DE10210367B4 - Abgasreinigungsanlage und Abgasreinigungsverfahren zur Reinigung eines Abgases einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Abgasreinigungsanlage zur Reinigung eines Abgases einer Brennkraftmaschine (1), mit
– einem in einer Abgasleitung (2) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Abgaskatalysator und
– mit einem katalytischen Kraftstoffreformer (7) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformiergases, welches eingangsseitig des Abgaskatalysators der Abgasleitung (2) zuführbar ist, wobei dem Kraftstoffreformer (7) zur Erzeugung des Reformiergases ein zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) nutzbarer kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoff zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Abgaserhitzer (6) zur Erhitzung eines der Abgasleitung (2) entnommenen und dem Kraftstoffreformer (7) zugeführten Teilstroms des Brennkraftmaschinenabgases vorgesehen ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung eines Abgases einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Abgasreinigungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
• Aus der Offenlegungsschrift EP 05 37 968 A1 ist es bekannt, zur Reduktion von Stickoxiden dem Abgas insbesondere einer mager betriebenen Brennkraftmaschine wasserstoffhaltiges Gas zuzuführen. Mit dem zugeführten Wasserstoff kann insbesondere bei relativ niedrigen Temperaturen an speziellen Denox-Katalysatoren auch bei Vorliegen eines Sauerstoffüberschusses (magere Abgasbedingungen) eine vergleichsweise hohe Stickoxidverminderung erreicht werden. Zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases wird in der EP 05 37 968 A1 die Verwendung eines katalytischen Reformers vorgechlagen, in welchem ein an Bord des entsprechenden Kraftfahrzeuges verfügbarer Kraftstoff mit Luft, gegebenenfalls unter Zusatz von Wasser, zu einem wasserstoffhaltigen Reformiergas umgesetzt wird, welches dem Denox-Katalysator zugeführt wird. Die Aufheizung des Reformers auf seine Betriebstemperatur und deren Aufrechterhaltung wird durch die mengengeregelte Anströmung des Reformers mit heißem Abgas erreicht. Nach dem Start der Brennkraftmaschine steht jedoch nicht sofort heißes Abgas zur Verfügung, so dass die Aufheizung der beschriebenen Anlage auf Betriebstemperatur eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt und die Stickoxidverminderungsfunktion ebenfalls erst nach einiger Zeit zur Verfügung steht.
• Aus der Europäischen Patentschrift EP 06 21 400 B1 ist es ferner bekannt, dem Abgas einer luftverdichtenden, also üblicherweise mit Luftüberschuss betriebenen, Brennkraftmaschine durch Späteinspritzung des Kraftstoffes Reduktionsmittel zuzuführen. Dieses wird je nach Einspritzzeitpunkt durch katalytische Oxidation an einem Abgaskatalysator zur Aufheizung der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder als Reaktionspartner zur Stickoxidverminderung an einem Denox-Katalysator genutzt. Das zur Verfügung gestellte Reduktionsmittel besteht auf Grund des Bereitstellungsverfahrens hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen. Im Vergleich zu Wasserstoff sind diese Kohlenwasserstoffe jedoch als reaktionsträge zu bezeichnen, so dass sowohl die Aufheizung der Abgasnachbehandlungseinrichtung als auch die katalytische Stickoxidverminderung bei niedrigen Abgastemperaturen nicht möglich ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, unter Einsatz eines Kraftstoffreformers eine Abgasreinigungsanlage und ein Abgasreinigungsverfahren mit verbesserter Abgasreinigungsfunktion zur Verfügung zu stellen, wobei außerdem ein verbesserter Betrieb des Kraftstoffreformers ermöglicht ist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Abgasreinigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Abgaserhitzer zur Erhitzung eines dem Kraftstoffreformer zugeführten Abgasteilstroms aufweist. Reformer und Abgaserhitzer sind als jeweils separate Bauteile in einem Nebenzweig außerhalb der Brennkraftmaschinenabgasleitung, jedoch an Bord eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Kraftfahrzeuges angeordnet und können daher weitestgehend unabhängig vom Brennkraftmaschinenbetriebszustand betrieben werden. Zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformiergases wird der Reformer von einem der Abgasleitung der Brennkraftmaschine an einer beliebigen Stelle entnommenen Abgasteilstrom durchströmt. Dabei wird der Abgasteilstrom wenigstens zeitweise, vorzugsweise beim Anfahren des Reformers auf seinen normalen Betriebszustand, vom Abgaserhitzer aufgeheizt, bevor er dem Reformer zugeführt wird. Damit wird gleichzeitig eine Aufheizung des Reformer-Katalysators erreicht. Der zum Betrieb des Reformers ebenfalls benötigte Kraftstoff wird der normalen Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine entnommen und eingangsseitig des Reformers in das erhitzte Abgas eingedüst und dabei zumindest größtenteils verdampft. Die Aufheizung eines Abgasteilstroms erfolgt naturgemäß schneller und effektiver als die Aufheizung des gesamten Abgasstromes, weshalb der Reformer in kurzer Zeit betriebsbereit ist und wasserstoffhaltiges Reformiergas zu liefern vermag. Zugleich wird der Energieaufwand gering gehalten. Im Vergleich zur Eindüsung des Kraftstoffes in den Hauptgasstrom wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung außerdem eine deutlich bessere Homogenisierung des dem Reformer zugeführten Gemisches und damit eine effektive Kraftstoffreformierung mit hoher Wasserstoffausbeute erreicht.
• In Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgaserhitzer elektrisch beheizbar ausgeführt. Die zum Betrieb der Heizung benötigte elektrische Energie kann beispielsweise der Bordenergieversorgung des entsprechenden Kraftfahrzeuges entnommen werden. Durch die Verwendung einer elektrischen Heizung für den Abgaserhitzer kann der Abgasteilstrom sehr rasch erhitzt werden, zudem wird ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich der Formgebung für den Abgaserhitzer erreicht, da elektrische Heizelemente für unterschiedliche Leistungen und Betriebsspannungen in den verschiedensten Formen kostengünstig kommerziell verfügbar sind.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgaserhitzer zylindrisch gestaltet und weist in seinem Inneren einen gewendelten, im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Kanal zur Führung des Abgasteilstroms auf. Durch diese Ausführungsform des Abgaserhitzers wird eine große Wärmeüber tragungsfläche geschaffen und ein entsprechend guter Wärmeübergang von der elektrischen Heizung auf den Teilabgasstrom erreicht. Die elektrische Beheizung kann hierzu so vorgesehen sein, dass die in radialer Richtung gesehene innere oder die äußere Wand oder beide Wände des wendelförmigen Kanals von einem elektrischen Heizelement beheizt werden können.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist als Bestandteil der Abgasreinigungsanlage ferner ein Hochtemperaturwärmetauscher vorgesehen, mit welchem Wärme von dem aus dem Reformer austretenden Reformiergas auf den dem Reformer zugeführten Abgasteilstrom übertragen wird. Der Hochtemperaturwärmetauscher ist hierbei strömungsmäßig dem Reformer nachgeschaltet und wird vom Reformiergas durchströmt. Da der Reformierprozess im Reformer vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb von 500° C abläuft, besitzt das den Reformer verlassende Reformiergas einen relativ hohen Wärmeinhalt, der so zu einem großen Teil dem Einsatzgas zugeführt werden kann. Auf diese Weise kann die Energiebilanz des Reformierprozesses verbessert werden und bei Normalbetrieb eine zusätzliche elektrische Aufheizung des Teilabgasstroms durch den Abgaserhitzer vermieden oder auf ein Minimum begrenzt werden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgasteilstrom dem Kraftstoffreformer wahlweise über den Abgaserhitzer und/oder über den Hochtemperaturwärmetauscher zuführbar. Zur wahlweisen Umschaltung der Gasführung des Abgasteilstromes, welcher dem Reformer zugeführt wird, sind geeignete Umschaltmittel wie Dreiwegeventile oder dergleichen vorzusehen. Durch die Möglichkeit der Umschaltung der Gasführung kann der Transportweg des Abgasteilstroms und damit Wärmeverluste klein gehalten werden. Die Umschaltung erfolgt deshalb vorzugsweise in Abhängigkeit vom Reformerbetrieb. Vorzugsweise wird beim Anfahren des Reformers auf seinen normalem Betriebszustand der Abgasteilstrom über den erhitzten Abgaserhitzer geführt und bei normalem Reformerbetrieb der Abgasteilstrom nur über den Hochtemperaturwärmetauscher geführt. Eine Strömungsführung dergestalt, dass der Abgasteilstrom nacheinander den Hochtemperaturwärmetauscher und den Abgaserhitzer durchströmt, ist vorzugsweise ebenfalls vorgesehen.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine ein Oxidationskatalysator angeordnet. Vorzugsweise wird dieser brennkraftmaschinennah in der Abgasleitung angeordnet. Eingangsseitig dieses Katalysators wird bedarfsgerecht das Reformiergas in die Abgasleitung eingespeist. Wegen der hohen Reaktionsfähigkeit des Reformiergases setzt in diesem Katalysator der katalytisch unterstützte Oxidationsprozess bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ein. Die dabei frei werdende Reaktionswärme erhitzt den Katalysator und steigert daher rasch seine katalytische Aktivität auch hinsichtlich schwieriger zu oxidierender schädlicher Abgasbestandteile. Dadurch kann beispielweise bei einem Warmlauf der Brennkraftmaschine zeitlich früher eine effektive Abgasreinigung erfolgen und somit der Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine insgesamt erniedrigt werden.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine ein sogenannter Denox-Katalysator angeordnet. Bekanntermaßen sind derartige Katalysatoren in der Lage, unter oxidierenden Bedingungen eine chemische Reduktion von Stickoxiden zu unschädlichem Stickstoff mit im Abgas vorhandenen Reduktionsmitteln wie Kohlenwasserstoffen oder Wasserstoff zu katalysieren. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen stellt Wasserstoff diesbezüglich ein sehr wirksames und selektives Reduktionsmittel dar. Mit der Bereitstellung des wasserstoffhaltigen Reformiergases kann daher besonders bei mager betriebenen Brennkraftmaschinen auch bei niedrigen Abgastemperaturen eine effektive Stickoxidverminderung erreicht werden. Dies bedeutet einerseits, dass die Stickoxidverminderung bereits zu einem frühen Zeitpunkt bei einem Warmlauf der Brennkraftmaschine ermöglicht wird. Andererseits kann für den Denox-Katalysator eine brennkraft maschinenferne Einbaulage mit entsprechend niedrigem Temperaturniveau gewählt werden, wodurch eine größere Flexibilität bei der Gestaltung der Abgasreinigungsanlage erreicht wird.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein vorzugsweise brennkraftmaschinennah angeordneter Oxidationskatalysator und zusätzlich weiter stromab ein sogenannter Denox-Katalysator in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet. Eingangsseitig beider Katalysatoren ist das Reformiergas der Abgasleitung zuführbar. Mit der solchermaßen ausgeführten Abgasreinigungseinrichtung kann somit gleichzeitig eine Verminderung der Schadstoffemissionen beim Warmlauf und eine Stickoxidverminderung auch bei ungünstiger Einbaulage des Denox-Katalysators oder bei niedrigen Abgastemperaturen erreicht werden. Dies ist insbesondere bei einer überwiegend mager betriebenen Brennkraftmaschine wie einem direkt einspritzenden Otto-Motor im Schichtladungsbetrieb einem Dieselmotor oder einer Gasturbine vorteilhaft, da diese Brennkraftmaschinen mit sehr hohem Wirkungsgrad arbeiten und daher eine niedrige Abgastemperatur aufweisen. Die Abgasreinigungsanlage verfügt zur bedarfsgerechten Verteilung des Reformiergases über Umschaltmittel derart, dass das Reformiergas in Abhängigkeit vom Brennkraftmaschinenbetrieb und/oder in Abhängigkeit von der Temperatur der Katalysatoren mengengeregelt dem Oxidationskatalysator oder dem Denox-Katalysator oder beiden Katalysatoren zugeführt werden kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein der Abgasleitung entnommener Abgasteilstrom aufgeheizt und dem Kraftstoffreformer zugeführt wird. Vorteilhaft ist hierbei eine hohe Aufheiztemperatur, wodurch beim Anfahren des Reformers der aufgeheizte Teilabgasstrom seinerseits den Reformer-Katalysator rasch aufheizt. Die Aufheizung des Reformer-Katalysators geschieht bei diesem Verfahren deutlich schneller, als wenn beispielsweise der Reformer selbst oder das Gehäuse des Reformers von außen beheizt wird oder der gesamte Abgasstrom aufgeheizt werden muss. Auf diese Weise erreicht der Reformer bzw. dessen Katalysator rasch seine Betriebstemperatur, worauf Kraftstoff eingangsseitig des Reformers in den aufgeheizten Teilabgasstrom eingespritzt wird. Bei ausreichend hoher Temperatur des Abgasteilstroms verdampft der eingespritzte Kraftstoff vollständig oder nahezu vollständig, wodurch eine gute Homogenisierung des Abgas-Kraftstoffgemisches erreicht wird. Auch hier erweist sich die Verwendung eines Teilabgasstroms und dessen Vorerhitzung als vorteilhaft, da beispielsweise ein Einspritzen kalten Kraftstoffs in den Hauptabgasstrom zu einer unvollständigen Verdampfung des Kraftstoffs mit entsprechend schlechter Homogenisierung des Gemisches führen würde. Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, dass der Reformer rasch betriebsbereit ist und dementsprechend schnell wasserstoffhaltiges Reformiergas liefern kann. Nach erfolgtem Anfahren des Reformers wird weiterhin vorerhitztes Abgas dem Reformer zugeführt, was dessen Wärmebilanz verbessert und eine externe Beheizung überflüssig macht.
• In Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Aufheizung des Teilabgasstroms dieser durch einen separaten Abgaserhitzer geleitet. Die Verwendung eines solchen, insbesondere elektrisch beheizten, separaten Abgaserhitzers gestattet eine trägheitsarme und bedarfsgerechte Aufheizung des Abgasteilstromes.
• In Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Aufheizung des Teilabgasstroms dieser durch einen Abgaserhitzer oder/und durch einen vom Reformiergas durchströmten Hochtemperaturwärmetauscher geleitet. Die Gasführung erfolgt vorzugsweise durch bedarfsgerechte Umschaltung des Gasweges. Vorzugsweise wird beim Anfahren des Reformers auf seinen normalen Betriebszustand der Abgasteilstrom über den erhitzten Abgaserhitzer geführt. Ist der Reformer angefahren und in seinem normalen Betriebszustand, so liefert er heißes Reformiergas mit etwa 500° C oder mehr. Dieser Wärmeinhalt kann mittels eines Hochtemperaturwärmetauschers wenigstens teilweise auf den eingesetzten Teilabgasstrom übertragen werden, wodurch die Wärmebilanz des Reformierungsprozesses verbessert wird. Je nach Größe des geforderten Reformiergasstromes und nach Betriebszustand des Reformers kann es vorteilhaft sein, den Abgasteilstrom zusätzlich oder ausschließlich durch den Abgaserhitzer zu leiten.
• In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Abgaserhitzer wenigstens zeitweise elektrisch beheizt. Durch Verwendung von elektrischer Energie zur Beheizung beispielsweise durch Heizleiter oder durch Heizpatronen ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Steuerbarkeit und der Handhabung. Die Beheizung des Abgaserhitzers erfolgt vorzugsweise beim Anfahren des Reformers oder in Betriebspunkten mit erhöhtem Wärmebedarf des Reformers, wie beispielsweise bei einem erhöhten Bedarf an Reformiergas.
• In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Abgasteilstrom beim Anfahren des Reformers durch den beheizten Abgaserhitzer geleitet. Nach Erreichen des normalen Betriebszustands des Reformers erfolgt die Vorerhitzung des Teilabgasstromes hauptsächlich durch den Hochtemperaturwärmetauscher. Die Gasströmung wird hierzu, falls notwendig, entsprechend umgeschaltet. Durch diese Vorgehensweise kann der Energieeinsatz ökonomisch gestaltet werden, da die Beheizung des Abgaserhitzers nach dem Anfahren des Reformers überwiegend abgeschaltet ist.
• In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Reformiergasstrom dem Abgas stromauf des Abgaskatalysators wenigstens zeitweise dann zugeführt, wenn das dem Abgaskatalysator zugeführte Abgas der Brennkraftmaschine einen Luftüberschuss aufweist. Vorzugsweise erfolgt dies nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bzw. bei einem Warmlauf der Brennkraftmaschine, während der diese mit einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis betrieben wird. Die Brennkraftmaschine kann jedoch während des Kaltstarts oder des Warmlaufs auch mit einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis betrieben werden, und dem Abgas stromauf des Abgaskatalysators Sekundärluft zugegeben werden und dadurch ein Abgas mit Sauerstoffüberschuss eingestellt werden. In beiden Fällen wird erreicht, dass der Abgaskatalysator rasch seine Betriebstemperatur erreicht, da die Oxidation des zugeführten Reformiergases auf Grund seiner Reaktionsfähigkeit auch bei vergleichsweise gering erhitztem Abgaskatalysator abläuft und die dabei frei werdende Reaktionswärme den Abgaskatalysator rasch aufheizt. Die Zufuhr des Reformiergases zum Zwecke der Erhitzung des Abgaskatalysators kann, vorzugsweise wenn der Abgaskatalysator zu stark abkühlt, selbstverständlich auch während des normalen Brennkraftmaschinenbetriebs vorgenommen werden. Damit wird die Aufrechterhaltung der Katalysatorfunktion sichergestellt. Die beschriebene Vorgehensweise kann sowohl bei einem in der Abgasleitung angeordneten Oxidationskatalysator als auch bei einem Denox-Katalysator angewendet werden.
• In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird das vom Reformer erzeugte Reformiergas dem Abgas stromauf des Abgaskatalysators wenigstens zeitweise dann zugeführt, wenn eine Temperatur eingangsseitig des Abgaskatalysators oder im Abgaskatalysator einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet. Hierzu wird die Temperatur zweckmäßig überwacht oder anderweitig ermittelt. Die Zugabe des Reformiergases zum Abgaskatalysator kann auf diese Weise bedarfsgerecht durchgeführt werden.
• Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Zu diesem Zweck wird im Folgenden die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigt
• 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Anordnung von Brennkraftmaschine und zugeordneter Abgasreinigungsanlage,
• 2 eine Zeichnung einer beispielhaften Ausführung des der Abgasreinigungsanlage zugeordneten Abgaserhitzers.
• 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage, welche hier im wesentlichen aus einer Abgasleitung 2 mit Katalysatorsystem 3, einem Abgaserhitzer 6, einem Kraftstoffreformer 7 und einem Hochtemperaturwärmetauscher 8 besteht. Die Brennkraftmaschine wird über nicht näher eingezeichnete Zufuhrsysteme mit Luft und Kraftstoff versorgt und gibt das erzeugte Abgas über die Abgasleitung 2 an die Umgebung ab. In der Abgasleitung 2 ist ein Katalysatorsystem 3 angeordnet, welches der katalytisch unterstützen Reinigung des Abgases dient. Das Katalysatorsystem 3 kann von Fall zu Fall unterschiedlich konfiguriert sein und beispielweise einen brennkraftmaschinennah angeordneten Oxidationskatalysator und/oder einen Denox-Katalysator aufweisen. Zur Abgasreinigung wird vom Kraftstoffreformer 7 wenigstens zeitweise ein wasserstoffhaltiges Reformiergas erzeugt, welches über einen Hochtemperaturwärmetauscher 8, und ein Leitungssystem 10a, 10b an einer Einspeisestelle 11 eingangsseitig einem oder mehreren Katalysatoren des Katalysatorsystems 3 der Abgasleitung zugeführt wird. Zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases enthält der Reformer 7 einen hierfür geeigneten Reformier-Katalysator, mit dessen Hilfe Kraftstoff bei erhöhten Temperaturen von vorzugsweise über 500° C in einer unter Luftmangel ablaufenden Reformierreaktion zu einem Reformiergas aufbereitet wird. Zu diesem Zweck wird der Reformer 7 zum einen mit Kraftstoff versorgt, welcher dem Kraftstoffzufuhrsystem der Brennkraftmaschine 1 an einer geeigneten Stelle entnommen wird. Zum anderen wird der Reformer über ein Leitungssystem 5a, 5b, 5c mit einem Teilstrom des Brennkraftmaschinenabgases versorgt. Der Abgasteilstrom wird der Abgasleitung 2 an einer Entnahmestelle 4 entnommen und über den Hochtemperaturwärmetauscher 8 bzw. den Abgaserhitzer 6 geführt, bevor er in der Reformer 7 gelangt.
• Es versteht sich, dass die Brennkraftmaschine 1 und die Abgasreinigungsanlage ferner über weitere hier nicht eingezeichnete Komponenten verfügt, welche der Erfassung und gegebenenfalls der Steuerung bzw. Regelung ihrer Betriebsparameter dienen. Hierzu zählen insbesondere Einrichtungen zur Erfassung und/oder zur Regelung der Temperaturen der Katalysatoren des Katalysatorsystems 3 und des Reformers 7 sowie des Abgaserhitzers 6 und des Wärmetauschers 8. Ferner Einrichtungen zur Steuerung oder Regelung der dem Reformer zugeführten Kraftstoffmenge und des Abgasteilstroms sowie Einrichtungen zur Förderung dieser Reformer-Betriebsstoffe und des erzeugten Reformiergases. Die Brennkraftmaschine verfügt über ein elektronisches Steuergerät, welches unter anderem die Menge und das Mengenverhältnis von Luft und Kraftstoff regelt. Vorzugsweise wird dieses Steuergerät auch zur Bewältigung der oben genannten Steuer- und Regelaufgaben eingesetzt.
• Im Folgenden wird der Betrieb der Anlage erläutert, wie er vorzugsweise vorgenommen wird, wenn ein im Katalysatorsystem 3 vorhandener Oxidationskatalysator eine Temperatur aufweist, welche unterhalb einer vorgebbaren Grenztemperatur liegt. Dies tritt hauptsächlich beim Kaltstart oder Warmlauf der Brennkraftmaschine 1 oder während eines Betriebs mit niedriger Last ein. Die Grenztemperatur wird zweckmäßig so gewählt, dass sie etwa der sogenannten Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators entspricht, d.h. der Temperatur, ab der dieser die im Abgas der Brennkraftmaschine 1 enthaltenen oxidierbaren Bestandteile zu einem Großteil oxidieren kann. Der Betrieb der Anlage erfolgt so, dass die Brennkraftmaschine 1 mit einem Luft-Kraftstoffgemisch versorgt wird, welches eine magere Abgaszusammensetzung, d.h. einen Sauerstoffüberschuss, zur Folge hat. Der Abgaserhitzer 6 wird unter Einsatz der Bordenergieversorgung über eine elektrische Heizeinrichtung aufgeheizt und ein Teilabgasstrom der Abgasleitung 2 von der Entnahmestelle 4 entnommen und dem Abgaserhitzer 6 zugeführt. Hierzu kann der Teilstrom entweder über die Leitung 5a, den Wärmetauscher 8 und die Leitung 5b geführt werden, oder zur Vermeidung von Wärmeverlusten über eine nicht eingezeichnete Umschaltstelle unter Umgehung des Wärmetauschers 8 direkt von der Entnahmestelle 4 zum Abgaserhitzer 6 geführt werden. Im Abgaserhitzer erhitztes Abgas wird weiter über die Leitung 5c dem Reformer zugeführt, wodurch sich dessen Katalysator ebenfalls aufheizt. Wird die Betriebstemperatur des Reformer-Katalysators erreicht, so wird dem Reformer 7 zusätzlich kontrolliert Kraftstoff über die Leitung 9 zugeführt und vorzugsweise über eine Einspritzdüse fein verteilt dem heißen Abgas zugegeben. Dadurch wird ein gut aufbereitetes, größtenteils einphasiges Kraftstoff-Luftgemisch erhalten, das über den Reformer-Katalysator geführt wird. Der Luft-Mengenstrom und der Teilabgasmengenstrom werden so eingestellt, dass sich ein Kraftstoff-Luftgemisch mit Kraftstoffüberschuss bzw. Sauerstoffmangel ergibt. Die Einstellung erfolgt aber vorzugsweise so, dass hinsichtlich des Reformierprozesses die Rußgrenze nicht erreicht wird. Im Reformer bzw. am Reformer-Katalysator laufen dann die bekannten Prozesse der partiellen Kohlenwasserstoffoxidation ab. Wegen des Wasserdampfgehaltes des zugeführten Abgases kann zusätzlich teilweise eine Wasserdampfreformierung ablaufen. Ergebnis dieser Prozesse ist ein Reformiergas, welches als brennbare Bestandteile neben Kohlenmonoxid und niedrigen Kohlenwasserstoffen hauptsächlich Wasserstoff enthält. Dieses Reformiergas wird dem Katalysatorsystem 3 eingangsseitig des darin enthaltenen Oxidationskatalysators an der Zugabestelle 11 zugegeben. Auf Grund der hohen Reaktionsfähigkeit des Reformiergases kann dieses vom im Abgas enthaltenen Sauerstoff auch bei niedrigen Abgastemperaturen am Oxidationskatalysator oxidiert werden. Die dabei frei werdende Reaktionswärme erhitzt den Oxidationskatalysator über seine für andere Abgaskomponenten maßgebende Anspringtemperatur und somit erreicht er seine normale Betriebsfähigkeit.
• Der im Reformer 7 ablaufende Reformierprozess wird vorzugsweise so gesteuert, dass sich ein exothermer Ablauf ergibt. Nach Aufnahme des normalen Betriebs des Reformers 7 kann deshalb die Beheizung des Abgaserhitzers 6 beendet werden. Die Betriebsbereitschaft des Reformers 7 wird vorzugsweise durch eine Temperaturmessung eingangsseitig des Reformers oder im Reformer festgestellt. Ergibt die Temperaturmessung, dass eine im wesentliche vollständige Verdampfung des einzuspritzenden Kraftstoffs erfolgen kann, wird mit der Kraftstoffeinspritzung eingangsseitig des Reformers 7 begonnen und somit der exotherme Reformierprozess im Reformer 7 gestartet. Die Erhitzung des dem Reformer 7 zugeführte Teilabgasstrom wird dann vom Hochtemperaturwärmetauscher 8 übernommen, wozu die Gasführung, falls erforderlich, umgeschaltet wird. Im Wärmetauscher 8 nimmt der Abgasteilstrom ein Teil der Wärme des heißen Reformiergases auf, so dass dem Reformer 7 auch nach dem Abschalten der Beheizung des Abgaserhitzers 6 erhitztes Abgas zugeführt wird. Um Wärmeverluste zu vermeiden, kann hierbei der Teilabgasstrom mit Hilfe einer nicht eingezeichneten Umschaltung unter Umgehung des Abgaserhitzers 6 vom Wärmetauscher 8 direkt dem Reformer 7 zugeführt werden. Ist diese Umschaltung nicht vorgesehen, strömt der Teilabgasstrom hintereinander durch den Wärmetauscher 8 und den Abgaserhitzer 6. Diese Gasführung hat den Vorteil, dass bei Bedarf eine zeitlich oder leistungsmäßig begrenzte zusätzliche Aufheizung durch den Abgaserhitzer 6 vorgenommen werden kann.
• Ist durch die exothermen Reaktionen im Oxidationskatalysator des Katalysatorsystems 3 dieser soweit erhitzt, dass er ein normales Betriebsverhalten aufweist, so kann der Reformerdurchsatz heruntergefahren werden oder die Zufuhr von Abgas und Kraftstoff zum Reformer 7 beendet werden und der Reformerbetrieb somit ebenfalls beendet werden.
• Ein weiterer Anwendungsfall für den Einsatz des Reformers 7 in der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage ist dann gegeben, wenn die Abgasreinigungsanlage ein Katalysatorsystem 3 mit einem sogenannten Denox-Katalysator aufweist. Ein solcher Denox-Katalysator ist in der Lage, auch bei Vorliegen eines Sauerstoffüberschusses die Reduktion von Stickoxiden im Abgas zu katalysieren. Die Stickoxide werden hierbei vom Reduktionsmittel hauptsächlich zu unschädlichem Stickstoff reduziert. Voraussetzung hierfür ist allerdings das Vorliegen ausreichender Mengen eines geeigneten Reduktionsmittel im Abgas. Mit den bekannten Denox-Katalysatoren lassen sich mit Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel Stickoxidumsätze von etwa 50 % in einem Temperaturbereich von etwa 250° C bis etwa 350° C erreichen. Die Art der Kohlenwasserstoffe ist dabei von entscheidender Bedeutung. Vergleichsweise gute Stickoxidumsätze werden mit kurzkettigen und/oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen erhalten. Aus diesem Grund ist die Zugabe von Kraftstoff wie Benzin oder Diesel ins Abgas zum Zwecke der Reduktionsmittelbereitstellung wenig wirksam. Als sehr wirksames Reduktionsmittel, insbesondere bei Temperaturen unter 200° C ist Wasserstoff bekannt, jedoch ist dessen Bereitstellung an Bord eines Kraftfahrzeuges schwierig. Mit Hilfe des Reformers 7 als Bestandteil der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage ist jedoch sowohl die Bereitstellung von niederen Kohlenwasserstoffen als auch die Bereitstellung von Wasserstoff als Reduktionsmittel möglich. Dadurch wird bei Einsatz eines Denox-Katalysators eine Stickoxidreduktion unter mageren Abgasbedingungen über einen weiten Temperaturbereich ermöglicht. Das Abgasreinigungsverfahren wird hierbei im wesentlichen wie bereits oben beschrieben durchgeführt. Unter Verwendung des Abgaserhitzers 6 und/oder des Wärmetauschers 8 wird dem Reformer 7 ein erhitzter Teilstrom des Abgases der Brennkraftmaschine zugeführt. Nach Aufheizung des Reformer-Katalysators wird mit der Kraftstoffzufuhr zum Reformer 7 begonnen und der Reformer 7 liefert wasserstoff- und kohlenwasserstoffhaltiges Reformiergas. Dieses wird über den Wärmetauscher 8 und über die Leitung 10b der Abgasleitung 2 eingangsseitig des Denox-Katalysators zugeführt. Je nach Temperatur des Denox-Katalysators bzw. eingestelltem SAuerstoff-Kraftstverhältnis im Reformer kann der Reformerprozess so gesteuert werden, dass ein mehr oder weniger wasserstoffreiches bzw. ein mehr oder weniger kohlenwasserstoffreiches Reformiergas erhalten wird. Dadurch kann über einen weiten Temperaturbereich des Denox-Katalysators eine optimale Stickoxidverminderung erhalten werden. Bei niedrigen Temperaturen des Denox-Katalysators wird ein eher wasserstoffreiches Reformiergas erzeugt, bei höheren Temperaturen des Denox-Katalysators wird ein eher kohlenwasserstoffreiches Reformiergas erzeugt.
• Es ist klar, dass die Abgasreinigungsanlage sowohl einen Oxidationskatalysator als auch einen Denox-Katalysator als Bestandteil des Katalysatorsystems 3 aufweisen kann. In diesem Fall kann das Reformiergas des Reformers 7 sowohl eingangsseitig des Oxidationskatalysators zu dessen Aktivierung als auch eingangsseitig des Denox-Katalysators in die Abgasleitung 2 eingespeist werden. Die Zufuhrleitung 10b weist zu diesem Zweck eine Verzweigung zu zwei Zugabestellen 11 auf. Ferner sind in diesem Fall zwei Einrichtungen zur gezielten Verteilung der jeweiligen Reformiergasströme vorhanden. Die Verzweigung und die zweifache Ausführung der Zugabestelle 11 sind hierbei nicht in die 1 eingezeichnet.
• 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Abgaserhitzers 6, wobei dieser in zerlegter Form dargestellt ist. Der Abgaserhitzer besteht im wesentlichen aus einer Heizpatrone 20, einem einseitig offenen hohlzylindrischen Einsatz 21 und einem einseitig offenen hohlzylindrischen Hüllrohr 22. Die Heizpatrone 20 bzw. der Einsatz 21 sind jeweils kreiszylindrisch gestaltet und weisen über den wesentlichen Teil ihrer Länge einen Außendurchmesser bzw. einen Innendurchmesser derart auf, dass die Heizpatrone 20 passgenau in den Einsatz 21 eingeschoben werden kann. Somit ergibt sich ein guter Wärmeübergang von der Heizpatrone 20 auf den Einsatz 21. Heizpatrone 20 und Einsatz 21 können über die Schraubgewinde 24a und 24b miteinander verschraubt werden. Im Innern der Heizpatrone 20 ist eine als Widerstandsheizung ausgeführte elektrische Heizung angeordnet, deren Anschlüsse 23 nach außen geführt sind.
• Der Einsatz 21 weist über den wesentlichen Teil seiner Länge auf seiner Mantelfläche eine wendelförmig und konzentrisch zu seiner Längsachse verlaufende Nut, ähnlich eines Gewindes auf. Dies ist in der Schnittdarstellung in Form der Gewindegänge 25 dargestellt. Die Nut verläuft bis zum geschlossenen Ende des Einsatzes 21. Der Einsatz 21 ist so gearbeitet, dass er passgenau in das Hüllrohr 22 eingeschoben werden kann. Die gewendelte Nut, bzw. die Gewindegänge 25 bilden mit dem aufgeschobenen Hüllrohr 22 einen gewendelten Kanal zur Führung des zu erhitzenden Abgases.
• Das Hüllrohr 22 verfügt im Bereich des offenen Endes über eine radiale Bohrung 26, die zur Zufuhr des zu erhitzenden Abgasteilstroms dient. In diese Bohrung kann beispielsweise ein Anschlussrohr formschlüssig eingebracht sein. Der Einsatz 21 und das Hüllrohr 22 sind derart gefertigt, dass bei in das Hüllrohr 22 eingeschobenem Einsatz 21 durch die Bohrung 26 Abgas dem zwischen beiden Teilen 21, 22 gebildeten gewendelten Kanal zuführbar ist. Das Hüllrohr 22 weist am geschlossenen Ende eine axiale Zentralbohrung 27 zur Ableitung des durch den gewendelten Kanal geführten Abgases auf. In die Zentralbohrung 27 kann ebenfalls ein Anschlussrohr formschlüssig eingebracht sein. In zusammengebautem Zustand ergibt sich somit ein kompakter Abgaserhitzer 6, mit welchem mit hohem Wirkungsgrad eine effektive Beheizung des dem Reformer 7 zugeführten Abgases auf vergleichsweise hohe Temperatur erfolgen kann. Es versteht sich, dass die elektrische Beheizung des Abgaserhitzers 6 zusätzlich oder ausschließlich auch durch Heizelemente erfolgen kann, die außen, beispielsweise in Form eines Heizdrahtes, um den Abgaserhitzer 6 gewickelt oder anderweitig angebracht sind. Ferner ist klar, dass der Abgaserhitzer 6 selbst modifiziert werden kann. Beispielsweise ist es möglich, die Heizpatrone 20 selbst mit einer gewendelten Nut zu versehen, derart, dass sich nach Einschieben in das Hüllrohr 22 ein gewendelter Gaskanal ergibt. Auf diese Weise kann auf den Einsatz 21 verzichtet werden.

Claims (15)

1. Abgasreinigungsanlage zur Reinigung eines Abgases einer Brennkraftmaschine (1), mit – einem in einer Abgasleitung (2) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Abgaskatalysator und – mit einem katalytischen Kraftstoffreformer (7) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformiergases, welches eingangsseitig des Abgaskatalysators der Abgasleitung (2) zuführbar ist, wobei dem Kraftstoffreformer (7) zur Erzeugung des Reformiergases ein zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) nutzbarer kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoff zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaserhitzer (6) zur Erhitzung eines der Abgasleitung (2) entnommenen und dem Kraftstoffreformer (7) zugeführten Teilstroms des Brennkraftmaschinenabgases vorgesehen ist.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaserhitzer (6) elektrisch beheizbar ist.
3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaserhitzer (6) zylindrisch gestaltet ist und in seinem Inneren einen gewendelten, im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Kanal zur Führung des Abgasteilstroms aufweist.
4. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochtemperaturwärmetauscher (8) zur Wärmeübertragung von dem aus dem Kraftstoffreformer (7) austretenden Reformiergas auf den dem Kraftstoffreformer (7) zugeführten Abgasteilstrom vorgesehen ist.
5. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasteilstrom dem Kraftstoffreformer (7) wahlweise über den Abgaserhitzer (6) und/oder über den Hochtemperaturwärmetauscher (8) zuführbar ist.
6. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (2) ein Oxidationskatalysator als Abgaskatalysator angeordnet ist.
7. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (2) ein Denox-Katalysator als Abgaskatalysator angeordnet ist.
8. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Oxidationskatalysators zusätzlich ein Denox-Katalysator in der Abgasleitung (2) angeordnet ist und das Reformiergas eingangsseitig des Oxidationskatalysators und eingangsseitig des Denox-Katalysators der Abgasleitung (2) zuführbar ist.
9. Abgasreinigungsverfahren zur Reinigung eines Abgases einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasreinigungsanlage mit – einer Abgasleitung (2) mit einem darin angeordneten Abgaskatalysator, und mit – einem katalytischen Kraftstoffreformer (7), wobei dem Kraftstoffreformer (7) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Reformiergases ein zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) genutzter Kraftstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Abgasleitung (2) entnommener Abgasteilstrom aufgeheizt und dem Kraftstoffreformer (7) zugeführt wird.
10. Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufheizung des Abgasteilstroms der Abgasteilstrom durch einen separaten Abgaserhitzer (6) geleitet wird.
11. Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufheizung des Abgasteilstroms der Abgasteilstrom durch einen Abgaserhitzer (6) oder/und durch einen vom Reformiergas durchströmten Hochtemperaturwärmetauscher (8) geleitet wird.
12. Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaserhitzer (6) wenigstens zeitweise elektrisch beheizt wird.
13. Abgasreinigungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anfahren des Kraftstoffreformers (7) der Abgasteilstrom durch den elektrisch beheizten Abgaserhitzer (6) geleitet und dabei aufgeheizt wird, und bei einem Normalbetrieb des Kraftstoffreformers (7) der Abgasteilstrom durch den Hochtemperaturwärmetauscher (8) geleitet und dabei aufgeheizt wird.
14. Abgasreinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Reformer (7) erzeugte Reformiergas dem Abgas stromauf des Abgaskatalysators wenigstens zeitweise dann zugeführt wird, wenn das dem Abgaskatalysator zugeführte Abgas der Brennkraftmaschine (1) einen Luftüberschuss aufweist.
15. Abgasreinigungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Reformer (7) erzeugte Reformiergas dem Abgas stromauf des Abgaskatalysators wenigstens zeitweise dann zugeführt wird, wenn eine Temperatur eingangsseitig des Abgaskatalysators oder im Abgaskatalysator einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet.