DE3538148C3

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Description

Beschreibung

Zur Begrenzung der Partikelemission bei Dieselmotoren, deren Höchstgrenzen bereits in einigen Ländern gesetzlich vorgeschrieben we: den, wird das Dieselmotorabgas über Filter geleitet, die den größten Teil der Rußpartikel zurückhalten. Solche Filter bestehen aus aluminhimoxydbeschichteten 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 stattfindet Es ist bekannt, daß für diesen Abbrennvorgang sowohl Temperaturen oberhalb von 600° C als auch genügend Sauerstoff zum Unterhalt der Verbrennung vorhanden sein müssen.

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 Rußabbrennfilters oder durch Aufsprühen einer die Entzündung 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, Retarder oder Fahrzeugbremse) oder durch direkte Erwärmung der Auspuffgase mittels eines Brenners im Auspuffstrang oder durch elektrische Aufheizung entweder des Abgases (DE-OS 27 56 570) oder unmittelbar des Filters (DE-OS 31 39 565).

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

Ausgehend vom Stand der Technik gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 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 im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Die Erfindung nutzt also den hohen Wärmeinhalt der Abgase bei einem relativ niedrigen Temperaturniveau aus, um diese Wärme mittels eines "Wärmetransformators" auf ein für die Entzündung des Rußabbrennfilters erforderliches Temperaturniveau zu bringen. Zur Erzeugung der hohen Temperatur wird ein im Abgasstrang unmittelbar vor dem Rußabbrennfilter angeordneter oder in wärmeleitender 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 650⁰C erwärmt, unter diesem Druck mit Wasserstoff beladen. Durch die Hydridbilduneswärme heizt sich der SDeicherbehälter 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 /50°C und mehr erwärmt Die Temperatur, bei der z.B. Titanpulver mit Wasserstoff zu reagieren beginnt, liegt bei etwa 400⁰C und auf dieser Temperatur wird der Speicherbehälter durch die Auspuffgase gehalten.

Der für die Reaktion benötigte Wasserstoff wird einem zweiten Speicherbehälter entnommen, der ein hydridbildendes Metall oder eine hydridbildende Legierung enthält, 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 Wasserstoff aus dem zweiten Speicherbehälter in den ersten fließen, so erwärmt sich dieser wie gesagt auf Temperaturen von mindestens 65O⁰C und kann damit genügend 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 abgekühlt Mit sinkender Temperatur sinkt auch der Wasserstoffdruck im zweiten Behälter ab. Sobald der Wasserstoffdruck in dem ersten Behälter, der ja durch die Auspuffgase erwärmt wird (ca. 300 bis 400⁰C) größer ist als der Wasserstoffdruck in dem zweiten Behälter, wird der Wasserstoff aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter zurückgespeichert. Damit dieses mit ausreichender Geschwindigkeit geschieht, sollte im zweiten Behälter ein Speichermaterial verwendet werden, das bei Raumtemperatur etwa einen Wasserstoffzersetzungsdruck 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. Geeignete 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, andererseits aber auch kühlbar ist. Der Zündvorgang kann dann ganz einfach durch Aufheizen des zweiten Behälters eingeleitet 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 Zündvorgang für das Rußabbrennfilter anschließt, ist auch sichergestellt, daß das Speichermaterial im zweiten Behälter sich auf einer Temperatur befindet, in der es spontan mit Wasserstoff reagiert. Im allgemeinen reagieren jedoch die für den zweiten Speicher geeigneten Speichermaterialien, die bei Temperaturen von 250 bis 400⁰C Wasserstoff unter einem Druck von 5 bis 10 bar freisetzen, bei Temperaturen weit unter dem Nullpunkt noch in ausreichender Geschwindigkeit mit Wasserstoff.

Das Verfahren arbeitet somit ohne Verbrauch an Primärenergie, da die Abgaswärme, die sonst nutzlos entweichen würde, zum Zünden des Rußabbrennfilters be-

nutzt wird.

Die Bildungswärme von T1H2 beträgt H2 und die Bildungswärme von TiNiH beträgt -40 kj/ moi 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 Speicherbehälter 4 kg Titanpulver enthalten. Der zweite Speicherbehälter, 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 Speicherbehälter so bemessen, daß auch die zur Freisetzung des Wasserstoffes aus dem zweiten Speicherbehälter erforderliche Wärmemenge in dem ersien 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, das die sichere Freisetzung des Wasserstoffs aus dem zweiten Speicherbehälter unter ausreichendem Druck ermöglicht. Verwendet man im zweiten Speicherbehälter Mg2NiH4, das eine Bildungsenthalpie für das Hydrid von - 70 kj/mol H2 besitzt, so benötigt man unter den gleichen Voraussetzungen 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 freiwerdende Wärmemenge auch noch ausreichen muß, um den Wasserstoff aus dem zweiten Speicherbehälter völlig herauszudrücken, d.h. geht man davon aus, daß die Auspuffgase überwiegend auf einem ausreichenden Temperaturniveau zur Entladung des zweiten Speicherbehälters vorliegen, so kann noch einmal eine erhebliche Menge an Speichermaterial gespart werden.

Darüber hinaus kann daran gedacht werden, für die Rückladephase einen Kompressor einzusetzen um damit die Hydridauswahl zu erweitern bzw. den Temperaturbereich zu vergrößern.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Zünden eines Rußabbrennfilters im Abgasstrang von Dieselmotoren mittels Wärmezufuhr an das Abgas unmittelbar vor dem Rußabbrennfilter oder unmittelbar an das Rußabbrennfilter, dadurch gekennzeichnet,
daß ein im Abgasstrang unmittelbar vor oder in wärmeleitender Verbindung mit dem Rußabbrennfilter befindlicher 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 65O⁰C erwärmt, unter diesem Druck mit Wasserstoff beladen wird,
daß der Wasserstoff einem zweiten Speicherbehältall oder eine hydridbildende Legierung enthält, das bzw. die bei einer Temperatur von 250 bis 400⁰C Wasserstoff unter einem Druck von mehr als 5 bar freisetzt und der durch das Abgas 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, wodurch der Wasserstoff aus dem ersten Speicherbehälter, der durch das Abgas temperiert wird, in den zweiten Speicherbehälter zurückgeführt wird.

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

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

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