DE102020214870B3

DE102020214870B3 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102020214870B3
Application number: DE102020214870.8A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brück; Peter Hirth; Ines Lienou Lzeutchi
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2040-11-27
Also published as: CN116635612A; US20230407777A1; EP4251863A1; WO2022112124A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (1), mit einer Abgasleitung, welche dazu eingerichtet ist das aus der Verbrennungskraftmaschine (1) ausgeblasene Abgas zumindest einer Komponente zur Abgasnachbehandlung zuzuführen, wobei in der Abgasleitung zumindest ein Adsorber (3) zur Zwischenspeicherung für im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe, ein Katalysator (5) zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases, ein elektrisch beheizbarer Katalysator (4) und ein Crackkatalysator (2) zur Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe in kurzkettigere Kohlenwasserstoffe angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Abgasleitung, welche dazu eingerichtet ist das aus der Verbrennungskraftmaschine ausgeblasene Abgas zumindest einer Komponente zur Abgasnachbehandlung zuzuführen, wobei in der Abgasleitung zumindest ein Adsorber zur Zwischenspeicherung für im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe, ein Katalysator zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases, ein elektrisch beheizbarer Katalysator und ein Crackkatalysator zur Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe in kurzkettigere Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, wobei der Crackkatalysator in Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts des Adsorbers angeordnet ist.
Stand der Technik
Zum Zwecke der Abgasnachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinen werden in Abgasanlagen sogenannte Kohlenwasserstoffadsorber (HC Adsorber) eingesetzt. Diese Adsorber dienen dazu Kohlenwasserstoffe bei niedrigen Abgastemperaturen, beispielsweise während der Kaltstartphase zwischenzuspeichern, um so das Austreten der Kohlenwasserstoffe in die Umwelt zu verhindern. Kohlenwasserstoffe, welche insbesondere unverbrannten Rückständen des Kraftstoffs sind, werden in der Abgasanlage für gewöhnlich an einem dafür vorgesehenen Katalysator chemisch umgesetzt, so dass für die Umwelt unschädlichere Produkte entstehen. Diese Katalysatoren arbeiten erst ab einer gewissen Mindesttemperatur, der sogenannten Light-Off Temperatur zuverlässig.
Die US 5 634 331 A offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Adsorptionsvorrichtung, die in einem Abgaskanal des Motors angeordnet ist, um unverbrannte Kraftstoffkomponenten in Abgasen des Motors zu adsorbieren. Die Vorrichtung weist einen Katalysator auf, der in dem Abgaskanal an einer Stelle stromabwärts der Adsorptionsvorrichtung angeordnet ist, um die Abgase zu reinigen, und weist weiterhin eine Heizung zum elektrischen Beheizen des Katalysators auf.
Die DE 694 26 609 T2 offenbart einen Verbrennungsmotor, der eine Vorrichtung zur katalytischen Abgasreinigung einschließt. Die Vorrichtung weist einen ersten katalytischen Konverter auf, der nach dem Motor angeordnet ist, einen Kohlenwasserstoffabscheider, der in einer bestimmten Entfernung von einem Punkt direkt nach dem ersten katalytischen Konverter angeordnet ist, und einen zweiten katalytischen Konverter, der in Verbindung mit dem Kohlenwasserstoffabscheider angebracht ist. Dabei ist die Entfernung zwischen dem ersten katalytischen Konverter und dem Kohlenwasserstoffabscheider so ausgewählt, dass die Zeitdauer, die ab dem Anlassen des Motors vergeht, bis es zur Desorption im Kohlenwasserstoffabscheider kommt, länger als die oder gleich der Zeitdauer ist, die ab dem Anlassen des Motors vergeht bis der erste katalytische Konverter seine normale Betriebstemperatur erreicht hat.
Die WO 95/ 08 702 A1 offenbart ein Fluidbehandlungssystem, welches durch einen kombinierten elektrisch beheizbaren Katalysator und eine Kohlenwasserstofffalle in der Fluidleitung gekennzeichnet sind. Das System ist besonders nützlich bei der Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor.
Die EP 1 558 842 B1 offenbart eine Abgasanlage für einen mobilen Verbrennungsmotor und umfasst mindestens ein Abgasrohr. Das Abgasrohr weist mindestens eine katalytisch aktive Reaktionskammer auf, in der im Abgas enthaltene langkettige Kohlenwasserstoffe gecrackt werden.
Um in Abgasanlagen das unkontrollierte Ausstoßen von im Abgas befindlichen Kohlenwasserstoffen in die Umwelt zu vermeiden ist es daher das Ziel die Kohlenwasserstoffe bis zum Erreichen der Light-Off Temperatur zwischenzuspeichern, so dass diese dann am dafür geeigneten Katalysator umgesetzt werden können.
Die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe sind sowohl kurzkettige als auch langkettige Kohlenwasserstoffe. Die kurzkettigen werden von bekannten Kohlenwasserstoffadsorbern schwächer adsorbiert und werden daher bereits bei niedrigeren Temperaturen wieder desorbiert. Langkettige Kohlenwasserstoffe hingegen werden stärker gebunden und werden somit erst bei höheren Temperaturen wieder desorbiert. Weiterhin wird der Adsorber je nach Kettenlänge der Kohlenwasserstoffe und abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Speicherkörpers des Adsorbers unter Umständen nicht vollständig entleert, was dazu führt, dass beim jeweils nächsten Motorstart die Konzentration von Kohlenwasserstoffen nach dem Adsorber höher ist als vor diesem Adsorber.
Dies führt dazu, dass bei einem allmählichen Temperaturanstieg des beladenen Adsorbers zuerst die kurzkettigen Kohlenwasserstoffe und dann bei weiter steigender Temperatur die langkettigen Kohlenwasserstoffe wieder desorbiert werden. Dies kann dazu führen, dass bevorzugt langkettige Kohlenwasserstoffe im Adsorber verbleiben, was nachteilig ist, da langkettige Kohlenwasserstoffe dazu neigen miteinander zu agglomerieren und in den Poren des Adsorbers zu verkoken. Dies führt zu einer Abnahme der Speicherfähigkeit des HC Adsorbers über seine Lebenszeit hinweg.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu schaffen, welche ein Aufbrechen langkettiger Kohlenwasserstoffe ermöglicht, wodurch die Adsorption und Desorption an einem Adsorber für Kohlenwasserstoffe verbessert werden soll.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Abgasleitung, welche dazu eingerichtet ist das aus der Verbrennungskraftmaschine ausgeblasene Abgas zumindest einer Komponente zur Abgasnachbehandlung zuzuführen, wobei in der Abgasleitung zumindest ein Adsorber zur Zwischenspeicherung für im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe, ein Katalysator zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases, ein elektrisch beheizbarer Katalysator und ein Crackkatalysator zur Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe in kurzkettigere Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, wobei der Crackkatalysator in Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts des Adsorbers angeordnet ist, wobei die Abgasleitung einen Bypasskanal aufweist, wobei dieser stromabwärts vom elektrisch beheizbaren Katalysator von der Abgasleitung abzweigt und einen Crackkatalysator, ein Kühlelement und einen Adsorber aufweist, und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators in die Abgasleitung mündet.
Ein Crackkatalysator dient im Wesentlichen dem Aufbrechen langkettiger Kohlenwasserstoffe, wie sie als unverbrannte Rückstände des Kraftstoffes im Abgas enthalten sind. Kohlenwasserstoffe beziehungsweise die Kohlenwasserstoffmoleküle weisen unterschiedlich lange Ketten von Kohlenstoffatomen auf, wobei Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind und die jeweils freien Bindungen des Kohlenstoffs mit Wasserstoffatomen oder anderen Molekülgruppen besetzt sind.
Je langkettiger die Kohlenwasserstoffe sind, desto schwerer können diese von dem Adsorber adsorbiert werden. Darüber hinaus ist für das Desorbieren der langkettigen Kohlenwasserstoffe eine höhere Temperatur am Adsorber notwendig. Kurzkettigere Kohlenwasserstoffe werden schneller adsorbiert und auch bereits bei einem geringeren Temperaturniveau wieder desorbiert. Dies macht den Adsorber insgesamt wirkungsvoller, da dieser schneller nach einem Motorstart, beispielsweise nach einem Kaltstart, wirksam ist, und gleichzeitig die Gefahr verringert wird, dass langkettige Kohlenwasserstoffe im Adsorber verbleiben und diesen verblocken.
Insbesondere, wenn die Betriebsdauer der Verbrennungskraftmaschine kurz ist, kann es sein, dass kein ausreichend hohes Temperaturniveau am Adsorber erreicht wird, so dass sämtliche adsorbierten Kohlenwasserstoffe wieder desorbiert werden. In diesem Fall bleibt eine Teilmenge des Kohlenwasserstoffs im Adsorber zurück.
Bei einem erneuten Start der Verbrennungskraftmaschine kann es dann dazu kommen, das in Strömungsrichtung hinter dem Adsorber eine höhere Konzentration an Kohlenwasserstoffen vorliegt als in Strömungsrichtung davor, da sowohl die neu hinzukommenden Kohlenwasserstoffe hinter dem Adsorber vorhanden sind, als auch die noch im Adsorber vorhandenen Kohlenwasserstoffe, welche beim Erreichen der Desorptionstemperatur zusätzlich in die Abgasleitung strömen.
Der Crackkatalysator ist in Strömungsrichtung des Abgases dem Adsorber vorgelagert. Bevorzugt ist der Crackkatalysator die erste vom Abgas durchströmte Komponente, so dass eine Aufspaltung möglichst früh stattfindet.
Ein solcher Bypass erlaubt die erneute Zirkulation des Abgases durch den Crackkatalysator und die restlichen im Bypasskanal angeordneten Komponenten zur Abgasnachbehandlung, hierdurch kann einerseits die Abgasreinigung verbessert werden. Darüber hinaus können weitere noch nicht aufgespaltene langkettige Kohlenwasserstoffe im Crackkatalysator aufgespalten werden. Durch die Abzweigung in den Bypasskanal direkt nach dem elektrisch beheizbaren Katalysator, kann frühestmöglich ein ausreichend hohes Temperaturniveau im Bypasskanal erreicht werden, wodurch insbesondere die Kohlenmonoxide sehr früh am Crackkatalysator umgesetzt werden können.
Es können Mittel zur Steuerung des Abgasstromes vorgesehen werden, beispielsweise Klappen oder Ventile, durch welche der Abgasstrom zwischen dem Hauptkanal und dem Bypasskanal aufgeteilt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Reaktionsflächen des Crackkatalysators mit aktivierten Aluminiumsilikaten beschichtet ist. Aluminiumsilikate oder sogenannte Zeolithe sind besonders gut geeignet, um Kohlenwasserstoffe in einer an der Reaktionsfläche des Katalysators stattfindenden Reaktion aufzubrechen. Die Reaktionsflächen sind dabei die vom Abgas überströmten Oberflächen. Sofern der Crackkatalysator beispielsweise durch einen durchströmbaren Wabenkörper gebildet ist, bilden die die Strömungskanäle begrenzenden Wandungen die Reaktionsflächen.
Ein Aluminiumsilikat ist beispielsweise Chromoxid (Cr₂O₃). Auch andere Aluminiumsilikate können vorteilhaft eingesetzt werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Crackkatalysator dazu eingerichtet ist langkettige Kohlenwasserstoffe im Abgas mit jeweils acht bis zwölf Kohlenstoffatomen in Kohlenwasserstoffe mit maximal sieben Kohlenstoffatomen aufzubrechen. Die Reduzierung der durchschnittlichen Länge der Kohlenwasserstoffe trägt dazu bei, dass die Adsorption und somit die Zwischenspeicherung verbessert wird. Durch das Vorhandensein von vornehmlich kurzkettigen Kohlenwasserstoffen mit sieben oder weniger aneinandergereihten Kohlenstoffatomen wird außerdem die Gefahr der Verkokung des Adsorbers deutlich reduziert, da die kurzkettigen Kohlenwasserstoffe bereits bei geringeren Temperaturen wieder desorbieren.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Desorptionstemperatur des Adsorbers in einem Temperaturbereich von 150 Grad Celsius und 200 Grad Celsius liegt. Eine Desorptionstemperatur im Bereich von 150 bis 200 Grad Celsius ist vorteilhaft, da dieser Temperaturbereich schneller erreicht wird und somit zeitnäher eine Desorption stattfinden kann.
Die Desorption von nicht aufgebrochenen langkettigen Kohlenwasserstoffen, vornehmlich mit mehr als sieben aneinandergeketteten Kohlenstoffatomen, findet gewöhnlich in höheren Temperaturbereichen statt, die beispielsweise bis 400 Grad Celsius reichen. Bis ein solch hohes Temperaturniveau erreicht ist, vergeht deutlich mehr Zeit. Darüber hinaus kann es sein, dass in gewissen Betriebssituationen diese hohen Temperaturen überhaupt nicht erreicht werden und es somit zu keiner vollständigen Desorption kommt.
Die aufgebrochenen Kohlenwasserstoffe hingegen lösen sich somit früher aus dem Adsorber und weiterhin wird schneller eine vollständige Entladung des Adsorbers erreicht. Dies wirkt insbesondere dem Verkoken des Adsorbers entgegen und erhöht somit die Dauerhaltbarkeit des Systems.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Light-Off Temperatur, ab welcher das Aufbrechen der Kohlenwasserstoffe beginnt, bei 100 Grad Celsius liegt. Bevorzugt ist diese Temperatur möglichst gering, damit eine möglichst frühe Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe erreicht wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Abgasleitung stromabwärts des Crackkatalysators ein Kühlelement aufweist, durch welches das aus dem Crackkatalysator strömende Abgas abkühlbar ist. Durch das Cracken beziehungsweise aufbrachen der Kohlenstoffketten entsteht Wärme. Diese wird unter anderem auch in die Abgasleitung abgegeben. Um eine Beeinflussung der Adsorption und Desorption am Adsorber zu vermeiden, kann eine aktive Kühlung vorgesehen werden, um den zusätzlichen Wärmeeintrag durch die chemische Reaktion des Aufbrechens der Kohlenstoffketten auszugleichen.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Crackkatalysator als Rohrreaktor ausgeführt ist, wobei der Rohrreaktor mit einem Kühlmittel durchströmbar ist. Ein Rohrreaktor hat insbesondere den Vorteil, dass neben der eigentlichen chemischen Reaktion auch eine aktive Kühlung vorgesehen werden kann, indem Mantelflächen des Rohrreaktors oder Zwischenräume zwischen durchströmbaren Kanälen mit einem Kühlmedium durchströmt werden können. So ist insbesondere eine kompakte Bauform mit einer Funktionskombination zu erreichen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Abgasstrangs von der Verbrennungskraftmaschine durch unterschiedliche Komponenten zur Abgasnachbehandlung,
2 eine alternative Ausgestaltung eines Abgasstrangs, und
3 eine weitere alternative Ausgestaltung eines Abgasstrangs.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines Abgasstrangs wie er im Stand der Technik bekannt ist. Mit dem Bezugszeichen 1 ist die Verbrennungskraftmaschine dargestellt, von dort strömt das Abgas aus den einzelnen Zylindern durch den Abgaskrümmer in einer rohrförmige Abgasleitung. Die erste Komponente zur Abgasnachbehandlung ist ein Crackkatalysator 2, welcher zum Aufbrechen langkettiger Kohlenwasserstoffe geeignet ist. In Strömungsrichtung ist dem Crackkatalysator 2 ein Adsorber 3 zur Adsorption von im Abgas befindlichen Kohlenwasserstoffen nachgelagert. Im Anschluss daran folgen im Ausführungsbeispiel der 1 ein elektrischer Heizkatalysator 4 und ein Drei-Wege-Katalysator 5, die in einer beliebigen Reihenfolge angeordnet sein können. Das Abgas strömt sodann, nach dem Durchströmen der einzelnen Komponenten zur Abgasnachbehandlung durch den Auspuff in die Umwelt.
Die 2 zeigt eine abweichende Anordnung der Komponenten zur Abgasnachbehandlung in einem Abgasstrang aus dem Stand der Technik. Da die gleichen Komponenten wie in 1 verwendet werden, werden identische Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Stromab von der Verbrennungskraftmaschine 1 ist ein elektrischer Heizkatalysator 4 und/oder ein Drei-Wege-Katalysator 5 angeordnet. Darauffolgend ist ein Crackkatalysator 2 und ein Adsorber 3 angeordnet. Stromab des Adsorbers 3 kann wiederrum ein elektrischer Heizkatalysator 4 und/oder ein Drei-Wege-Katalysator 5 angeordnet sein.
3 zeigt eine dem Erfindungsgegenstand entsprechendeAnordnung, wobei die Abgasleitung einen Hauptkanal aufweist, in welchem ein elektrisch beheizbarer Katalysator 4 und ein Drei-Wege-Katalysator 5 angeordnet sind. Darüber hinaus ist ein Bypasskanal gezeigt, in welchem ein Crackkatalysator 2, ein Kühler 6 und ein Adsorber 3, beispielsweise ein HC-Adsorber, angeordnet sind. Der Bypasskanal zweigt stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 4 ab und mündet stromaufwärts vom elektrisch beheizbaren Katalysator 4 wieder in den Hauptkanal. Der Adsorber 3 und der Crackkatalysator 2 bilden eine zusätzliche Wärmekapazität aus. Da die Kohlenmonoxide am Crackkatalysator 2 möglichst früh und vollständig umgesetzt werden sollen, findet die Abzweigung in den Bypasskanal erst stromab des elektrisch beheizbaren Katalysators 4 statt.
Der Adsorber dient dazu, möglichst viel Kohlenwasserstoffe während der Kaltstartphase zu speichern. Dafür soll die Temperatur im Adsorber niedrig gehalten werden, damit der Adsorber nicht zu schnell desorbiert. Der Adsorber ist somit gezielt weiter hinten positioniert. Nach der Kaltstartphase haben der Adsorber, der Crackkatalysator und den Kühler keinen Nutzen mehr, da die Abgastemperatur bereits sehr hoch ist (sie werden nur eine zusätzliche, unerwünschte Wärmekapazität für CO und HC). In dem Fall wird nur noch die Hauptströmung eingesetzt.
Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste

01: Verbrennungskraftmaschine
02: Crackkatalysator
03: Adsorber
04: elektrisch beheizter Katalysator
05: Drei-Wege-Katalysator
06: Kühlelement

Claims

Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (1), mit einer Abgasleitung, welche dazu eingerichtet ist das aus der Verbrennungskraftmaschine (1) ausgeblasene Abgas zumindest einer Komponente zur Abgasnachbehandlung zuzuführen, wobei in der Abgasleitung zumindest ein Adsorber (3) zur Zwischenspeicherung für im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe, ein Katalysator (5) zur katalytischen Nachbehandlung des Abgases, ein elektrisch beheizbarer Katalysator (4) und ein Crackkatalysator (2) zur Aufspaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe in kurzkettigere Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, wobei der Crackkatalysator (2) in Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts des Adsorbers (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung einen Bypasskanal aufweist, wobei dieser stromabwärts vom elektrisch beheizbaren Katalysator (4) von der Abgasleitung abzweigt und einen Crackkatalysator (2), ein Kühlelement (6) und einen Adsorber (3) aufweist, und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (4) in die Abgasleitung mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsflächen des Crackkatalysators (2) mit aktivierten Aluminiumsilikaten beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Crackkatalysator (2) dazu eingerichtet ist langkettige Kohlenwasserstoffe im Abgas mit jeweils acht bis zwölf Kohlenstoffatomen in Kohlenwasserstoffe mit maximal 7 Kohlenstoffatomen aufzubrechen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionstemperatur des Adsorbers (3) in einem Temperaturbereich von 150 Grad Celsius und 200 Grad Celsius liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Light-Off Temperatur, ab welcher das Aufbrechen der Kohlenwasserstoffe im Crackkatalysator (2) beginnt, bei 100 Grad Celsius liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung stromabwärts des Crackkatalysators (2) das Kühlelement (6) aufweist, durch welches das aus dem Crackkatalysator (2) strömende Abgas abkühlbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Crackkatalysator (2) als Rohrreaktor ausgeführt ist, wobei der Rohrreaktor mit einem Kühlmittel durchströmbar ist.