DE3538148A1 - Verfahren zum zuenden eines russabbrennfilters im abgasstrang von dieselmotoren - Google Patents

Description

Zur Begrenzung der Partikelemission bei Dieselmotoren, deren Höchstgrenzen bereits in einigen Ländern gesetz­ lich vorgeschrieben werden, wird das Dieselmotorabgas über Filter geleitet, die den größten Teil der Rußpar­ tikel zurückhalten. Solche Filter bestehen aus aluminium­ oxydbeschichteten Drahtnetzen, Keramikfasern, keramischen Wabenstrukturen oder keramischen Schäumen, wobei sich Bienenwabenstrukturen und Schäume besonders bewährt haben.

Im Verlauf der Abscheidung der Rußpartikel setzen sich die Poren des Filters zu, so daß der Gegendruck vor dem Filter ansteigt. Sobald der Gegendruck ein im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und den Motorlauf nicht mehr tolerierbares Ausmaß annimmt, muß das Filter regeneriert werden, was, wie schon der Name Rußabbrennfilter sagt, durch Verbrennen der Rußpartikel auf dem Filter statt­ findet. Es ist bekannt, daß für diesen Abbrennvorgang sowohl Temperaturen oberhalb von 600° C als auch genü­ gend Sauerstoff zum Unterhalt der Verbrennung vorhanden sein muß.

Da die Abgastemperaturen nicht in allen Lastzuständen des Motors das für die Zündung des Rußabbrennfilters erforderliche Niveau erreichen, sind zahlreiche Verfahren beschrieben worden, um ein Rußabbrennfilter zu zünden.

Vorgeschlagen wurde unter anderem die Zündtemperatur zu senken durch eine katalytische Beschichtung des Ruß­ abbrennfilters oder durch Aufsprühen einer die Ent­ zündung bewirkenden Substanz auf das belegte Filter oder die Temperatur der Abgase zu erhöhen entweder durch eine Erhöhung der Motorbelastung durch Einschalten einer Drosselklappe in den Auspuffstrang (Motorbremse) eines Retarders oder der Fahrzeugbremse oder durch direkte Erwärmung der Auspuffgase mittels eines Brenners im Auspuffstrang oder durch elektrische Aufheizung.

Während die katalytischen Verfahren im unteren Temperatur­ bereich noch nicht zufriedenstellend arbeiten und darüber hinaus auch eine begrenzte Lebensdauer besitzen, sind die anderen Verfahren auf den Verbrauch von zusätzlicher Energie angewiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zünden eines Rußabbrennfilters im Abgasstrang von Dieselmotoren zu finden, durch das die Zündtemperatur des Rußabbrennfilters sicher erreicht wird und das zu seinem Betrieb keine zusätzliche Energie verbraucht.

Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen an­ gegebene Verfahren gelöst.

Das Verfahren nutzt also den hohen Wärmeinhalt der Ab­ gase bei einem relativ niedrigen Temperaturniveau aus, um diese Wärme mittels eines "Wärmetransformators" auf ein für die Entzündung des Rußabbrennfilters erforder­ liches Temperaturniveau zu bringen. Zur Erzeugung der hohen Temperatur wird ein im Abgasstrang unmittelbar vor dem Rußabbrennfilter angeordneter oder in wärme­ leitender Verbindung mit dem Rußabbrennfilter stehender Speicherbehälter, der eine hydridbildende Legierung oder ein hydridbildendes Material enthält, die bzw. das sich bei der Beladung mit Wasserstoff unter einem Druck von 5 bar oder mehr auf eine Temperatur von mindestens 650°C erwärmt, unter diesem Druck mit Wasserstoff be­ laden. Durch die Hydridbildungswärme heizt sich der Speicherbehälter sehr stark auf und überträgt seine Wärme an das Abgas bzw. direkt auf das Rußabbrennfilter, was dadurch gezündet wird. Bevorzugt wird in diesem ersten Speicherbehälter die Anwendung eines Druckes von etwa 5 bis 10 bar, da in diesem Falle der Behälter als solcher noch verhältnismäßig leicht gebaut werden kann. Ein geeignetes Metall, das in dem ersten Behälter verwendet werden kann, ist z.B. Titan in Pulverform, das sich bei der Beladung unter einem Wasserstoffdruck von 5 bis 10 bar auf Temperaturen von 750°C und mehr erwärmt. Die Temperatur, bei der z.B. Titanpulver mit Wasserstoff zu reagieren beginnt, liegt bei etwa 400°C und auf dieser Temperatur wird der Speicherbehälter durch die Auspuffgase gehalten.

Der für die Reaktion benötigte Wasserstoff wird einem zweiten Speicherbehälter entnommen, der ein hydridbil­ dendes Metall oder eine hydridbildende Legierung ent­ hält, die mit Wasserstoff beladen ist und die den Wasserstoff bei einer Temperatur von 250 bis 400°C unter einem Druck von mehr als 5 bar freisetzt. Dieser zweite Speicherbehälter wird durch die Auspuffgase auf diese Temperatur erwärmt. Läßt man nun den Wasser­ stoff aus dem zweiten Speicherbehälter in den ersten fließen, so erwärmt sich dieser wie gesagt auf Tem­ peraturen von mindestens 650°C und kann damit genü­ gend Wärme zum Zünden des Rußabbrennfilters erzeugen.

Nachdem die Zündung erfolgt ist, wird die Heizung des zweiten Behälters abgestellt und der zweite Behälter z.B. durch die Umgebungsluft oder den Fahrtwind abge­ kühlt. Mit sinkender Temperatur sinkt auch der Wasser­ stoffdruck im zweiten Behälter ab. Sobald der Wasser­ stoffdruck in dem ersten Behälter, der ja durch die Auspuffgase erwärmt wird (ca. 300 bis 400°C) größer ist als der Wasserstoffdruck in dem zweiten Behälter, wird der Wasserstoff aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter zurückgespeichert. Damit dieses mit ausrei­ chender Geschwindigkeit geschieht, sollte im zweiten Behälter ein Speichermaterial verwendet werden, das bei Raumtemperatur etwa einen Wasserstoffzersetzungs­ druck von etwa 1 bar oder weniger besitzt. Darüber­ hinaus sollte das Speichermaterial im zweiten Behälter bei Erwärmung durch die Auspuffgase zweckmäßigerweise keinen größeren Druck entwickeln als etwa 10 bar, um das Behältergewicht in Grenzen halten zu können. Ge­ eignete Legierungen, die diesen Ansprüchen genügen, sind z.B. TiNi oder Mg₂Ni.

Der zweite Behälter wird also so angeordnet, daß er einerseits von Auspuffgasen beheizt werden kann, anderer­ seits aber auch kühlbar ist. Der Zündvorgang kann dann ganz einfach durch Aufheizen des zweiten Behälters ein­ geleitet werden. Sobald der Zündvorgang beendet ist, wird einfach die Heizung des zweiten Behälters wieder abgestellt, der Behälter kühlt ab und der Wasserstoff wird in den zweiten Behälter zurückgedrückt. Da die Regenerierung, das heißt die Wiederbeladung des zweiten Behälters mit Wasserstoff unmittelbar an einen Zündvor­ gang für das Rußabbrennfilter anschließt, ist auch sicher­ gestellt, daß das Speichermaterial im zweiten Behälter sich auf einer Temperatur befindet, in der es spontan mit Wasserstoff reagiert. Im allgemeinen reagieren je­ doch die für den zweiten Speicher geeigneten Speicher­ materialien, die bei Temperaturen von 250 bis 400°C Wasserstoff unter einem Druck von 5 bis 10 bar frei­ setzen, bei Temperaturen weit unter dem Nullpunkt noch in ausreichender Geschwindigkeit mit Wasserstoff.

Das Verfahren arbeitet somit ohne Verbrauch an Primär­ energie, da die Abgaswärme, die sonst nutzlos entwei­ chen würde, zum Zünden des Rußabbrennfilters benutzt wird.

Die Bildungswärme von TiH₂ beträgt -120 kJ/mol H₂ und die Bildungswärme von TiNiH beträgt -40 kJ/mol H₂. Will man während 10 Minuten eine Leistung von 10 kW auf einem Temperaturniveau von oberhalb 700°C erzeugen, so muß der vor dem Rußabbrennfilter befindliche erste Speicher­ behälter 4 kg Titanpulver enthalten. Der zweite Speicher­ behälter, dem der Wasserstoff entnommen wird, ist mit 15 kg TiNiH gefüllt. Die für seine Aufheizung erforderliche Wärmemenge wird dem Abgas zweckmäßigerweise hinter dem Rußabbrennfilter entnommen. Um sicherzustellen, daß ein eingeleiteter Zündvorgang auch in jedem Falle zu Ende gebracht wird, ist die Menge an Titan im ersten Speicher­ behälter so bemessen, daß auch die zur Freisetzung des Wasserstoffes aus dem zweiten Speicherbehälter erforder­ liche Wärmemenge in dem ersten Speicher noch freigesetzt wird. Auch wenn der Fahrzeugmotor nach Einleitung des Zündvorganges plötzlich im Leerlauf betrieben wird, reicht die erzeugte Wärmemenge aus, um das Auspuffgas auf einem Temperaturniveau zu halten, der die sichere Freisetzung des Wasserstoffs aus dem zweiten Speicher­ behälter unter ausreichendem Druck ermöglicht. Ver­ wendet man im zweiten Speicherbehälter Mg₂NiH₄, das eine Bildungsenthalpie für das Hydrid von -70 kJ/mol H₂ besitzt, so benötigt man unter den gleichen Voraus­ setzungen 6 kg Titan im ersten und 6 kg Mg₂Ni im zweiten Speicherbehälter. Verzichtet man auf die Forderung, daß die bei der Beladung des ersten Speicherbehälters frei werdende Wärmemenge auch noch ausreichen muß, um den Wasserstoff aus dem zweiten Speicherbehälter völlig herauszudrücken, d.h. geht man davon aus, daß die Aus­ puffgase überwiegend auf einem ausreichenden Temperatur­ niveau zur Entladung des zweiten Speicherbehälters vorliegen, so kann noch einmal eine erhebliche Menge an Speichermaterial gespart werden.

Darüberhinaus kann daran gedacht werden, für die Rück­ ladephase einen Kompressor einzusetzen um damit die Hydridauswahl zu erweitern bzw. den Temperaturbereich zu vergrößern.

Claims (4)

1. Verfahren zum Zünden eines Rußabbrennfilters im Abgasstrang von Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Abgasstrang unmittelbar vor oder in wärme­ leitender Verbindung mit dem Rußabbrennfilter befind­ licher erster Speicherbehälter, der eine hydridbildende Legierung oder ein hydridbildendes Metall enthält, die bzw. das sich bei der Beladung mit Wasserstoff unter einem Druck von 5 bar oder mehr auf eine Temperatur von mindestens 650°C erwärmt, unter diesem Druck mit Wasserstoff be­ laden wird,
daß der Wasserstoff einem zweiten Speicherbehälter ent­ nommen wird, der ein hydridbildendes Metall oder eine hydridbildende Legierung enthält, das bzw. die bei einer Temperatur von 250 bis 400°C Wasserstoff unter einem Druck von mehr als 5 bar freisetzt und der durch die Auspuffgase auf diese Temperatur erwärmt wird,
daß nach dem Zünden des Rußabbrennfilters der zweite Speicherbehälter auf eine Temperatur gekühlt wird, bei der sich in ihm ein Wasserstoffdruck von 1 bar oder weniger einstellt und daß der Wasserstoff aus dem ersten Speicherbehälter, der durch die Auspuffgase erwärmt wird, in den zweiten Speicherbehälter zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten Speicherbehälter befindliche hydrid­ bildende Legierung oder das hydridbildende Metall in ihrer bzw. seiner Menge so bemessen wird, daß die bei der Beladung freigesetzte Wärmemenge zusätzlich die für die Freisetzung des Wasserstoffs erforderliche Energie liefert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als hydridbildendes Metall im ersten Speicherbe­ hälter Titan verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als hydridbildende Legierung im zweiten Speicher­ behälter TiNi oder Mg₂Ni verwendet wird.