DE10237777A1 - Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit und Betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit und Betriebsverfahren hierfür Download PDF

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Bernd Dipl.-Ing. Christner
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Harald Dipl.-Ing. Menke
Siegfried Dipl.-Ing. Müller-Lunz
Arno Dipl.-Ing. Nolte
Markus Dipl.-Ing. Paule
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Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine mit einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zur Erzeugung eines H¶2¶-haltigen und/oder eines NH¶3¶-haltigen Reduktionsgases, welches stromaufwärts eines NO¶x¶-Reduktionskatalysators (3) in die Abgasleitung (2) zugebbar ist, vorgeschlagen sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) eine NO¶x¶-Erzeugungsstufe und eine H¶2¶-Erzeugungsstufe in serieller Anordnung auf; für das Verfahren ist vorgesehen, dass wenigstens zeitweise von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) aus von der NO¶x¶-Erzeugungsstufe erzeugtem NO¶x¶ durch chemische Reduktion NH¶3¶ gebildet wird. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftwagen mit Dieselmotor.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Betriebsverfahren hierfür mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12 bzw. ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.
  • In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10128414.4 ist eine Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit beschrieben. Die Reduktionsmittelerzeugungseinheit dient der Erzeugung eines H2-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases, welches stromaufwärts eines NOx-Reduktionskatalysators in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine zugebbar ist, wobei der Reduktionsmittelerzeugungseinheit ein HC-haltiger (HC = Kohlenwasserstoff) Kraftstoff sowie Luft und/oder Abgas zuführbar ist. Die Erzeugung des H2-Anteils und des NH3-Anteils im Reduktionsgas erfolgt in parallelgeschalteten Einheiten, was den Einsatz von Schaltbauteilen und die Verwendung von Zwischenspeichern notwendig macht.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennkraftmaschine mit einer Reduktionserzeugungseinheit und ein Betriebsverfahren hierfür anzugeben, mit welchen auf konstruktiv und verfahrenstechnisch einfache Weise Reduktions mittel für eine wirkungsvolle Abgasreinigung bereitgestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Reduktionsmittelerzeugungseinheit eine NOx-Erzeugungsstufe und eine H2-Erzeugungsstufe in serieller Anordnung aufweist. Die serielle Anordnung ermöglicht eine konstruktiv einfache Kopplung der Erzeugungsstufen mit einer geringen Zahl von Steuerventilen und einen in großem Maße voneinander unabhängigen und damit einfach zu steuernden Betrieb der Erzeugungsstufen. Das von der NOx-Erzeugungsstufe erzeugte NOx kann bedarfsgerecht durch Reduktion mit dem von der H2-Erzeugungsstufe erzeugten H2 zu NH3 reduziert werden. Damit steht in Verbindung mit einem geeigneten Abgaskatalysator ein wirksames Reduktionsmittel für die Entfernung der im Abgas der Brennkraftmaschine vorhandenen Stickoxide zur Verfügung. Der von der H2-Erzeugungsstufe erzeugte H2 kann ebenfalls zur katalytischen Verminderung des Stickoxidgehalts im Abgas, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, eingesetzt werden.
  • Die H2-Erzeugungsstufe ist vorzugsweise als POX-Reaktor (POX = partielle Oxidation) ausgeführt. Durch entsprechende Wahl der Betriebsbedingungen des POX-Reaktors kann die Zusammensetzung des Produktgases gezielt eingestellt werden, so dass beispielsweise ein H2-reiches Produktgas oder ein an gecrackten, kurzkettigen Kohlenwasserstoffen reiches Produktgas erhalten wird. Da kurzkettige Kohlenwasserstoffe oder Wasserstoff hinsichtlich der NOx-Reduktion insbesondere bei niedrigen Temperaturen wirksamer sind als langkettige Kohlenwasserstoffe, kann mit einem solchen Reaktor ein als Brennstoff für die Brennkraftmaschine eingesetztes Mineralöl in ein wirksameres Reduktionsmittel für Stickoxide umgesetzt werden. Ferner können auch die verschiedenen Temperaturbereiche der Wirksamkeit der von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugbaren Reduktionsmittel ausgenutzt werden, und die Zusammensetzung des Reduktionsgases an die Temperatur des NOx-Reduktionskatalysators angepasst werden. Dadurch wird in einem breiten Temperaturbereich eine NOx-Verminderung ermöglicht.
  • Die H2-Ausbeute der H2-Erzeugung lässt sich durch Einbeziehung einer Wassergasshiftreaktion (CO + H2O ----> CO2 + H2) oder einer Steamreformingreaktion (HC + H2O ----> CO2 + H2) erhöhen. Diese können ebenfalls in der H2-Erzeugungsstufe ablaufen oder in einer getrennten, vorzugsweise der H2-Erzeugungsstufe nachgeschalteten Reaktionsstufe ablaufen. Das für das Ablaufen der Wassergasshiftreaktion bzw. die Steamreformingreaktion notwendige Wasser kann dem jeweiligen Eduktgas zugesetzt werden. Wird der Reduktionsmittelerzeugungseinheit Abgas zugeführt, so ist durch dessen Wassergehalt bereits die Voraussetzung für das Ablaufen der Wassergasshiftreaktion bzw. der Steamreformingreaktion gegeben.
  • Wegen der leichten Oxidierbarkeit des von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugten H2 kann zusätzlich eine rasche Aufheizung von Katalysatoren im Abgasstrang erzielt werden. Durch Zugabe des erzeugten H2 eingangs eines Abgaskatalysators kann daher ein schnelles Anspringen dieses Katalysators erreicht werden, was insbesondere bei der Verminderung der Schadstoffemission beim Kaltstart wichtig ist. Desgleichen können Katalysatoren unter thermisch ungünstigen Bedingungen, wie beispielsweise in Unterbodenposition eines Kraftfahrzeugs, wirksam betrieben werden.
  • Mit der weitgehend autark arbeitenden Reduktionsmittelerzeugungseinheit kann somit weitgehend unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine Reduktionsmittel an Bord des zugehörigen Kraftfahrzeugs bereitgestellt und zur Schadstoffverminderung eingesetzt werden. Da außerdem die Reduktionsmittelerzeu gungseinheit nur mit den an Bord eines Kraftfahrzeugs sowieso verfügbaren Betriebsstoffen gespeist wird, werden Zusatzbetriebsstoffe und deren Speicherung oder Zwischenspeicherung überflüssig. Außerdem entfällt weitgehend die Notwendigkeit, den Betrieb der Brennkraftmaschine zur Bereitstellung von Reduktionsmittel für die NOx-Reduktion beispielsweise auf fette Verbrennung umzustellen, was insbesondere bei Dieselmotoren mit Schwierigkeiten verbunden ist. Insgesamt wird daher auf konstruktiv einfache Weise eine vom Betrieb der Brennkraftmaschine weitgehend unabhängige Verringerung des Schadstoffgehalts im Abgas ermöglicht.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist die NOx-Erzeugungsstufe der H2-Erzeugungsstufe nachgeschaltet. Diese Anordnung kann beim Betrieb der Reduktionsmittelerzeugung Vorteile bieten. Beispielsweise kann sich das in heißem Zustand aus der vorgeschalteten H2-Erzeugungsstufe austretende Reduktionsgas beim Durchtritt durch die NOx-Erzeugungsstufe abkühlen, so dass nachfolgende Bauteile thermisch nicht zu stark belastet werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die NOx-Erzeugungsstufe der H2-Erzeugungsstufe vorgeschaltet. Diese Anordnung kann beim Betrieb der Reduktionsmittelerzeugung ebenfalls Vorteile bieten. Beispielsweise kann das aus der vorgeschalteten NOx-Erzeugungsstufe austretende Gas zur Steuerung des in der nachgeschalteten H2-Erzeugungsstufe ablaufenden Prozesses eingesetzt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der NOx-Erzeugungsstufe eine NH3-Erzeugungsstufe nachgeschaltet. Die NH3-Erzeugungsstufe dient der vorzugsweise bedarfsgerechten onboard-Erzeugung von NH3, so dass dieses Reduktionsmittel zur NOx-Verminderung nicht in einem Vorratsbehälter mitgeführt werden muss.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Reduktionsmittelerzeugungseinheit eine Fraktioniereinheit zugeordnet, derart, dass von der Fraktioniereinheit niedrigsiedende Bestandteile eines zum Betrieb der Brennkraftmaschine eineesetzten Kraftstoffs abtrennbar sind, welche der H2-Erzeugungsstufe zuführbar sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine beispielsweise als POX-Reaktor ausgeführte Reduktionsmittelerzeugungseinheit leichter zu betreiben ist. Die vom Kraftstoff abgetrennten leichtsiedenden Bestandteile: werden vom POX-Reaktor besser und vollständiger gecrackt. Ferner können Rußbildung und Kondensationsproblem im POX-Reaktor weitgehend vermieden werden und die Betriebstemperatur kann abgesenkt werden. Der Wirkungsgrad und die H2-Ausbeute der partiellen Kohlenwasserstoffoxidation können ebenfalls verbessert werden. Außerdem werden durch die Fraktionierung weitgehnd schwefelfreie Kraftstoffkomponenten abgetrennt. Die H2-Erzeugungsstufe wird daher nur mit niedrigsiedenden Kraftstoffkomponenten versorgt, die frei von Schwefel sind, weshalb eine Schwefelvergiftung minimiert wird.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die NOx-Erzeugungsstufe mit der H2-Erzeugungsstufe im zeitlichen Wechsel in zwei Betriebsarten betreibbar, derart, dass in der ersten Betriebsart von der NOx-Erzeugungsstufe ein NOx-haltiges Gas erzeugbar ist und in der zweiten Betriebsart von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit ein H2-haltiges Gas und NH3-haltiges Gas erzeugbar ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht in vorteilhafter Weise einen bedarfsgerechten Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit. In Zeitabschnitten, in welchen eine Komponente des Reduktionsgases nicht benötigt wird, kann die entsprechende Erzeugungseinheit außer Betrieb gesetzt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der NOx-Erzeugungsstufe ein NOx-Zwischenspeicher nachgeschaltet. Mit dieser Ausführungsform kann die NOx-Erzeugungsstufe auch mit geringem Wirkungsgrad betrieben werden. Das dabei nur in geringen Konzentrationen im Produktgas vorhandene NOx wird im NOx-Zwischenspeicher angesammelt und steht nach einiger Zeit in größerer Menge zur Umsetzung in NH3 zur Verfügung.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der NOx-Zwischenspeicher zur Umsetzung von gespeichertem NOx mit H2 zu NH3 ausgelegt. Mit dieser Doppelfunktion von NOx-Speicherung und NH3-Bildung kann die Reduktionsmittelerzeugungseinheit besonders kompakt gestaltet werden. Als NOx-Zwischenspeicher kann insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung kann dessen NH3-Bildungs-funktion bei der Regeneration durch Zufuhr von Reduktionsgas ausgenutzt werden. Vorzugsweise wird ein beispielsweise durch einen gesteigerten Rhodiumgehalt bezüglich der NH3-Bildungsfunktion optimierter NOx-Speicherkatalysator eingesetzt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die H2-Erzeugungsstufe zur Umsetzung von zugeführtem NOx zu NH3 ausgelegt. Wird der H2-Erzeugungsstufe gleichzeitig NOx aus der vorgeschalteten NOx-Erzeugungsstufe und HC-haltiger Kraftstoff zugeführt, kann in einem einzigen, vorzugsweise katalytischen, Prozessschritt sowohl H2 als auch NH3 erzeugt. Bei der unter reduzierenden Bedingungen ablaufenden partiellen Kohlenwasserstoffoxidation ist die Reduktion von NOx zu NH3 aus thermodynamischen Gründen bevorzugt, weshalb dieser Reduktionsschritt in vorteilhafter Weise in einem Prozessschritt mit der H2-Erzeugung zusammengefasst werden kann. Auf diese Weise wird in einem Prozessschritt ein NH3- und H2-haltiges Reduktionsgas erzeugt. Dabei wird die Erzeugung des NH3- und H2-haltigen Reduktionsgases vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die NOx-Erzeugungsstufe zur Erzeugung von NOx aus Luft/und oder sauer stoffhaltigem Abgas ausgelegt. Vorzugsweise wird in der NOx-Erzeugungsstufe NOx in einem Plasmaprozess, durch einen elektrischen Lichtbogen oder durch eine Corona-Entladung erzeugt. In Verbindung mit der nachgeschalteten Reduktion des NOx wird somit NH3 ausschließlich aus Bestandteilen der Luft und des mitgeführten Kraftstoffs erzeugt, weshalb auf die Bevorratung eines NH3-freisetzenden Stoffes, wie beispielsweise Harnstoff, verzichtet werden kann.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der NOx-Reduktionskatalysator eine Denox-Katalysatorstufe zur Umsetzung von NOx mit H2 und eine SCR-Katalysatorstufe zur Umsetzung von NOx mit NH3 auf. In beiden Fällen kann die NOx-Reduktion bei mageren Abgasbedingungen stattfinden, weshalb die Brennkraftmaschine vorzugsweise ständig mager betrieben wird, und. damit der volle Verbrauchsvorteil des Magerbetriebs ausgeschöpft werden kann. Zusätzlich können die unterschiedlichen. Temperaturbereiche der Wirksamkeit der beiden Katalysatorstufen ausgenutzt werden, weshalb in einem breiten Temperaturbereich eine wirksame Stickoxidverminderung erzielt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
    • a) Erzeugung eines NOx-haltigen Gas von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten NOx-Erzeugungsstufe aus der NOx-Erzeugungsstufe zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas,
    • b) Zwischenspeicherung von NOx bei der Durchleitung des im Verfahrensschritt a erzeugten NOx-haltigen Gases durch einen der NOx-Erzeugungsstufe nachgeschalteten und der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten NOx-Zwischenspeicher,
    • c) Erzeugung eines H2-haltigen Gases von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten und dem NOx-Zwischenspeicher vorgeschalteten H2-Erzeugungsstufe aus der H2-Erzeugungs stufe zugeführtem Kraftstoff sowie zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas,
    • d) Umsetzung von im NOx-Zwischenspeicher gespeicherten NOx mit dem im Verfahrensschritt c erzeugten Gas zu NH3, so dass ein H2-haltiges und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugt wird, wobei die Verfahrensschritte a und b mit den Verfahrensschritten c und d in zeitlichem Wechsel durchgeführt werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung erfolgt die NOx-Erzeugung und NOx-Zwischenspeicherung in zeitlichem Wechsel mit der Erzeugung eines H2-haltigen, reduzierenden Gases, Freisetzung des zwischengespeicherten NOx und dessen Reduktion zu NH3. Dem NOx-Reduktionskatalysator wird intermittierend ein H2-/NH3-haltiges Reduktionsgas zugeführt. Da jedoch vorzugsweise ein NH3-speichernder SCR-Katalysator als NOx-Reduktionskatalysator eingesetzt wird, kann dieser dennoch im Abgas enthaltenes NOx kontinuierlich reduzieren, da in den Betriebsphasen, in denen dem Katalysator kein NH3 zugeführt wird, in der vorigen Betriebsphase zugeführtes und eingespeichertes NH3 zur NOx-Reduktion verwendet wird. Durch die NOx-Zwischenspeicherung in den Betriebsphasen der NOx-Erzeugung erfolgt eine Anreicherung des erzeugten NOx, welches bei Zufuhr von Reduktionsgas mit reduzierender Zusammensetzung in. erhöhter Konzentration vom NOx-Zwischenspeicher wieder abgegeben und zu NH3 umgesetzt wird. Folglich kann das Reduktionsmittel NH3 in vergleichsweise großer Konzentration dem NOx-Reduktionskatalysator zugeführt werden.
  • In Ausgestaltung des Verfahrens wird die NOx-Umsetzung zu NH3 in einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten, dem NOx-Zwischenspeicher nachgeschalteten katalytischen NH3-Erzeugungsstufe durchgeführt. Vorzugsweise umfasst die NH3-Erzeugungsstufe einen NH3-Bildungskatalysator der die reduktive Umsetzung von NOx zu NH3 katalysiert. Ein Katalysator mit einem bezüglich der NH3-Bildung sehr hohen Wirkungsgrad ist beispielsweise in der nichtvorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10214686.1 beschrieben. Wird einem solchen Katalysator NOx und H2-haltiges Reduktionsgas zugeführt, so erfolgt zu einem hohen Prozentsatz eine Umsetzung von NOx zu NH3.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zwischenspeicherung von NOx und die NOx-Umsetzung zu NH3 mit einem katalytischen NOx-Zwischenspeicher durchgeführt. Der katalytische NOx-Zwischenspeicher verfügt hierzu vorzugsweise über eine NH3-Bildungsfunktion, derart, dass gespeichertes NOx unter reduzierenden oder stöchiometrischen Bedingungen zumindest teilweise zu NH3 reduziert wird. Ein derartiges Verhalten zeigen beispielsweise NOx-Speicherkatalysatoren, die hier vorzugsweise eingesetzt werden. Durch die in einem katalytischen Bauteil integrierten Funktionen der NOx-Zwischenspeicherung und der NH3-Bildung kann eine kompakte Bauweise der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erreicht werden.
  • Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
    • a) Erzeugung eines NOx-haltigen Gas von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten NOx-Erzeugungsstufe aus der NOx-Erzeugungsstufe zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas,
    • b) Erzeugung eines H2-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten und der NOx-Erzeugungsstufe nachgeschalteten H2-Erzeugungsstufe aus der H2-Erzeugungsstufe zugeführtem, im Verfahrensschritt a erzeugten NOx-haltigen Gases, zugeführtem Kraftstoff sowie zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas.
  • Mit dieser erfindungsgemäßen Verfahrensführung erfolgt eine kontinuierliche Erzeugung eines H2-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases und dessen Zufuhr zum NOx-Reduktionskatalysator. Vorzugsweise weist die H2-Erzeugungsstufe einen Katalysator mit NH3-Bildungsfunktion auf, und es wird von der H2-Erzeugungsstufe ein H2-haltiges und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugt. Die H2-Abspaltung aus dem HC-haltigen Kraftstoff in der H2-Erzeugungsstufe und die Reduktion des beigegebenen NOx zu NH3 erfolgt im gleichen Prozess. Somit wird in einem Prozessschritt ein H2- und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugt. Dies vereinfacht in vorteilhafter Weise die Ausführung der Reduktionsmittelerzeugungseinheit.
  • In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten Fraktioniereinheit ein an niedrigsiedenden Bestandteilen angereicherter Kraftstoff gewonnen, der der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zur Reduktionsgaserzeugung zugeführt wird. Die H2-Erzeugungsstufe wird dadurch mit niedermolekularen Kohlenwasserstoffen versorgt, wodurch dessen Eduktgasstrom besser homogenisiert wird, Verkokungen vermieden werden und die H2-Ausbeute gesteigert wird.
  • In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren ist der NOx-Reduktionskatalysator in eine Denox-Katalysatorstufe zur Umsetzung von NOx mit H2 und in eine SCR-Katalysatorstufe zur Umsetzung von NOx mit NH3 aufgeteilt, und das Reduktionsgas wird in Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung eingangsseitig der SCR-Katalysatorstufe (3a) oder eingangsseitig der Denox-Katalysatorstufe (3b) dem Abgas zugeführt. Da die Katalysatorstufen unterschiedliche Temperaturbereiche ihrer Wirksamkeit aufweisen, und die von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugten Reduktionsmittel HC, H2, NH3 bei unterschiedlichen Temperaturen ihre optimale Wirkung besit zen, kann damit in einem breiten Temperaturbereich eine hohe NOx-Verminderung im Abgas erzielt werden. Die Denox-Katalysatorstufe kann außerdem zur Reduktion von NOx mit HC ausgelegt sein was den Anwendungsbereich des Reduktionsgases erweitert.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Menge und/oder die Zusammensetzung des von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugten Reduktionsgases in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt. Vorzugsweise wird von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit bei mengenmäßig großer NOx-Emission der Brennkraftmaschine mehr Reduktionsgas bereitgestellt, als bei niedriger. Der Prozess der Reduktionsgaserzeugung wird vorzugsweise so gesteuert, dass die Wirkung des jeweiligen NOx-Reduktionskatalysators optimal ausgenützt wird. Bei niedriger Last der Brennkraftmaschine bzw. niedriger Abgastemperatur wird vorzugsweise ein H2-reiches Reduktionsgas erzeugt. Bei höherer Last der Brennkraftmaschine bzw. höherer Abgastemperatur wird die Reduktionsmittelerzeugungseinheit vorzugsweise so betrieben, dass das Reduktionsgas mehr NH3 enthält. Dadurch kann wiederum ein im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneter SCR-Katalysator mit höherem NOx-Umsatz betrieben werden.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit,
  • 2 ein schematisches Blockbild eines Aufbaus einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit,
  • 3 ein schematisches Blockbild des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit,
  • 4 ein schematisches Blockbild des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit,
  • 5 ein schematisches Blockbild des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit,
  • 6 ein schematisches Blockbild des Aufbaus einer Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit mit zugeordneter Fraktioniereinheit.
  • In 1 ist eine hier beispielhaft als vierzylindriger Dieselmotor ausgeführte Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Im Folgenden wird vereinfachend von einem Motor gesprochen. Das im Verbrennungsprozess erzeugte Abgas wird über die Abgasleitung 2 in die Umgebung geleitet. In der Abgasleitung 2 ist. ein hier beispielhaft die Katalysatorstufen 3a und 3b umfassender NOx-Reduktionskatalysator 3 angeordnet.
  • Die Katalysatorstufe 3a ist als SCR-Katalysator ausgeführt, mit welchem mit NH3 als Reduktionsmittel eine NOx-Verminderung unter mageren Abgasbedingungen erfolgt. Es kann ein SCR-Katalysator auf V2O5/WO3/TiO2-Basis als Vollextrudat oder ein anderer für die NOx-Reduktion mit NH3 geeigneter Katalysator eingesetzt werden. Der Temperaturbereich der Wirksamkeit der Katalysatorstufe 3a liegt typischerweise zwischen 200° C und 400° C.
  • Die Katalysatorstufe 3b ist als Denox-Katalysator ausgeführt, mit welchem mit H2 und/oder HC als Reduktionsmittel eine NOx-Verminderung unter mageren Abgasbedingungen erfolgt. Eingesetzt wird vorzugsweise ein edelmetallhaltiger Katalysator, es kann jedoch auch ein Cu-ausgetauschter Zeolith oder ein anderer für die NOx-Reduktion mit H2 oder HC geeigneter Katalysator eingesetzt werden. Der Temperaturbereich der Wiksam keit der Katalysatorstufe 3b liegt mit H2 als Reduktionsmittel typischerweise zwischen 80° C und 200° C, mit HC als Reduktionsmittel zwischen 180° C und 400° C.
  • Zur Erzeugung der Reduktionsmittel H2 und/oder NH3 dient die dem Motor zugeordnete Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20. Zu diesem Zweck können ihr Kraftstoff bzw. Luft oder Abgas über die Kraftstoffzufuhrleitung 9 bzw. über die Gaszufuhrleitung 10 bedarfsgerecht zugeführt werden. Die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 verfügt über eine nicht dargestellte geregelte Beheizung, welche hauptsächlich zum Anfahren in Betrieb ist. Das von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 erzeugte Reduktionsgas kann über die Zugabeleitung 8 und die Zugabestellen 4, 5 dem Abgas eingangsseitig der Katalysatorstufen 3a, 3b bedarfsgerecht zugegeben werden.
  • Der Motorbetrieb und der Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 wird von einem Motorsteuergerät 6 gesteuert, welches zu diesem Zweck über Steuerleitungen 7 mit dem Motor 1 bzw. mit der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 verbunden ist.
  • Selbstverständlich können dem Motor 1 oder der Abgasanlage weitere, Bauteile zugeordnet sein, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Insbesondere können dies weitere katalytische Reinigungseinheiten, ein Partikelfilter und Sensoren in der Abgasleitung 2 sowie übliche weitere Motorbestandteile wie Einspritzanlage, Abgasturbolader, Bauteile zur Abgasrückführung usw. sein. Ebenfalls nicht dargestellt sind schaltbare bzw. einstellbare Absperrorgane in der Zugabeleitung 8 und den Zufuhrleitungen 9, 10.
  • Die Reduktionsmitteleinheit 20 wird nun so betrieben, dass in Abhängigkeit von der NOx-Emission des Motors 1 Reduktionsgas erzeugt und eingangsseitig der Katalysatorstufen 3a und/oder 3b dem Abgas zugegeben wird. Hierzu verfügt das Motorsteuergerät 6 beispielsweise über Kennfelder, in denen die NOx-Emission in Abhängigkeit vom Motorbetriebpunkt abgelegt ist. Der Prozess der Reduktionsgaserzeugung wird vom Motorsteuergerät 6 gesteuert und überwacht, wobei das Motorsteuergerät 6 über alle notwendigen Informationen bezüglich der Reduktionsgaszusammensetzung und den Betriebszustand der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 verfügt.
  • Das Motorsteuergerät 6 steuert die Zugabemengen von Luft bzw. Abgas sowie Kraftstoff und den Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 vorzugsweise so, dass bei niedriger Abgastemperatur Reduktionsgas hauptsächlich über die Zugabestelle 4 eingangs des Denox-Katalysators 3b dem Abgas zugeführt wird. Die Reduktionsgaserzeugung wird dabei so gesteuert, dass das Reduktionsgas überwiegend H2 als Reduktionsmittel enthält. Somit wird auch bei niedriger Abgastemperatur bzw. bei niedriger Temperatur der Katalysatorstufe 3b eine wirksame NOx-Verminderung des Motorabgases erreicht. Die Zugabemenge des Reduktionsgases wird dabei vom Motorsteuergerät 6 entsprechend des NOx-Gehalts des Abgases der Abgastemperatur bzw. der Temperatur der Katalysatorstufe 3b sowie des H2-Gehalts des Reduktionsgases eingestellt. Vorzugsweise wird ein molares Verhältnis von etwa 3:1 von H2 : NOx eingangsseitig des Denox-Katalysators 3b eingestellt.
  • Gerät bei steigender Abgastemperatur die Katalysatorstufe 3b aus dem Temperaturbereich ihrer Wirksamkeit, so wird die Zugabemenge an vorwiegend H2-haltigem Reduktionsgas an der Zugabestelle 4 vermindert bzw. eingestellt. Gleichzeitig wird der Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit so umgestellt, dass sich ein erhöhter NH3-Anteil im Reduktionsgas ergibt und das Reduktionsgas an der Zugabestelle 5 eingangs der Katalysatorstufe 3a dem Abgas zugegeben. Da mit steigen der Abgastemperatur der SCR-Katalysator der Katalysatorstufe 3a in zunehmendem Maße wirksam wird, erfolgt nun hauptsächlich an diesem Katalysator die NOx-Verminderung.
  • Bei noch weiter steigender Abgastemperatur kann auch der SCR-Katalysator der Katalysatorstufe 3a aus dem Temperaturbereich seiner Wirksamkeit geraten. In diesem Fall wird die Reduktionsgaserzeugung so umgestellt, dass von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 hauptsächlich gecrackter Kraftstoff mit kurzkettigen Kohlenwasserstoffen erzeugt wird. Dieses Reduktionsgas kann dann dem weiter stromab liegenden und damit weniger heißen Denox-Katalysator der Katalysatorstufe 3b zugeführt werden. An diesem Katalysator findet bei Temperaturen um etwa 300° C eine NOx-Reduktion mit diesen Kohlenwasserstoffen statt.
  • Es versteht sich, dass in der Abgasleitung 2 weitere hier nicht dargestellte Katalysatoren angeordnet sein können, denen ebenfalls über eine entsprechende Zugabestelle bei Bedarf Reduktionsgas zugeführt werden kann. Insbesondere kann zur Emissionsminderung bei einem Kaltstart des Motors 1 H2-haltiges Reduktionsgas eingangs eines motornah angeordneten Startkatalysators ins Abgas zudosiert werden. Damit kann eine rasche Aufheizung des Startkatalysators erreicht werden. Folglich können auf diese Weise Schadstoffe bereits in einer frühen Phase des Motorwarmlaufs aus dem Abgas entfernt werden.
  • 2 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer bevorzugten Ausführungsform. Die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 umfasst hier eine H2-Erzeugungsstufe 21, eine NOx-Erzeugungsstufe 22, einen NOx-Zwischenspeicher 23 und eine NH3-Erzeugungsstufe 24 in serieller Anordnung. Der H2-Erzeugungsstufe 21 ist Kraftstoff über die Kraftstoffzufuhrleitung 9 und Luft und/oder Abgas über die Gaszufuhrleitung 10 mengenreguliert zuführbar. Der NOx-Erzeugungsstufe 22 ist ebenfalls Luft und/oder Abgas über einen Abzweig der Gaszufuhrleitung 10 mengenreguliert zuführbar. Die zur Mengenregulierung eingesetzten Mittel sind hierbei nicht dargestellt.
  • Die dargestellte Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 wird vorzugsweise im Wechsel so betrieben, dass abwechselnd NH3 und/oder H2 erzeugt wird, oder NOx erzeugt wird. Zur Erzeugung von H2 wird die als katalytischer POX-Reaktor ausgeführte H2-Erzeugungsstufe 21 falls nötig zunächst mittels einer nicht dargestellten elektrischen Heizung auf Betriebstemperatur aufgeheizt. Die Betriebstemperatur des im POX-Reaktor angeordneten Katalysators beträgt dabei etwa 600° C bis 1000° C. Danach werden dem POX-Reaktor Kraftstoff und Luft bzw. Abgas in einem von dem Motorsteuergerät festgelegten Mengenstrom zugeführt. Dabei wird ein Luft-/Kraftstoffverhältnis von vorzugsweise etwa λ = 0,3 eingestellt. Bei diesem Lambdawert läuft im POX-Reaktor die partielle Kraftstoffoxidation praktisch rußfrei ab. Reaktionsprodukt ist ein Reduktionsgas mit einer Zusammensetzung, die stark von der Prozessführung, d.h. hauptsächlich von der Temperatur des POX-Katalysators und vom eingestellten Luft-/Kraftstoffverhältnis, abhängt. Typische Gehalte der Reduktionsmittel H2 bzw. CO sind etwa 18 %. Das Reduktionsgas kann zusätzlich noch einen gewissen Gehalt an niedermolekularen Kohlenwasserstoffen aufweisen.
  • Dieses Reduktionsgas wird nun durch die NOx-Erzeugungsstufe 22 geleitet, welche in dieser Phase der Reduktionsgaserzeugung außer Betrieb ist. Nach Durchleitung durch die NOx-Erzeugungsstufe 22 durchströmt das Reduktionsgas den NOx-Zwischenspeicher 23, welcher einen NOx-Adsorber enthält. Der NOx-Adsorber kann beispielsweise ein keramischer Wabenkörper sein, der mit einem Material beschichtet ist, welches bei oxidierenden Bedingungen NOx durch Adsorption bzw. Absorption aufnimmt und bei reduzierenden Bedingungen wieder abgibt. Dafür kommt beispielsweise ein NOx-Adsorbermaterial auf Silber-Basis in Frage. Falls der NOx-Zwischenspeicher 23 vor Durchströmen mit dem von der H2-Erzeugungsstufe 21 erzeugten Reduktionsgas mit NOx beladen worden ist, wird dieses folglich freigesetzt. Das mit NOx angereicherte Reduktionsgas wird weiter der NH3-Erzeugungsstufe 24 zugeführt. Diese enthält vorzugsweise einen Katalysator mit edelmetallhaltiger Beschichtung. Von diesem Katalysator wird die Reduktion des NOx zu NH3 katalysiert, so dass die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 schließlich ein NH3- und H2-haltiges Reduktionsgas über die Reduktionsgasleitung 8 verlässt und an einem der oder beiden Zugabestellen 4, 5 dem Abgas des Motors 1 zugegeben wird (vergl. 1).
  • Kommt die NH3-Bildung, beispielsweise durch Erschöpfung der im NOx-Zwischenspeicher 23 gespeicherten NOx-Menge, zum Erliegen, so kann, falls dies erforderlich ist, der Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 zur NOx-Erzeugung umgestellt werden. Zu diesem Zweck wird die Zufuhr von Luft bzw. Abgas sowie die Zufuhr von Kraftstoff zur H2-Erzeugungsstufe 21 abgestellt. Daraufhin wird der NOx-Erzeugungsstufe 22 Luft und/oder sauerstoffhaltiges Abgas zugeführt. In der NOx-Erzeugungsstufe 22 wird daraufhin beispielsweise ein Plasmaprozess gestartet oder ein elektrischer Lichtbogen oder eine Corona-Entladung gezündet. Durch einen derartigen Prozess wird in der stickstoff- und sauerstoffhaltiger Atmosphäre der NOx-Erzeugungseinheit NOx erzeugt. Vorzugsweise wird ein NTP-Prozess (NTP = nichtthermisches Plasma) gestartet und für die gewünschte Zeit der NOx-Erzeugung aufrechterhalten. Das mit diesem Prozess erzeugte NOx besitzt einen ho hen NO2-Anteil von typischerweise mehr als 50 %, was die nachfolgende Einspeicherung nach Zufuhr des Produktgases zum NOx-Zwischenspeicher 23 verbessert. Wie oben beschrieben, ist dieser in der Lage, das zugeführte NOx durch Adsorption oder Absorption aufzunehmen. Das von NOx befreite Gas wird weiter durch die NH3-Erzeugungsstufe geleitet, von wo es im Wesentlichen unverändert über die Reduktionsgasleitung 8 an einer der Zugabestellen 4, 5 dem Abgas des Motors 1 zugegeben wird (vergl. 1). Ist der NOx-Zwischenspeicher 23 mit NOx gesättigt oder es ist aus anderen Gründen die Zufuhr von reduzierendem Gas zu einer Katalysatorstufe erforderlich, wird die NOx-Erzeugung beendet und die Erzeugung von reduzierend wirkendem Reduktionsgas wie oben beschrieben wieder vorgenommen.
  • 3 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Bezeichnung und die Funktion der wirkungsgleichen Bauteile entspricht dabei der in 2. Im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsform unterscheidet sich die in 2 dargestellte Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 durch die Vertauschung von H2-Erzeugungsstufe 21 und NOx-Erzeugungsstufe 22. Auch die in 3 dargestellte Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 wird vorzugsweise im Wechsel so betrieben, dass abwechselnd NH3 und/oder H2 erzeugt wird, oder NOX erzeugt wird. In den Betriebsphasen mit NOx-Erzeugung ist nun jedoch die H2-Erzeugungsstufe 21 außer Betrieb und das NOx-haltige Produktgas der NOx-Erzeugungsstufe 22 durchströmt die H2-Erzeugungsstufe 21. Dabei kann in der erhitzten H2-Erzeugungsstufe 21 eine Regeneration von eventuell durch den Crackprozess verursachten Verkokungen erfolgen, was die Funktionsfähigkeit des POX-Katalysators verbessert. Analog zur Funktion der in 2 dargestellten Ausführungsform wird im NOx-Zwischenspeicher 23 dem Gas NOx durch Speicherung entzogen. Nach Umstellen des Betriebs der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 durch Beendigung der NOx-Erzeugung und Inbetriebnahme der H2-Erzeugungsstufe 21 durchströmt reduzierendes, H2-haltiges Reduktionsgas den NOx-Zwischenspeicher 23 wobei, wie oben beschrieben, die Freisetzung des gespeicherten NOx erfolgt. In der nachgeschalteten NH3-Erzeugungsstufe 24 findet daraufhin eine Umsetzung des gespeicherten NOx zu NH3 statt und das Reduktionsgas wird mit NH3 angereichert. Das erzeugte Reduktionsgas wird, wie weiter oben beschrieben, bedarfsgerecht eingangs einer Katalysatorstufen in die Abgasleitung eingespeist.
  • 4 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Analog zu den Ausführungsformen der 2 und 3 wird auch diese Variante im Wechsel betrieben. Die Unterschiede im Aufbau und in der Wirkungsweise im Vergleich zu den Ausführungsformen der 2 und 3 werden nachfolgend erläutert. Der NOx-Erzeugungsstufe 22 ist hier eine NOx-Speicherkatalysatorstufe 26 nachgeschaltet, welche gleichzeitig die Funktion der NOx-Zwischenspeicherung und der NH3-Bildung erfüllt. Bei der Zuführung von reduzierendem Reduktionsgas aus der H2-Erzeugungsstufe 21 zur NOx-Speicherkatalysatorstufe 26 wird dort gespeichertes NOx freigesetzt und gleichzeitig zu NH3 reduziert. Dieser, bei üblichen NOx-Speicherkatalysatoren auftretende Effekt kann somit in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden. Vorzugsweise wird in der Stufe 26 ein NOx-Speichermaterial eingesetzt, welches in Bezug auf die NH3-Bildung beispielsweise durch einen erhöhten Rhodiumgehalt optimiert ist. Eine weitere Vereinfachung wird dadurch erreicht, dass der NOx-Erzeugungsstufe 22 das zur NOx-Erzeugung notwendige Gas über die H2-Erzeugungsstufe 21 zugeführt wird, weshalb auf einen Abzweig in der Gaszufuhrleitung 10 verzichtet werden kann. Im Vergleich zu den Ausführungsformen der 2 und 3 werden somit Bauteile eingespart, wodurch die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 einfacher ausgeführt werden kann.
  • 5 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Wie nachfolgend erläutert, kann diese Ausführungsform kontinuierlich betrieben werden, d.h. die NOx-Erzeugung und die NH3-Erzeugung können gleichzeitig erfolgen. Zu diesem Zweck ist eine Reaktorstufe 25 vorgesehen, in welcher gleichzeitig eine H2-Erzeugung, vorzugsweise durch einen katalytischen partiellen Oxidationsprozess, und eine Reduktion von aus der NOx-Erzeugungsstufe 22 zugeführtem NOx abläuft. Die NOx-Erzeugung wird dabei wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen. Das notwendige Eduktgas wird der NOx-Erzeugungsstufe 22 über die Gaszufuhrleitung 10 bedarfsgerecht zugeführt. Die Gaszufuhrleitung kann zusätzlich einen Abzweig zur Reaktorstufe 25 aufweisen. Der Reaktorstufe 25 wird kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoff über die Zufuhrlei-tung 9 zugeführt. Vorzugsweise wird beim Betrieb der Reaktorstufe 25 dort ein Luft-/Kraftstoffverhältnis von etwa λ = 0,3 eingestellt. Somit liegen einerseits für die H2-Erzeugung durch partielle Oxidation und andererseits für die Reduktion von NOx zu NH3 thermodynamisch die bevorzugte Verhältnisse vor, so dass in einem Prozess sowohl H2 als auch NH3 erzeugt werden können. Das Mengenverhältnis dieser beiden Komponenten kann dabei bedarfsgerecht durch entsprechende Einstellung von der Reaktorstufe 25 zugeführtem Kraftstoff bzw. NOx eingestellt werden.
  • 6 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 enthält analog zu der in 4 dargestellten Ausführungsform eine der NOx-Erzeugungsstufe 22 nachgeschaltete H2-Erzeugungsstufe 21. Die weiter nachgeschaltete NOx-Speicherkatalysatorstufe 26 dient der NOx-Zwischenspeicherung und der NH3-Erzeugung. Die Anlage wird vorzugsweise im Wechsel von NOx-Erzeugungsphasen und H2- bzw. NH3-Erzeugungsphasen betrieben. Zur NOx-Erzeugung wird die NOx-Erzeugungsstufe 22 mit Luft und/oder Abgas über die Gaszufuhrleitung 10 versorgt. Über einen Abzweig kann der H2-Erzeugungsstufe 21 ebenfalls Luft und/oder Abgas zugeführt werden. Der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 ist ferner eine Fraktioniereinheit 27 zugeordnet, in welcher aus dem für den Motorbetrieb vorgesehenen Kraftstoff niedrigsiedende Bestandteile in einem Fraktionierprozess abgetrennt werden. Zu diesem Zweck wird die Fraktioniereinheit 27 über die Kraftstoffzufuhrleitung 9 mit Kraftstoff aus dem hier nicht dargestellten Vorratsgefäß des Motors versorgt. Über die Rückführleitung 9b wird der an niedrigsiedenden Bestandteilen abgereicherte Kraftstoff wieder zurückgeführt. Die abgetrennten niedrigsiedenden Kraftstoffbestandteile werden zur H2-Erzeugungs der H2-Erzeugungsstufe 21 über die Kraftstoffzufuhrleitung 9a zugeführt. Durch die Tatsache, dass die H2-Erzeugungsstufe 21 mit niedrigsiedenden Kohlenwasserstoffen betrieben wird, kann die H2-Erzeugung mit größerer Ausbeute erfolgen und die Gefahr einer Verkokung des POX-Katalysators vermindert werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die niedrig-siedenden Kraftstoffbestandteile im Bedarfsfall nur gering aufzubereiten und dem mageren Abgas eingangseitig eines Denox-Katalysators zuzugeben. Dadurch kann im Temperaturbereich von etwa 200° C bis 350° C eine wirksame NOx-Verminderung erzielt werden. Zur Erhöhung der H2-Ausbeute bei der Reduktionsgaserzeugung kann der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 generell zusätzlich Wasser zugeführt werden. Das Wasser kann hierbei einem Vorratsbehälter des zugehörign Fahrzeugs entnommen werden oder durch Auskondensieren aus dem Motorabgas gewonnen werde. Das Wasser kann beispielsweise für einen Steam-Reformingprozess in der H2-Erzeugungsstufe 21 genutzt werden. Dies hat neben der Erhöhung des H2-Gehalts im erzeugten Reduktionsgas zusätzlich den Vorteil, dass dieser endotherme Prozess die Wärme- und Energiebilanz der H2-Erzeugung verbessert. Außerdem wird ein größerer Spielraum beim Temperaturmanagement der H2-Erzeugungsstufe 21 und der gesamten Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 gewonnen. Das Wasser kann jedoch auch einer der H2-Erzeugungsstufe 21 nachgeschalteten Wassergasshiftstufe zugeführt werden. Das dadurch an H2 angereicherte Reduktionsgas besitzt eine höhere Selektivität bei der NH3-Erzeugung und bei der NOx-Reduzierung an einem Denox-Katalysator. Zugleich wird der CO-Gehalt im Reduktionsgas vermindert, was einer Vergiftung des Denox-Katalysators durch CO-Belegung aktiver katalytischer Zentren vorbeugt.
  • Es versteht sich, dass der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 ferner Wärmetauscher zugeordnet sein können, um die Wärme- und Energiebilanz des Gesamtprozesses und die Prozessführung zu verbessern. So kann beispielsweise zur Vorwärmung der zugeführten Luft bzw. des zugeführten Abgases ein Wärmetauscher in der Gaszufuhrleitung 10 vorgesehen sein. Es können jedoch auch Wärmetauscher in der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 vorgesehen sein, beispielsweise um den Wärmeinhalt des heißen Produktgasstroms der H2-Erzeugungs-stufe oder der NH3-Erzeugungsstufe zur Vorwärmung des Eduktgases einer vorgelagerten Stufe zu nutzen.

Claims (18)

  1. Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, mit – einer Abgasleitung (2), in welcher ein NOx-Reduktionskatalysator (3) angeordnet ist und mit – einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zur Erzeugung eines H2-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases, welches stromaufwärts des NOx-Reduktionskatalysators (3) in die Abgasleitung (2) zugebbar ist, wobei der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) ein HC-haltiger Kraftstoff sowie Luft und/oder Abgas zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) eine NOx-Erzeugungsstufe (22) und eine H2-Erzeugungsstufe (21; 25) in serieller Anordnung aufweist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Erzeugungsstufe (22) der H2-Erzeugungsstufe (21; 25) nachgeschaltet ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Erzeugungsstufe (22) der H2-Erzeugungsstufe (21; 25) vorgeschaltet ist.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Erzeugungsstufe (22) eine NH3-Erzeugungsstufe (24; 25; 26) nachgeschaltet ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) eine Fraktioniereinheit (27) zugeordnet ist, derart, dass von der Fraktioniereinheit (27) niedrigsiedende Bestandteile eines zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) eingesetztem Kraftstoffs abtrennbar sind, welche der H2-Erzeugungsstufe (21; 25) zuführbar sind.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) im zeitlichen Wechsel in zwei Betriebsarten betreibbar ist, derart, dass in der ersten Betriebsart von der NOx-Erzeugungsstufe (22) ein NOx-haltiges Gas erzeugbar ist und in der zweiten Betriebsart von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) ein H2-haltiges und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugbar ist.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Erzeugungsstufe (22) ein NOx-Zwischenspeicher (23; 26) nachgeschaltet ist.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Zwischenspeicher (26) zur Umsetzung von gespeichertem NOx mit H2 zu NH3 ausgelegt ist.
  9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die H2-Erzeugungsstufe (21; 25) zur Umsetzung von zugeführtem NOx zu NH3 ausgelegt ist.
  10. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Erzeugungsstufe (22) zur Erzeugung von NOx aus Luft/und oder sauerstoffhaltigem Abgas ausgelegt ist.
  11. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Reduktionskatalysator (3) eine Denox-Katalysatorstufe (3b) zur Umsetzung von NOx mit H2 und eine SCR-Katalysatorstufe (3a) zur Umsetzung von NOx mit NH3 aufweist.
  12. Vierfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit – einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) und mit – einer Abgasleitung (2), in welcher ein NOx-Reduktionskatalysator (3) angeordnet ist, wobei ein von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) erzeugtes Reduktionsgas stromaufwärts des NOx-Reduktionskatalysators (3) dem Abgas zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsgaserzeugung folgende Verfahrensschritte umfasst a) Erzeugung eines NOx-haltigen Gas von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten NOx-Erzeugungsstufe (22) aus der NOx-Erzeugungsstufe (22) zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, b) Zwischenspeicherung von NOx bei der Durchleitung des im Verfahrensschritt a erzeugten NOx-haltigen Gases durch einen der NOx-Erzeugungsstufe (22) nachgeschalteten und der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten NOx-Zwischenspeicher (23; 26), c) Erzeugung eines H2-haltigen Gases von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten und dem NOx-Zwischenspeicher (23; 26) vorgeschalteten H2-Erzeugungsstufe (21) aus der H2-Erzeugungsstufe (21) zugeführtem Kraftstoff sowie zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, d) Umsetzung von im NOx-Zwischenspeicher (23; 26) gespeicherten NOx mit dem im Verfahrensschritt c erzeugten Gas zu NH3, so dass ein H2-haltiges und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugt wird, wobei die Verfahrensschritte a und b mit den Verfahrensschritten c und d in zeitlichem Wechsel durchgeführt werden
  13. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit – einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) und mit – einer Abgasleitung (2), in welcher ein NOx-Reduktionskatalysator (3) angeordnet ist, wobei ein von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) erzeugtes Reduktionsgas stromaufwärts des NOx-Reduktionskatalysators (3) dem Abgas zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsgaserzeugung folgende Verfahrensschritte umfasst a) Erzeugung eines NOx-haltigen Gas von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten NOx-Erzeugungsstufe (22) aus der NOx-Erzeugungsstufe (22) zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, b) Erzeugung eines H2-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten und der NOx-Erzeugungsstufe (22) nachgeschalteten H2-Erzeugungsstufe (21) aus der H2-Erzeugungsstufe (21) zugeführtem, im Verfahrensschritt a erzeugten NOx-haltigen Gases, zugeführtem Kraftstoff sowie zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Umsetzung zu NH3 in einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten, dem NOx-Zwischenspeicher (23) nachgeschalteten katalytischen NH3-Erzeugungsstufe (24) durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspeicherung von NOx und die NOx-Umsetzung zu NH3 mit einem katalytischen NOx-Zwischenspeicher (26) durchgeführt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten Fraktioniereinheit (27) ein an niedrigsiedenden Bestandteilen angereicherter Kraftstoff gewonnen wird, der der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zur Reduktionsgaserzeugung zugeführt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Reduktionskatalysator (3) in eine Denox-Katalysatorstufe (3b) zur Umsetzung von NOx mit H2 und in eine SCR-Katalysatorstufe (3a) zur Umsetzung von NOx mit NH3 aufgeteilt, und das Reduktionsgas in Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung eingangsseitig der SCR-Katalysatorstufe (3a) oder eingangsseitig der Denox-Katalysatorstufe (3b) dem Abgas zugeführt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge und/oder die Zusammensetzung des von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugten Reduktionsgases in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
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