DE19845396A1 - Verfahren zur Abtrennung schwefelfreier Komponenten aus einem motorischen Kraftstoff an Bord eines Kraftfahrzeugs - Google Patents
Verfahren zur Abtrennung schwefelfreier Komponenten aus einem motorischen Kraftstoff an Bord eines KraftfahrzeugsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung schwefelfreier Komponenten aus motorischem Kraftstoff an Bord eines Kraftfahrzeugs mittels Vakuumverdampfung.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung schwefelfreier Komponenten aus
einem motorischem Kraftstoff an Bord eines Kraftfahrzeugs.
Die Entschwefelung von motorischem Kraftstoff erfolgt üblicherweise mit großchemi
schen Verfahren in Raffinerien bei der Herstellung des Kraftstoffs. Bekannte Verfah
ren hierzu sind Extraktion, Adsorption, Destillation oder mikrobiologische Prozesse.
Die handelsüblichen Motorkraftstoffe in Europa weisen derzeit einen Restschwefel
gehalt von ca. 200 ppm auf. Dieser ist im Hinblick auf die Schwefelverträglichkeit
moderner Abgasnachbehandlungssysteme, die Adsorber und Katalysatoren enthal
ten, problematisch. Es sind deshalb Restschwefelgehalte von kleiner 10 ppm anzu
streben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abtrennung schwefelfreier Kompo
nenten aus einem motorischen Kraftstoff zu schaffen, das zur Anwendung in mobilen
Systemen geeignet ist. Insbesondere sollte zu seiner Durchführung nur ein geringes
Bauvolumen und ein geringes Gewicht benötigt werden.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh
rungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Tatsache, daß schwefelhaltige Kraft
stoffkomponenten im allgemeinen einen höheren Siedepunkt aufweisen als schwe
felfreie Kraftstoffkomponenten.
Erfindungsgemäß erfolgt die On-board-Abtrennung der schwefelfreien, niedrigsie
denden Komponenten mittels Vakuumverdampfung. Dazu wird der Kraftstoffbehälter,
in dem sich der Ausgangskraftstoff befindet, zur Erzeugung eines Unterdrucks mittels
einer Pumpe abgepumpt. Dabei verdampfen die niedrigsiedenden, schwefelfreien
Kraftstoffkomponenten und werden über die Pumpe aus dem Kraftstoffbehälter
gefördert. Die abgetrennten schwefelfreien Komponenten können anschließend unter
erhöhtem Druck (bezogen auf Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck) kondensiert
werden.
Die Gesamtheit der aus dem Ausgangskraftstoff abgetrennten Kraftstoffkomponenten
wird im folgenden auch als schwefelarme Kraftstofffraktion bezeichnet. Entsprechend
wird die Gesamtheit der im Ausgangskraftstoff verbleibenden Kraftstoffkomponenten
als schwefelreiche Kraftstofffraktion bezeichnet.
Durch Einsatz der schwefelarmen Kraftstofffraktion kann die Lebensdauer von
modernen Abgasnachbehandlungssystemen wesentlich verlängert werden.
Der apparative Aufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
gering. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache,
daß die Vakuumverdampfung bei Umgebungstemperatur ablaufen kann. Zusätzliche
Heizeinrichtungen, z. B. beheizbare Verdampferstrukturen mit Widerstandsheizele
menten, sind deshalb nicht notwendig. Folglich können auch Bauvolumen und
Gewicht klein gehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich
deshalb sehr gut für den Einsatz in allen mobilen Systemen wie Personen- oder
Nutzfahrzeuge oder in schienengebundenen Fahrzeugen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die
schwefelarme Kraftstofffraktion sofort beim Starten des Motors an Bord zur Verfü
gung steht. Auf einen zusätzlichen Vorratstank für schwefelarmem Kraftstoff speziell
für die Kaltstartphase kann deshalb verzichtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle motorischen Kraftstoffe, insbesondere
Otto- oder Dieselkraftstoffe, Kerosin oder Methanol einsetzbar.
Für die Vakuumverdampfung kann eine Gasförderpumpe, insbesondere eine Mem
branpumpe eingesetzt werden. Die Kondensation bei erhöhtem (bezogen auf
Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck) Druck kann dann vorteilhaft in einem mit dem
Ausgang der Pumpe verbundenen Druckgefäß erfolgen, so daß zur Durchführung
der Druckkondensation kein zusätzlicher gerätetechnischer Aufwand notwendig ist.
Wie bereits erwähnt, kann die Vakuumverdampfung bei Umgebungstemperatur
durchgeführt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführung können jedoch im
Kraftfahrzeug ohnehin vorhandene Wärmequellen für die Beheizung des zu fraktio
nierenden Kraftstoffs ausgenutzt werden. Hierfür bietet sich insbesondere das
Motoröl (< 100°C) oder das Kühlmittel (ca. 80°C) für die Motorkühlung an.
Die Kondensation der abgetrennten schwefelfreien Komponenten kann ebenfalls bei
Umgebungstemperatur erfolgen. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, die
Kondensation bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur durchzufüh
ren.
Die durch die Vakuumverdampfung abgetrennte schwefelarme Fraktion kann entwe
der direkt für die motorische Verbrennung eingesetzt werden (in gasförmiger oder
flüssiger Form), oder in einem Vorratsbehälter gespeichert werden.
Die schwefelarme Fraktion eignet sich dabei insbesondere auch zur Zugabe in den
Motor während der Kaltstartphase oder im Magerbetrieb eines Ottomotors.
Bei einem Dieselmotor kann durch Zugabe von schwefelarmen Dieselkraftstoff die
Partikelemission im Abgas gemindert werden.
Eine weitere Anwendung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen
schwefelarmen Fraktion ist der Einsatz bei der Desulfatisierung eines Katalysators im
Abgasnachbehandlungssystem eines Motors. Im Abgasnachbehandlungssystem
sammelt sich auf der Oberfläche des Katalysators von Zeit zu Zeit Schwefel an, der
durch Regeneration (Desorption) entfernt wird. Dies kann nur bei schwefelarmem
Abgas erfolgen.
Neben der Anwendung als motorischer Kraftstoff kann die schwefelarme Kraftstoff
fraktion auch als niedrigsiedendes Reduktionsmittel für Entstickungskatalysatoren in
magerem Abgas eingesetzt werden.
Die Vakuumverdampfung zur Abtrennung der schwefelarmen Fraktion kann sowohl
aus dem Kraftstoffvorratsbehälter des Kraftfahrzeugs als auch aus einem zusätzli
chen Zwischenbehälter erfolgen. Die nach der Abtrennung der niedrigsiedenden,
schwefelfreien Komponenten in dem Zwischenbehälter verbleibende höhersiedende,
schwefelreiche Fraktion kann in diesem Fall in speziellen Motorbetriebsphasen
eingesetzt werden. Eine geeignete Ottomotor-Betriebsphase für die Verwendung der
schwefelreichen Fraktion ist der Betrieb unter stöchiometrischen Bedingungen (λ = 1)
oder unter fetten Bedingungen (Vollastbetrieb, λ < 1). Durch die höhere Oktanzahl
der schwefelreichen Fraktion und der damit verbundenen höheren Klopffestigkeit
kann der Ottomotor mit einem höheren Verdichtungsverhältnis ausgelegt werden.
Der Betrieb des Motors mit höheren Verdichtungsverhältnissen führt zu einem
verminderten Kraftstoffverbrauch.
Durch das ständige Absaugen der Gasphase aus dem Kraftstofftank bei der Durch
führung der Vakuumverdampfung werden Verdampfungsverluste weitgehend
vermieden. Dadurch werden die Kohlenwasserstoffemissionen aus dem Fahrzeug
tank gesenkt und der Wirkungsgrad des Fahrzeugs erhöht.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfah
rens;
Fig. 2 die Auswirkung des Kraftstoffschwefelgehalts auf die NOX Konversion eines
Abgasnachbehandlungssystems.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 1 näher erläutert. Im
Kraftstoffvorratsbehälter KV, der den flüssigen Kraftstoff enthält, erfolgt über den
durch die Gasförderpumpe PU erzeugten Unterdruck (psaug) die Verdampfung der
niedrigsiedenden, schwefelfreien Komponenten. Diese werden mittels der Gasför
derpumpe PU aus dem Kraftstoffvorratsbehälter KV abgesaugt. Der Ausgang der
Pumpe ist mit einem Druckgefäß DG verbunden, in dem sich aufgrund des Förderlei
stung der Pumpe ein Überdruck (pdruck) aufbaut. Unter diesem Überdruck kondensie
ren die abgetrennten schwefelfreien Komponenten in dem Druckgefäß DG und
können anschließend sofort genutzt werden.
Im Kraftstoffvorratsbehälter KV findet eine Anreicherung der höhersiedenden,
schwefelhaltigen Kraftstoffkomponenten statt. Vorteilhaft können sowohl die Ver
dampfung als auch die anschließende Druckkondensation auf der Druckseite der
Pumpe bei Umgebungstemperatur durchgeführt werden, so daß das erfindungsge
mäße Verfahren ohne zusätzliche Heiz- oder Kühlmaßnahmen auskommt.
Je nach Pumpentyp kann über die Auslegung der Pumpe (Druck auf Saug- und
Druckseite) der gewünschte Schwefelgehalt der zu gewinnenden Fraktion sowie über
die Pumpenleistung die erforderliche Fraktionierungszeit eingestellt werden. Als
besonders geeignet erweisen sich dazu Vakuummembranpumpen, die wartungsfrei
(ölfrei) arbeiten, eine hohe Lebensdauer haben und unempfindlich gegen in der
Pumpe kondensierende Medien sind. Auch der elektrische Leistungsbedarf einer
solchen Membranpumpe ist äußerst gering.
Niedrigstsiedende Verbindungen wie beispielsweise Butan, die bei der Destillation
nur mit sehr starker Kühlung (< 0°C) kondensiert werden können, können über das
erfindungsgemäße Verfahren mit vergleichsweise geringem Aufwand gewonnen
werden.
Nach der in Fig. 1 beschriebenen Verfahren wurde eine Fraktionierung von Ottokraft
stoff durchgeführt. Aus 1000 ml des eingesetzten Kraftstoffes wurden 350 ml nied
rigsiedende, schwefelarme und 650 ml höhersiedende, schwefelreiche Fraktion
gewonnen. Der Druck auf der Saugseite betrug 100 bis 300 mbar, auf der Druckseite
1 bis 2 bar. Auf der Druckseite der Pumpe werden niedersiedende, schwefelfreie-
Komponenten stark angereichert, während höhersiedende, schwefelhaltige Kraft
stoffkomponenen (u. a. Aromaten) nahezu nicht mehr enthalten sind. Der in der
Vorlage verbleibende Kraftstoff zeigt eine Anreicherung der höhersiedenden,
schwefelhaltigen Kraftstoffkomponenten.
Die einzelnen Schwefelgehalte waren wie folgt:
Schwefelgehalt des Ausgangskraftstoffes (ROZ95): 128 ppm
Schwefelgehalt der niedrigsiedenden, schwefelarmen Fraktion: 14 ppm
Schwefelgehalt der höhersiedenden, schwefelreichen Fraktion: 177 ppm
Schwefelgehalt des Ausgangskraftstoffes (ROZ95): 128 ppm
Schwefelgehalt der niedrigsiedenden, schwefelarmen Fraktion: 14 ppm
Schwefelgehalt der höhersiedenden, schwefelreichen Fraktion: 177 ppm
In Fig. 2 ist die Auswirkung des Kraftstoffschwefelgehalts auf die NOx-Konversion
eines Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. Auf der Abszisse ist die Betriebs
dauer (in Stunden) aufgetragen, auf der Ordinate die NOx Konversion (in %). Es
wurden zwei Meßreihen für die Schwefelgehalte 31 ppm und 130 ppm mit demselben
Katalysatortyp aufgenommen. Die Versuche wurden mit einem direkteinspritzenden
Ottomotor im Magermixbetrieb (30 Sekunden Magerbetrieb mit λ = 1,5 und 2 Sekun
den Fettbetrieb mit λ = 0,75) durchgeführt. Wie aus dem Vergleich der Meßreihen zu
erkennen ist, sinkt die Lebensdauer des Katalysators bei erhöhtem Schwefelgehalt
drastisch.
Claims (15)
1. Verfahren zur Abtrennung schwefelfreier Komponenten aus motorischem
raftstoff an Bord eines Kraftfahrzeugs mittels Vakuumverdampfung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgetrennten
schwefelfreien Komponenten unter erhöhtem Druck kondensiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vakuum
verdampfung eine Gasförderpumpe, insbesondere eine Membranpumpe, ein
gesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation
der schwefelfreien Komponenten am Ausgang der Gasförderpumpe erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß der Kraftstoff ein Otto- oder Dieselkraftstoff oder Kerosin oder Metha
nol ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Vakuumverdampfung und/oder die Kondensation bei Umge
bungstemperatur durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vakuumverdampfung bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beheizung des
Kraftstoffs dieser im Wärmekontakt mit dem Motoröl oder dem Motorkühlmittel
des Kraftfahrzeugs steht.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die abgetrennten schwefelfreien Kraftstoffkomponenten direkt genutzt
werden oder in einem Vorratsbehälter aufgefangen werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die schwefelfreien Kraftstoffkomponenten dem Motor in gasförmiger
oder flüssiger Form zugegeben werden.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die schwefelfreien, niedrigsiedenden Kraftstoffkomponenten dem Motor
in der Kaltstartphase zugegeben werden.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die schwefelarmen Kraftstoffkomponenten im Magerbetrieb des Motors
oder bei der Desulfatisierung des Abgasnachbehandlungssystems des Motors
zugegeben werden.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die schwefelfreien Kraftstoffkomponenten als Reduktionsmittel für Ent
stickungskatalysatoren im mageren Abgas eingesetzt werden.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Vakuumverdampfung in einem Zwischenbehälter geschieht, der
zusätzlich zum Kraftstoffvorratsbehälter im Kraftfahrzeug vorhanden ist.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die nicht verdampften, schwefelhaltigen Kraftstoffkomponenten dem
Motor in Betriebsphasen mit stöchiometrischem Betrieb oder im Vollastbetrieb
zugegeben werden.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140501 |