DE19720893A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Behandeln von Kraftstoffdämpfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Verminderung von HC-Emissionen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Beim Betanken von Kraftfahrzeugen mit flüssigem Treibstoff verdrängt der in den Tank einfließende flüssige Treibstoff das in dem Tank befindliche Gasgemisch, das neben Luft auch einen hohen Prozentsatz an gasförmigen Kohlenwasserstoffen enthält. Eine ähnli­ che Situation liegt beim Erwärmen des Kraftstoffbehälters (z. B. durch Sonneneinstrah­ lung auf das Kraftfahrzeug) vor, bei der sich insbesondere das Gasgemisch in dem Tank ausdehnt und über eine Öffnung entweicht. Zur Vermeidung der hierdurch möglichen Umweltbelastung durch Kohlenwasserstoffdämpfe sind zwei Maßnahmen bekannt. Zum einen besteht die Möglichkeit, bereits beim Tanken das verdrängte Gasgemisch abzusaugen, zum anderen kann das Gasgemisch über einen Adsorber (insbesondere Aktivkohle) geführt werden, so daß nur der Luftanteil ins Freie gelangt. Hier ist ins­ besondere die Kombination geeignet, um mit mittleren Adsorbergrößen auch beim Betanken des Kraftfahrzeuges auskommen zu können. Prinzipiell sind diese Maßnahmen wirksam, sie bedingen jedoch zum einen spezielle Zapfpistolen mit Absaugeinrichtungen sowie eine Regeneration des Adsorbers. Letzteres geschieht entweder durch Absaugen der adsorbierten Kohlenwasserstoffdämpfe über den Ansaugtrakt der Verbrennungs­ kraftmaschine, so daß die Kohlenwasserstoffdämpfe in der Brennkraftmaschine ver­ brannt werden, oder durch Zuführen der Kohlenwasserstoffdämpfe von dem Adsorber in die Abgasanlage des Kraftfahrzeuges, wo sie in Gegenwart von Sauerstoff mittels eines Nachbrenners oder thermokatalytisch verbrannt werden. Das Zuführen der Kraftstoff­ dämpfe dem Motor bzw. der Abgasanlage bringt jedoch Probleme hinsichtlich der Motorsteuerung bzw. bei der Abgaszusammensetzung mit sich. Diese können nur auf­ wendig über Kennfelder und/oder spezielle Steuermechanismen einigermaßen zufriedenstellend gelöst werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Entsorgung der Kohlenwasserstoff­ dämpfe aus dem Kraftstofftank bereitzustellen, die ohne Eingriffe in das Motormanage­ ment möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Ver­ fahrens wird die Aufgabe gelöst mit den Maßnahmen des Anspruchs 7. Die Unter­ ansprüche beschreiben besonders bevorzugte Ausführungsformen.

Der Erfindung liegt eine photokatalytische Umsetzung der aus dem Kraftstofftank ver­ drängten Kohlenwasserstoffdämpfe zugrunde, wobei die photokatalytische Umsetzung durch Kontakt der Kohlenwasserstoffdämpfe mit einem Photokatalysator und Belichten desselben in Gegenwart von Sauerstoff erfolgt. der Sauerstoff ist üblicherweise Luft­ sauerstoff und steht einerseits in der neben den Kraftstoffdämpfen sich in dem Kraft­ stoffbehälter befindlichen Luft bzw. über eine zusätzliche Luftversorgung zur Verfügung. Da normalerweise der Luftanteil im Kraftstofftank unterstöchiometrisch zu den Kraft­ stoffdämpfen vorliegt, ist die Zuführung von zusätzlicher Luft für die katalytische Umsetzung für eine vollständige Umsetzung der Kohlenwasserstoffe zu H₂O und CO₂ notwendig. Die zusätzliche Luft wird z. B: über eine Luftpumpe zur Verfügung gestellt, wobei die Luftpumpe auch weiteren Zwecken (z. B. Luftzufuhr zum Abgaskatalysator) dienen kann.

Da insbesondere beim Betanken des Kraftfahrzeuges mit Kraftstoff in relativ kurzer Zeit mehrere Gramm Kohlenwasserstoffe als Dampf aus dem Tank verdrängt werden (ca. 1 g je Liter zugeführter Kraftstoff, d. h. üblicherweise ca. 10 bis 100 g gasförmiger Kohlenwasserstoffe), ist der Einsatz eines Zwischenspeichers (Adsorber) möglich, um nicht zu hohe Wärmemengen, die bei der (photo)katalytischen Umsetzung entstehen, abführen zu müssen. Als solcher Zwischenspeicher eignen sich der üblicherweise ein­ gesetzte Aktivkohle-Adsorber, oder auch andere Materialien, wie beispielsweise Zeolithe. In einer ganz bevorzugten Ausführungsform ist der Adsorber zusammen mit dem photokatalytischen Material angeordnet, insbesondere auf demselben Träger auf­ gebracht. Hierbei kann das photokatalytische Material auf dem Adsorber liegen. In ein­ facheren Ausführungsformen ist der Adsorber dem Photokatalysator vorgeschaltet. Zum Freisetzen der adsorbierten Kraftstoffdämpfe aus dem Adsorber wird durch diesen eine Luftströmung geführt, die die adsorbierten Kohlenwasserstoffe wieder freisetzt. Diese Luftströmung wird dann dem belichteten photokatalytischen Material zugeführt.

Vorteilhaft wird die Temperatur des photokatalytischen Materials bzw. von dessen Umgebung überwacht, um ein Überhitzen zu verhindern bzw. um eine katalytische Aktivität (Gegenwart von Kraftstoffdämpfen) festzustellen. Um einer Überhitzung ent­ gegenzuwirken, kann zusätzliche, nicht mit Kohlenwasserstoffen beladene Luft dem photokatalytischen Material zugeführt werden und/oder die Luftströmung der mit Kohlenwasserstoffen beladenen Luft wird reduziert.

Der Einsatz eines Adsorbers ermöglicht es, den photokatalytischen Katalysator nur unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise beim Betrieb des Kraftfahrzeuges, in Betrieb zu setzen. D. h., beim Tanken bzw. beim Stillstand des Kraftfahrzeuges auftretende Kraft­ stoffdämpfe werden zwischengespeichert und erst beim Betrieb des Kraftfahrzeuges dem photokatalytischen Material zugeführt. Ohne den Einsatz des Adsorbers ist eine Strömungserkennung bzw. eine HC-Erkennung vorteilhaft, um die Belichtung des photo­ katalytischen Materials auch bei Stillstand des Kraftfahrzeuges (bzw. der Brennkraft­ maschine) zu aktivieren, wenn HC-Dämpfe vorliegen. Hierdurch kann die Belichtung abgeschaltet sein, wenn kein Bedarf für die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen besteht. Zur Schonung der Beleuchtungsmittel erfolgt die Belichtung des photokatalyti­ schen Materials auch während des Betriebes der Brennkraftmaschine nur bei Bedarf. Dies kann beim Einsatz eines Adsorbers auch zeitgesteuert erfolgen, wobei über eine Temperaturmessung (oder auch über andere Mittel, beispielsweise einen HC-Sensor) eine Umsetzung erkannt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem photokatalytischen Material ein thermokatalytisches Material (Oxidationskatalysator, insbesondere auf Edel­ metall/Platinbasis) nachgeschaltet. Dieser thermische Katalysator, der üblicherweise oberhalb 140°C wirksam ist, empfängt das durch die katalytische Umsetzung an dem photokatalytischen Material aufgeheizte Gasgemisch und dient der Vervollständigung der Umsetzung der Kohlenwasserstoffe zu H₂O und CO₂. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn mit dem photokatalytischen Material eine Umsetzung zur H₂O und CO₂ nur deutlich unter 100% (beispielsweise 80% oder weniger) erreicht wird. Der Einsatz eines Oxidationskatalysators ermöglicht es auch, daß dem photokatalytischen Material nur ein Teil der anfallenden Kohlenwasserstoffe zugeführt wird, so daß die am photo­ katalytischen Material generierte Temperaturerhöhung des Gasstroms ausreicht, den Oxidationskatalysator auf seine notwendige Temperatur zu bringen, so daß dann die restlichen Kohlenwasserstoffe dem Oxidationskatalysator direkt zugeführt werden kön­ nen, wobei sogar eine Abschaltung der Beleuchtung des photokatalytischen Materials möglich ist. Auch hier wird beispielsweise über eine Temperaturüberwachung der umgesetzten Gase bzw. des thermischen Katalysators ein Wiedereinschalten der Beleuchtung des photokatalytischen Materials gesteuert. Der Oxidationskatalysator kann auch in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine integriert sein, insbesondere im hinte­ ren Teil (stömungsabwärts; auslaßseitig) des Abgasstrangs. Die Umsetzung kann hier auch mit einer NOx-Umsetzung, beispielsweise einem Zeolithkatalysator kombiniert sein.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Umsetzung der aus einem Kraftstofftank ent­ weichenden Kohlenwasserstoffe, wobei weder besondere Maßnahmen für den Betrieb der Brennkraftmaschine noch für deren Abgasreinigung vorgenommen werden müssen, da die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe zu H₂O und CO₂ außerhalb der steuerungs­ sensiblen Bereiche der Brennkraftmaschine bzw. des Abgasstrangs stattfindet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher ausgeführt.

Die Figur zeigt schematisch die Anbindung der photokatalytischen Umsetzung an den Kraftstofftank.

Ein Kraftstofftank 1, der teilweise mit Kraftstoff 2 (üblicherweise Benzin- oder Diesel­ kraftstoff) gefüllt ist, enthält in dem über dem Kraftstoff 2 liegenden Gasraum 3 ein Gemisch aus luft- und gasförmigem Kraftstoff, wobei der Anteil an gasförmigem Kraft­ stoff in dem Gasgemisch von der Temperatur und der Art des Kraftstoffs abhängig ist (von den Partialdrücken der einzelnen Kraftstoffkomponenten bestimmt ist). Durch Betanken des Tanks 1 über den Tankeinfüllstutzen 4 und/oder durch Erwärmung wird das Gasgemisch 3 aus dem Kraftstoffbehälter 1 in eine Gasableitung 5 verdrängt, die üblicherweise eine Sicherung gegen das Eiodringen von flüssigem Treibstoff 2 enthält. Die Ableitung 5 führt zu einem Aktivkohlebehälter 6, der zwischen zwei Filtern 7 (Siebe, Tritten, Fließ etc.) Aktivkohle 8 enthält. Der Aktivkohlebehälter 6 ist wiederum mit dem Einlaß 9 eines Photokatalysators 10 verbunden, dessen Auslaß 11 entweder ins Freie oder zu einem Oxidationskatalysator führt.

Der Photokatalysator 10 enthält Platten 12, die mit Titandioxid beschichtet sind. Als photokatalytisches Material eignen sich insbesondere Photohalbleiter, wobei neben Titandioxid diverse Oxide der Übergangsmetalle und/oder der seltenen Erden, aber auch beispielsweise Sb₂O₄ generell einsetzbar sind. Die Metalloxide können in Mischverbin­ dungen vorliegen, beispielsweise als Titanat. Insbesondere geeignet sind TiO₂, ZnO, SrTiO₃, ZrO₂, Sb₂O₄₁ CeO₂. Der Halbleiter kann auch dotiert sein, beispielsweise mit Metallen der VIII-Hauptgruppe, z. B. Pt, Rh und/oder Ru. Hierdurch wird insbesondere die Oxidationseigenschaft des Katalysators verbessert, wodurch dieser neben der photokatalytischen Aktivität auch eine thermische Aktivität erreichen kann. Zur Photo­ katalyse eignen sich insbesondere Anregungen mit einem Licht der Wellenlänge λ 600 nm und insbesondere λ 410 nm, wobei die Wellenlänge λ vom verwendeten Photo­ halbleiter abhängig ist. Die Photohalbleiter haben für die Umsetzung vorzugsweise eine hohe BET-Oberfläche von mindestens 50 m²/g, insbesondere eignen sich Oberflächen oberhalb 200 m²/g. Im vorliegenden wurde ein Titandioxid eingesetzt mit einer BET-Ober­ fläche von etwa 300 m²/g, das überwiegend in der Anatasmodifikation vorliegt und eine Bandlücke bei 3,06 bis 3,23 eV besitzt. Die Bestrahlung erfolgte entsprechend mit einer Wellenlänge 410 nm.

Zur Bestrahlung werden UV-Röhren 13 eingesetzt, die über Leiter 14 mit Strom versorgt werden. Mittels eines Thermoelementes 15 wird die Temperatur überwacht.

Eine Luftpumpe 16 ist vorgesehen, um eine Luftströmung durch das Aktivkohlematerial 8 zu erzeugen, wobei die Strömung von der Tankseite zu der Katalysatorseite erfolgt. In der Leitung 5 ist ein Rückschlagventil (nicht dargestellt) vorgesehen, damit die Luftströ­ mung keinen Überdruck im Tank erzeugt. Ferner besteht die Möglichkeit (gestrichelt dargestellte Leitung), mit der Luftpumpe 16 auch eine Luftströmung unter Umgehung des Aktivkohlebehälters 6 durch den Katalysator 10 allein zu erzeugen.

Beim Betanken des Tanks 1 wird das Gasgemisch 3 durch die Leitung 5 und durch den Aktivkohlebehälter 6 geführt, in dem die Kohlenwasserstoffe zurückgehalten werden. Die nicht zurückgehaltenen Anteile des Gasgemisches 3 (im wesentlichen Luft) strömen durch den Katalysator 10 ins Freie. In regelmäßigen Zeitabständen wird die Pumpe 16 aktiviert, um eine Luftströmung durch das Aktivkohlematerial 8 und den Katalysator 10 zu erzeugen, wobei gleichzeitig die UV-Röhren 13 eingeschaltet werden. Sofern durch die Luftströmung Kohlenwasserstoffdämpfe aus dem Aktivkohlematerial 8 ausgetrieben werden, erfolgt an den titandioxidbeschichteten Platten 12 eine Oxidation der Kohlen­ wasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser unter Wärmeentwicklung. Die Wärmeentwick­ lung wird von dem Thermoelement 15 registriert und an eine Steuerung weitergegeben, die die Luftpumpe 16 zur Aufrechterhaltung der Luftströmung weiter mit Strom versorgt. Bei einem Anstieg der Temperatur über 200°C (bei etwas erhöhter Temperatur ist auch die katalytische Aktivität erhöht) wird der Luftstrom durch eine Klappensteuerung (nicht dargestellt) von der durchgezogenen Leitung 16 mehr und mehr zu der gestrichelt dargestellten Leitung 17 geführt, so daß bei gleichbleibender Luftströmung ein geringerer Anteil an Kohlenwasserstoffen in der durch den Katalysator 10 geführten Luftströmung enthalten ist. Sobald das Aktivkohlematerial 8 durch die Luftströmung von Kohlenwasserstoffen freigespült ist, gelangen keine (wesentlichen) Mengen an Kohlen­ wasserstoffen mehr in den Katalysator 10, wodurch dessen Temperatur sinkt. Dies führt über die (nicht dargestellte) Steuerung zum Abschalten der Luftpumpe 16, die dann später, nach der Zeitvorgabe, durch die Steuerung wieder aktiviert wird. Zweck­ mäßigerweise wird bei jedem Neustart der Brennkraftmaschine auch die Pumpe 16 gestartet, um gespeicherte Kohlenwasserstoffe aus der Aktivkohle 8 zu spülen.

Durch die Belichtung erfolgt gleichzeitig auch eine gewisse Erwärmung des photokataly­ tischen Materials, wodurch dessen katalytische Wirkung gesteigert wird. Entsprechend werden die UV-Röhren 13 vorzugsweise einige Sekunden vor dem Anschalten der Luft­ pumpe 16 angeschaltet, damit der Photokatalysator beim Eintritt der Kohlenwasserstoffe bereits leicht erwärmt ist. Grundsätzlich hat das photokatalytische Material bereits bei 50°C gute Umsatzwerte.

Claims (7)

1. Kraftfahrzeug mit einem Kraftstoffbehälter (1), der mit einem bei den Betriebsbedin­ gungen des Kraftfahrzeuges flüssigen, kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff (2) befüllbar ist, und einer Ableitung (5) der insbesondere bei einem Betanken des Kraftstoffbehälters (1) aus diesem verdrängten Kohlenwasserstoffdämpfe (3), dadurch gekennzeichnet, daß ein Katalysator (10) mit einem photokatalytischen Material (auf 12) mit der Ableitung (5) verbunden ist, daß das photokatalytische Material bei Belichtung (mit 13) die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegen­ wart von Sauerstoff zu H₂O und CO₂ katalysiert, und daß die Kohlenwasserstoff­ dämpfe (3) zusammen mit O₂ dem belichteten photokatalytischen Material zuführbar sind, so daß die Kohlenwasserstoffe zu H₂O und CO₂ umgesetzt werden.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ableitung (5) ein Adsorber (8) vorgesehen ist, der geeignet ist, die Kohlenwasserstoffe zwischen­ zuspeichen.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber (8) mit dem photokatalytischen Material verbunden ist oder in unmittelbarer Nähe zu diesem angeordnet ist.

4. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel (16) zur Erzeugung einer Luftströmung über dem photokatalytischen Material vorgesehen ist.

5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmung, bevor sie über das photokatalytische Material streicht, mit dem Adsorber in Kontakt kommt, und/oder daß die Luftströmung nur über das photokatalytische Material geführt ist.

6. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf und/oder in Strömungsrichtung nach dem photokatalytischen Material ein thermischer Katalysator vorgesehen ist, an dem eine Umsetzung von an dem photo­ katalytischen Material nicht zu H₂O und CO₂ umgesetzten Kohlenwasserstoffen erfolgt.

7. Verfahren zur Verminderung der HC-Emission insbesondere beim Befüllen eines Tanks, der mit einem bei Umgebungsbedingungen flüssigen Kohlenwasserstoff befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß entweichende gasförmige Kohlen­ wasserstoffe, die durch das Befüllen des Tanks mit den flüssigen Kohlenwasser­ stoffen und/oder anderweitig aus dem Tank verdrängt werden, zusammen mit O₂ einem belichteten photokatalytischen Material zugeführt werden.