (1) angeordnetem Abgaskatalysator (23; 23') und – einem katalytischen Kraftstoffreformer (1) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformiergases, – wobei dem Kraftstoffreformer (1) ein Sauerstoff und Kraftstoff der Brennkraftmaschine (20) umfassendes Eduktgemisch zuführbar ist, und das Reformiergas eingangsseitig des Abgaskatalysators (23; 23') der Abgasleitung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Eduktvorheizstufe (2') zur Eduktaufheizung auf ein erstes Temperaturniveau und eine der ersten Eduktvorheizstufe (2') nachgeschaltete zweite Eduktvorheizstufe (3) zur Eduktaufheizung auf ein demgegenüber höheres zweites Temperaturniveau vorgesehen sind.Emission control system for cleaning a Exhaust gases of an internal combustion engine ( 20 ), with - one in an exhaust pipe of the internal combustion engine ( 1 ) arranged exhaust gas catalyst ( 23 ; 23 ' ) and - a catalytic fuel reformer ( 1 ) for producing a hydrogen-containing reforming gas, - wherein the fuel reformer ( 1 ) an oxygen and fuel of the internal combustion engine ( 20 ) comprehensive Eduktgemisch can be fed, and the reforming gas on the input side of the catalytic converter ( 23 ; 23 ' ) can be supplied to the exhaust gas line, characterized in that a first Eduktvorheizstufe ( 2 ' ) to Eduktaufheizung to a first temperature level and one of the first Eduktvorheizstufe ( 2 ' ) downstream second Eduktvorheizstufe ( 3 ) are provided for Eduktaufheizung to a contrast higher second temperature level. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Eduktvorheizstufe (2') eine Wärmeabgabe des vom Kraftstoffreformer (1) abgegebenen Reformiergases erfolgt.Exhaust gas purification system according to claim 1, characterized in that in the first Eduktvorheizstufe ( 2 ' ) a heat output of the fuel reformer ( 1 ) is discharged reforming gas. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eduktvorheizstufe (3) in Wärmeübertragungskontakt mit dem Kraftstoffreformer (1) steht.Exhaust gas purification system according to claim 1 or 2, characterized in that the second Eduktvorheizstufe ( 3 ) in heat transfer contact with the fuel reformer ( 1 ) stands. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eduktvorheizstufe (3) als Kraftstoffverdampfer ausgelegt ist.Exhaust gas purification system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second Eduktvorheizstufe ( 3 ) is designed as a fuel evaporator. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffreformer (1) ringförmig ausgeführt ist.Emission control system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fuel reformer ( 1 ) is annular. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eduktvorheizstufe (3) den Kraftstoffreformer (1) ringförmig umgibt oder vom Kraftstoffreformer (1) ringförmig umgeben ist.Exhaust gas purification system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second Eduktvorheizstufe ( 3 ) the fuel reformer ( 1 ) annularly surrounds or from the fuel reformer ( 1 ) is surrounded annularly. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformerkatalysator als Wellblechstruktur oder als Drahtgestrick oder als Metallschaum ausgeführt ist.Emission control system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the reforming catalyst as a corrugated iron structure or is designed as a wire mesh or as a metal foam. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffreformer (1) die Abgasleitung wenigstens teilweise umgibt.Emission control system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fuel reformer ( 1 ) at least partially surrounds the exhaust pipe.
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