DE102014204307A1 - Method and arrangement for the treatment of exhaust gases of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem Abgase des Verbrennungsmotors einem SCR-Katalysator (120) zur selektiven katalytischen Reduktion zugeführt werden, wobei in dem Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) am SCR-Katalysator (120) durch Reaktion mit Ammoniak (NH3) zu Stickstoff (N2) reduziert werden, wird das Ammoniak (NH3) wenigstens teilweise durch Reaktion von in einem Speichertank (130) bereitgestelltem Urin mit einem bakteriellen Katalysator gewonnen.The present invention relates to a method and an arrangement for treating exhaust gases from an internal combustion engine of a motor vehicle. In a method according to the invention, in which exhaust gases from the internal combustion engine are fed to an SCR catalytic converter (120) for selective catalytic reduction, nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas on the SCR catalytic converter (120) by reaction with ammonia (NH3) to form nitrogen ( N2) are reduced, the ammonia (NH3) is at least partially obtained by reaction of urine provided in a storage tank (130) with a bacterial catalyst.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors.The present invention relates to a method and an arrangement for the treatment of exhaust gases of an internal combustion engine.
Die Einführung von immer strengeren NOx-Grenzwerten hat zur Entwicklung diverser Abgasnachbehandlungstechnologien geführt, um eine Kontrolle der NOx-Emissionen (= Stickoxid-Emissionen) im Abgas eines Dieselmotors zu erzielen. The introduction of increasingly stringent NO x limits has led to the development of a variety of exhaust aftertreatment technologies to control NO x emissions (= nitrogen oxide emissions) in the exhaust of a diesel engine.
Eine dieser Lösungen ist der sogenannte NOx-Speicherkatalysator (LNT = "Lean NOx Trap"), dessen Funktionsprinzip darauf beruht, Stickoxide (NOx) unter mageren Abgasbedingungen zunächst zu speichern und dann unter Einstellung eines fetten, reduzierenden Abgasgemischs in einer Regenerationsphase umzuwandeln. One of these solutions is the so-called NO x trap (LNT = "Lean NOx Trap"), whose operating principle is based on nitrogen oxides (NOx) under lean exhaust conditions to first save, and then setting a rich, reducing exhaust gas mixture converted in a regeneration phase, ,
Eine zweite Technologie zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) ist die selektive katalytische Reduktion in einem sogenannten SCR-Katalysator (SCR = "Selective Catalytic Reduction" = "selektive katalytische Reduktion"). Hierbei ist insbesondere ein Harnstoff-SCR-System bekannt, bei welchem eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrom am SCR-Katalysator eingespritzt wird. Dabei wird die Reaktion des Harnstoffs ((NH2)2CO) zu Ammoniak (NH3) und Wasser (H2O) genutzt, wobei das am SCR-Katalysator gebildete Ammoniak (NH3) die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) zu Stickstoff (N2) reduziert. A second technology for the reduction of nitrogen oxides (NO x ) is the selective catalytic reduction in a so-called SCR catalyst (SCR = "Selective Catalytic Reduction"). Here, in particular, a urea-SCR system is known in which an aqueous urea solution is injected into the exhaust gas stream at the SCR catalyst. The reaction of the urea ((NH 2 ) 2 CO) to ammonia (NH 3 ) and water (H 2 O) is used, the ammonia (NH 3 ) formed on the SCR catalyst containing the nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas. reduced to nitrogen (N 2 ).
Ein beim letztgenannten Ansatz in der Praxis auftretendes Problem ist die Bereitstellung einer ausreichenden Menge von Reduktionsmitteln, um eine effektive fahrzeugseitige Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) zu erreichen.A problem occurring in practice in the latter approach is the provision of a sufficient amount of reducing agents in order to achieve an effective vehicle-side reduction of the nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas.
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welche eine effektive Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) unter gleichzeitiger Ausnutzung vorhandener natürlicher Ressourcen ermöglichen.It is an object of the present invention to provide a method and an arrangement for treating exhaust gases of an internal combustion engine, which allow effective reduction of nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas while utilizing existing natural resources.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. die Anordnung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 10 gelöst.This object is achieved by the method according to the features of the independent patent claim 1 and the arrangement according to the features of the independent claim 10.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, wobei Abgase des Verbrennungsmotors einem SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion zugeführt werden und wobei in dem Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) am SCR-Katalysator durch Reaktion mit Ammoniak (NH3) zu Stickstoff (N2) reduziert werden, wird das Ammoniak (NH3) wenigstens teilweise durch Reaktion von in einem Speichertank bereitgestelltem Urin mit einem bakteriellen Katalysator gewonnen.In a method according to the invention for the treatment of exhaust gases of an internal combustion engine of a motor vehicle, exhaust gases of the internal combustion engine are fed to an SCR catalytic converter for selective catalytic reduction and wherein nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas are oxidised on the SCR catalytic converter by reaction with ammonia (NH 3 ). is reduced to nitrogen (N 2 ), the ammonia (NH 3 ) is recovered at least in part by reaction of urine provided in a storage tank with a bacterial catalyst.
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, zur Erzeugung von Ammoniak (NH3), welches in einem einen SCR-Katalysator beinhaltenden Abgasnachbehandlungssystem bzw. -verfahren zur Reduzierung von NOx-Emissionen (= Stickoxid-Emissionen) erforderlich ist, Urin in Verbindung mit einem bakteriellen Katalysator zu verwenden. The invention is based in particular on the concept of producing ammonia (NH 3 ), which is required in an exhaust aftertreatment system or process comprising a SCR catalyst for reducing NO x emissions (= nitrogen oxide emissions), urine in conjunction with to use a bacterial catalyst.
Unter einem „bakteriellen Katalysator“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung jede bakterielle Substanz verstanden, welche dazu geeignet ist, eine enzymatische Umwandlung des im Urin enthaltenen Harnstoffes herbeizuführen. Die Bezeichnung „bakterieller Katalysator“ ist hierbei insofern geeignet, als jedes Enzym einen biochemischen Katalysator darstellt, der dabei hilft, ein Substrat zu spalten bzw. zu verändern. Dabei können die entsprechenden Enzyme in Reinform zugegeben oder auch über geeignete Ausgangsstoffe bereitgestellt werden, welche die jeweiligen Enzyme im Wege eines Fermentationsprozesses bzw. Gärungsprozesses z. B. durch eine Spontangärung abzugeben in der Lage sind. Insbesondere sollen von dem Begriff „bakterieller Katalysator“ sog. Ureasen als umfasst gelten, welche die Spaltung von Harnstoff in Kohlendioxid und Ammoniak unter Verbrauch von Wasser katalysieren.For the purposes of the present invention, a "bacterial catalyst" means any bacterial substance which is suitable for bringing about an enzymatic conversion of the urea contained in the urine. The term "bacterial catalyst" is suitable insofar as each enzyme is a biochemical catalyst that helps to cleave or alter a substrate. In this case, the corresponding enzymes can be added in pure form or be provided via suitable starting materials, which contain the respective enzymes by way of a fermentation process or fermentation process z. B. are able to give by spontaneous fermentation in a position. In particular, the term "bacterial catalyst" should be understood to include so-called ureases which catalyze the cleavage of urea into carbon dioxide and ammonia while consuming water.
Der vorstehend erwähnte Fermentationsprozess bzw. Gärungsprozess kann insbesondere außerhalb des Kraftfahrzeugs ablaufen, wobei das hierbei mit typischerweise langsamer Rate erzeugte Ammoniak (NH3) z. B. gasförmig und unter Druckbeaufschlagung gespeichert oder auch zur Bildung einer wässrigen Lösung in Wasser gelöst werden. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, wobei in weiteren Ausführungsformen auch eine fahrzeugseitig gespeicherte Substanz zur Realisierung eines bordseitig ablaufenden Fermentations- bzw. Gärungsprozesses genutzt werden kann. Dabei kann wie im Weiteren erläutert die Aufspaltung von in dem Urin enthaltenem Harnstoff ((NH2)2CO) auch elektrolytisch unterstützt werden.The above-mentioned fermentation process or fermentation process can, in particular, take place outside the motor vehicle, the ammonia (NH 3 ) generated here at a typically slow rate, for example, being oxidized. B. gaseous and stored under pressure or dissolved in water to form an aqueous solution. However, the invention is not limited to this, wherein in further embodiments, a substance stored on the vehicle side can be used for the realization of an on-board fermentation or fermentation process. As explained below, the splitting of urea ((NH 2 ) 2 CO) contained in the urine can also be supported electrolytically.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Speichertank zur Aufnahme des Urins an eine Abwasserleitung, insbesondere an die haushaltseigene Abwasserleitung eines Nutzers, angeschlossen.According to one embodiment, the storage tank for receiving the urine to a sewer, in particular to the household sewer line of a user, connected.
Die Erfindung beinhaltet somit insbesondere den Ansatz, als Abfallprodukt z. B. im Haushalt anfallenden Urin zu sammeln, wobei eine direkte Einfüllung aus der Abwasserleitung des Haushalts in einen vorzugsweise mit einer geeigneten Filtervorrichtung ausgestatteten Speichertank erfolgen kann. Bei Bedarf kann der Nutzer eine direkte Umfüllung in einen bordseitigen Fahrzeugtank vornehmen. Dabei werden unerwünschte Irritationen vermieden, da der Nutzer selbst mit dem Urin infolge dessen Speicherung in einem geschlossenen Behälter nicht in Kontakt kommt. The invention thus particularly includes the approach, as a waste product z. B. in the household to collect accumulating urine, with a direct filling from the sewer line of the household can be done in a preferably equipped with a suitable filter device storage tank. If necessary, the user can make a direct transfer to an on-board vehicle tank. In this case, unwanted irritations are avoided because the user does not even come into contact with the urine as a result of storing it in a closed container.
Die Erfindung unterscheidet sich somit von dem eingangs zitierten Stand der Technik insbesondere dadurch, dass Urin als z. B. im Haushalt anfallendes Abfallprodukt gesammelt und (insbesondere auch ohne zusätzliche vorherige, z. B. thermische Aufbereitung) unmittelbar einem Speicher zur Reaktion mit dem bakteriellen Kondensator übergeben wird, wodurch im Ergebnis eine effektive Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) unter gleichzeitiger, maximaler Ausnutzung vorhandener natürlicher Ressourcen ermöglicht wird, wobei vorzugsweise zugleich geeignete Maßnahmen zur Vermeidung unerwünschter Irritationen getroffen werden, da der Nutzer selbst mit dem Urin infolge dessen Speicherung in einem geschlossenen Behälter nicht in Kontakt kommt.The invention thus differs from the cited prior art in particular in that urine as z. B. accumulated in the household waste product is collected and (especially without additional previous, eg., Thermal treatment) directly a memory for reaction with the bacterial condenser, resulting in an effective reduction of nitrogen oxides contained in the exhaust gas (NO x ) simultaneous maximum utilization of existing natural resources is possible, preferably at the same time suitable measures are taken to avoid unwanted irritation, since the user himself does not come into contact with the urine as a result of storing it in a closed container.
Der erfindungsgemäß eingesetzte bakterielle Katalysator, welcher die Erzeugung von Ammoniak (NH3) aus dem gesammelten Urin ermöglicht, kann – wie im Weiteren noch näher erläutert – entweder fahrzeugseitig (z. B. in einem geeigneten Speicherbehälter) vorhanden oder auch außerhalb des Fahrzeugs (z. B. unter Verwendung von Nahrungsmittel- bzw. Speiseabfällen) bereitgestellt werden. The bacterial catalyst used according to the invention, which allows the production of ammonia (NH 3 ) from the collected urine, can - as explained in more detail below - either on the vehicle side (eg in a suitable storage container) available or outside the vehicle (z B. using food waste).
Die Gewinnung des bakteriellen Katalysators unter Nutzung eines Gärprozesses kann insbesondere unmittelbar in dem Speichertank erfolgen.The recovery of the bacterial catalyst using a fermentation process can be done in particular directly in the storage tank.
Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, in hinreichender Menge Ammoniak (NH3) zur NOx-Reduzierung bereitzustellen und hierbei zugleich zu einer Verbesserung der CO2-Bilanz sowie zu einer besseren Nutzung natürlicher Ressourcen beizutragen. The invention provides the possibility to provide a sufficient amount of ammonia (NH 3 ) for NO x reduction and at the same time contribute to an improvement of the CO 2 balance and to a better use of natural resources.
Berücksichtigt man, dass im sogenannten Neuen Europäischen Abgasfahrzyklus auf (NEDC = "New European Driving Cycle") eine Reduzierung der NOx-Emissionen um 1 Gramm (g) für eine Fahrdauer von 20 Minuten einen Verbrauch von 0.3 Gramm (g) Ammoniak (NH3) erfordert, ist nur eine vergleichsweise geringe Menge des in natürlicher Weise erzeugten Abfallproduktes zur Erfüllung der Systemanforderungen erforderlich, selbst wenn man eine zur Steigerung der Lebensdauer des Dosierungssystems ggf. erforderliche Destillation der Salze und Mineralien berücksichtigt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist somit, dass praktisch kein zusätzlicher bordseitiger Harnstofftank mehr erforderlich ist, da aufgrund der direkten Anschlussmöglichkeit an das haushaltsseitige Abwassersystem lediglich ein kleiner Puffertank mit einem Volumen von weniger als 50 ml ausreichend ist, was wiederum aufgrund des Wegfalls des Erfordernisses eines größeren bordseitigen Speichertanks Vorteile des geringeren Kraftstoffverbrauchs sowie des zusätzlichen Raumgewinns zur Folge hat.Considering that in the so-called New European Driving Cycle (NEDC), a reduction in NO x emissions by 1 gram (g) for a driving time of 20 minutes consumes 0.3 grams (g) of ammonia (NH 3 ), only a comparatively small amount of the naturally generated by-product is required to meet the system requirements, even taking into account any distillation of the salts and minerals which may be required to increase the life of the dosing system. Another advantage of the invention is thus that practically no additional on-board urea tank is required because only a small buffer tank with a volume of less than 50 ml is sufficient due to the direct connection to the household sewer system, which in turn due to the elimination of the requirement of larger on-board storage tanks results in lower fuel consumption and additional space gain.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt ferner eine elektrolytische Aufspaltung von in dem Urin enthaltenem Harnstoff ((NH2)2CO). Dabei kann die zu dieser elektrolytischen Aufspaltung benötigte elektrische Energie außerhalb des Kraftfahrzeuges (z. B. vom Haushalt eines Nutzers) oder auch kraftfahrzeugseitig bereitgestellt werden. Insbesondere kann die kraftfahrzeugseitige Bereitstellung der zur elektrolytischen Aufspaltung benötigten elektrischen Energie unter Nutzung der im Antriebsstrang, z. B. einem Hybridantriebsstrang, bereitgestellten elektrischen Energie, insbesondere durch regeneratives Bremsen, erfolgen.According to one embodiment, furthermore, an electrolytic splitting of urea ((NH 2 ) 2 CO) contained in the urine takes place. In this case, the electrical energy required for this electrolytic splitting can be provided outside the motor vehicle (eg from the household of a user) or also on the motor vehicle side. In particular, the motor vehicle-side provision of the electrical energy required for the electrolytic splitting using the drive train, z. As a hybrid powertrain, provided electrical energy, in particular by regenerative braking done.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, wobei die Anordnung einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von im dem SCR-Katalysator zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden aufweist, wobei in dem Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) am SCR-Katalysator durch Reaktion mit Ammoniak (NH3) zu Stickstoff (N2) reduzierbar sind, und wobei die Anordnung einen Speichertank mit darin bereitgestelltem Urin sowie einen bakteriellen Katalysator aufweist, wobei das Ammoniak (NH3) wenigstens teilweise durch Reaktion des Urins mit dem bakteriellen Katalysator erzeugbar ist.The invention further relates to an arrangement for the treatment of exhaust gases of an internal combustion engine, wherein the arrangement comprises an SCR catalyst for selective catalytic reduction of nitrogen contained in the exhaust gas supplied to the SCR catalyst, wherein nitrogen oxides (NO x ) contained in the exhaust gas at the SCR catalyst which is reducible to nitrogen (N 2 ) by reaction with ammonia (NH 3 ) and which comprises a storage tank with urine provided therein and a bacterial catalyst, wherein the ammonia (NH 3 ) is at least partially recovered by reacting the urine with the bacterial catalyst can be generated.
Die Anordnung kann insbesondere dazu konfiguriert sein, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen durchzuführen. Hinsichtlich bevorzugter Ausgestaltungen sowie Vorteilen der Anordnung wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen. In particular, the arrangement may be configured to perform a method having the features described above. With regard to preferred embodiments and advantages of the arrangement, reference is made to the above statements in connection with the method according to the invention.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.Further embodiments of the invention are described in the description and the dependent claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung erläutert. The invention will be explained below with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.
Die einzige
Die erfindungsgemäße Anordnung
Der erfindungsgemäß eingesetzte bakterielle Katalysator, welcher die Erzeugung von Ammoniak (NH3) aus dem in dem Speichertank
Im Abgasleitungsabschnitt zwischen dem Dieselpartikelfilter
In einer Ausführungsform kann ferner ein elektrolyseartiger Katalysator eingesetzt werden, welcher im Wege einer elektrolytischen Aufspaltung des im Urin enthaltenen Harnstoffs ((NH2)2)CO) Wasserstoff (H2) erzeugt, wobei dieser Wasserstoff (H2) wiederum zur NOx-Reduktion über einen SCR-Katalysator oder einen NOx-Speicherkatalysator (LNT) genutzt werden kann. In one embodiment, an electrolysis-type catalyst may also be used, which generates by means of electrolytic decomposition of urea contained in the urine ((NH 2) 2) CO), hydrogen (H 2), said hydrogen (H 2) in turn for the NO x - Reduction via an SCR catalyst or a NO x storage catalyst (LNT) can be used.
Die von einem solchen elektrolyseartigen Katalysator zur Elektrolyse von Urin zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) benötigte elektrische Energie kann außerhalb des Fahrzeugs (z. B. haushaltsseitig) bereitgestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die von einem solchen elektrolyseartigen Katalysator zur Elektrolyse benötigte elektrische Energie auch fahrzeugseitig bereitgestellt werden, wobei in einem Hybridantriebsstrang z. B. durch regeneratives Bremsen erzeugte elektrische Energie genutzt werden kann.The electrical energy required by such an electrolyzer-type catalyst for electrolysis of urine to generate hydrogen (H 2 ) may be provided outside the vehicle (eg, on the domestic side). In a further embodiment, the electrical energy required by such an electrolysis-type catalyst for electrolysis can also be provided on the vehicle side, wherein in a hybrid drive train z. B. generated by regenerative braking electrical energy can be used.
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