DE4119156A1 - Cleaning vehicle exhaust emissions with improved energy efficiency - by gasifying particles in a porous or honeycomb structure using a hydrogen@ oxidn. burner, then reducing and oxidising in catalytic converters - Google Patents
Cleaning vehicle exhaust emissions with improved energy efficiency - by gasifying particles in a porous or honeycomb structure using a hydrogen@ oxidn. burner, then reducing and oxidising in catalytic convertersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Automobil-Abgasreinigungssystem vorzugsweise für Automobile mit Antrieb durch Dieselmotor, aber nicht beschränkt auf diese. Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to an automobile exhaust gas purification system preferably for automobiles powered by diesel engines, but not limited to this. It continues to affect one Device for performing this method.
Das technische Problem der Abgasreinigung von Automobilen mit Verbrennungsmotor ist unter dem Druck der öffentlichen Mei nung und entsprechender gesetzlicher Auflagen mit vielfäl tigen technischen Lösungen in Angriff genommen worden, wobei man sich beim Dieselmotor meist auf die mechanische Zurück haltung der Rußteilchen beschränkt und beim Otto-Motor auf die gasförmigen Schadstoffe, wie Kohlenmonoxid, Stickoxide und unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe. The technical problem of exhaust gas cleaning of automobiles with Internal combustion engine is under pressure from the public mei with various legal requirements technical solutions have been tackled, whereby one usually looks back at the mechanical engine Attitude of the soot particles limited and on the Otto engine the gaseous pollutants, such as carbon monoxide, nitrogen oxides and incompletely burned hydrocarbons.
Zur Rußfilterung sind entweder keramische Wabenkörper be kannt, deren Kanäle abwechselnd am Einlaß- und am Auslaßende verschlossen sind, so daß das Abgas gezwungen wird durch die dünne poröse Wabenwandung zu strömen, wo sich die Rußteilchen absetzen. Der prinzipiell recht hohe Strömungswiderstand kann hier nur über einen hohen Strömungsquerschnitt (große Außen abmessungen des Wabenkörpers und/oder große Filterfläche durch hohe Zahl der Waben pro Flächeneinheit) abgesenkt werden.For soot filtering either ceramic honeycomb bodies are knows whose channels alternately at the inlet and at the outlet end are closed, so that the exhaust gas is forced through the thin porous honeycomb wall to flow where the soot particles drop. The very high flow resistance in principle can here only over a high flow cross-section (large outside dimensions of the honeycomb body and / or large filter area high number of honeycombs per unit area) can be reduced.
Einen prinzipiell geringen Strömungswiderstand haben die sogenannten Keramik-Wickel-Filter, wo gelochte Stützrohre mit keramischen Fasern umwickelt sind und analog zu den oben erwähnten Wabenkörper auch quer zur Rohrachse vom Abgas durchströmt werden (Firmendruckschrift der Daimler Benz AG).They have a basically low flow resistance so-called ceramic winding filter, where perforated support tubes with ceramic fibers are wrapped and analogous to the above mentioned honeycomb body also transversely to the pipe axis of the exhaust gas flowed through (company brochure of Daimler Benz AG).
Beide Filtertypen setzen sich im Laufe der Betriebszeit mit Rußteilchen zu, der Abgasgegendruck und damit der Kraft stoffverbrauch steigen an. Sie müssen regeneriert werden, was durch Abbrennen erfolgt. Dazu wird entweder die Abgastem peratur durch Vollastbetrieb wesentlich erhöht oder ein Oxydationsmittel in Abhängigkeit vom Abgasgegendruck inter mittierend eingespritzt, das die Abbrenntemperatur wesentlich senkt. Auf jeden Fall erfordert das Abbrennen einen Energie- bzw. Stoffeinsatz, ohne nutzbare Energie zu liefern.Both types of filter become effective during the operating time Soot particles, the exhaust gas back pressure and thus the force fabric consumption increases. You need to be regenerated what done by burning. To do this, either the exhaust gas temperature significantly increased or decreased due to full load operation Oxidizing agent depending on the exhaust gas back pressure inter injected in the middle, which significantly reduces the burning temperature lowers. In any case, burning off requires an energy or use of material without delivering usable energy.
Das bisher als leistungsfähigstes Abgasreinigungssystem für Otto-Motoren eingesetzte ist der sogenannte Dreiwege- Katalysator, der eine Regelung des Luftverhältnisses Lambda ziemlich genau auf 1 erfordert (Krafttechnisches Taschen buch/Bosch, 20. Aufl., Düsseldorf 1987, S. 441-442). Dieser Katalysator wird durch Rußteilchen, die beim Otto-Motor ebenfalls auftreten, wenn auch gegenüber dem Dieselmotor in geringem Maße, verstopft und bei schwefelhaltigem Kraftstoff geradezu "vergiftet". Weiterhin verbietet dieses Abgas reinigungssystem den Betrieb mit etwa 10% Luftüberschuß, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch ein Minimum hat (a.a.O., S. 360).So far the most powerful exhaust gas purification system for Otto engines used is the so-called three-way Catalyst that regulates the air ratio lambda pretty much requires 1 (engineering pockets book / Bosch, 20th ed., Düsseldorf 1987, pp. 441-442). This Catalyst is caused by soot particles that are used in the Otto engine also occur, albeit in relation to the diesel engine small, clogged and with sulfurous fuel downright "poisoned". This also prohibits exhaust gas cleaning system operating with about 10% excess air where the specific fuel consumption has a minimum (loc. cit., P. 360).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, teilchen- und gasförmige Schadstoffe gleichermaßen mit einem verbesserten energetischen Gesamtwirkungsgrad aus Automobilabgasen zu entfernen bzw. in unschädliche Stoffe umzuwandeln.The invention is therefore based on the particle and gaseous pollutants alike with an improved overall energy efficiency from automotive exhaust remove or convert into harmless substances.
Diese Aufgabe wird durch das Automobil-Abgasreinigungsver fahren nach Anspruch 1 gelöst. Dabei hat sich überraschend gezeigt, daß eine praktisch vollständige Rußabscheidung an der Stirnseite und auch an den Wabenrandungen eines beid seitig offenen rotierenden Wabenkörpers erfolgt, wenn dieser nur eine bestimmte absolute Länge aufweist.This task is performed by the automobile exhaust gas cleaning company drive solved according to claim 1. It has been surprising shown that a practically complete soot separation the front and also on the honeycomb edges of both open-sided rotating honeycomb body takes place when this has only a certain absolute length.
Nach der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann man den benötigten Wasserstoff und Sauerstoff im Automobil elektro lytisch erzeugen oder einem auswechselbaren Speicher ent nehmen. Im Falle des Sauerstoffs kann dieser auch zum Fahrersitz geleitet werden, um die Konstitution des Fahrers zu stärken. Der Sauerstoff für die Wasserstoffoxydation kann aber auch in bekannter Weise der Umgebungsluft entnommen werden. After further developing the invention, you can required hydrogen and oxygen electro in the automobile generate ly or a removable memory ent to take. In the case of oxygen, this can also be used Driver's seat can be directed to the driver's constitution to strengthen. The oxygen for hydrogen oxidation can but also taken from the ambient air in a known manner will.
Zur Unterstützung der zwischen Reduktions- und Oxydations katalysator differenzierten Umsetzungsprozesse unter Aus nutzung des Massenwirkungsgesetzes kann zwischen beiden Katalysatoren zusätzlicher Sauerstoff eingeblasen werden.To support the between reduction and oxidation catalyst differentiated implementation processes under Aus Use of the law of mass effects can be between the two Additional oxygen catalysts are blown in.
Eine sehr bedeutsame Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Rückgewinnung der Wärmeenergie der Wasserstoffoxydation, die trotz endothermer Wassergaserzeugungsreaktion im rotie renden zylindrischen porösen oder Waben-Körper verbleibt, nachdem dieser aus dem Teilsektor des Wasserstoffoxydations brenners herausrotiert ist und zwar entweder rein thermisch zur Verbrennungsluft-Vorwärmung oder thermisch-mechanisch zum Antrieb eines Abgasturboladers.A very important embodiment of the invention consists in recovery of the thermal energy of hydrogen oxidation, which despite the endothermic water gas generation reaction in the rotie remains cylindrical porous or honeycomb body, after this from the sub-sector of hydrogen oxidation rotated out of the burner, either purely thermally for preheating combustion air or thermo-mechanical for Driving an exhaust gas turbocharger.
Eine vorrichtungsmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, den rotierenden zylindrischen porösen oder Waben- Körper mit Katalysatoren zu bestücken, um die Wassergaser zeugungsreaktion bei niedrigeren Temperaturen und damit letztendlich mit relativ geringeren Mengen an im Automobil gespeicherten oder erzeugten Wasserstoff betreiben zu können.A device-like embodiment of the invention exists in rotating cylindrical porous or honeycomb Body to be equipped with catalysts to the water gas generation reaction at lower temperatures and thus ultimately with relatively smaller amounts of in the automobile to operate stored or generated hydrogen.
Wenn man hochgradige Rußabscheidung bei einer geringen Bau länge in Achsrichtung erreichen will, leitet man das Abgas auf einen wegen des erforderlichen geringen Strömungswider stands dünnen porösen Teil des rotierenden zylindrischen Körpers, der ein- oder beidseitig durch einen dickeren (in Achsrichtung "längeren") Wabenteil mechanisch gestützt wird. If you have high-grade soot separation with a small build length in the axial direction, the exhaust gas is directed to one because of the low flow resistance required stood thin porous part of the rotating cylindrical Body that is covered on one or both sides by a thicker (in Axial direction "longer") honeycomb part is mechanically supported.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß bei einem Gesamtkonzept zur vollständigen Beseitigung bzw. Umsetzung der in Automobilabgasen je nach Motortyp in unterschiedlichem Maße vorkommenden teilchenförmigen und gasförmigen Schadstoffe zumindest die Reaktion zur Beseiti gung der ersteren energetisch über die Gasvorrichtung aus genutzt wird. Dabei wird nicht verkannt, daß zumindest die Erzeugung des benötigten Wasserstoffs Energie an anderer Stelle erfordert. Sie kann aber unter Nutzung von Metall hydridspeichern zentral aus relativ gegenüber den Spitzen lastkraftwerken vergrößerten Grundlastkraftwerken außerhalb der Spitzenlastzeiten in der Gesamtenergie- und -schadstoff bilanz günstiger entnommen werden als bei dezentraler Wasserstofferzeugung.The advantages achievable with the invention are that with an overall concept for complete elimination or implementation of the in automotive exhaust gases depending on the engine type of varying degrees of particulate and gaseous pollutants at least the reaction to elimination energetic of the former from the gas device is being used. It is not ignored that at least the Generation of the required hydrogen energy on others Job requires. But you can use metal hydride storage centrally relative to the peaks load power plants enlarged base load power plants outside the peak load times in total energy and pollutant balance can be drawn more favorably than with decentralized Hydrogen production.
Letztere kann elektrolytisch außerhalb der "Spitzenlast zeiten" aus der Lichtmaschine des Automobils erfolgen. Dies kann Vorteile bei modernen Dieselmotoren ohne Luft- und Wasserkühlung haben. Die Stromwärme der Elektrolyse kann direkt zum Beheizen des Automobilinneren genutzt werden, wofür ja kein Motorkühlmedium zur Verfügung steht.The latter can electrolytically outside the "peak load times "from the alternator of the automobile. This can be advantages in modern diesel engines without air and Have water cooling. The heat of electricity from electrolysis can can be used directly to heat the interior of the car, for which no engine coolant is available.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der bei gefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is based on the attached drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 Gesamtanordnung der erfindungswesentlichen Baugruppen in einem Automobil; Fig. 1 overall arrangement of the components essential to the invention in an automobile;
Fig. 2 rotierender zylindrischer Wabenkörper im Längsschnitt; Fig. 2 rotating cylindrical honeycomb body in longitudinal section;
Fig. 3 rotierender zylindrischer Wabenkörper im Querschnitt; Fig. 3 rotating cylindrical honeycomb body in cross section;
Fig. 4 verfahrenstechnisches Schema des erfindungsgemäßen Abgasreinigungsverfahrens. Fig. 4 procedural scheme of the exhaust gas purification method according to the invention.
In Fig. 1 ist im wesentlichen die räumliche Anordnung der Funktionselemente des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Variante der elektrolytischen Wasserstoff- und Sauerstoff erzeugung im Gesamtzusammenhang des Automobils dargestellt. In einem Elektrolyseur 1 wird Wasser mittels Strom der Lichtmaschine in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff strömt in der unteren Leitung zum Puffer-Metall hydridspeicher 2, wo über räumlich und/oder temperaturmäßig gesteuerte elektrische Heizelemente das Gleichgewicht zwischen dargebotenen zuströmenden und benötigten abströmen den Wasserstoff eingestellt wird.In Fig. 1, the spatial arrangement of the functional elements of the method according to the invention is shown in the variant of the electrolytic hydrogen and oxygen generation in the overall context of the automobile. In an electrolyzer 1 , water is broken down into hydrogen and oxygen by means of an alternator current. The hydrogen flows in the lower line to the buffer metal hydride storage 2 , where, via spatially and / or temperature-controlled electrical heating elements, the equilibrium between the inflowing and the outflowing flow required is set to the hydrogen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung entfällt der Hydrolyseur 1, der Hydridspeicher 2 ist eine leicht austausch bare, in zentralen Stationen mittels Nachtstrom mit Wasser stoff beladene Patrone und an Stelle des oberen, nachstehend beschriebenen Sauerstoffstranges wird Umgebungsluft ange saugt. Die nicht dargestellte elektrischen Heizkanäle haben dann ausschließlich die Wasserstoffabgabe aus dem Hydrid speicher zu steuern.In another embodiment of the invention, the hydrolyser 1 is omitted, the hydride reservoir 2 is an easily exchangeable cartridge loaded with hydrogen in central stations by means of night-time electricity and, instead of the upper oxygen strand described below, ambient air is sucked in. The electrical heating channels, not shown, then only have to control the hydrogen output from the hydride storage.
Der Wasserstoff erreicht dann, im vorliegenden Beispiel zusammen mit Sauerstoff im oberen Leitungsstrang, von ein Teil für eine Ermüdungserscheinungen des Fahrers vorbeugende Luftdusche 3 abgezweigt wird, den Rußabscheider und -vergaser 4, der im Zusammenhang der Fig. 2 bis 4 als Kernstück der Erfindung noch näher erläutert werden wird. Es folgen der Reduktionskatalysator S und nach einer Sauerstoff- oder Lufteinspeisung der Oxydationskatalysator 6, so daß im Auspuffrohr 7 weit überwiegend die unschädlichen Gase Stick stoff und Wasserdampf sowie das bei der Energiegewinnung aus flüssigen Kohlenwasserstoffen im Verbrennungsmotor unver meidliche Kohlendioxid anfallen.The hydrogen then reaches, in the present example together with oxygen in the upper wiring harness, from a part of the air shower 3 which prevents fatigue of the driver, the soot separator and carburetor 4 , which in connection with FIGS . 2 to 4 is still the core of the invention will be explained in more detail. This is followed by the reduction catalyst S and after an oxygen or air feed, the oxidation catalyst 6 , so that the harmless gases nitrogen and water vapor as well as the inevitable carbon dioxide in the generation of energy from liquid hydrocarbons in the internal combustion engine occur in the exhaust pipe 7 .
Mit 8 ist der unabhäng von der Art der Wasserstoffbereit stellung in allen modernen Automobilen vorhandene, tempera turabhängig einschaltbare Elektrolüfter bezeichnet. 9 ist der Wärmetauscher für die durch die Stromwärme aufgeheizte Elektrolyselösung und hat vor allem bei solchen Automobilen Bedeutung für die Innenraumheizung, die nach dem modernen Dieselmotorenkonzept ohne äußeres Kühlmittel betrieben werden.The number 8 indicates the electric fan that can be switched on depending on the temperature in all modern automobiles and is independent of the type of hydrogen supply. 9 is the heat exchanger for the electrolysis solution heated up by the heat of electricity and is particularly important for interior automobiles which are operated according to the modern diesel engine concept without external coolant.
Anhand der Fig. 2 bis 4 werden nun Einzelheiten des Ver fahrens mit dem rotierenden zylindrischen Wabenkörper als Rußabscheider und -vergaser erläutert. In einem Gehäuse 10 mit äußerer Wärmeisolierung 11 rotiert angetrieben über eine biegsame Welle und einen Schneckentrieb 12 ein zylindrischer Wabenkörper 13 mit etwa 0,5 Umdrehungen pro Minute. Der Wabenkörper hat durchgehende (nur auf einen Teil des Quer schnitts angedeutete) quadratische Waben 14 von 1,2 mm Seitenlänge und insgesamt 80% freien Querschnitt. Die im wesentlichen gleich ausgebildeten Gasführungsstutzen 15 und 16 sind wie in Fig. 3 angedeutet schräg unterteilt und haben unterschiedliche Funktionen: Im linken etwa 200 Winkelgrad umfassenden Sektor, in dem auch die angedeuteten Waben 14 liegen, strömt das Abgas durch und scheidet dort an den relativ kalten Flächen stirnseitig und an den Wabenwandungen sämtlichen Ruß ab. Auch wird dem Abgas hier Wärme entzogen und im rotierenden Wabenkörper gespeichert. Im rotationsmäßig letzten Teil 17 des Sektors liegt der Wasserstoffoxydations brenner 18, der den Wabenkörper 13 weiter aufheizt und in einer Wassergas-Bildungsreaktion den abgeschiedenen Ruß vergast.Referring to Figs. 2 to 4 of the driving Ver be explained with the rotating cylindrical honeycomb body as a soot trap and gasifier now details. In a housing 10 with external thermal insulation 11 , a cylindrical honeycomb body 13 rotates, driven by a flexible shaft and a worm gear 12, at approximately 0.5 revolutions per minute. The honeycomb body has continuous (only indicated on a part of the cross section) square honeycomb 14 of 1.2 mm side length and a total of 80% free cross section. The gas guide stubs 15 and 16, which are of essentially the same design, are diagonally subdivided as indicated in FIG. 3 and have different functions: in the left-hand sector comprising approximately 200 degrees of angle, in which the indicated honeycombs 14 also lie, the exhaust gas flows through and separates there from the relative cold surfaces on the front and all soot from the honeycomb walls. Heat is also extracted from the exhaust gas and stored in the rotating honeycomb body. In the last part 17 of the sector in terms of rotation, there is the hydrogen oxidation burner 18 , which further heats the honeycomb body 13 and gasifies the deposited soot in a water gas formation reaction.
Im rechten, sich wiederum rotationsmäßig anschließenden Sektor 19 erfolgt der Wärmeaustausch mit der angesaugten Verbrennungsluft, die bis auf 500°C vorgewärmt wird und so auch die Wasserstoffzugabe und den bis dahin unverbrauchten Ruß energetisch ausnutzt.In the right-hand sector 19 , which in turn is connected in terms of rotation, the heat is exchanged with the intake combustion air, which is preheated to 500 ° C. and thus also uses the hydrogen addition and the so far unused soot energetically.
Einen zwar geringeren Wärmeaustausch, aber einen schonenderen Betrieb des Wabenkörpers 13 erreicht man, wenn man diesen zunächst nicht als Katalysator, sondern als Rußabscheider, -transporteur und -vergaser wirkenden Wabenkörper 13 mit Unedelmetall-Katalysatoren, wie Kobaltoxiden, Eisenoxiden bzw. Verbindungen der VIII. Nebengruppe beschichtet, wobei auf einem etwa 200°C niedrigerem Temperaturniveau eine ebenso vollkommene Ruß-Vergasung erfolgt.A Although lower heat exchange, but a more careful operation of the honeycomb body 13 is achieved when these not initially as a catalyst but as a soot trap, transporter and gasifier acting honeycomb body 13 with base metal catalysts such as cobalt oxides, iron oxides or compounds of the VIII. Coated sub-group, with an equally perfect soot gasification taking place at an approximately 200 ° C lower temperature level.
Ein nach innen gerichteter Gehäusevorsprung 21 wirkt als Labyrinth-Dichtung und trägt ein Drahtkugellager 20, das bei der Betriebsweise ohne Katalysator und demzufolge Wabenkörper temperaturen um 600° zweckmäßigerweise ebenfalls aus Keramik gefertigt ist.An inwardly directed housing projection 21 acts as a labyrinth seal and carries a wire ball bearing 20 , which in the operating mode without catalyst and consequently honeycomb body temperatures around 600 ° is also advantageously made of ceramic.
Die Anordnung des Wasserstoffoxydationsbrenners 18 im unteren Gehäuseteil ist darum besonders zweckmäßig, weil eventuelle Flammen stets nach oben gerichtet sind. The arrangement of the hydrogen oxidation burner 18 in the lower housing part is particularly expedient because any flames are always directed upwards.
Die Bezugszeichen der Fig. 4 entsprechend Fig. 1 und das Schema erläutert nochmals den Stoffkreislauf, wobei auch eine partielle Abgasrückführung sowohl über den Wärmetauscher als auch um diesen herum möglich ist, was den Aufbau eines aus reichenden Ladedruckes unterstützt und zwar im ersteren Fall durch die Druckerhöhung infolge Aufheizung und im letzteren durch fehlenden Druckabfall infolge fehlender Strömungswider stände.The reference numerals of FIG. 4 corresponding to FIG. 1 and the diagram again explains the material cycle, partial exhaust gas recirculation being possible both via the heat exchanger and around it, which supports the build-up of a sufficient boost pressure, in the former case by the Pressure increase due to heating and in the latter due to a lack of pressure drop due to a lack of flow resistance.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19520604A1 (en) * | 1995-06-06 | 1996-08-01 | Daimler Benz Ag | Exhaust-gas cleaning system with additional burner for diesel engine |
DE19845381C1 (en) * | 1998-10-02 | 1999-12-16 | Swu Ges Fuer Umwelttechnik Mbh | Purifying apparatus for exhaust gas of an internal combustion engine |
-
1991
- 1991-06-11 DE DE4119156A patent/DE4119156A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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Legal Events
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