DE102006025679A1

DE102006025679A1 - Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems

Info

Publication number: DE102006025679A1
Application number: DE200610025679
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Hahnl; Jürgen Klement; Marcco Ranalli
Original assignee: ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-06
Also published as: WO2007137705A1

Abstract

Eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine hat wenigstens ein Abgasreinigungssystem (12) und eine Verdampfungseinheit (20), mittels der eine oxidierbare Flüssigkeit verdampft und in den Abgasstrom stromaufwärts des Abgasreinigungssystems (12) eingebracht werden kann, wobei die Verdampfungseinheit (20) ein in einer Kammer (22) angeordnetes Heizelement (24) aufweist. Der Verdampfungseinheit (20) ist eine nach dem Durchlauferhitzerprinzip arbeitende Vorheizeinrichtung (28) für die Flüssigkeit vorgeschaltet, die die Flüssigkeit bedarfsweise vorheizt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems (12) in einer Abgasanlage (10) einer Verbrennungskraftmaschine vorgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem Abgasreinigungssystem und einer Verdampfungseinheit, mittels der eine oxidierbare Flüssigkeit verdampft und in den Abgasstrom stromaufwärts des Abgasreinigungssystems eingebracht werden kann, wobei die Verdampfungseinheit ein in einer Kammer angeordnetes Heizelement aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine. Abgasreinigungssysteme im Sinne der Erfindung sind insbesondere Partikelfilter und NO_x-Speicherkatalysatoren.
Eine gattungsgemäße Abgasanlage ist aus der EP 1 369 557 A1 bekannt. Deren Verdampfungseinheit weist als Heizelement eine Glühkerze auf, mittels der Dieselkraftstoff verdampft und stromaufwärts eines Dieselpartikelfilters oder NO_x-Speicherkatalysators in den Abgasstrom eingebracht wird, um den Filter bzw. Katalysator in periodischen Abständen zu regenerieren.
Wie sich herausgestellt hat, ist eine vergleichsweise große elektrische Energie nötig, um Kraftstoff mit Hilfe einer Glühkerze zu verdampfen, wobei etwa 60 % dieser Energie bereits dazu benötigt werden, den Kraftstoff von Umgebungstemperatur auf Siedetemperatur zu bringen. Wird der Kraftstoff nicht vollständig verdampft, so gelangt eine Mischung aus flüssigem und dampfförmigen Kraftstoff in den Abgasstrom, die unter Umständen im Abgas nicht vollständig nachverdampft wird und sich daher nicht zufriedenstellend mit diesem vermischen kann, wodurch die Regeneration des Abgasreinigungssystems längerwierig oder unvollständig sein kann.
Eine in der EP 1 369 557 A1 vorgeschlagene Möglichkeit, das elektrische Bordnetz eines Fahrzeugs durch die Stromversorgung der Glühkerze nicht übermäßig zu belasten, besteht darin, der Verdampfungseinheit eine Vorwärmstufe vorzuschalten. Diese umfaßt einen Zwischenspeicher, in welchem die für eine einmalige Regeneration des Partikelfilters erforderliche Menge an Kraftstoff zwischengespeichert und über einen längeren Zeitraum vorgewärmt wird.
Die Regeneration eines Partikelfilters findet ungefähr alle 500 km statt. In der Zwischenzeit befindet sich die oxidierbare Flüssigkeit, insbesondere Dieselkraftstoff, in der Vorwärmstufe und ändert hierbei möglicherweise ihre Eigenschaften (sog. Alterung der Flüssigkeit, insbesondere bei Dieselkraftstoff), wodurch die Vorwärmstufe verunreinigt werden könnte.
Die Erfindung schafft eine Abgasanlage bzw. ein Verfahren zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems, bei dem eine oxidierbare Flüssigkeit zuverlässig verdampft und in den Abgasstrom eingebracht wird.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Abgasanlage der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der Verdampfungseinheit eine nach dem Durchlauferhitzerprinzip arbeitende Vorheizeinrichtung für die Flüssigkeit vorgeschaltet ist, die die Flüssigkeit bedarfsweise vorheizt. Durch die Erfindung wird die Energiemenge zur Verdampfung nicht nur durch die Verdampfungseinheit bereitgestellt, die meist eine geringe Durchströmstrecke für die Kraftstofferwärmung hat. Aufgrund des Durchlauferhitzerprinzips wird vor der Verdampfungseinheit nur die notwendige Energiemenge kurzfristig bereitgestellt, die die Verdampfungseinheit nicht aufbringen kann. Die Vorheizeinrichtung ist vorzugsweise räumlich von der Verdampfungseinheit getrennt und über eine Leitung strömungsmäßig mit dieser verbunden. Es wird also nicht eine vorbestimmte Flüssigkeitsmenge in einer Vorwärmstufe zwischengespeichert und über längere Zeit vorgewärmt, sondern die Flüssigkeit wird lediglich bei Bedarf, nämlich wenn eine Regeneration ansteht, nach dem Prinzip eines Durchlauferhitzers erwärmt. Dadurch gelangt die Flüssigkeit bereits mit einer hohen Temperatur in die Verdampfungseinheit, der dann nur noch eine relativ geringe Energiemenge zugeführt werden muß, um die Flüssigkeit vollständig zu verdampfen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine Verunreinigung der Vorheizeinrichtung weitestgehend verhindert, da die Flüssigkeit nur während der Regenerationsphase (vor)geheizt wird. Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch aus.
Die Vorheizeinrichtung sollte thermisch vom Abgasstrom getrennt sein, sie wird also nicht durch diesen aufgewärmt, da eine ständige Erwärmung durch das heiße Abgas ebenfalls, z.B. wegen der sog. Alterung der Flüssigkeit, zu einer Verunreinigung der Vorheizeinrichtung führen könnte. Außerdem ist der Einsatz der Vorheizeinrichtung ja gerade dann vorteilhaft, wenn der Abgasstrom kalt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der Vorheizeinrichtung um eine elektrische Vorheizeinrichtung. Diese läßt sich besonders einfach steuern.
Hierzu kann eine Steuereinheit für die Vorheizeinrichtung vorgesehen sein, die die der Flüssigkeit zugeführte Wärmeenergiemenge steuert, im Falle einer elektrischen Vorheizeinrichtung einfach durch entsprechende Steuerung einer Stromversorgung.
Eine besonders einfache Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß es sich bei der Vorheizeinrichtung um eine beheizte Rohrleitung bzw. Schlauchleitung handelt. Diese bietet einen vergleichsweise langen Strömungsweg für die zu beheizende Flüssigkeit, wodurch eine große Wärmemenge von der Flüssigkeit aufgenommen wird.
Vorzugsweise ist die Rohr- bzw. Schlauchleitung mit einem Heizdraht umwickelt, der an eine Spannungsquelle angeschlossen ist.
Um den Platzbedarf möglichst gering zu halten, ist die Rohrleitung gewendelt. Auch eine Ringleitung ist in diesem Zusammenhang möglich.
Alternativ kann sich die Rohrleitung als im wesentlichen ungebogenes Rohr von einem Tank zur Kammer erstrecken. Auf diese Weise ist die Vorheizeinrichtung an das verfügbare Platzangebot anpaßbar.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der oxidierbaren Flüssigkeit um Kraftstoff, insbesondere um Dieselkraftstoff.
Das Abgasreinigungssystem umfaßt vorzugsweise einen Partikelfilter, insbesondere mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator, wobei in letzterem der oxidierbare Dampf umgewandelt wird, um das Abgas anzuheizen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems in einer Abgasanlage vorgesehen, wie sie bereits beschrieben wurde. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Nachdem ein Regenerationserfordernis festgestellt wurde, wird die Flüssigkeit mittels des Durchlauferhitzerprinzips in der Vorheizeinrichtung und anschließend in der Verdampfungseinheit bis zur Verdampfung erwärmt. Schließlich wird der erzeugte Dampf in den Abgasstrom eingebracht, um das Abgasreinigungssystem zu regenerieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt ausschnittsweise eine Abgasanlage 10 für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen Kfz-Dieselmotor (nicht gezeigt), die ein Abgasreinigungssystem 12, hier einen Partikelfilter 14 mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator 16, oder einen NO_x-Speicherkatalysator 14, 16 aufweist. An einem Leitungsabschnitt 18 stromaufwärts des Abgasreinigungssystems 12 ist eine Verdampfungseinheit 20 angeordnet, die ein in einer Kammer 22 sitzendes Heizelement 24 in Form einer Glühkerze aufweist. Die Verdampfungseinheit 20 ist an eine Flüssigkeitsleitung 26 für eine oxidierbare Flüssigkeit, hier insbesondere eine Kraftstoffleitung, angeschlossen.
Der Verdampfungseinheit 20 ist eine nach dem Durchlauferhitzerprinzip arbeitende Vorheizeinrichtung 28 vorgeschaltet, die räumlich von der Verdampfungseinheit 20 getrennt und über die Flüssigkeitsleitung 26 mit dieser strömungsmäßig verbunden ist. Die Vorheizeinrichtung 28 ist, wie aus 1 ersichtlich, thermisch vom Abgasstrom getrennt und umfaßt eine gewendelte Rohrleitung 30, die mit einem Heizdraht 32 umwickelt ist. Ferner ist eine Steuereinheit 34 vorgesehen, die die Stromversorgung des Heizdrahts 32 steuert.
Wird nun ein Regenerationserfordernis des Abgasreinigungssystems 12 festgestellt, so wird die Vorheizeinrichtung 28 aktiviert, indem die Stromversorgung des Heizdrahts 32 durch die Steuereinheit 34 eingeschaltet wird. Auf diese Weise wird der Flüssigkeit, die durch die beheizte Rohrleitung 30 fließt, eine gewisse Wärmeenergiemenge zugeführt. Die Flüssigkeit wird also vorgeheizt und erreicht in diesem vorgeheizten Zustand über die Leitung 26 die Verdampfungseinheit 28, die z.B. gleichzeitig mit der Vorheizeinrichtung 28 durch Einschalten des Heizelements 24 aktiviert wurde. In der Verdampfungseinheit 20 wird die oxidierbare Flüssigkeit (hier Kraftstoff) verdampft, sofern noch nicht in der Vorheizeinrichtung 28 geschehen, und durch einen in den Leitungsabschnitt 18 ragenden Teil der Verdampfungseinheit 20 in den Abgasstrom eingebracht. Der Kraftstoffdampf wird im Oxidationskatalysator 16 umgesetzt und dadurch das Abgas erwärmt, wodurch der Partikelfilter 14 regeneriert wird.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird also durch die Vorheizeinrichtung 28 die Flüssigkeit nur bedarfsweise vorgeheizt, nämlich wenn ein Regenerationserfordernis vorliegt. Eventuell kann das System so ausgelegt sein, daß die Vorheizung sogar nur dann erfolgt, wenn die Temperatur in der Rohrleitung 30 unterhalb eines gewissen Schwellenwertes liegt, was beispielsweise durch einen mit der Steuereinheit 34 gekoppelten Temperatursensor ermittelt werden kann (nicht gezeigt). Ist der Abgasstrom heiß genug, um in den Abgasstrom gelangende Flüssigkeitstropfen vollständig zu verdampfen, so kann auf die Vorheizung verzichtet werden. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht jedoch vor, daß die Verdampfungseinheit 20 allein für die Zufuhr der Verdampfungsenergie zuständig ist. Die Vorheizung hingegen soll die Flüssigkeit auf Verdampfungstemperatur bringen. Dies bedeutet aber aufgrund der unterschiedlichen Umgebungstemperaturen einen nicht konstanten Energiebedarf für die Vorheizeinrichtung 28, deren an die Flüssigkeit abzugebende Temperatur muß also vorzugsweise stufenlos an die Umgebungsbedingungen angepaßt werden. Der Vorteil dabei ist, daß bei gleichem Kraftstoffmassenstrom dann die Verdampfungseinheit 20 immer die gleiche Energiemenge aufnimmt, so daß ihre Dimensionierung (z.B. Oberfläche der entsprechenden Glühkerze und auch deren Oberflächentemperatur) sehr genau eingestellt werden können. Wenn die Verdampfungseinheit 20 nur für die Zufuhr der Verdampfungsenergie verantwortlich ist, trägt dies dazu bei, daß ihre Oberflächentemperatur insgesamt niedriger gewählt werden kann. Bei Verwendung einer Glühkerze wird deren Verkoken damit vermieden.
Bei niedriger Umgebungstemperatur wird auch ein Einfrieren der Rohrleitung 30 vermieden.
Das schnelle und möglichst feine Verteilen des Dampfes in der Rohrleitung wird bei der Erfindung vor allem dadurch erreicht, daß aufgrund des geringen Partialdrucks des Dampfes eine Auskondensation der Flüssigkeit vermieden wird. Der Partialdruck des Dampfes, insbesondere bei Verwendung von Dieseldampf, ist deshalb sehr gering, weil der Dampfanteil am Gesamtabgasmassenstrom sehr gering ist. Dadurch sinkt auch die Dampf-/Kondensationstemperatur weit unter die bekannte Temperaturspanne des Diesels (180 bis 380°C) auf unter 100°C.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage 10, die sich von der bisher beschriebenen lediglich dadurch unterscheidet, daß die Rohrleitung 30 sich als im wesentlichen ungebogenes langes Rohr von einem Tank 36 für die Flüssigkeit, hier dem Kraftstofftank des Fahrzeugs, zur Verdampfungseinheit 28 bzw. deren Kammer 22 erstreckt. Dabei bildet die Flüssigkeitsleitung 26 auch die Rohrleitung 30.

10: Abgasanlage
12: Abgasreinigungssystem
14: Partikelfilter
16: Oxidationskatalysator
18: Leitungsabschnitt
20: Verdampfungseinheit
22: Kammer
24: Heizelement
26: Flüssigkeitsleitung
28: Vorheizeinrichtung
30: Rohrleitung
32: Heizdraht
34: Steuereinheit
36: Tank

Claims

Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem Abgasreinigungssystem (12) und einer Verdampfungseinheit (20), mittels der eine oxidierbare Flüssigkeit verdampft und in den Abgasstrom stromaufwärts des Abgasreinigungssystems (12) eingebracht werden kann, wobei die Verdampfungseinheit (20) ein in einer Kammer (22) angeordnetes Heizelement (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungseinheit (20) eine nach dem Durchlauferhitzerprinzip arbeitende Vorheizeinrichtung (28) für die Flüssigkeit vorgeschaltet ist, die die Flüssigkeit bedarfsweise vorheizt.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizeinrichtung (28) thermisch vom Abgasstrom getrennt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Vorheizeinrichtung (28) um eine elektrische Vorheizeinrichtung handelt.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (34) für die Vorheizeinrichtung (28) vorgesehen ist, die die der Flüssigkeit zugeführte Wärmeenergiemenge steuert.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizeinrichtung (28) eine beheizte Rohrleitung (30) umfaßt.
Abgasanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (30) mit einem Heizdraht (32) umwickelt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (30) gewendelt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (30) sich als im wesentlichen ungebogenes Rohr von einem Tank (36) zur Kammer (22) erstreckt.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der oxidierbaren Flüssigkeit um Kraftstoff handelt.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasreinigungssystem (12) einen Partikelfilter (14), insbesondere mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator (16), umfaßt.
Verfahren zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems (12) in einer Abgasanlage (10) einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Verdampfungseinheit (20), mittels der eine oxidierbare Flüssigkeit verdampft und in den Abgasstrom stromaufwärts des Abgasreinigungssystems (12) eingebracht werden kann, und einer der Verdampfungseinheit (20) vorgeschalteten Vorheizeinrichtung (28) für die Flüssigkeit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Feststellen eines Regenerationserfordernisses, – Erwärmen der Flüssigkeit in der Vorheizeinrichtung (28) mittels des Durchlauferhitzerprinzips, – weiteres Erwärmen der Flüssigkeit in der Verdampfungseinheit (20) zur Verdampfung der Flüssigkeit und – Einbringen des erzeugten Dampfes in den Abgasstrom.