DE102005025455A1 - Vorrichtunge und Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtunge und Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (10), mit einem Abgasstrang (12), der einen NO¶x¶-Katalysator (14) aufweist, und mit einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung (16), die dazu ausgelegt ist, dem Abgasstrang (12) vor dem NO¶x¶-Katalysator (14) Reduktionsmittel zuzuführen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Reduktionsmittelzuführeinrichtung (16) einen Reformer (18) umfasst, der dazu ausgelegt ist, aus dem Verbrennungsmotor (10) austretendes Abgas und Kraftstoff zu einem als Reduktionsmittel dienenden Reformat umzusetzen. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (10), bei dem einem in einem Abgasstrang (12) vorgesehenen NO¶x¶-Katalysator (14) Reduktionsmittel zugeführt wird. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass von einem Reformer (18) erzeugtes Reformat als Reduktionsmittel verwendet wird, wobei der Reformer (18) das Reformat aus Abgas, das aus dem Verbrennungsmotor (10) austritt, und Kraftstoff erzeugt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einem Abgasstrang, der einen NOx-Katalysator aufweist, und mit einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung, die dazu ausgelegt ist, dem Abgasstrang vor dem NOx-Katalysator Reduktionsmittel zuzuführen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, bei dem einem in einem Abgasstrang vorgesehenen NOx-Katalysator Reduktionsmittel zugeführt wird.
  • Ein Problem moderner Kraftfahrzeuge ist die Emission von Stickoxiden (NOx) die bei der Verbrennung von Benzin oder Diesel im Verbrennungsmotor entstehen, insbesondere bei ho hen Brennraumtemperaturen. Zur Senkung der Stickoxidemissionen sind Systeme mit Speicherkatalysatoren bekannt, in denen das NOx gesammelt und zu unschädlichem Stickstoff reduziert wird. Aus der gattungsbildenden DE 102 33 66 5 A1 ist es zu diesem Zweck bereits bekannt, Reduktionsmittel in Form von Kraftstoff vor dem NOx-Katalysator in den Abgasstrang zu injizieren. Anstelle der aus der DE 102 33 66 5 A1 bekannten Injektion von reinem Kraftstoff kann gegebenenfalls ein Reformat als Reduktionsmittel verwendet werden. Unabhängig von der speziellen Wahl des Reduktionsmittels ist es erforderlich, das Reduktionsmittel gegen den schwankenden Gegendruck der Abgasanlage in den Abgasstrang einzubringen. Zu diesem Zweck werden beim Stand der Technik leistungsstarke Gebläse, Luftverdichter oder Injektoren eingesetzt, die jedoch teuer und wartungsanfällig sind.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die gattungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren derart weiterzubilden, dass auf teuere und wartungsanfällige Einrichtungen zum Einbringen des Reduktionsmittels in den Abgasstrang gegen den schwankenden Gegendruck der Abgasanlage verzichtet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Reduktionsmit telzuführeinrichtung einen Reformer umfasst, der dazu ausgelegt ist, aus dem Verbrennungsmotor austretendes Abgas und Kraftstoff zu einem als Reduktionsmittel dienendem Reformat umzusetzen. Insbesondere bei Dieselmotoren enthält das Abgas des Verbrennungsmotors einen nennenswerten Anteil von Sauerstoff, welcher neben dem Kraftstoff ein Ausgangsstoff zur Erzeugung eines Reformats ist. Entnimmt man dieses Abgas kurz hinter dem Verbrennungsmotor, so hat es ein entsprechend hohes Druckniveau. Durch das hohe Druckniveau des entnommenen Abgases ist es ohne zusätzliche Maßnahmen möglich, das Reformat vor dem NOx-Katalysator in den Abgasstrang einzubringen. Auf die beim Stand der Technik erforderlichen teueren und wartungsanfälligen Einrichtungen zur Erzeugung des zum Einbringen des Reformats erforderlichen Drucks kann daher erfindungsgemäß verzichtet werden. Das entnommene Abgas und der Kraftstoff werden im Reformer gemischt und einem Reformerkatalysator zugeführt. Bei der anschließenden Reaktion in Form einer exotherm ablaufenden partiellen Oxidation wird ein Reformatgas mit einem Anteil der reduzierenden Gase Wasserstoff und Kohlenmonoxid erzeugt. Diese Gase sind dazu geeignet, die Stickoxide in dem NOx-Katalysator zu unschädlichem Stickstoff zu reduzieren.
  • Für die erfindungsgemäße Vorrichtung wird es als besonders vorteilhaft erachtet, wenn vorgesehen ist, dass das dem Reformer zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung erhalten wird, die dem Verbrennungsmotor unmittelbar nachgeordnet ist. Unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor ist der Abgasdruck hoch und daher besonders gut geeignet, das Reformat gegen den Abgasgegendruck in den Abgasstrang einzubringen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das dem Reformer zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung erhalten wird, die eine Abgasdosiereinrichtung aufweist. Die Abgasdosiereinrichtung ermöglicht es, dass dem Reformer jeweils die Abgasmenge zugeführt wird, die zur Erzeugung des Reformats erforderlich ist. Die Abgasdosiereinrichtung kann gesteuert oder geregelt arbeiten.
  • Im vorstehend erläuterten Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Abgasdosiereinrichtung eine Ventileinrichtung umfasst. Bei der Ventileinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Dosierventil ähnlich einem Ventil zur Abgasrückführung handeln.
  • Zusätzlich oder alternativ kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Abgasdosiereinrichtung ein Gebläse umfasst. Aufgrund des hohen Druckniveaus des dem Gebläse zugeführten Abgases kann das Gebläse jedoch mit einer deutlich geringeren Leistung ausgelegt werden, als dies beim Stand der Technik erforderlich ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass das dem Reformer zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung erhalten wird, die vor einem weiteren Katalysator angeordnet ist, der dem NOx-Katalysator vorgeschaltet ist. Bei dem weiteren Katalysator kann es sich beispielsweise um den Hauptkatalysator des Abgasreinigungssystems handeln, wobei das Abgas vor dem weiteren Katalysator entnommen wird und das Reformat zwi schen dem weiteren Katalysator und dem NOx-Katalysator in den Abgasstrang eingebracht wird.
  • Zumindest bei einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass sie eine Kraftstoffpumpe aufweist, die dazu ausgelegt ist, Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu fördern. Bei der Kraftstoffpumpe kann es sich insbesondere um eine Kraftstoffdosierpumpe handeln, mit der die für die Erzeugung des Reformats jeweils benötigte Kraftstoffmenge aus dem Kraftstofftank gefördert werden kann. Auch die Kraftstoffpumpe kann gesteuert oder geregelt betrieben werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Kraftstoff einer Kraftstoffleitung des Kraftstoffsystems des Verbrennungsmotors entnommen wird und dass der Kraftstoff dem Reformer über eine Kraftstoffventileinrichtung zugeführt wird. Bei der Kraftstoffleitung kann es sich insbesondere um eine Kraftstoffdruckleitung handeln, beispielsweise einen Common-Rail-Rücklauf. Bei der Kraftstoffventileinrichtung kann es sich insbesondere um ein Kraftstoffdosierventil handeln, mit dem die zur Erzeugung des Reformats jeweils benötigte Kraftstoffmenge durchgelassen wird. Auch die Kraftstoffventileinrichtung kann gesteuert oder geregelt betrieben werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass von einem Reformer erzeugtes Reformat als Reduktionsmittel verwendet wird, wobei der Reformer das Reformat aus Abgas, das aus dem Verbren nungsmotor austritt, und Kraftstoff erzeugt. Durch diese Lösung ergeben sich die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielten Vorteile und Eigenschaften in analoger Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
  • Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das dem Reformer zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung erhalten wird, die dem Verbrennungsmotor unmittelbar nachgeordnet ist.
  • Auch für das erfindungsgemäße Verfahren wird es als vorteilhaft erachtet, wenn vorgesehen ist, dass das dem Reformer zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung erhalten wird, die eine Abgasdosiereinrichtung aufweist.
  • Dabei wird es als vorteilhaft erachtet, dass die Abgasdosiereinrichtung eine Ventileinrichtung umfasst.
  • Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Abgasdosiereinrichtung ein Gebläse umfasst.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das dem Reformer zuge führte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung erhalten wird, die vor einem weiteren Katalysator angeordnet ist, der dem NOx-Katalysator vorgeschaltet ist.
  • Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommen Ausführungsformen in Betracht, bei denen vorgesehen ist, dass der dem Reformer zugeführte Kraftstoff durch eine Kraftstoffpumpe gefördert wird.
  • In diesem Zusammenhang kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass der Kraftstoff einer Kraftstoffleitung des Kraftstoffsystems des Verbrennungsmotors entnommen wird und dass der Kraftstoff dem Reformer über eine Kraftstoffventileinrichtung zugeführt wird.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die Unabhängigkeit vom Abgasgegendruck der Abgasanlage und damit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors, da sich der Reformerdruck immer dem Niveau des Abgasdrucks anpasst. Der Systemdruck über dem Reformersystem ist damit immer näherungsweise konstant und unabhängig von der Last des Verbrennungsmotors und dem Abgasgegendruck.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft erläutert.
    •
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild, das eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist; und
  • 2 ein schematisches Blockschaltbild, das eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht, die ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
  • In den Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten, die zur Vermeidung von Wiederholungen zumindest teilweise nur einmal erläutert werden.
  • Gemäß der Darstellung von 1 ist einem Verbrennungsmotor 10 ein Abgasstrang 12 zugeordnet, der einen NOx-Katalysator 14 und einen weiteren Katalysator 24 umfasst, wobei der weitere Katalysator 24 der Hauptkatalysator ist. Unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor 10 ist eine Abgasstrangabzweigung 20 vorgesehen die über eine Abgasdosiereinrichtung 22 mit einem Reformer 18 in Verbindung steht. Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist die Abgasdosiereinrichtung 22 durch ein Abgasdosierventil gebildet. Eine Kraftstoffpumpe 26 ist dazu vorgesehen, dem Reformer 18 dosiert Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 28 zuzuführen. Die Abgasstrangabzweigung 20, die Abgasdosiereinrichtung 22, die Kraftstoffpumpe 26 und der Reformer 18 bilden zusammen eine Reduktionsmittelzuführeinrichtung. In dem Reformer 18 werden das entnommene Abgas und der zugeführte Kraftstoff gemischt und einem (nicht dargestellten) Reformerkatalysator zugeführt, der Bestandteil des Reformers 18 ist. Bei der anschließenden Reaktion wird ein gasförmiges Reformat erzeugt, das einen Anteil der reduzierenden Gase Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Das so erzeugte Reformat wird vor dem NOx-Katalysator 14 in den Abgasstrang 12 eingebracht. Da sich der Reformerdruck immer dem aktuellen Abgasdruck anpasst, sind keine speziellen Einrichtungen erforderlich, um den Abgasgegendruck beim Einbringen des Reformats in den Abgasstrang 12 zu überwinden. Der Systemdruck über dem Reformer 18 ist durch die erfindungsgemäße Lösung näherungsweise konstant und unabhängig von der Last des Verbrennungsmotors und dem Abgasgegendruck. Sowohl die Abgasdosiereinrichtung 22 in Form eines Dosierventils als auch die Kraftstoffpumpe 26 können gesteuert oder geregelt betrieben werden. Zu diesem Zweck kann ein nicht dargestellter Controller vorgesehen sein, der auch den Betrieb von weiteren Komponenten des Reformers 18 steuern oder regeln kann.
  • 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild, das eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht, die ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die in 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der Ausführungsform gemäß 1, dass die Abgasdosiereinrichtung 22 durch ein Gebläse gebildet ist und dass keine Kraftstoffpumpe sondern eine Kraftstoffventileinrichtung 32 vorgesehen ist. Bei dem die Abgasdosiereinrichtung 22 bildenden Gebläse kann es sich um ein vergleichsweise leistungsschwaches Gebläse handeln, da an der Abgasstrangabzweigung 20 ein hoher Abgasdruck vorliegt. Die Kraftstoffventileinrichtung 32 ist durch ein Kraftstoffdosierventil verwirklicht, das zwischen eine Kraftstoffleitung 30 des Kraftstoffsystems des Verbrennungsmotors 10 und den Reformer 18 geschaltet ist. Bei der Kraftstoffleitung 30 des Kraftstoffsystems des Verbrennungsmotors 10 kann es sich insbesondere um eine Kraftstoffdruckleitung handeln, beispielsweise einen Common-Rail-Rücklauf. Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf eine separate Kraftstoffpumpe verzichtet werden kann, wenn auf einen ohnehin zur Verfügung stehenden ausreichend hohen Kraftstoffdruck zurückgegriffen werden kann.
  • Auch bei der Ausführungsform gemäß 2 kann zur Ansteuerung der jeweiligen Komponenten ein nicht dargestellter Controller vorgesehen sein, wie dies im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß 1 erläutert wurde. Der Vorteil der Unabhängigkeit vom Abgasgegendruck und der Motorlast bleibt auch bei der Ausführungsform gemäß 2 erhalten.
  • Selbstverständlich kann die Abgasdosiereinrichtung auch bei der Ausführungsform gemäß 2 durch eine Ventileinrichtung gebildet sein; bei der Ausführungsform gemäß 1 kann alternativ ein Gebläse eingesetzt werden.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Abgasstrang
    14
    NOx-Katalysator
    16
    Reduktionsmittelzuführeinrichtung
    18
    Reformer
    20
    Abgasstrangabzweigung
    22
    Abgasdosiereinrichtung
    24
    weiterer Katalysator
    26
    Kraftstoffpumpe
    28
    Kraftstofftank
    30
    Kraftstoffleitung des Kraftstoffsystems
    32
    Kraftstoffventileinrichtung

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (10), mit einem Abgasstrang (12), der einen NOx-Katalysator (14) aufweist, und mit einer Reduktionsmittelzuführeinrichtung (16), die dazu ausgelegt ist, dem Abgasstrang (12) vor dem NOx-Katalysator (14) Reduktionsmittel zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelzuführeinrichtung (16) einen Reformer (18) umfasst, der dazu ausgelegt ist, aus dem Verbrennungsmotor (10) austretendes Abgas und Kraftstoff zu einem als Reduktionsmittel dienendem Reformat umzusetzen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reformer (18) zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung (20) erhalten wird, die dem Verbrennungsmotor (10) unmittelbar nachgeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reformer (18) zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung (20) erhalten wird, die eine Abgasdosiereinrichtung (22) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasdosiereinrichtung (22) eine Ventileinrichtung umfasst.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasdosiereinrichtung (22) ein Gebläse umfasst.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reformer (18) zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung (20) erhalten wird, die vor einem weiteren Katalysator (24) angeordnet ist, der dem NOx-Katalysator (14) vorgeschaltet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kraftstoffpumpe (26) aufweist, die dazu ausgelegt ist, Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (28) zu fördern.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff einer Kraftstoffleitung (30) des Kraftstoffsystems des Verbrennungsmotors entnommen wird und dass der Kraftstoff dem Reformer (18) über eine Kraftstoffventileinrichtung (32) zugeführt wird.
  9. Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (10), bei dem einem in einem Abgasstrang (12) vorgesehenen NOx-Katalysator (14) Reduktionsmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Reformer (18) erzeugtes Reformat als Reduktionsmittel verwendet wird, wobei der Reformer (18) das Reformat aus Abgas, das aus dem Verbrennungsmotor (10) austritt, und Kraftstoff erzeugt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reformer (18) zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung (20) erhalten wird, die dem Verbrennungsmotor (10) unmittelbar nachgeordnet ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reformer (18) zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung (20) erhalten wird, die eine Abgasdosiereinrichtung (22) aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasdosiereinrichtung (22) eine Ventileinrichtung umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasdosiereinrichtung (22) ein Gebläse umfasst.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reformer (18) zugeführte Abgas über eine Abgasstrangabzweigung (20) erhalten wird, die vor einem weiteren Katalysator (24) angeordnet ist, der dem NOx-Katalysator (14) vorgeschaltet ist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Reformer (18) zugeführte Kraftstoff durch eine Kraftstoffpumpe (26) gefördert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff einer Kraftstoffleitung (30) des Kraftstoffsystems des Verbrennungsmotors entnommen wird und dass der Kraftstoff dem Reformer (18) über eine Kraftstoffventileinrichtung (32) zugeführt wird.
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