DE10318865A1

DE10318865A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases

Info

Publication number: DE10318865A1
Application number: DE10318865A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Beckmann; Nico Dipl.-Ing. Zobel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases, welches nicht zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems verwendet wird, an Bord eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst Mittel zum Abtrennen von niedersiedenden Kraftstofffraktionen aus einem als Kraftstoff für das Fahrzeug dienenden Gemisch von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Diesel, Benzin, Kerosin oder dergleichen. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Reformierungseinrichtung zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases aus den niedersiedenden Kraftstofffraktionen. DOLLAR A Außerdem dient eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen aus einer Verbrennung, insbesondere aus einer Verbrennung in einer Kraftkraftmaschine. Diese Vorrichtung verwendet dabei das wasserstoffhaltige Gas aus der oben genannten Vorrichtung zusammen mit wenigstens einem Reaktor zur Reinigung der Abgase.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, welches nicht zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems verwendet wird, an Bord eines Fahrzeuges nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen aus einer Verbrennung unter Verwendung eines wasserstoffhaltigen Gases, welches durch eine Vorrichtung gemäß der oben genannten Art erzeugt ist.

Aus der DE 198 45 396 C2 ist es bekannt, eine schwefelarme Kraftstofffraktion mittels Vakuumverdampfung aus einem Kraftstoff abzutrennen. Dabei wird mit einer Vakuumpumpe ein Unterdruck in dem Kraftstoff erzeugt, wobei die leichtsiedenden bzw. niedersiedenden Bestandteile des Kraftstoffs in die gasförmige Phase übergehen. Die beiden Phasen und damit die niedersiedenden und die schwer- bzw. hochsiedenden Bestandteile werden dabei getrennt. Anschließend wird eine Verdichtung durchgeführt, welche zu einem Übergehen der leichtsiedenden Bestandteile des Kraftstoffs in die flüssige Phase führt. Da Schwefel und Schwermetalle in der schwersiedenden Kraftstofffraktion verbleiben, können diese dann einem separaten Behälter zugeführt werden.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch die hohe erforderliche Förderleistung der für das Verfahren verwendeten Vakuumpumpe und es ist ausserdem problematisch, dass das aus der Vakuumverdampfung stammende Produkt ein zu geringes Druckni veau aufweist, um es unmittelbar in weiteren verfahrenstechnischen Einrichtungen einsetzen zu können. Die Weiterverwendung der niedersiedenden Kraftstofffraktionen erfordert damit in nachteiliger Weise weitere Fördereinrichtungen bzw. Förderleistung.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 361 ist, speziell für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem, ein weiteres Verfahren zum Abtrennen einer schwefelarmen Kraftstofffraktion aus einem Kraftstoff an Bord eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Die Abtrennung erfolgt dabei mittels thermischer Destillation aus dem Kraftstoff.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine kleine und kompakte Vorrichtung zu schaffen, welche in der Lage ist, in einem Kraftfahrzeug, und hier bevorzugt in eine PKW oder LKW, aus dem dort ohnehin mitgeführten Kraftstoff "on bord" ein wasserstoffhaltiges Gas zu erzeugen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale.

Durch die Abtrennung der niedersiedenden Kraftstofffraktionen und deren Verwendung in der Reformierungseinrichtung entstehen entscheidende Vorteile. Die niedersiedenden Kraftstofffraktionen sind sehr viel leichter zu entzünden und umzusetzen als das gesamt Kraftstoffgemisch, so dass beispielsweise die Kaltstartzeit der Reformierungseinrichtung sinkt. Sie sind weitgehend frei von unerwünschten Rückständen, wie Schwefel oder dergleichen, so dass eine Umsetzung der niedersiedenden Kraftstoffkomponenten in der Reformierungseinrichtung unter Vermeidung von Ruß- und Rückstandsbildung ermöglicht wird. Neben der Senkung von Emissionen führt dies auch zu einer Vermeidung bzw. Verringerung von Ablagerungen im Bereich der Reformierungseinrichtung bzw. ihrer Katalysatoren, so dass Performance und Lebensdauer der Reformierungseinrichtung gesteigert werden.

Des weiteren bietet die vergleichsweise einfache Umsetzbarkeit der niedersiedenden Kraftstofffraktionen in der Reformierungseinrichtung den Vorteil, dass die Reformierungseinrichtung sehr klein gebaut werden kann. Ausserdem kann deswegen auf eine Vorwärmung der weiteren Edukte für die Reformierungseinrichtung weitgehend verzichtet werden. Damit lassen sich Temperaturspitzen in der Reformierungseinrichtung ebenso minimieren, wie der insgesamt notwendige Eintrag an Energie zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases.

Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der oben genannten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Reformierungseinrichtung als partielle Oxidationseinrichtung und/oder autothermer Reformer ausgebildet. Prinzipiell liegt deren Funktionsweisen ohnehin eng beieinander und sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, so dass hier nicht auf den Aufbau und die eingesetzten Katalysatoren in der Reformierungseinrichtung eingegangen werden muß. Primär bildet den Unterschied zwischen einer reinen partiellen Oxidation, bei der die niedersiedenden Kraftstofffraktionen lediglich mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Medium, wie Luft, umgesetzt werden, und einem autothermen Reformer die Zugabe des weiteren Edukts Wasser, da sich der autotherme Reformierungsprozess im allgemeinen aus einer exothermen partiellen Oxidation und einer endothermen Wasserdampfreformierung zusammensetzt.

Je nach eingesetztem Wasseranteil kann ein- und derselbe Reformer, also sowohl als partielle Oxidationsstufe, als reiner autothermer Reformer oder, bei entsprechend geringen Wasseranteilen, auch in einem Mischbetrieb davon betrieben werden.

Entsprechend einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die autotherme Reformierungseinrichtung daher eine Zuleitung für einen Gasstrom, insbesondere einen die weiteren Einsatzstoffe neben den niedersiedenden Kraftstofffraktionen enthaltenden Eduktstrom, auf.

Gemäß einer sehr günstigen erfindungsgemäßen Variante hiervon umfasst der Gasstrom zumindest Luft. Er kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung auch das Abgas einer Verbrennung, insbesondere einer mageren Verbrennung, umfassen. Üblicherweise ist in diesem Abgas einer Verbrennung noch ein Anteil an Restsauerstoff enthalten, so dass gegebenenfalls sogar auf den Zusatz von Luft verzichtet werden kann.

Die meisten Verbrennungsabgase, welche aus der Verbrennung von Gemischen aus kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen stammen, wie es die allgemein üblichste Art einer Verbrennung ist, enthalten ausserdem Wasser, so dass durch das dann in dem Gasstrom enthaltene Wasser bereits der oben beschriebene Prozess eintritt und die Reformierungseinrichtung zumindest teilweise als autothermer Reformer arbeitet.

In einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die niedersiedenden Kraftstofffraktionen in den zu der Reformierungseinrichtung strömenden Gasstrom eingebracht werden.

Dies erlaubt es, dass durch die Strömung in dem Bereich vor dem Erreichen der eigentlichen Reformierungseinrichtung bereits eine Durchmischung der niedersiedenden Kraftstofffraktionen mit dem Rest des Gasstroms erfolgt, so dass in der Reformierungseinrichtung eine sehr gute Mischung aller zugeführten Edukte vorliegt.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon sieht die Erfindung vor, dass zwischen der Einrichtung zum Einbringen der niedersiedenden Kraftstofffraktionen in den Gasstrom und der Reformierungseinrichtung eine Mischvorrichtung und/oder eine Anpassung des durchströmbaren Querschnitts von dem Querschnitt der Zuleitung auf den Querschnitt der Reformierungseinrichtung angeordnet ist.

Damit wird erreicht, dass im Sinne einer sehr kompakten Ausführung der gesamten Vorrichtung das Einbringen der niedersiedenden Kraftstofffraktionen sehr dicht vor der Reformierungseinrichtung erfolgen kann, wobei durch die Mischvorrichtung und/oder die Anpassung des durchströmbaren Querschnitts, beispielsweise durch eine trichterförmige Querschnittserweiterung oder gegebenenfalls auch Querschnittsverengung, eine sehr gute Durchmischung aller in die Reformierungseinrichtung gelangenden Edukte erreicht wird.

Nach einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Abtrennen der niedersiedenden Kraftstofffraktionen durch thermischer Trennung, wozu die Vorrichtung eine Heizeinrichtung aufweist.

Gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik weist die thermische Trennung, welche in der Art einer Destillation, jedoch ohne nachfolgendes Kondensieren des Destillats erfolgt, dabei den Vorteil auf, dass sie, insbesondere bei geringen Mengen an erzeugtem wasserstoffhaltigen Gas energieeffizienter arbeiten kann und weitaus weniger Bauraum benötigt als dies ein Aufbau mit Vakuumpumpe und dergleichen benötigen würde. Ausserdem wird die niedersiedende Kraftstofffraktion bereits gasförmig und auf einem so hohen Druckniveau bereitgestellt, dass zum Einbringen der niedersiedenden Kraftstofffraktion in den Gasstrom keine weiteren Vorrichtungen, wie Pumpen oder dergleichen, notwendig sind. Die Anlage kann deshalb sehr klein und sehr energieeffizient ausgeführt werden.

Gemäß einer weiteren sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee weist die Heizeinrichtung mehrere Stufen auf, von denen wenigstens eine Stufe als Wärmetauscher ausgebildet ist, welcher durch einen Fluidstrom aus der Vorrichtung beheizbar ist.

Dies ermöglicht einen sehr effizienten Einsatz der Energie. Der Wärmetauscher kann entweder als einziger Wärmetauscher oder als eine Stufe, beispielsweise als Vorwärmstufe oder dergleichen, ausgebildet sein. Er kann durch in der Vorrichtung ohnehin vorhandene Wärme beheizt werden, beispielsweise durch den rückströmenden Flüssigkeitsstrom der schwersiedenden Kraftstofffraktionen, durch die in die Reformierungseinrichtung einströmenden oder aus der Reformierungseinrichtung ausströmenden Gase oder dergleichen. Der zusätzliche notwendige Eintrag von Energie wird dadurch vermieden oder auf ein Minimum begrenzt.

Entsprechend einer besonders günstigen Variante der Erfindung wird der wenigstens eine Wärmetauscher von dem in die Reformierungseinrichtung einströmenden Stoffgemisch beheizt.

Der Wärmetauscher ist dabei in bevorzugter Weise als Vorwärm- oder Zwischenwärmstufe ausgebildet und sorgt aufgrund seiner Beheizung durch das in die Reformierungseinrichtung einströmende Gasgemisch gleichzeitig für eine Temperierung bzw. Kühlung desselben. Die oben bereits angesprochenen Temperaturspitzen im Bereich der Reformierungseinrichtung, welche hier beispielsweise den in der Reformierungseinrichtung üblicherweise enthaltenen Katalysatorwerkstoff schädigen könnten, können damit bei idealer Energieausnutzung in der Vorrichtung praktisch gänzlich vermieden werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee der Erfindung kann es außerdem vorgesehen sein, dass zumindest eine der Stufen der Heizeinrichtung als elektrisches Heizelement ausgebildet ist.

Von besonderem Vorteil ist dies, wenn durch diese elektrisch beheizte Stufe die endgültige Verdampfung des beispielsweise über die anderen Stufen vorgewärmten Kraftstoffs bzw. der in ihm enthaltenen niedersiedenden Kraftstofffraktion erfolgt.

Eine derartige elektrisch beheizte Einrichtung zu fraktionierten thermischen Trennung lässt sich sehr klein bauen und somit praktisch überall, insbesondere auch in der Nähe der Zuführung der Edukte zur Reformierungseinrichtung, platzieren. Ein weiterer Vorteil liegt in der leichten Steuerbarkeit bzw. Regelbarkeit der elektrischen Heizeinrichtung auf eine vorgegebene benötigte Temperatur.

In einer sehr günstigen Weiterbildung der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, dass die schwersiedenden Kraftstofffraktionen nach der Abtrennung der niedersiedenden Kraftstofffraktionen zu einem Vorratstank zurückgeführt werden. Die Rückführung der schwersiedenden Kraftstofffraktionen erfolgt durch einen Wärmetauscher.

Durch diesen wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die schwersiedenden Kraftstofffraktionen soweit abgekühlt werden, so dass keine oder zumindest keine kritische Erwärmung des in dem Vorratstank befindlichen Kraftstoffs, welcher üblicherweise auch zur Verbrennung genutzt wird, erfolgt.

Dementsprechend kann der Wärmetauscher in der Rückführung in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der oder einer der Wärmetauscher der Heizeinrichtung sein.

Die besonders vorteilhafte Kühlung der rückgeführten schwersiedenden Kraftstofffraktionen geht dann mit einer Erwärmung, beispielsweise einer ersten Vorwärmung, des Kraftstoffgemischs auf dem Weg zur thermischen Trennung einher. Auch dieser Aufbau hilft, den Gesamtenergiebedarf der Vorrichtung zu minimieren.

Gemäß einer sehr günstigen Variante der Erfindung ist es des weiteren vorgesehen, dass der Kraftstoff unter einem Überdruck in die Vorrichtung, beispielsweise aus dem Vorratstank, gelangt. Die Vorrichtung weist dann lediglich zur Dosierung geeignete Einrichtungen auf.

Diese Einrichtungen können dabei gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Erfindung entweder als einfache Drosseleinrichtungen und/oder als getaktete Ventile oder dergleichen ausgebildet sein.

Dies bietet den Vorteil, dass die Vorrichtung selbst keine Fördereinrichtung oder dergleichen benötigt. Es bietet sich hier insbesondere an, die Fördereinrichtung zu nutzen, welche den Kraftstoff ohnehin zu der Verbrennung fördert, und dem so entstehenden Kraftstoffstrom lediglich einen, üblicherweise kleinen, Anteil abzuzweigen, um diesen in die Vorrichtung zu leiten.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen zu sehen, welche mit minimalen Mitteln eine bestmögliche Reinigung, insbesondere Entfernung von Stickoxiden, erlaubt.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung durch die Merkmale des Anspruch 16 gelöst.

Durch diese Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen mit wenigstens einem Reaktor, welcher beispielsweise ein Katalysator, z.B. ein Stickoxidkatalysator oder ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion, sowie Kombinationen hiervon, eine Filtereinrichtung oder dergleichen sein kann, wird durch die Verwendung des erzeugten wasserstoffhaltigen Gases ideal ergänzt. Das wasserstoffhaltige Gas dient dabei insbesondere zur Reinigung des Reaktors, z.B. zum gelegentlichen Verbrennen von Rußrückständen oder dergleichen, wenn dieser als Filter eingesetzt wird, insbesondere jedoch zur Regeneration des Katalysators, z.B. eines Stickoxid-Speicherkatalysators. Der oben beschriebene Aufbau der Vorrichtung in seiner kleinen kompakten Bauweise insbesondere in den Ausgestaltungen, welche keinerlei zusätzlichen Elemente, wie Fördereinrichtungen oder dergleichen, benötigt, eignet sich ideal, um als eine Art "Minimal-System" den für die Abgasreinigung erforderlichen Wasserstoff bereitzustellen.

Gemäß diesen Überlegungen kann es daher eine sehr günstige Weiterbildung der Vorrichtung sein, wenn wenigstens ein als Stickoxid-Speicherkatalysator ausgebildeter Abgasreinigungsreaktor mindestens teilweise mit der Reformierungseinrichtung verbunden ist.

Diese zumindest teilweise Verbindung kann dabei z.B. eine zeitlich alternierende Verbindung sein, welche den Wasserstoff in regelmäßigen Abständen bereitstellt, um den Stickoxidkatalysator zu regenerieren, oder es können mehrere Stickoxidkatalysatoren vorgesehen sein, zwischen welchen der aus der Reformierungseinrichtung stammende Wasserstoffgasstrom alternierend hin- und hergeschaltet wird.

Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung von Abgas sieht vor, dass in Strömungsrichtung nach dem wenigstens einen Stickoxid-Speicherkatalysator ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet ist.

Bekanntermaßen entstehen bei der Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators mittels wasserstoffhaltigem Gas und dem in gewissen Anteilen in dem wasserstoffhaltigen Gas aus der Reformierungseinrichtung enthaltenen Kohlenmonoxid Ammoniak (NH₃). Dieses Ammoniak kann in dem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion abgebaut werden, insbesondere dann, wenn in dem Gasstrom weitere (Rest-)Stickoxide vorliegen.

Dementsprechend ist es in einer besondere günstige Ausgestaltung der oben genannten Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen vorgesehen, dass zwischen dem wenigstens einen Stickoxid-Speicherkatalysator und dem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion eine Quelle für Stickoxide angeordnet ist, welche, insbesondere bei der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysator, dem zu dem Katalysator für die selektive katalytische Reduktion strömenden Abgasstrom Stickoxide zumischt, um den idealen Abbau des Ammoniaks in dem Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion zu erreichen.

Diese Stickoxide können aus einer speziellen Quelle für Stickoxide stammen, wie z.B. aus einer Verbrennung, einem Plasma oder dergleichen, oder es könnte auch Abgase der Verbrennung, deren Abgase gereinigt werden sollen, an dem Stickoxid-Speicherkatalysator vorbei oder ohne Speicherung, z.B. aufgrund dessen Dimensionierung, hindurchgeleitet werden, um ein entsprechendes Gemisch aus Stickoxiden und Ammoniak in dem Reaktor zu selektiven katalytischen Reduktion bereitzustellen.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben sind.

Dabei zeigen:

1 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases;

2 einen alternativen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases;

3 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen und

4 einen alternativen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen.

1 beschreibt eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases. Wesentlicher Bestandteil der Vorrichtung 1 ist eine Reformierungseinrichtung 2, welche beispielsweise als partielle Oxidationsstufe (POX) oder als autothermer Reformer (ATR) ausgeführt sein kann. Dieser Reformierungseinrichtung 2 wird über eine Zuleitung 3 ein Gasstrom zugeführt, welcher beispielsweise Luft und/oder das Abgas einer Verbrennung, z.B. einer Verbrennung in einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine, enthalten kann. Für die Funktion der Reformierungseinrichtung 2 ist es lediglich erforderlich, dass zumindest ein gewisser Anteil an Sauerstoff in dem Gasstrom vorliegt. Des weiteren kann ein Anteil an Wasser in dem Gasstrom enthalten sein. Sobald Wasser beteiligt ist, wird keine reine partielle Oxidation in der Reformierungseinrichtung 2 stattfinden, sondern es wird eine Kombination aus partieller Oxidation und Wasserdampfreformierung erfolgen, welche bei entsprechend hohem Wasseranteil im allgemeinen als autotherme Reformierung bezeichnet wird. Wird der Wassergehalt in dem Gasstrom nicht beeinflußt, sondern dem Zufall überlassen, z.B. der in Verbrennungsabgasen anfallende Wassergehalt genutzt, so können sich auch entsprechende Zustände in der Reformierungseinrichtung 2 einstellen, welche im wesentlichen zwischen der Betriebsweise als reine partielle Oxidationsstufe und als autothermer Reformer liegen.

Zusätzlich muss der Reformierungseinrichtung 2 selbstverständlich ein Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisender Einsatzstoff zugeführt werden, beispielsweise ein Gemisch aus kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung, Kohlenwasserstoffderivaten oder dergleichen. Die Zuführung dieses kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffes erfolgt über eine Einrichtung 4 zum Einbringen des kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffes in den in der Zuleitung 3 strömenden Gasstrom. Diese Einrichtung 4 ist in an sich bekannter Weise ausgebildet und kann beispielsweise als Düse, als Lanze, als Ringeindüsung oder dergleichen realisiert werden. Der über die Einrichtung 4 zugeführte kohlenwasserstoffhaltige Einsatzstoff wird bei der hier dargestellten Vorrichtung 1 aus den niedersiedenden Kraftstofffraktionen eines in einem Vorratstank 5 gespeicherten Kraftstoffs bestehen. Dieser Kraftstoff ist im wesentlich ein Gemisch von mehr oder weniger langkettigen, kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen, die entsprechend unterschiedliche Siedetemperaturen aufweisen. Des weiteren werden sich in der Praxis auch immer entsprechende Verunreinigung in dem Kraftstoff befinden. Als Kraftstoff können beispielsweise die handelsübliche Kraftstoffe Benzin oder Diesel eingesetzt werden. Grundsätzlich sind hier jedoch auch weitere insbesondere kommerziell verfügbare Kraftstoffe, welche ein Gemisch aus schwersiedenden und niedersiedenden Fraktionen und gegebenenfalls Verunreinigungen aufweisen, z.B. Kerosin, Schweröl, Alkohole oder dergleichen, denkbar.

Der Kraftstoff aus dem Vorratstank 5 gelangt z.B. über eine Förderpumpe 6 in den Bereich der Vorrichtung 1. Die Förderpumpe 6 kann als eigene, nur die Vorrichtung versorgende Förderpumpe 6 ausgebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass über die Förderpumpe 6 der Kraftstoff seiner neben der hier dargestellten Vorrichtung bestimmungsgemäßen Verbrennung z.B. in einer Brennkraftmaschine, zugeführt wird, und dass der im Vergleich zum Verbrauch der Brennkraftmaschine vergleichsweise kleine Kraftstoffstrom, welcher in der Vorrichtung 1 zu einem wasserstoffhaltigen Gas umgesetzt wird, von diesem bereits unter einem Überdruck stehenden Kraftstoffstrom abgezweigt wird, wie es hier dargestellt ist. Nach der Abzweigung gelangt der Kraftstoff über eine zur Dosierung geeignete Einrichtung 7, welche z.B. ein getaktetes Ventil, eine Drosseleinrichtung, eine Blende oder eine Querschnittsverengung in der Leitung sein kann, in den Bereich einer Heizeinrichtung.

Die Heizeinrichtung besteht in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Stufen. Die erste Stufe der Heizeinrichtung ist als Wärmetauscher 8 ausgebildet, welcher für eine Vorwärmung des aus dem Vorratstank 5 kommenden Kraftstoffs sorgt. Nach der Vorwärmung in dem Wärmetauscher 8 gelangt der Kraftstoff in den Bereich eines elektrischen Heizelements 9, in welchem der Kraftstoff soweit erwärmt wird, dass die niedersiedenden Kraftstofffraktionen gasförmig vorliegen, während die schwersiedenden Kraftstofffraktionen sowie die üblicherweise auch schwersiedenden Verunreinigungen, wie Schwefel bzw. schwefelhaltige Verbindungen oder dergleichen, in flüssiger Phase und/oder in dieser gelöst verbleiben. Die nach wie vor flüssigen, schwersiedenden Kraftstoffbestandteile werden dann über den bereits erwähnten Wärmetauscher 8 und eine weitere im oben genannten Sinne zur Dosierung geeignete Einrichtung 10 in den Vorratstank 5 zurückgeführt.

Der Wärmetauscher 8 hat dabei die Aufgabe, die schwersiedenden Kraftstofffraktionen soweit abzukühlen, dass eine übermäßige Erwärmung des Vorratstanks 5 ausgeschlossen werden kann. Gleichzeitig wird, wie bereits oben erwähnt, durch den Wärmetauscher 8 eine Vorwärmung des Kraftstoffs auf dem Weg zur thermischen Trennung, im oben beschriebenen Sinne, mittels des elektrischen Heizelements 9 erfolgt, so dass eine ideale Ausnutzung der Energie in der Vorrichtung 1 sichergestellt ist.

Über eine weitere im oben genannten Sinne zur Dosierung geeignete Einrichtung 11 gelangen die niedersiedenden Kraftstofffraktionen als der für die Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases benötigte kohlenwasserstoffhaltige Einsatzstoff über die Einrichtung 4 in den Gasstrom, welcher durch die Zuleitung 3 der Reformierungseinrichtung 2 strömt. Die niedersiedenden Kraftstofffraktionen bieten dabei den Vorteil einer sehr viel leichteren Umsetzung zu dem wasserstoffhaltigen Gas, als wenn diese Umsetzung in der Reformierungseinrichtung 2 mit dem gesamten als Kraftstoff dienenden Gemisch aus niedersiedenden und schwersiedenden Kraftstofffraktionen erfolgen müsste. Da in den niedersiedenden Kraftstofffraktionen üblicherweise auch der größte Teil der Verunreinigungen nicht mehr enthalten ist, werden ausserdem die Emissionen und die Belastungen der Reformierungseinrichtung 2, insbesondere der in ihr eingesetzten Katalysatoren, mit den Verunreinigungen vermieden, so dass ein sehr kleiner kompakter Aufbau der Reformierungseinrichtung 2 ausreicht, um eine sehr lange Lebensdauer derselben.

Da die niedersiedenden Kraftstofffraktionen im Bereich der Einrichtung 4 bereits gasförmig vorliegen, kann das Einbringen in den Gasstrom unmittelbar vor der Reformierungseinrichtung 2 erfolgen, wobei der Gasstrom selbst vergleichsweise kalt sein kann. Die Gase mischen sich dann auf einer kurzen Strecke bereits sehr gut, so dass eine annähernd homogene Anströmung der Reformierungseinrichtung 2 bzw. des in ihr enthaltenen Katalysators gewährleistet ist. Dadurch kann eine sehr gute und schnelle Umsetzung erfolgen, wodurch sich wiederum der benötigte Bauraum der Reformierungseinrichtung 2 verringert.

Um die Vermischung der Gase zu unterstützen, kann eine optionale, in 1 mit dem Bezugszeichen 12 versehene Mischeinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise ein statischer Mischer, ein Drahtgestrick oder dergleichen. Zusätzlich oder als Alternative kann die Vermischung auch in einen Einströmtrichter 13 der Reformierungseinrichtung 2 erfolgen, welche den durchströmbaren Querschnitt der Zuleitung 3 an den Querschnitt der Reformierungseinrichtung 2 anpasst. In beiden Fällen ist es dabei sehr günstig, dass der Gasstrom, aufgrund des bereits gasförmig vorliegenden Einsatzstoffes, vergleichsweise kalt sein kann, so dass keine Temperaturspitzen im Bereich der Reformierungseinrichtung 2 auftreten. Insbesondere die punktuelle thermische Belastung im Einströmbereich der Reformierungseinrichtung 2 kann minimiert werden, was wiederum die Lebensdauer und Funktionsweise des in der Reformierungseinrichtung 2 enthaltenen Katalysators begünstigt.

Das in der Reformierungseinrichtung 2 erzeugte wasserstoffhaltige Gas wird in an sich bekannter Weise neben dem Wasserstoff auch Kohlenmonoxid und gegebenenfalls Reste der niedersiedenden Kraftstofffraktionen aufweisen. Eine bevorzugte Verwendung des wasserstoffhaltigen Gases in einer Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen wird anhand 3 und 4 noch näher beschrieben. Die hierfür benötigten Wasserstoffmengen sind im Vergleich zu den Mengen an in der Brennkraftmaschine verbranntem Kraftstoff vergleichsweise gering, so dass eine entsprechend einfache und kompakte Vorrichtung 1 erzielt werden kann. Die dabei aus dem Kraftstoff abgeschiedenen niedersiedenden Kraftstoffanteile sind in ihrer Menge so gering, dass einer Verbrennung der schwersiedenden Bestandteile, insbesondere nach deren Vermischung mit dem restlichen Kraftstoff in dem Vorratsbehälter 5 auch bei sensiblen Kraftstoffzufuhrsystemen in der Brennkraftmaschine nichts entgegensteht. Es kann gegebenenfalls sogar die Schmierung von Förder-/Hochdruckpumpen oder dergleichen durch den Kraftstoff mit erhöhter Konzentration an schwersiedenden Kraftstofffraktionen und Schwefelverbindungen begünstigt werden.

In 2 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt. Die Vorrichtung ist dabei über weite Strecken identisch zu der im Rahmen der 1 beschriebenen Vorrichtung 1. Analoge Bauteile sind mit analogen Bezugszeichen versehen, so dass im folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird.

Auf eine Darstellung der optionalen Förderpumpe 6 wurde im Rahmen der 2 verzichtet. Falls auf eine solche an der in 1 bezeichneten Stelle auch konstruktiv verzichtet werden soll, müsste im Bereich einer der zur Dosierung geeigneten Einrichtungen 7 oder 10 eine entsprechende Fördereinrichtung, z.B. eine Dosierpumpe oder dergleichen, vorgesehen werden.

Zusätzlich zu diesem Unterschied ist im Rahmen der 2 ein optionaler Füllstandssensor 14 zu erkennen, welcher z.B. op tisch, kapazitiv, induktiv, mit Ultraschall, als mechanischer Schwimmer oder dergleichen den Flüssigkeitsstand im Bereich des elektrischen Heizelements 9 und damit letztendlich auch die Menge an vorhandenen gasförmig vorliegenden niedersiedenden Kraftstofffraktionen ermittelt. Die von diesem Sensor 14 ermittelt Information kann beispielsweise zur Betätigung der zur Dosierung geeigneten Einrichtungen 7, 10 und/oder 11 oder zur Steuerung bzw. Regelung der Heizleistung des elektrischen Heizelements 9 genutzt werden.

Neben diesen Ausgestaltungen, welche in der hier genannten Art selbstverständlich auch für die Ausführungsform gemäß 1 denkbar wären, weist die 2 einen weiteren Unterschied zur Vorrichtung 1 der 1 auf, welcher im Bereich der Heizeinrichtung zu suchen ist. Die Heizeinrichtung der 2 zeigt einen dreistufigen Aufbau. Der von dem Vorratsbehälter 5 kommende Kraftstoff wird zuerst in dem bereits bekannten Wärmetauscher 8 vorgewärmt. Er strömt jedoch dann nicht direkt in den Bereich des elektrischen Heizelements 9, sondern durchläuft vorher einen weiteren Wärmetauscher 15, welcher im Bereich des Einströmtrichters 13 der Reformierungseinrichtung 2 angeordnet ist. Üblicherweise liegt in diesem Bereich ein höheres Temperaturniveau vor als im Bereich des Wärmetauschers 8. Der Kraftstoff wird im Bereich dieses Wärmetauschers 15 also weiter vorgewärmt. Die Vorwärmung entzieht dabei dem zu der Reformierungseinrichtung 2 strömenden Edukten Energie und hilft somit das Auftreten von Temperaturspitzen in der Reformierungseinrichtung 2 zu reduzieren.

Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 15 fließt der Kraftstoff dann in den Bereich des elektrischen Heizelements 9. Alle weiteren Abläufe entsprechen denen, die bereits bei der Diskussion zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 oben beschrieben wurden.

3 zeigt nun eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 16 zur Reinigung von Abgasen aus einer Verbrennung, insbesondere aus einer Verbrennung in einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung 16 besteht dabei im wesentlichen aus einem Reaktor 17, in welchen das nach dem Durchströmen der Reformierungseinrichtung 2 nun wasserstoffhaltige Gas einströmt. Insbesondere ist der durch die Zuleitung 3 strömende Gasstrom zumindest teilweise dieses zu reinigende Abgas. Prinzipiell wäre es auch denkbar, dass nur ein Teil des zu reinigenden Abgases durch die Reformierungseinrichtung 2 strömt und ein anderer Teil über den hier optional dargestellten Bypass 18 strömt.

Der Reaktor 17 kann ein an sich bekannter "Katalysator", ein Filterkörper oder dergleichen, sein. Durch die Zugabe des Wasserstoffs aus der Reformierungseinrichtung 2 wird in an sich bekannter Weise eine Regeneration dieses "Katalysators" erreicht bzw. der sich in einem Filter ansammelnden Rückstand, wie Ruß oder dergleichen, wird mit Hilfe dieses Wasserstoffs abgebrannt.

Der bevorzugte Einsatzzweck ist in 4 nochmals näher erläutert, wobei die Vorrichtung 16 hier weitere optionale Elemente umfasst. Bei dem Reaktor 17 soll es sich dabei insbesondere um einen Stickoxid-Speicherkatalysator (NSK) 17 handeln. Dieser Stichoxid-Speicherkatalysator 17 wird in regelmäßigen Abständen regeneriert, wozu das Wasserstoffgas aus der Reformierungseinrichtung 2 genutzt wird. So wird die gemäß 4 dauerhaft dargestellte Verbindung zwischen der Reformierungseinrichtung 2 und dem Stickoxid-Speicherkatalysator 17 entweder alternierend geschaltet oder es werden von dem in der Reformierungseinrichtung erzeugten Gas verschiedene Stickoxid-Speicherkatalysatoren nacheinander angeströmt, welche, wenn sie kein Gas aus der Reformierungseinrichtung 2 erhalten, jeweils mit reinem Abgas aus der Verbrennung angeströmt werden. Dies kann beispielsweise auch durch einen dem in 3 gezeigten Bypass 18 ähnlichen Bypass in der oder um die Reformierungseinrichtung 2, mit einer entsprechenden Ventileinrichtung oder dergleichen erfolgen. Das Volumen der Reformierungseinrichtung 2 und der Leitungslängen kann dabei als Speicher für den entstandenen Wasserstoff dienen, bis dieser wieder dem Stickoxid-Speicherkatalysator 17 zugeführt wird.

Im Stickoxid-Speicherkatalysator 17 wird dann in an sich bekannter Weise das in ihm enthaltene bzw. gespeicherte Stickoxid abgebaut. Dazu dient insbesondere der erzeugte Wasserstoff und gegebenenfalls auch das in der Reformierungseinrichtung 2 neben dem Wasserstoff auch noch entstehende Kohlenmonoxid. Als Produkte verlassen den Stickoxid-Speicherkatalysator 17 während der Regeneration Ammoniak und gegebenenfalls Kohlendioxid.

Die weitere Ausgestaltung gemäß 4 sieht vor, dass der bei der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 17 entstehende Ammoniak in einem weiteren Reaktor 19 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) abgebaut wird. Für die an sich ebenfalls bekannte Funktionsweise derartiger SCR-Reaktoren 19 ist neben dem Ammoniak weiteres Stickoxid notwendig, z.B. Stickoxid, welches den Stickoxid-Speicherkatalysator 17 aufgrund seiner Dimensionierung passieren konnte oder Stickoxid, welches über eine Quelle 20 für Stickoxide, welche hier optional angedeutet ist, zugeführt wird. Diese Quelle 20 für Stickoxide kann in an sich bekannter Weise als Verbrennung oder als Plasma ausgeführt sein oder z.B. auch die in einem Bypass um die Vorrichtung 16 bzw. de Reformierungseinrichtung 2 und den Stickoxid-Speicherkatalysator 17 geführten Abgase der Brennkraftmaschine enthalten.

Da die hier angedeuteten Vorgehensweisen zur Reinigung von Abgasen unter Verwendung von Wasserstoff und gegebenenfalls Kohlenmonoxid an sich bekannt sind, wird hier auf den näheren Aufbau nicht weiter eingegangen, insbesondere auch, da er hier für die vorliegende Erfindung, nämlich die Verwendung der Vorrichtung 1 gemeinsam mit einer im Prinzip beliebig ausgestaltbaren Vorrichtung 16 zur Reinigung von Abgasen, unwesentlich ist.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases, welches nicht zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems verwendet wird, an Bord eines Fahrzeuges, mit Mitteln zum Abtrennen von niedersiedenden Kraftstofffraktionen aus einem als Kraftstoff für das Fahrzeug dienenden Gemisch von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Diesel, Benzin, Kerosin oder dergleichen, gekennzeichnet durch, eine Reformierungseinrichtung (2) zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases aus den niedersiedenden Kraftstofffraktionen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierungseinrichtung (2) als partielle Oxidationseinrichtung und/oder autothermer Reformer ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierungseinrichtung (2) eine Zuleitung (3) für einen Gasstrom aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, der Gasstrom zumindest Luft umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, der Gasstrom zumindest ein Abgas des Fahrzeugs umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (3) in Strömungsrichtung des Gasstroms eine Einrichtung (4) zum Einbringen der niedersiedenden Kraftstofffraktion in den Gasstrom aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einrichtung (4) zum Einbringen der niedersiedenden Kraftstofffraktion in den Gasstrom und der Reformierungseinrichtung (2) eine Mischvorrichtung (12) und/oder eine Anpassung (Einströmtrichter 13) des durchströmbaren Querschnitts von dem Querschnitt der Zuleitung (3) auf den Querschnitt der Reformierungseinrichtung (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, eine Heizeinrichtung (Stufen 8, 9, 15) zum Abtrennen der niedersiedenden Kraftstofffraktion mittels thermischer Trennung.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung aus mehreren Stufen (8, 9, 15) besteht, von denen wenigstens eine Stufe als Wärmetauscher (8, 15) ausgebildet ist, welcher durch einen Fluidstrom aus der Vorrichtung (1) beheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmetauscher (15) von dem in die Reformierungseinrichtung (2) einströmenden Stoffgemisch beheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung aus mehreren Stufen (8, 9, 15) besteht, von denen wenigstens eine Stufe als elektrisches Heizelement (9) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass schwersiedende Kraftstofffraktionen, nach der Abtrennung der niedersiedenden Kraftstofffraktion zu einem Vorratstank (5) zurückgeführt ist, wobei die Rückführung einen Wärmetauscher (8) zur Kühlung der schwersiedenden Kraftstofffraktionen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (8) in der Rückführung der/oder einer der Wärmetauscher (8) der Heizeinrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff unter einem Überdruck in die Vorrichtung (1) gelangt, welche zur Dosierung geeignete Einrichtungen (7, 10, 11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Dosierung geeigneten Einrichtungen (7, 10, 11) als Drosseleinrichtungen und/oder getaktete Ventileinrichtungen ausgebildet sind.
Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen aus einer Verbrennung, insbesondere aus einer Verbrennung in einer Brennkraftmaschine, unter Verwendung eines wasserstoffhaltigen Gases, welches durch eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugt ist, mit wenigstens einem Reaktor (17).
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein als Stickoxid-Speicherkatalysator (17) ausgebildeter Reaktor zur Abgasreinigung zumindest teilweise und/oder zeitweise mit der Reformierungseinrichtung (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung nach dem wenigstens einen Stickoxid-Speicherkatalysator (17) ein Reaktor (19) zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom zwischen dem wenigstens einen Stickoxid-Speicherkatalysator (17) und dem Reaktor (19) zur selektiven katalytischen Reduktion mit einer Quelle (20) für Stichoxide verbunden ist.