DE102014202291A1 - Abgasreinigungseinrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage (10) für ein Kraftfahrzeug (100), wobei die Abgasanlage (10) einen Hauptabgasstrom (20), einen im Hauptabgasstrom (20) angeordneten Katalysator (21), sowie einen Teilabgasstrom (30) aufweist. Erfindungsgemäß umfasst der Teilabgasstrom (30) einen Reformer (31) zur Reformierung von Kohlenwasserstoffen, eine stromauf des Katalysators (21) von dem Hauptabgasstrom abzweigende Abgaszuführungsleitung (32) zur Zuführung von Abgas vom Hauptabgasstrom (20) zum Reformer (31), sowie eine stromauf des Katalysators (21) in den Hauptabgasstrom (20) und/oder den Katalysator (21) mündende Reformatleitung (34) zur Zuführung eines den Reformer (31) verlassenden, Wasserstoff-Reformats in den Hauptabgasstrom (20). Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein, eine erfindungsgemäße Abgasanlage (10) umfassendes Kraftfahrzeug (100).

Description

• Die Erfindung betrifft eine einen Reformer umfassende Abgasreinigungseinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.
• Bei der Nutzung von Kraftfahrzeugen mit Otto- und insbesondere Dieselmotoren sind gesetzliche Emissionsvorschriften einzuhalten. Ein möglicher Verfahrensschritt zur Entfernung von Stickoxiden ist die chemische Reduktion derselben. Als Reduktionsmittel ist unter anderem der Einsatz von Wasserstoff unter katalytischen Bedingungen bekannt.
• Es ist bekannt, dass zur Reduktion von Stickoxiden verwendeter Wasserstoff im Fahrzeug, beispielsweise in Drucktanks, Flüssigwasserstofftanks oder Metallhydridspeichern, mitgeführt wird. Nachteile solcher Systeme sind u.a. der notwendige Platzbedarf für den Wasserstoffspeicher und die Darstellung einer Infrastruktur zum Nachfüllen des Betriebsstoffes bzw. Reduktionsmittels.
• Darüber hinaus ist die Verwendung von On-Board-Reformern zur Darstellung von H₂ aus Verbrennungsabgasen bekannt.
• Die in DE 103 15 593 A1 beschriebene Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einer Reformiereinheit zur Erzeugung von Wasserstoff durch Wasserdampfreformierung und partieller Oxidation von Kohlenwasserstoffen beziehungsweise Mischformen davon zeichnet sich dadurch aus, dass die Reformiereinheit direkt im Hauptabgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Der für die Reformierung notwendige Wasserdampf und Restsauerstoff stammen aus dem Abgas. Zur Bereitstellung der erforderlichen Reduktionsmittel wird der, vorwiegend mager betriebene Verbrennungsmotor kurzzeitig auf Fettbetrieb umgestellt. Dadurch wird eine Reformierung mittels des Reformers mit den im Abgas vorhandenen Kohlenwasserstoffen ermöglicht.
• Problematisch an diesem Konzept ist, dass der Reformer während des Betriebs des Verbrennungsmotors stets mit Abgas beaufschlagt wird. Darüber hinaus kann eine Anreicherung des zu reformierendenden Kohlenwasserstoffgemischs nur über eine Umstellung des Verbrennungsmotors von magerem auf fetten Betrieb erzielt werden.
• Darüber hinaus sind On-Board-Reformerkonzepte zur Versorgung des Verbrennungsmotors mit Wasserstoff bekannt (zum Beispiel DE 20 7007 001 447 U1 ; DE 10 2012 204 649 A1 ).
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bereitzustellen, welche im Bedarfsfall ermöglicht, eine gezielte Versorgung von Katalysatoren mit Reduktionsmittel, insbesondere mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid, bereitzustellen. Insbesondere soll ein hierzu verwendeter Reformer möglichst unabhängig von einem Verbrennungsmotor betrieben werden können.
• Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst, wobei die Abgasanlage einen Hauptabgasstrom, einen im Hauptabgasstrom angeordneten Katalysator sowie einen Teilabgasstrom aufweist. Der Teilabgasstrom umfasst ferner einen Reformer zur Reformierung von Kohlenwasserstoffen, eine stromauf des Katalysators von dem Hauptabgasstrom abzweigende Abgaszuführungsleitung zur Zuführung von Abgas vom Hauptabgasstrom zum Reformer, sowie eine stromauf des Katalysators in den Hauptabgasstrom und/oder den Katalysator mündende Reformatleitung zur Zuführung eines, den Reformer verlassenden, wasserstoffhaltigen Reformats in den Hauptabgasstrom.
• Durch die Anordnung des Reformers in einem Teilabgasstrom außerhalb des Hauptabgasstroms ist es erfindungsgemäß möglich, den Reformer unabhängig von einem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors zu betreiben. Der Reformer wird somit nicht fortwährend und nicht mit dem gesamten Abgas beaufschlagt. Vielmehr erfolgt eine Beaufschlagung des Reformers nur während einer Reformatanforderung. Somit können vorteilhafter Weise die Standzeiten des Reformers verlängert werden.
• Der erfindungsgemäße Teilabgasstrom umfasst insbesondere lediglich 5 bis 20%, bevorzugt 10 bis 15% des Hauptabgasstroms. Dies kann zum einen durch geeignete Durchmesser der Zuführungsleitungen oder insbesondere durch zumindest ein geeignetes, bevorzugt steuer- oder regelbares, Ventil erreicht werden, welches als Verbindungselement zwischen Hauptabgasstrom und Teilabgasstrom, oder im Teilabgasstrom selbst angeordnet ist.
• Über den Teilabgasstrom wird dem Reformer eine definierte Menge des Abgases zugeführt, welches dann mittels Reformierung, also einer katalytischen Oxidation zu einem Reformat umgewandelt wird.
• Das bei der Reformierung entstandene Reformat wird über die Reformatleitung dem Katalysator zugeführt. Die Zuführung kann indirekt über den Hauptabgasstrom, als auch direkt in den Katalysator erfolgen. Als indirekt wird eine Zuführung verstanden, welche stromauf des Katalysators angeordnet ist, sodass das Reformat zunächst dem Hauptabgasstrom und von diesem über eine bestehende Verbindung zwischen Hauptabgasstrom und Katalysator wiederum dem Katalysator zugeführt wird. Je nach Abgasbeaufschlagung der Leitung kann es dabei zu einer Vermischung von Abgas und Reformat kommen. Alternativ oder zusätzlich kann das Reformat über eine separate Verbindung zwischen Reformatleitung und Katalysator dem Katalysator direkt zugeführt werden.
• Bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff H₂ existieren zwei Reaktionsmöglichkeiten. Bei der ersten Variante, die ohne direkte Sauerstoffzufuhr erfolgt, handelt es sich um die Dampfreformierung, bei der der Kohlenwasserstoff mit Wasserdampf umgesetzt wird. Diese stark endotherme Reaktion ist am Beispiel von Methan CH₄ durch die nachfolgende Reaktion (1) dargestellt. Zur Verbesserung der Ausbeute und der Energiebilanz kann in einer nachgeschalteten Folgereaktion (2), der leicht exothermen sogenannten Wassergas-Shift-Reaktion (WGS), das gebildete Kohlenmonoxid weiter umgesetzt werden. Diese Art der Reaktionsführung hat den Vorteil einer hohen Wasserstoffausbeute, benötigt jedoch aufgrund der insgesamt negativen Gesamtenergiebilanz die äußere Zufuhr von Energie, insbesondere in Form von Wärme. CH₄H₂O → CO + 3H₂ ΔH = 206 kJ/mol (1) CO + H₂O → CO₂H₂ ΔH = 41 kJ/mol (2)
• Erfolgt die Reformierung hingegen in Gegenwart von substöchiometrischen Mengen Sauerstoff, findet die partielle Oxidation des Kohlenwasserstoffs gemäß Gleichung (3) statt. Die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen ist, im Gegensatz zur Wasserdampfreformierung, exotherm (keine Wärmezufuhr notwendig) allerdings ist entsprechend Reaktionsgleichung (3) eine geringere Wasserstoffausbeute erzielbar. CH₄ + ½O₂ → CO + 2H₂ ΔH = 44 kJ/mol (3)
• Daneben ist die autotherme Reformierung bekannt, bei der es sich um eine Mischform aus der endothermen Dampfreformierung und der partiellen Oxidation handelt. Hierbei werden die Anteile an Wasserdampf und Sauerstoff so eingestellt, dass die Umsetzung energieneutral verläuft.
• Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens entsprechen die im Reformer stattfindenden Reaktionen bevorzugt ebenfalls einer Mischung aus der endothermen Dampfreformierung und der partiellen Oxidation, allerdings vorzugsweise mit einem leichten Schwerpunkt zugunsten der partiellen Oxidation. Dabei dient das Abgas, das gegenüber der Umgebung eine höhere Temperatur aufweist, einerseits als Lieferant für thermische Energie für die endotherme Reformierungsreaktion gemäß Gleichung (1) und sorgt somit für eine Wirkungsgradverbesserung. Zudem ist das Abgas durch die motorische Verbrennung des aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoffs mit Wasserdampf angereichert, wodurch die Prozessausbeute an Wasserstoff verbessert wird. Somit wird ein höherer H₂-Anteil im Reformat erzielt, beziehungsweise es muss für eine gewünschte H₂-Konzentration im Reformat weniger Kraftstoff aufgewendet werden. Auf der anderen Seite dient der Sauerstoff, der aus dem Restsauerstoff des Abgases stammt, der exothermen Verbrennung des Kraftstoffs nach Gleichung (3), deren Wärmefreisetzung zur Aufrechterhaltung der Reformierungsreaktion nach Gleichung (1) dient.
• Wesentliche Vorteile der beschriebenen autothermen Reformierungsweise sind ein erweiterter Betriebsbereich des Kraftstoffreformers und eine höhere spezifische Brenngasausbeute.
• Bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen handelt es sich um einen katalytischen Prozess, welcher wesentlich von einer möglichst homogenen Zusammensetzung eines Gemischs aus Kohlenwasserstoffen und Luft beziehungsweise Kohlenwasserstoffen und Abgas beeinflusst wird. Daher ist in vorliegender Erfindung ein Reformer bevorzugt, welcher über eine räumliche Trennung zwischen Gemischaufbereitung und katalytischer Umsetzung verfügt.
• In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reformer eine Partikelfiltereinheit umfasst. Insbesondere ist diese Partikelfiltereinheit in einem Bereich des Reformers angeordnet, der einen die Reformierung begünstigenden Katalysator aufweist. Vorzugsweise wird anstelle eines Reformerkatalysators eine katalytisch beschichtete Filtrationseinrichtung, also ein Reformer-Partikel-Filter (RPF) im Reformer verwendet, welcher neben der Funktion der Kraftstoffreformierung auch eine Partikelrückhaltung gewährleistet. Damit kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, dass Rußpartikel, welche bei einer Abgasentnahme, insbesondere bei Motoren mit Direkteinspritzung, durch rußhaltiges Abgas dem Reformer zugeführt und nicht vollständig oxidiert werden, an den Verwendungsort des Reformats gelangen. Davon unabhängig kann auch bei der Reformierung selbst Ruß entstehen, welcher durch einen separaten oder kombinierten Partikelfilter innerhalb des Reformers in diesem verbleibt und somit nicht in die Reformatleitung gelangt.
• Die im Filter zurückgehaltenen Verunreinigungen (Ruß oder langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen) werden größtenteils im Zusammenhang mit einer vorliegenden Reformatanforderung, also einem aktiven Reformerbetrieb, im Wege der Wasserstofferzeugung beseitigt.
• Ist dies jedoch nicht vollständig gewährleistet, besteht in bestimmten Zeitintervallen eine Regenerationsnotwendigkeit für die Partikelfiltereinheit. Die Regeneration kommt grundsätzlich der Regeneration eines herkömmlichen Rußpartikelfilters gleich, wie er beispielsweise bei Dieselmotoren Verwendung findet. Somit kann eine Regenerationsanforderung beispielsweise zeitgesteuert, in Abhängigkeit von Differenzdrücken und/oder Ähnlichem erfasst werden. Die Regeneration des Rußpartikelfilters (RPF) selbst kann dann mithilfe der Abgasentnahme passiv, also ohne Kraftstoff, oder aber aktiv, also unter Zuführung von Kraftstoff, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch mit Hilfe einer separaten Zufuhr von Luft wiederum mit und ohne Kraftstoffzufuhr die Filtrationseinrichtung regeneriert beziehungsweise ausgebrannt werden. Vorzugsweise erfolgt die aktive Regeneration der Filtrationseinrichtung im Zusammenhang mit einer vorliegenden Reformatanforderung, also einem aktiven Reformerbetrieb. Erfolgt die Regeneration der Filtrationsanforderung hingegen passiv, also ohne Kraftstoffzufuhr, so findet dies bevorzugt dann statt, wenn sich der Motor im sogenannten Schubbetrieb befindet, also bei einem sehr mageren Gemisch (λ >> 1).
• Vorzugsweise wird der Partikelfilter, im Gegensatz zur dieselmotorischen Partikelfilterregeneration, verbrauchsneutral regeneriert. Dies erfolgt insbesondere durch eine entsprechende Prozessführung der Reformierung, bei der das Reformerluftverhältnis etwas höher als im Normalfall eingestellt wird, oder durch die beschriebenen passiven Methoden.
• Je nach Ausführung der Regeneration, beziehungsweise in Abhängigkeit der vorliegenden Reformerluftverhältnisse finden in fetter Fahrweise die Reaktionen C + H₂O ↔ CO + H₂ und C + CO₂ ↔ 2CO statt. In magerer Fahrweise hingegen erfolgt eine mit C + O₂ ↔ CO₂ beschreibbare Umsetzung des Kohlenstoffs (Ruß). Um sicherzustellen, dass eine für die Regeneration erforderliche Mindesttemperatur anliegt, kann der Reformer mittels kurzzeitiger Kraftstoffverbrennung (im Heizbetrieb bei überstöchiometrischem Luftverhältnis oder bei gleichzeitiger Reformierung bei unterstöchiometrischem Luftverhältnis) oder mittels des heißen Abgases vorkonditioniert werden.
• Aufgrund der Anordnung der Reformer-Filtrationseinheit im Teilabgasstrom kann die Regeneration unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine erfolgen.
• In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reformer oder die Abgaszuführungsleitung fluidführend mit einer Kraftstoffleitung zur Zuführung von Kraftstoff zum Reformer in Verbindung steht. Vorzugsweise verfügt die Kraftstoffzuleitung ihrerseits über ein steuer- und/oder regelbares Ventil. Die Anordnung einer separaten Kraftstoffzufuhr unterstützt mit Vorteil eine schnelle Betriebsbereitschaft des Reformers, da er unabhängig von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors betrieben werden kann. Zudem kann mithilfe einer separaten Kraftstoffzufuhr der Abgasteilstrom bei Bedarf angefettet werden, ohne die Fahrweise des Verbrennungsmotors zu verändern, was wiederum einen geringeren Kraftstoffbedarf zur Folge hat. Der Reformer wird also vorteilhafterweise nicht durch die Motorlast des Verbrennungsmotors beeinflusst.
• Vorzugsweise steht der Reformer oder die Abgaszuführungsleitung fluidführend mit einer Frischluftzuführung in Verbindung. Sauerstoff ist ein notwendiges Edukt für einen Teil der autothermen Reformierung, nämlich der katalytischen partiellen Oxidation. Eine separate Frischluftzufuhr ermöglicht eine gezielte Beimischung von Sauerstoff in den Bereich des Reformers, welcher für die Gemischaufbereitung vorgesehen ist. Somit kann unabhängig von der Abgasbeaufschlagung und der Zusammensetzung des Abgases eine homogene Mischung aus Sauerstoff und zu reformierenden Kohlenwasserstoffen vorgelegt werden.
• Bevorzugt erfolgt die Kraftstoffreformierung überwiegend oder ausschließlich mit Abgas. Bei Reformerstart, bei geringen Sauerstoffgehalten im Abgas (< 2–3%) oder bei der RPF-Regeneration kann dem Reformer Luft zugeführt werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Katalysator im Hauptabgasstrom ein zur chemischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildeter Katalysator, insbesondere ein NO_x-Speicherkatalysator, ein SCR-Katalysator, ein Reduktionskatalysator oder Kombinationen von diesen. Das verwendete Reformat wird vorzugsweise sowohl zur Regeneration als auch zur Unterstützung der Katalysatoren verwendet. Bei der Einleitung von reduzierend wirkendem Reformat in einen NO_x-Speicherkatalysator können die Stickoxide beispielsweise über 2NO₂ + 2H₂ + CO ↔ N₂ + CO₂ + 2H₂O direkt zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser umgesetzt werden. Dieser Prozess kann vorteilhafterweise die bislang mittels fettem Motorbetrieb oder Kraftstoff nach Einspritzung durchgeführte Regeneration von NO_x-Katalysatoren ablösen. Alternativ kann die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators bevorzugt so geführt werden, dass eine stärkere Anfettung zu einer vermehrten Bildung von NH₃ führt. Dieses NH₃ kann für die Stickoxidreduktion auf dem nachfolgenden SCR-Katalysator genutzt werden. Im Falle von SCR-Katalysatoren entfällt damit die Notwendigkeit der Ammoniakzuführung, bei der es erforderlich ist, die Ausgangssubstanz, nämlich Harnstoff, in einem regelmäßig aufzufüllenden Vorratsbehälter im Fahrzeug mitzuführen. Bei einer erfindungsgemäßen Reformereinheit ist der Platzbedarf deutlich geringer als der für eine Harnstoffvorhaltung notwendige Platz. Zudem entfällt eine externe Nachfüllung der Anlage, was wiederum geringere Anforderungen an die Wahl des Anbringungsortes stellt.
• Vorzugweise ist im Haupt- und/oder Teilabgasstrom zumindest ein weiterer Katalysator angeordnet. Dieser kann ebenfalls ein NO_x-Speicherkatalysator, ein SCR-Katalysator und/oder ein Reduktionskatalysator sein. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht in einer möglichen Vorbehandlung des Abgases und/oder einer Nachbehandlung des Reformats und einer daraus resultierenden erhöhten Ausbeute bei der Nachbehandlung. Vorzugsweise ist im Teilabgasstrom zumindest ein weiterer Katalysator angeordnet. Dieser kann beispielsweise ein WGS-Katalysator zur Erhöhung der spezifischen Wasserstoffausbeute oder ein Oxidationskatalysator zur Emissionsminderung bei Reformerkaltstart sein.
• Ferner ist bevorzugt, dass die Abgasanlage weiterhin eine Abgabturbine eines Abgasturboladers umfasst und die Abgaszuführungsleitung auf der Hoch- oder Niederdruckseite der Abgasturbine des Abgasturboladers von dem Abgasstrom abzweigt. Der Abgasturbolader kann auch zweistufig ausgeführt sein, mit je zwei hintereinandergeschalteten Turbinen und Verdichtern. In einem solchen Fall sind prinzipiell alle denkbaren Konstellationen bezüglich der Entnahmestellen des dem Reformer zugeführten Abgases denkbar, nämlich auf Hochdruck- oder Niederdruckseite der Turbine beziehungsweise im Mitteldruckbereich zwischen zwei Turbinen. Hinsichtlich der Entnahmestellen, sowie der dem Reformer zugeführten Frischluft, können diese auf Hochdruck- oder Niederdruckseite des Verdichters beziehungsweise im Mitteldruckbereich zwischen zwei Verdichtern vorgesehen sein, das heißt die Frischluftzuführungsleitung zur Zuführung von Frischluft zu dem Reformer steht mit dem Luftzuführungssystem auf der Niederdruck- oder Hochdruckseite der Turbine in Verbindung. Jegliche Kombination der Abgas- und Frischluftentnahmestellen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst. Vorzugsweise wird das dem Reformer zugeführte Abgas auf der Hochdruckseite einer Turbine eines Abgasturboladers, das heißt stromauf der Turbine, entnommen, das heißt die Abgaszuführungsleitung zur Zuführung von Abgas zu dem Reformer steht mit dem Abgaskanal auf der Hochdruckseite der Turbine in Verbindung. Weiterhin ist eine Frischluftzufuhr auch durch einen zusätzlichen, elektrischen Verdichter, z. B. eine Sekundärluftpumpe, realisierbar.
• Eine besonders bevorzugte Konstellation sieht die Entnahme des Abgases für den Reformer auf der Hochdruckseite der Turbine vor. Durch die Abgasentnahme vor dem Turbolader steht jederzeit ein ausreichendes Druckgefälle zur Bereitstellung der notwendigen Abgasmassenströme zur Verfügung. Zudem resultiert eine Abzweigung der Abgaszuführung stromauf der Abgasturbine aufgrund des dort vorliegenden hohen Abgastemperaturniveaus in einer schnelleren Betriebsbereitschaft des Reformers.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Abgasanlage, insbesondere eines Antriebsaggregats des Kraftfahrzeuges, in einer der möglichen Ausführungsformen umfasst.
• Das Kraftfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor auf, wobei der Teilabgasstrom der Abgasanlage insbesondere eine Zuleitung zur Zuführung von dem Reformer verlassenden, wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen Reformat in den Verbrennungsmotor aufweist. Durch eine derartige Anordnung kann das bei der Reformierung entstehende Reformat alternativ oder zusätzlich dem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Bei Dieselmotoren beispielsweise, kann der im Reformat enthaltende Wasserstoff die Zündwilligkeit des Kraftstoffs und somit den Wirkungsgrad erhöhen.
• Somit handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug bevorzugt, aber nicht notwendig um ein dieselmotorisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Neben der möglichen Nutzung des Reformats als Kraftstoffzusatz fällt bei Dieselmotoren gegenüber Otto- und insbesondere Flüssiggas-Motoren sowohl bei der Verbrennung als auch bei der Reformierung eine höhere Menge an Rußpartikeln an, sodass eine erfindungsgemäße Abgasanlage, insbesondere eine einen Partikelfilter umfassende Ausgestaltung einer solchen mit Vorteil in dieselmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen Verwendung findet.
• Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines eine Partikelfiltereinheit aufweisenden Reformers, wobei in Abhängigkeit von einem vorliegendem Reformerluftverhältnis Kohlenstoffpartikel mit Wasserdampf und/oder Kohlendioxid oder mit Sauerstoff umgesetzt werden.
• Je nach Ausführung der Regeneration, beziehungsweise in Abhängigkeit der vorliegenden Reformerluftverhältnisse finden in fetter Fahrweise die Reaktionen C + H₂O ↔ CO + H₂ und C + CO₂ ↔ 2CO statt. In magerer Fahrweise hingegen erfolgt eine mit C + O₂ ↔ CO₂ beschreibbare Umsetzung des Kohlenstoffs (Ruß). Die Reaktionspartner Wasserdampf und Kohlendioxid können dem Teilabgasstrom, Sauerstoff einer Sekundärluftzufuhr entnommen werden. Vorteilhafterweise werden diese Komponenten in einem regulären Reformierungsbetrieb dem Reformer zugeführt, sodass die Regeneration des Partikelfilters im Reformierungsbetrieb stattfinden kann.
• Alternativ oder zusätzlich kann eine Regeneration des Partikelfilters auch unter Kraftstoffzufuhr erfolgen. Um sicherzustellen, dass eine für die Regeneration erforderliche Mindesttemperatur anliegt, kann der Reformer mittels kurzzeitiger Kraftstoffverbrennung (im Heizbetrieb bei überstöchiometrischem Luftverhältnis oder bei gleichzeitiger Reformierung bei unterstöchiometrischem Luftverhältnis) oder mittels des heißen Abgases vorkonditioniert werden.
• Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
• Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine zugehörige Zeichnung erläutert. Es zeigt
• 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage mit einer Reformer-Partikelfiltereinheit.
• 1 stellt ein schematisch angedeutetes Kraftfahrzeug 100 in einer vorteilhaften Ausgestaltung mit einem Antriebsaggregat dar. Dieses umfasst einen, insbesondere mit flüssigem Kraftstoff, beispielsweise Diesel oder Ottokraftstoff betriebenen, Verbrennungsmotor 40 sowie eine erfindungsgemäße Abgasanlage 10 in einer vorteilhaften Ausgestaltung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Figur die Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors 40 nicht eingezeichnet. Insbesondere kann der Kraftstoff direkt den Zylindern des Motors 40 und/oder zu dessen Verbrennungsluft zugeführt werden.
• Der Verbrennungsmotor 40 ist mit der Abgasanlage 10 verbunden. Die Abgasanlage 10 umfasst einen Hauptabgasstrom 20, in den die Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsmotor 40 eingeleitet werden.
• Die Abgasanlage 10 verfügt ferner über einen Abgasturbolader, der eine im Hauptabgasstrom 20 angeordnete und vom Abgas angetriebene Abgasturbine 22 umfasst sowie einen nicht dargestellten, in der Luftleitung des Verbrennungsmotors 40 angeordneten Verdichter. Die Abgasturbine 22 und der Verdichter sind insbesondere mechanisch beispielsweise über eine Welle miteinander verbunden, sodass die Abgasturbine 22 den Verdichter antreibt und die dem Verbrennungsmotor 40 zuzuführende Verbrennungsluft komprimiert wird. Alternativ kann der Verbrennungsmotor 40 auch zweistufig aufgeladen sein, indem das Antriebsaggregat jeweils zwei Abgasturbinen 22 und Verdichter hintereinander geschaltet umfasst.
• Zudem ist in dargestellter Ausgestaltung ein Katalysator 21 im Hauptabgasstrom 20 angeordnet. Bei diesem kann es sich grundsätzlich um alle in der Abgastechnik bekannten Katalysatoren handeln, bevorzugt werden in vorliegender Erfindung jedoch Speicherkatalysatoren für Stickoxide, Reduktionskatalysatoren, SCR-Katalysatoren sowie Kombinationen aus den genannten Katalysatoren eingesetzt.
• Die Abgasanlage 10 umfasst ferner einen insgesamt mit 30 bezeichneten Teilabgasstrom. Dieser beginnt mit einer Abgaszuführungsleitung 32, welche in dargestellter Ausgestaltung der Erfindung stromauf der Abgasturbine 22 vom Hauptabgasstrom abzweigt und in einem Reformer 31 mündet. Die Abgaszuführungsleitung verfügt über ein Ventil, über den die Abgasbeaufschlagung des Teilabgasstroms auf 5 bis 20%, bevorzugt 10 bis 15% des Hauptabgasstroms 20 gesteuert und/oder geregelt beziehungsweise unterbrochen werden kann.
• Der Reformer 31 ist in dargestellter Ausgestaltung zweiteilig ausgeführt. Er umfasst einen Bereich für eine Eduktdurchmischung, in den die Edukte, also Abgas und/oder Kraftstoff und oder/Luft eingebracht werden. Damit in Verbindung steht ein Bereich zur Reformierung, welcher einen zur Reformierung, also zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Wasserstoff und Kohlenmonoxid, geeignetes katalytisches Material umfasst. In der dargestellten Ausführung ist dieses Material zudem als Partikel rückhaltende Filtrationseinheit, also als Reformer-Partikelfilter-Einheit 33 ausgeführt.
• Der Reformer 31 kann zusätzlich über eine Kraftstoffleitung 13 zur Zuführung von Kraftstoff verfügen. Der Kraftstoff wird dann mittels einer Pumpe 15 aus einem nicht dargestellten Reservoir in die Kraftstoffleitung 13 gefördert. Um den zusätzlich für die Spaltung des Kohlenwasserstoffs vorgesehenen Reaktionspartner, nämlich Sauerstoff O₂ zuzuführen, ist der Reformer 31 zusätzlich mit einer Frischluftzuführung 14 verbunden, welche dem Reformer über einen Frischluftverdichter 16 Frischluft direkt aus der Umgebung oder aus einer Luftleitung zuführt. Die Frischluftleitung 14 kann direkt in den Reformer 31 münden oder – wie dargestellt – in die Abgaszuführungsleitung 32.
• Die dem Reformer 31 zuzuführenden Massenströme an Abgas und an Frischluft sind über ein stromaufwärts des Reformers 31 angeordnetes Ventil beziehungsweise einen in der Frischluftzuführung 14 angeordneten Verdichter 16 (oder Ventil) beeinflussbar. Der Verdichter 16 weist vorzugsweise ein zusätzliches Rückschlagventil auf (nicht dargestellt), um bei Nichtbetrieb oder Ausfall des Verdichters ein unkontrolliertes Rückströmen von Abgas zu verhindern. Das Ventil und der Verdichter 16 sind vorzugsweise variabel steuerbar.
• In dem in der Figur dargestellten Beispiel erfolgt die Entnahme des Abgases für den Reformer 31 stromauf der Abgasturbine 22, das heißt auf ihrer Hochdruckseite. Gleichfalls erfolgt die Entnahme der dem Reformer 31 zuzuführenden Frischluft auf der Hochdruckseite des Verdichters 16, also stromab desselben.
• Das den Reformer 31 verlassende Gasgemisch (Reformat), das neben Wasserstoff H₂ hauptsächlich Kohlenmonoxid CO enthält, wird über eine Reformatleitung 34 abgeleitet und dem Hauptabgasstrom 20 auf der Niederdruckseite der Abgasturbine 22 zugeleitet. Im dargestellten Beispiel kann das Reformat zudem über eine Zuleitung dem Verbrennungsmotor zugeführt werden, sodass das Reformat dem Verbrennungsmotor 40 neben dem Hauptkraftstoff (z. B. Dieselkraftstoff) als Zusatzkraftstoff dienen kann.
• Die Abgasanlage 10 in dargestellter Figur umfasst ferner Mittel zur Steuerung eines dem Reformer 31 zuzuführenden Verhältnisses aus Abgas und Frischluft, insbesondere zur Steuerung des Sauerstoffanteils im zugeführten Hauptabgasstrom 20. Diese Mittel umfassen insbesondere eine Steuereinrichtung, welche die entsprechenden Stellmittel zur Beeinflussung der Abgas- 32 und Frischluftmassenströme 14 ansteuert, und gegebenenfalls ein Ventil 36 die Pumpe 15 und den Verdichter 16. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung auch die Kraftstoffzuführung 13 zur Zuführung des Kraftstoffs zu dem Reformer 31 steuern.-. Optional kann zur Steuerung der Abgas- 32 und Frischluftteilströme 14, eine im Hauptabgasstrom 20 installierte Abgas-Lambdasonde, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde dienen (nicht dargestellt). Daneben kann der Massenstrom des Kraftstoffs berechnet oder gemessen werden.
• Der Reformer 31 in der gezeigten Ausgestaltung hat die Funktion, ihm über den Teilabgasstrom 32 zugeführtes Abgas und/oder über die Kraftstoffleitung 13 zugeführten Kraftstoff gegebenenfalls unter zu Hilfenahme von Frischluft aus einer Frischluftzuführung 14 zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umzuwandeln. Bei diesem Prozess entstehende oder über mit dem Abgas eingeschleppte feste Partikel wie Ruß, werden in der Reformer-Partikelfilter-Einheit 33 zurückgehalten und gelangen nicht mit dem Reformat über die Reformatleitung 34 an den Bestimmungsort. Die Reformatleitung 34 führt das Reformat einem Katalysator 21 zu, in welchem sie beispielsweise der Reduktion von Stickoxiden und oder der Unterstützung des katalytischen Prozesses dienen. Alternativ oder zusätzlich wird das Reformat über eine Zuleitung 35 dem Verbrennungsmotor 40 zugeführt, wo insbesondere durch Wasserstoff eine Erhöhung der Zündwilligkeit des Kraftstoffs, insbesondere Dieselkraftstoffs erfolgen kann.
• Der in der Reformer-Partikelfilter-Einheit 33 zurückgehaltene Ruß führt in Abhängigkeit von dessen Konzentration zunehmend zu einer Verstopfung der Filtereinheit 33 und damit zu einer Druckerhöhung im Reformer 31. Die im Filter zurückgehaltenen Verunreinigungen (Ruß oder langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen) werden größtenteils im Zusammenhang mit einer vorliegenden Reformatanforderung, also einem aktiven Reformerbetrieb, parallel zur Wasserstofferzeugung beseitigt. Ist dies jedoch nicht vollständig gewährleistet, besteht in bestimmten Zeitintervallen eine Regenerationsnotwendigkeit für die Filtrationseinrichtung. Zur Regeneration der Filtereinheit 33 ist ein Verfahren erforderlich, welches grundsätzlich der Regeneration von herkömmlichen, beispielsweise in Dieselfahrzeugen, verwendeten Kraftfahrzeugen gleicht. Die Regeneration kann dann mithilfe der Abgaszuführungsleitung 32 passiv, also ohne Kraftstoff, oder aber aktiv, also unter Zuführung von Kraftstoff durch die Kraftstoffleitung 13, erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch mithilfe der separaten Frischluftzuführung 14 wiederum mit und ohne Kraftstoffzufuhr die Filtrationseinrichtung regeneriert, beziehungsweise ausgebrannt werden. Vorzugsweise erfolgt die aktive Regeneration der Filtereinheit 33 im Zusammenhang mit einer vorliegenden Reformatanforderung, also einem aktiven Reformerbetrieb. Erfolgt die Regeneration der Filtereinheit hingegen passiv, also ohne Kraftstoffzufuhr, so findet dies bevorzugt dann statt, wenn sich der Motor im sogenannten Schubbetrieb befindet, also bei λ >> 1.
• Um sicherzustellen, dass eine für die Regeneration erforderliche Mindesttemperatur anliegt, kann der Reformer mittels kurzzeitiger Kraftstoffverbrennung (im Heizbetrieb bei überstöchiometrischem Luftverhältnis oder bei gleichzeitiger Reformierung bei unterstöchiometrischem Luftverhältnis) oder mittels des heißen Abgases vorkonditioniert werden.
• Bezugszeichenliste

10

Abgasanlage

13

Kraftstoffleitung

14

Frischluftzuführung

15

Pumpe für Kraftstoff

16

Frischluftverdichtung

20

Hauptabgasstrom

21

Katalysator

22

Abgasturbine

30

Teilabgasstrom

31

Reformer

32

Abgaszuführungsleitung

33

Reformer-Partikelfilter-Einheit

34

Reformatleitung

35

Zuleitung

36

Ventil

40

Verbrennungsmotor

100

Kraftfahrzeug

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10315593 A1 [0005]
• DE 207007001447 U1 [0007]
• DE 102012204649 A1 [0007]

Claims (10)

1. Abgasanlage (10) für ein Kraftfahrzeug (100), wobei die Abgasanlage (10) einen Hauptabgasstrom (20), einen im Hauptabgasstrom (20) angeordneten Katalysator (21), sowie einen Teilabgasstrom (30) aufweist, und der Teilabgasstrom (30) – einen Reformer (31) zur Reformierung von Kohlenwasserstoffen, – eine stromauf des Katalysators (21) von dem Hauptabgasstrom abzweigende Abgaszuführungsleitung (32) zur Zuführung von Abgas vom Hauptabgasstrom (20) zum Reformer (31), sowie – eine stromauf des Katalysators (21) in den Hauptabgasstrom (20) und/oder in den Katalysator (21) mündende Reformatleitung (34) zur Zuführung eines den Reformer (31) verlassenden, wasserstoffhaltigen Reformats in den Hauptabgasstrom (20) umfasst.
2. Abgasanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (31) eine Partikelfiltereinheit (33) umfasst.
3. Abgasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (31) oder die Abgaszuführungsleitung (32) fluidführend mit einer Kraftstoffleitung (13) zur Zuführung von Kraftstoff zum Reformer in Verbindung steht.
4. Abgasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (31) oder die Abgaszuführungsleitung (32) fluidführend mit einer Frischluftzuführung (14) in Verbindung steht.
5. Abgasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (21) ein NO_x-Speicherkatalysator, ein SCR-Katalysator, ein Reduktionskatalysator oder eine Kombination aus diesen ist.
6. Abgasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptabgasstrom (20) und/oder im Teilabgasstrom (30) zumindest ein weiterer Katalysator angeordnet ist.
7. Abgasanlage (10), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (10) weiterhin eine Abgasturbine (22) eines Abgasturboladers umfasst und die Abgaszuführungsleitung (32) auf der Hoch- oder Niederdruckseite der Abgasturbine (22) des Abgasturboladers von dem Hauptabgasstrom (20) abzweigt.
8. Kraftfahrzeug (100), umfassend einen Verbrennungsmotor (40) und eine Abgasanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Kraftfahrzeug (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilabgasstrom (30) eine Zuleitung (35) zur Zuführung von den Reformer (31) verlassenden, wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltigen Reformat in den Verbrennungsmotor (40) aufweist.
10. Kraftfahrzeug (100) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist.

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