DE102013219371A1

DE102013219371A1 - Betriebsverfahren für einen Kraftstoffreformer und Abgassystem mit einem Kraftstoffreformer

Info

Publication number: DE102013219371A1
Application number: DE201310219371
Authority: DE
Inventors: André Horn; Wolfgang Hable; Stefan PAUKNER; Asmus CARSTENSEN; Martina Gottschling
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Kraftstoffreformer (6) in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Reformatgases, bei dem dem Kraftstoffreformer (6) sowohl Kraftstoff als auch Sekundärluft und/oder Abgaszugeführt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass – ein für die Reformierung gewünschter Sauerstoffmassenstrom (MO2) vorgegeben wird, – ein Sauerstoffgehalt des Abgases bestimmt wird, – in Abhängigkeit des vorgegebenen Sauerstoffmassenstromes (MO2) und des bestimmten Sauerstoffgehaltes ein zu entnehmender Abgasmassenstrom (MAbgas,Soll) ermittelt wird, der als Abgasteilstrom einem Abgashauptstrom entnommen wird, und – ein aktueller Abgasmassenstrom (MAbgas,Ist) bestimmt und in Abhängigkeit des zu entnehmenden Abgasmassenstromes (MAbgas,Soll) geregelt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Abgassystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft Betriebsverfahren für einen Kraftstoffreformer in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Reformatgases, bei dem dem Kraftstoffreformer sowohl Kraftstoff als auch Sekundärluft und/oder Abgas zugeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Abgassystem zur Abgasnachbehandlung mit einem Hauptabgasstrang und einem davon abgezweigten Nebenabgasstrang, in dem ein Kraftstoffreformer vorgesehen ist, der mit einer Kraftstoffzuführung und mit einer Sekundärluftzuführung verbunden ist, und der Nebenabgasstrang zusätzlich ein Regelelement für einen Abgasteilstrom aufweist.
Für die Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren ist beispielsweise die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden zur Emissionsminderung bekannt. Der Einsatz eines entsprechenden SCR-Katalysators macht allerdings das Mitführen eines geeigneten Reduktionsmittels als zusätzlichen Betriebsstoff erforderlich. Dies kann beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung sein. Aus dem Harnstoff wird in der Abgasanlage mittels Thermolyse das Reduktionsmittel Ammoniak (NH3) erzeugt, mit dessen Hilfe die Stickoxide auf dem SCR-Katalysator reduziert werden. Alternativ können weitere wasserstoffreiche Gase zum Einsatz kommen.
Der Betrieb der Komponenten der dieselmotorischen Abgasnachbehandlung kann durch den Einsatz eines Kraftstoffreformers optimiert werden. Der Reformer setzt den Kraftstoff zu einem wasserstoffreichen Synthesegas um. Dieses Gas kann genutzt werden, um einen Dieselpartikelfilter und/oder NOx-Speicherkatalysator zu regenerieren oder um Ammoniak zu erzeugen. Das Reformatgas kann in einem Kraftstoffreformer über partielle Oxidation und Dampfreformierung erzeugt werden. Als Edukte werden dem Kraftstoffreformer Luft und/oder motorisches Abgas und Kraftstoff zugeführt. Der Einsatz von motorischem Abgas wirkt sich positiv auf die spezifische Wasserstoffausbeute aus, da unter anderem der enthaltene Wasserdampf die Dampfreformierung ermöglicht und die Wassergasshiftreaktion fördert. Dadurch wird das Betriebsfenster des Reformers verbreitert.
Aus der DE 103 15 593 A1 ist eine Abgasnachbehandlung bekannt, die mittels eines Reformers ein Reformatgas mit einem erhöhten Wasserstoffanteil bereitstellt. Der Reformer ist direkt im Hauptabgasstrom angeordnet. Die Bereitstellung der zur Abgasnachbehandlung erforderlichen Reduktionsmittel erfolgt dadurch, dass eine vorwiegend mager betriebene Verbrennungskraftmaschine, deren Abgas nachbehandelt werden soll, kurzzeitig auf Fettbetrieb umgestellt wird. Der Fettbetrieb, beispielsweise durch eine Kraftstoffnacheinspritzung kann jedoch zu erhöhten Kohlenwasserstoffemissionen und/oder zu einer Motorölverdünnung führen.
Die DE 20 2007 001 447 U1 beschreibt einen Reformer von Verbrennungsabgasen, bei dem ein Teil der Verbrennungsabgase über den Reformer zurück zu einem Ansaugtrakt einer Verbrennungsvorrichtung zugeführt werden. In der Abgasrückführung befinden sich stromauf und stromab des Reformers Regelventile. Nach welchen Kriterien die Regelventile angesteuert werden, wird allerdings nicht offenbart.
Von diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Abgasbehandlung mit einem Reformer eine Reformierung von Kraftstoff auch unter instationären Abgasbedingungen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Abgassystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen enthalten.
Bei einem eingangs beschriebenen Betriebsverfahren für einen Kraftstoffreformer in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Reformatgases, bei dem dem Kraftstoffreformer sowohl Kraftstoff als auch Sekundärluft und/oder Abgas zugeführt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein für die Reformierung gewünschter Sauerstoffmassenstrom vorgegeben wird, ein Sauerstoffgehalt des Abgases bestimmt wird, in Abhängigkeit des vorgegebenen Sauerstoffmassenstromes sowie des bestimmten Sauerstoffgehaltes ein zu entnehmender Abgasmassenstrom ermittelt wird, der als Abgasteilstrom einem Abgashauptstrom entnommen wird, und ein aktueller Abgasmassenstrom bestimmt und in Abhängigkeit des zu entnehmenden Abgasmassenstromes geregelt wird.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der in den Kraftstoffreformer eintretende Sauerstoffmassenstrom geregelt wird. Dies ist besonders im Hinblick auf die Rahmenbedingungen notwendig, die für die Reformierung von Bedeutung sind. Grundsätzlich besteht die Reformierung von flüssigen Kraftstoffen aus den Verfahrensschritten: Gemischbildung (Luft/Abgas und Kraftstoff) und katalytische Kraftstoffumsetzung. Die Qualität der Gemischbildung hängt insbesondere von Druck, Temperatur und den Strömungsverhältnissen ab. Demgegenüber ist der Betriebsbereich der katalytischen Kraftstoffumsetzung über das Reformerluftverhältnis durch die Rußbildungsgrenze und die obere Einsatztemperatur des Reformerkatalysators begrenzt. Deshalb ist die Kenntnis und die Regelung des in den Kraftstoffreformer eintretenden Sauerstoffmassenstroms unerlässlich. Besonders bei instationärer Betriebsweise einer Verbrennungskraftmaschine treten ständig wechselnde Abgasbedingungen (Abgasdruck, -temperatur, -zusammensetzung, -massenstrom) auf. Bei plötzlichen hohen Sauerstoffkonzentrationen, wie sie in Schubphasen des Verbrennungsmotors auftreten, muss der Abgasstrom in den Reformer schnell gedrosselt und/oder die Brennstoffzufuhr in den Reformer erhöht werden, um eine Überhitzung des Reformerkatalysators zu vermeiden. Gleichzeitig müssen in der Gemischbildungszone Strömungsverhältnisse vorliegen, die eine ausreichende Gemischbildung sicherstellen. Zudem muss die Abgasentnahme einen möglichen Einfluss auf die Funktion der Abgasturbine berücksichtigen. Diese Anforderungen an die Abgasentnahme können unter anderem durch die Vorgabe eines minimalen und maximalen Massenstroms sichergestellt werden. Diese Vorgabe wird erfindungsgemäß durch die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Abgas und durch die Vorgabe eines gewünschten Sauerstoffmassenstroms erfüllt.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Verfahrens, bei dem zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes des Abgases dieser mittels eines geeigneten Sensors gemessen wird. Der aktuelle Abgasmassenstrom nach dem Regelelement kann hierfür direkt mittels eines Sensors oder indirekt durch die Ermittlung des Differenzdruckes ermittelt werden.
Erfindungsgemäß kann der Sauerstoff zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes des Abgases aus geeigneten Abgasparameter berechnet werden.
Zweckmäßig kann beim Ermitteln des zu untersuchenden Abgasstromes zumindest ein weiterer, geeigneter Abgasparameter herangezogen werden.
In bevorzugter Ausführungsform können zu den Abgasparametern ein Abgasgegendruck, eine Abgastemperatur und/oder eine Abgaszusammensetzung gehören. Die Abgasparameter können berechnet oder gemessen werden.
Erfindungsgemäß kann der Abgasteilstrom dem Abgashauptstrom stromaufwärts einer Abgasturbine entnommen werden und das Reformatgas dem Abgashauptstrom stromabwärts der Abgasturbine zugeführt werden.
Weiterhin kann ein Abgassystem zweckmäßigerweise so ausgeführt werden, dass der Kraftstoffreformer im Abgassystem zur Abgasnachbehandlung, bestehend aus einem Hauptabgasstrang und einem davon abgezweigten Nebenabgasstrang, in dem ein Kraftstoffreformer vorgesehen ist, der mit einer Kraftstoffzuführung und mit einer Sekundärluftzuführung verbunden ist, und in dem Nebenabgasstrang zusätzlich ein Regelelement für ein Abgasteilstrom vorgesehen ist, mit dem vorher beschriebenen betrieben wird.
In der bevorzugten Ausführungsform ist kann das Regelelement eine Abgasklappe oder ein Abgasventil ist. Durch dieses Regelelement kann der Abgasteilstrom innerhalb eines zulässigen Bereichs geregelt werden, um die gewünschte Gemischzusammensetzung zu gewährleisten.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung kann darin bestehen, dass in dem Hauptabgasstrang eine Abgasturbine angeordnet ist und der Nebenabgasstrang von dem Hauptabgasstrang stromaufwärts der Abgasturbine abzweigt und stromabwärts wieder in dem Hauptabgasstrang einmündet. Der für den Reformierungsprozess notwendige Abgasmassenstrom erfordert ein ausreichendes Druckniveau, welches insbesondere bei einer Entnahme vor Abgasturbine gewährleistet ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben, in denen
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgassystems zeigt; und
2 einen Betriebsbereich eines mit Luft betriebenen Kraftstoffreformers als Funktion des Reformerluftverhältnisses zeigt.
In 1 ist das erfindungsgemäße Abgassystem vereinfacht schematisch dargestellt. Das Abgassystem weist einen Hauptabgasstrang 1 auf, die von einer Verbrennungskraftmaschine 2 Abgas derselben fortführt. In dem Hauptabgasstrang 1 ist stromab der Verbrennungskraftmaschine 2 zunächst ein Abgasturbolader bzw. eine Abgasturbine 3 und im weiteren Verlauf zumindest ein Katalysator 4 angeordnet.
Stromauf der Abgasturbine 3 zweigt ein Nebenabgasstrang 5 ab, der den Hauptabgasstrang 1 mit einem Reformer 6 verbindet. Innerhalb des Nebenabgsstranges 5 ist ein Regelelement 7, beispielsweise ein Regelventil angeordnet. Stromab des Regelelementes 7 mündet in den Nebenabgasstrang 5 eine Luftzuführung 8 für Sekundärluft ein. Die Luftzuführung ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Verdichter 9 und einem Wärmetauscher 10 für die Sekundärluft versehen. Der Reformer 6 ist mit einem Eingang für Abgas und/oder Sekundärluft versehen, in den der Nebenabgasstrang 5 einmündet. Ferner weist der Reformer 6 einen weiteren Eingang für Kraftstoff auf, in den eine Kraftstoffzuführung 11 einmündet.
Der für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren erforderliche Abgasmassenstrom erordert ein ausreichendes Druckniveau, weshalb hier die Entnahme des Abgases aus dem Hauptabgasstrang 1 stromauf der Abgasturbine 3 angeordnet ist. Alternativ ist auch eine Entnahme stromab der Abgasturbine 3 denkbar.
Bei einer Kraftstoffreformierung mit motorischen Abgas treten bei einer instationären Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine 2 ständig wechselnde Abgasbedingungen, die den Betrieb des Reformers 6 zwangsläufig beeinflussen. Zu diesen Abgasbedingung zählen beispielsweise der Abgasdruck, die Abgastemperatur, Die Abgaszusammensetzung und der Abgasmassenstrom. Grundsätzlich weist die Reformierung von flüssigen Kraftstoffen den ersten Verfahrensschritt der Gemischbildung aus den gasförmigen Bestandteilen Sekundärluft und/oder Abgas sowie dem flüssigen Kraftstoff und anschließend den zweiten Verfahrensschritt der katalytischen Kraftstoffumsetzung auf. Hierbei hängt die Qualität der Gemischbildung insbesondere von dem Druck, der Temperatur un den Strömungsverhältnissen ab. Demgegenüber ist der Betriebsbereich der katalytischen Kraftstoffumsetzung über das Reformerluftverhältnis durch die Rußbildungsgrenze und die obere Einsatztemperatur des Reformerkatalysators begrenzt. Der Betriebsbereich des Kraftstoffreformers 6 ist in 2 als Funktion des Reformerluftverhältnisses dargestellt.
Unter Beachtung dieser Rahmenbedingungen sind für den Betrieb des Reformers 6 mit motorischen Abgas u.a. die Kenntnis und die Regelung des in den Reformer eintretenden Sauerstoffmassenstroms notwendig. Bei plötzlichen hohen Sauerstoffkonzenrationen, wie sie beispielsweise in Schubphasen auftreten, muss der Abgasmassenstrom in den Reformer 6 schnell gedrosselt und/oder die Kraftstoffzufuhr in den Reformer 6 erhöht werden, um eine Überhitzung des Reformerkatalysators zu vermeiden. Gleichzeitig müssen in der Gemischbildungszone Strömungsverhältnisse vorliegen, die eine ausreichende Gemischbildung sicherstellen. Zusätzlich muss die beschriebene Abgasentnahme einen möglichen Einfluss auf die Funktion des Turboladers berücksichtigen, Diese Anforderungen an die Abgasentnahme können u.a. durch die Vorgabe eines minimalen oder maximalen Massenstromes sichergestellt werden.
Im vorgestellten System wird durch die Berechnung oder Messung des Sauerstoffsgehaltes im Abgas und durch die Vorgabe eines gewünschten Sauerstoffmassenstromes der zu entnehmende Abgasteilstrom (als Sollwert berechnet. Dieser Teilstrom wird innerhalb eines zulässigen Bereichs durch das Regelelement 7 geregelt. Der aktuelle Abgasmassenstrom als Istwert nach diesem Regelelement 7 wird hierfür ermittelt. Das kann direkt mittels eines geeigneten Abgasmassenstromsensors oder alternativ indirekt über eine Differenzdruckmessung erfolgen.
Der gewünschte Sauerstoffmassenstrom ist im Wesentlichen von der gewünschten thermischen Reformerleistung abhängig. Je nach Größe und/doer Typ des Reformers kann ein definierter Leistungsbereich, beispielsweise 5 bis 20 kW, dargestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10315593 A1 [0004]
DE 202007001447 U1 [0005]

Claims

Betriebsverfahren für einen Kraftstoffreformer (6) in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Reformatgases, bei dem dem Kraftstoffreformer (6) sowohl Kraftstoff als auch Sekundärluft und/oder Abgas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die Reformierung gewünschter Sauerstoffmassenstrom (M_O2) vorgegeben wird, ein Sauerstoffgehalt des Abgases bestimmt wird, in Abhängigkeit des vorgegebenen Sauerstoffmassenstromes (M_O2) und des bestimmten Sauerstoffgehaltes ein zu entnehmender Abgasmassenstrom (M_Abgas,Soll) ermittelt wird, der als Abgasteilstrom einem Abgashauptstrom entnommen wird, und ein aktueller Abgasmassenstrom (M_Abgas,Ist) bestimmt und in Abhängigkeit des zu entnehmenden Abgasmassenstromes (M_Abgas,Soll) geregelt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes des Abgases dieser mittels einer geeigneten Sensorik gemessen wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes des Abgases dieser aus geeigneten Abgasparameter berechnet wird.
Betriebsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln des zu entnehmenden Abgasstromes (M_Abgas,Soll) ferner zumindest ein weiterer, geeigneter Abgasparameter berücksichtigt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, als Abgasparameter ein Abgasgegendruck, eine Abgastemperatur und/oder eine Abgaszusammensetzung verwendet werden.
Betriebsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasteilstrom dem Abgashauptstrom stromaufwärts einer Abgasturbine (3) entnommen wird und das Reformatgas dem Abgashauptstrom stromabwärts der Abgasturbine (3) zugeführt wird.
Abgassystem zur Abgasnachbehandlung mit einem Hauptabgasstrang (1) und einem davon abgezweigten Nebenabgasstrang (5), in dem ein Kraftstoffreformer (6) vorgesehen ist, der mit einer Kraftstoffzuführung (11) und mit einer Sekundärluftzuführung (8) verbunden ist, und der Nebenabgasstrang (5) zusätzlich ein Regelelement (7) für einen Abgasteilstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffreformer (6) mit einem Betriebsverfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 betreibbar ist.
Abgassystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (7) eine Abgasklappe oder ein Abgasventil ist.
Abgassystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hauptabgasstrang (1) eine Abgasturbine (3) angeordnet ist und der Nebenabgasstrang (5) von dem Hauptabgasstrang (1) stromaufwärts der Abgasturbine (3) abzweigt und stromabwärts wieder in dem Hauptabgasstrang einmündet.