DE19845396C2

DE19845396C2 - Verfahren zur Abtrennung einer schwefelarmen Kraftstofffraktion aus einem motorischem Kraftstoff an Bord eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE19845396C2
Application number: DE19845396A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Holder; Roland Kemmler; Martin Matt; Viktor Pfeffer; Ralf Stetter; Karl-Heinz Thielmann; Carsten Plog; Thomas Stengel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2018-10-03
Also published as: DE19845396A1; GB2342393B; GB2342393A; ITRM990598A0; GB9922581D0; ITRM990598A1; IT1308234B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung einer schwefelarmen Kraftstofffraktion 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 schwefelarmer 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 schwefelarmen, 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, schwefelarmen Kraftstoffkomponenten und werden über die Pumpe aus dem Kraftstoffbehälter gefördert. Die abgetrennten schwefelarmen 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 NO_x-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 (p_saug) die Verdampfung der niedrigsiedenden, schwefelfreien Komponenten. Diese werden mittels der Gasförderpumpe 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 (p_druck) 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

In Fig. 2 ist die Auswirkung des Kraftstoffschwefelgehalts auf die NO_x-Konversion eines Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. Auf der Abszisse ist die Betriebs dauer (in Stunden) aufgetragen, auf der Ordinate die NO_x-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

1. Verfahren zur Abtrennung einer schwefelarmen Kraftstoff fraktion aus motorischem Kraftstoff an Bord eines Kraft fahrzeuges mittels Vakuumverdampfung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennte schwefelarme Kraftstofffraktion unter er höhtem Druck kondensiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vakuumverdampfung eine Gasförderpumpe, insbesondere ei ne Membranpumpe, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensation der schwefelarmen Kraftstofffraktion am Ausgang der Gasförderpumpe erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff ein Otto- oder Dieselkraftstoff oder Kerosin oder Methanol ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, dass die abgetrennte schwefelarme Kraftstofffraktion direkt ge nutzt oder in einem Vorratsbehälter aufgefangen wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwefelarme Kraftstofffraktion dem Motor in gasförmi ger oder flüssiger Form zugegeben wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwefelarme Kraftstofffraktion dem Motor in der Kalt startphase zugegeben wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwefelarme Kraftstofffraktion im Magerbetrieb des Mo tors oder bei der Desulfatisierung des Abgasnachbehand lungssystems des Motors zugegeben wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwefelarme Kraftstofffraktion als Reduktionsmittel für Entstickungskatalysatoren im mageren Abgas eingesetzt wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumverdampfung in einem Zwischenbehälter geschieht, der zusätzlich zum Kraftstoffvorratsbehälter im Kraftfahr zeug vorhanden ist.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht verdampften, schwefelhaltigen Kraftstoffkomponen ten dem Motor in Betriebsphasen mit stöchiometrischem Be trieb oder im Volllastbetrieb zugegeben werden.