DE102017202574A1 - Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Hans Günther Quix
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeugs (2), bei dem Ammoniak (NH3) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (N2) im Abgas verwendet wird, wobei das Ammoniak (NH3) mittels Elektrolyse erzeugt wird, wobei als Katalysator Nanopartikel von Eisen(III)-oxid (Fe2O3) verwendet werden, die in einem Gemisch aus Kaliumhydroxid (KOH) und Natriumhydroxid (NaOH) verteilt sind, zur Elektrolyse eine elektrische Gleichspannung (U) von 1 V bis 2 V verwendet wird, und wobei die Elektrolyse bei einer Betriebstemperatur von 200°C bis 250°C und bei einem Betriebsdruck von 20 bar bis 25 bar durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  • Abgasnachbehandlungsvorrichtungen dienen der Reinigung von Abgasen bzw. Verbrennungsgasen von Brennkraftmaschinen, die Kraftfahrzeuge als Traktionsmotor antreiben, um Schadstofflimits einhalten zu können.
  • Stickoxide können mittels selektiver katalytischer Reduktion (englisch selective catalytic reduction, SCR) aus dem Abgas entfernt werden. Die chemische Reaktion an einem SCR-Katalysator einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist selektiv, das heißt, dass bevorzugt die Stickoxide reduziert werden, während unerwünschte Nebenreaktionen, wie die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, weitgehend unterdrückt werden. Für die Reaktion wird Ammoniak benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Die Produkte der Reaktion sind Wasser und Stickstoff. Bei der Reaktion handelt es sich um eine Komproportionierung der Stickoxide mit Ammoniak zu Stickstoff.
  • In Abgasnachbehandlungsvorrichtungen von Kraftfahrzeugen wird eine wässrige Harnstofflösung, wie z. B. AdBlue, eingespritzt, aus der im weiteren Verlauf des Transportes durch das Abgasrohr durch Hydrolyse Ammoniak entsteht. Jedoch ist für die Bevorratung der Harnstofflösung ein Fluidtank erforderlich, der im Kraftfahrzeug Bauraum beansprucht. Ferner ist ein Nachfüllen erforderlich.
  • Ein Erzeugen von Ammoniak mittels des Bosch-Haber-Verfahrens erfordert einen Betriebsdruck von 300 bar bis 500 bar und Temperaturen von 400°C bis 500°C. Derartige Betriebsdrücke und Temperaturen können jedoch nicht ohne weiteres in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.
  • Es besteht daher Bedarf daran, Wege aufzuzeigen, wie in einem Kraftfahrzeug Ammoniak für eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung erzeugt werden kann.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, bei dem Ammoniak zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas verwendet wird, wobei das Ammoniak mittels Elektrolyse erzeugt wird, wobei als Katalysator Nanopartikel von Eisen(III)-oxid verwendet werden, die in einem Gemisch aus Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid verteilt sind, zur Elektrolyse eine elektrische Gleichspannung von 1 V bis 48 V, insbesondere 1 V bis 10 V und weiter insbesondere 1 V bis 2 V, verwendet wird, und wobei die Elektrolyse bei einer Betriebstemperatur von 150°C bis 450°C, insbesondere 200°C bis 250°C, und bei einem Betriebsdruck von 5 bar bis 50 bar, insbesondere 10 bar bis 30 bar und weiter insbesondere 20 bar bis 25 bar, durchgeführt wird. Es wird Wasser als Wasserstoff-Quelle verwendet. Es wird eine äquimolare Mischung aus Natrium- und Kaliumhydroxid auf 150°C bis 450°C, insbesondere 200°C bis 250°C aufgeheizt, so dass eine Salzschmelze entsteht. In der Salzschmelze sind etwa 40 Millionstel Millimeter kleine Nanopartikel aus Eisen(III)-oxid verteilt, die als Katalysator wirken. Über zwei Elektroden wird dieses Gemisch unter eine elektrische Gleichspannung von 1 V bis 48 V, insbesondere 1 V bis 10 V und weiter insbesondere 1 V bis 2 V gesetzt. Strömen Wasserdampf und Luft durch diese elektrochemische Zelle spalten sich die Wassermoleküle in Sauerstoff und Wasserstoff auf. Katalytisch unterstützt verbindet sich der Wasserstoff mit dem Luftstickstoff der Luft und Ammoniak entsteht. So kann bei deutlich niedrigeren Temperaturen und Drücken Ammoniak für eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereitgestellt werden. Somit ist keine Bevorratung einer Harnstofflösung in einem Fluidtank erforderlich, so dass Bauraum gespart wird. Auch entfällt ein Nachfüllen.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird Abwärme der Brennkraftmaschine zum Aufheizen auf die Betriebstemperatur verwendet. Hierzu wird z. B. Wärmeenergie der Abgase der Brennkraftmaschine genutzt, oder es ist eine Kopplung mit einem Kühler eines Kühlkreislaufs zum Kühlen der Brennkraftmaschine vorgesehen. So wird keine Wärmequelle wie eine Heizung benötigt und auch keine zusätzliche Energie zum Aufheizen verbraucht, was die Energieeffizienz steigert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird Abwärme der Brennkraftmaschine verwendet, um den Betriebsdruck zu erzeugen. Auch hierzu kann z. B. Wärmeenergie der Abgase der Brennkraftmaschine genutzt werden oder es ist eine Kopplung mit einem Kühler eines Kühlkreislaufs zum Kühlen der Brennkraftmaschine vorgesehen. Mit der Abwärme kann z. B. Wasserdampf erzeugt werden, um so den Betriebsdruck bereitzustellen. Auch so wird die Energieeffizienz gesteigert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Pumpe verwendet, um den Betriebsdruck zu erzeugen. Mit der Pumpe kann z. B. der durch die Verwendung von Abwärme bereitgestellte Druck angehoben werden, um so den erforderlichen Betriebsdruck bereitzustellen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird elektrische Energie eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs verwendet um die elektrische Gleichspannung bereitzustellen. So wird keine separate Spannungsversorgung benötigt. Ferner kann so z. B. durch Rekuperation zurückgewonnene Bremsenergie, die in elektrischer Form zwischengespeichert wird, genutzt werden. Auch eine Nutzung von Abwärme durch einen thermoelektrischen Generator (TEG), um die elektrische Gleichspannung bereitzustellen, ist möglich.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird Wasser verwendet, das aus Wasserdampf aus dem Abgas der Brennkraftmaschine gewonnen wurde, und/oder bei dem es sich um aufgefangenes Regenwasser oder Luftfeuchtigkeit handelt. So kann auf ein händisches Nachfüllen eines Vorratstanks zur Bevorratung von Wasser verzichtet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch die Zersetzung von Wasser entstehender Wasserstoff zur Energiegewinnung verwendet. So kann zusätzliche Energie, z. B. elektrische Energie unter Verwendung einer Brennstoffzelle bereitgestellt werden, die im Normalbetrieb und/oder Im Falle eines Boostbetriebs mit besonderen Leistungsspitzen bzw. -anforderungen verwendet werden kann.
  • Ferner gehören zur Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  • Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Brennkraftmaschine und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 4 und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 6 eines Kraftfahrzeugs 2.
  • Die Brennkraftmaschine 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Dieselmotor. Abweichend hiervon kann die Brennkraftmaschine 4 auch als Ottomotor ausgebildet sein.
  • Die in Abgasströmungsrichtung der Brennkraftmaschine 4 nachgeschaltete Abgasnachbehandlungsvorrichtung 6 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen SCR-Katalysator 10 zur Reduzierung von Stickoxiden (NOx) im Abgasstrom durch selektive katalytische Reduktion auf. Hier benötigt der SCR-Katalysator 10 Ammoniak (NH3 ), das von einer Vorrichtung 8 zur Erzeugung von Ammoniak bereitgestellt wird. Neben dem SCR-Katalysator kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 6 noch weitere Komponenten, wie z. B. 3-Wege-Katalysatoren und/oder NOx-Speicherkatalysatoren aufweisen. Des Weiteren kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 6 abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel auch mehr als einen SCR-Katalysator aufweisen.
  • Die Vorrichtung 8 weist eine elektrochemische Zelle auf, in dem als Katalysator ein äquimolares Gemisch aus Kaliumhydroxid (KOH) und Natriumhydroxid (NaOH), z. B. mit einem Mol-Verhältnis von 0,5 NaOH / 0,5 KOH, vorgesehen ist, indem Nanopartikel von Eisen(III)-oxid (Fe2O3) mit einer Größe von etwa 40 Millionstel Millimeter verteilt sind.
  • Ferner kann der Vorrichtung 8 Stickstoff N2 , im vorliegenden Ausführungsbeispiel Luftstickstoff aus der Umgebungsluft, und Wasser H2O, z. B. aus einem Vorratstank, zugeführt werden. Der Vorratstank kann mit Wasser H2O gefüllt werden, bei dem es sich um kondensierten Wasserdampf aus dem Abgase um aufgefangenes Regenwasser oder Luftfeuchtigkeit handelt.
  • Im Betrieb wird das Gemisch auf eine Betriebstemperatur von 150°C bis 450°C, insbesondere 200°C bis 250°C aufgeheizt und mit einer elektrischen Gleichspannung U von 1 V bis 48 V, insbesondere 1 V bis 10 V und weiter insbesondere 1 V bis 2 V sowie einem Druck von 5 bar bis 50 bar, insbesondere 10 bar bis 30 bar und weiter insbesondere 20 bar bis 25 bar beaufschlagt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Betriebstemperatur 200°C und die elektrische Gleichspannung U weist eine Höhe von 1,2 Volt auf. Der Druck liegt im Bereich von 20 bis 25 bar und die elektrische Stromdichte beträgt 2 mA/cm2. Bei einer Betriebstemperatur von 250°C und einem Druck vom 25 bar beträgt die elektrische Gleichspannung U bei einer Stromdichte von 2 mA/cm21V.
  • Um das Gemisch auf die Betriebstemperatur aufzuheizen ist die Vorrichtung 8 im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Brennkraftmaschine 4 derart gekoppelt, dass z. B. Wärmeenergie der Abgase der Brennkraftmaschine 4 genutzt werden kann. Alternativ kann eine Kopplung mit einem Kühler eines Kühlkreislaufs zum Kühlen der Brennkraftmaschine 4 vorgesehen sein.
  • Die elektrische Gleichspannung U wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs 2 bereitgestellt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein thermoelektrischer Generator ebenfalls Abwärme der Brennkraftmaschine 4 nutzt, um die elektrische Gleichspannung U bereitzustellen.
  • Auch um den Betriebsdruck zu erzeugen wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel Abwärme der Brennkraftmaschine 4 verwendet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird mit der Abwärme Wasserdampf erzeugt, um so den Betriebsdruck bereitzustellen. Zur Unterstützung kann eine Pumpe vorgesehen sein, mit der der durch die Verwendung von Abwärme bereitgestellte Druck auf den erforderlichen Betriebsdruck angehoben werden kann.
  • Im Betrieb strömen Wasserdampf und Luft durch die elektrochemische Zelle der Vorrichtung 10. Dort wird Wasser H2O in Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 aufgespalten. Katalytisch unterstützt verbinden sich der Wasserstoff H2 mit dem Luftstickstoff N2 der Luft und Ammoniak NH3 entsteht.
  • Um Bedarfsspitzen an Ammoniak NH3 ausgleichen und/oder z.Zt. nicht benötigtes Ammoniak NH3 nicht ungenutzt freizusetzen wird teilweise und zeitweise Ammoniak NH3 zwischengespeichert. Hierzu weist die Vorrichtung 8 einen Speichertank auf.
  • So kann bei deutlich niedrigeren Temperaturen und Drücken Ammoniak für eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereitgestellt werden. Somit ist keine Bevorratung einer Harnstofflösung in einem Fluidtank erforderlich, so dass Bauraum gespart wird. Auch entfällt ein Nachfüllen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Kraftfahrzeug
    4
    Brennkraftmaschine
    6
    Abgasnachbehandlungsvorrichtung
    8
    Vorrichtung
    10
    SCR-Katalysator
    H2O
    Wasser
    N2
    Stickstoff
    NH3
    Ammoniak
    U
    elektrische Gleichspannung

Claims (16)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeugs (2), bei dem Ammoniak (NH3) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (N2) im Abgas verwendet wird, wobei das Ammoniak (NH3) mittels Elektrolyse erzeugt wird, wobei als Katalysator Nanopartikel von Eisen(III)-oxid (Fe2O3) verwendet werden, die in einem Gemisch aus Kaliumhydroxid (KOH) und Natriumhydroxid (NaOH) verteilt sind, zur Elektrolyse eine elektrische Gleichspannung (U) von 1 V bis 48 V verwendet wird, und wobei die Elektrolyse bei einer Betriebstemperatur von 150°C bis 450°C und bei einem Betriebsdruck von 5 bar bis 50 bar durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Abwärme der Brennkraftmaschine (4) zum Aufheizen auf die Betriebstemperatur verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Abwärme der Brennkraftmaschine (4) verwendet wird, um den Betriebsdruck zu erzeugen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei eine Pumpe verwendet wird, um den Betriebsdruck zu erzeugen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei elektrische Energie eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs (2) verwendet wird um die elektrische Gleichspannung (U) bereitzustellen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Ammoniak (NH3) zwischengespeichert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Wasser (H2O) verwendet wird, das aus Wasserdampf aus dem Abgas der Brennkraftmaschine (4) gewonnen wurde, und/oder bei dem es sich um aufgefangenes Regenwasser oder Luftfeuchtigkeit handelt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei durch die Zersetzung von Wasser (H2O) entstehender Wasserstoff zur Energiegewinnung verwendet wird.
  9. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) zum Reinigen von Abgas einer Brennkraftmaschine (4) eines Kraftfahrzeugs (2), dazu ausgebildet, Ammoniak (NH3) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (N2) im Abgas zu verwenden, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) dazu ausgebildet ist, das Ammoniak (NH3) mittels Elektrolyse zu erzeugen, als Katalysator Nanopartikel von Eisen(III)-oxid (Fe2O3) zu verwenden, die in einem Gemisch aus Kaliumhydroxid (KOH) und Natriumhydroxid (NaOH) verteilt sind, zur Elektrolyse eine elektrische Gleichspannung (U) von 1 V bis 48 V zu verwenden, und die Elektrolyse bei einer Betriebstemperatur von 150°C bis 450°C und bei einem Betriebsdruck von 5 bar bis 50 bar durchzuführen.
  10. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) nach Anspruch 9, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) dazu ausgebildet ist, Abwärme der Brennkraftmaschine (4) zum Aufheizen auf die Betriebstemperatur zu verwenden.
  11. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) dazu ausgebildet ist, Abwärme der Brennkraftmaschine (4) zu verwenden, um den Betriebsdruck zu erzeugen.
  12. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei eine Pumpe vorgesehen ist, um den Betriebsdruck zu erzeugen.
  13. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) dazu ausgebildet ist, elektrische Energie eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs (2) zu verwenden, um die elektrische Gleichspannung (U) bereitzustellen.
  14. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) dazu ausgebildet ist, Wasser (H2O) zu verwenden, das aus Wasserdampf aus dem Abgas der Brennkraftmaschine (4) gewonnen wurde, und/oder bei dem es sich um aufgefangenes Regenwasser oder Luftfeuchtigkeit handelt.
  15. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) dazu ausgebildet ist, durch die Zersetzung von Wasser (H2O) entstehenden Wasserstoff zur Energiegewinnung zu verwenden.
  16. Kraftfahrzeug (2) mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 8 bis 15.
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