DE4201018A1 - Exhaust gas treatment for IC engine - metering hydrogen@ and oxygen@ into exhaust duct to ignite and raise temp. to process exhaust products - Google Patents
Exhaust gas treatment for IC engine - metering hydrogen@ and oxygen@ into exhaust duct to ignite and raise temp. to process exhaust productsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.The invention relates to a method for the aftertreatment of Exhaust gas from an internal combustion engine according to the preamble of Pa claim 1.
Da es bei bekannten Otto- oder Dieselmotoren bisher nicht mög lich ist, das aufbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch vollständig zu verbrennen, sind in den Abgasen verschiedene Schadstoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickoxide oder Rußpartikel enthalten. Die Nachbehandlung der Abgase mittels Katalysatoren oder Rußfiltern kann zwar den Schadstoffgehalt im Abgas verringern, gleichzeitig wird dadurch aber der Kraftstoffverbrauch erhöht. Außerdem arbeiten sowohl der Katalysator als auch der Rußfilter erst bei höheren Tempe raturen zufriedenstellend, wodurch beim Kaltstart und während der Warmlaufphase dennoch größere Schadstoffmengen an die Um welt abgegeben werden.Since it has not been possible with known gasoline or diesel engines Lich, the processed fuel-air mixture is complete to burn, there are various pollutants in the exhaust gases, for example hydrocarbons, carbon monoxide, carbon dioxide, Contain nitrogen oxides or soot particles. The aftercare of the Exhaust gases using catalysts or soot filters can indeed Reduce pollutant content in the exhaust gas, at the same time but fuel consumption increases. They also work both the catalyst and the soot filter only at higher temperatures satisfactory, which means that during cold starts and during the warm-up phase, however, larger quantities of pollutants to the um world.
Aus der DE-OS 38 35 939 ist eine Abgasanlage bekannt, bei der ein Katalysator vor dem Start der Brennkraftmaschine durch eine Heizeinrichtung vorgewärmt und ab einer vorgegebenen Temperatur zusätzlich Kraftstoff in die Abgasleitung eingespritzt wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß der durch den einge bauten Katalysator erhöhte Kraftstoffverbrauch durch das Ein bringen des Kraftstoffs in die Abgasleitung noch weiter erhöht wird. From DE-OS 38 35 939 an exhaust system is known in which a catalytic converter before the engine starts by a Heating device preheated and from a predetermined temperature additional fuel is injected into the exhaust pipe. This method has the disadvantage that the one by the built catalyst increased fuel consumption by the one bring the fuel into the exhaust pipe increased even further becomes.
Aus der US 36 57 892 ist ein Verfahren, bei dem im Abgas ent haltenes Wasser mittels eines Kohlenstoffsubstrats zu Wasser stoffgas und Kohlenmonoxid dissoziiert wird, bekannt. Durch die anschließende Oxidation des Wasserstoffs im Rußfilter wird die zum Abbrennen der abgelagerten Rußpartikel notwendige Tempera tur erzeugt. Nachteilig ist hierbei, daß erst nach dem Start der Brennkraftmaschine Wasserstoff erzeugt und somit die Tem peraturerhöhung erst nach einer Anlaufzeit erfolgt. Außerdem kann so nur eine geringe Wasserstoffmenge erzeugt werden.From US 36 57 892 is a method in which ent in the exhaust gas hold water to water using a carbon substrate material gas and carbon monoxide is dissociated, known. Through the Subsequent oxidation of the hydrogen in the soot filter tempera necessary to burn off the deposited soot particles generated. The disadvantage here is that only after the start the internal combustion engine generates hydrogen and thus the tem temperature increase only after a start-up time. Furthermore only a small amount of hydrogen can be generated.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die beschriebenen Nachteile zu beseitigen, das heißt ein Verfahren zu schaffen, mit dem die im Abgas enthaltenen Schadstoffe verringert werden können, ohne dabei den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.The object of the invention is now that described To eliminate disadvantages, i.e. to create a procedure with which the pollutants contained in the exhaust gas are reduced can without increasing fuel consumption.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Haupt anspruchs gelöst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.The object is achieved by the features of the main demanding solved. Other advantages and configurations go from the subclaims and the description.
Bei Verwendung einer Abgasnachverbrennung ist ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit hohem Luftüberschuß möglich, wodurch der Anteil der Stickoxide im Abgas deutlich verringert wird. Daher kann bei Unterschreiten der Stickoxidgrenzwerte auf den Einsatz eines zusätzlichen Katalysators verzichtet werden. Genauso kann bei Dieselmotoren durch die Verbrennung der Rußpartikel im Wasserstoffbrenner auf den Einsatz eines Rußfilters verzichtet werden. In beiden Fällen wird eine zusätzliche Drosselung der Abgase vermieden, was zu einer Verminderung des Kraftstoffver brauchs führt. Im Gegensatz zur Verwendung von Kraftstoff als Zusatzbrennstoff für die Abgasnachverbrennung werden bei der Verbrennung von Wasserstoff aber keine zusätzlichen Schadstoffe produziert. When using an exhaust gas afterburning operation is the Internal combustion engine with high excess air possible, which the The proportion of nitrogen oxides in the exhaust gas is significantly reduced. Therefore can be used if the nitrogen oxide limits are not met an additional catalyst can be dispensed with. Just as can in diesel engines by burning the soot particles in the Hydrogen burners do not use a soot filter will. In both cases, additional throttling of the Exhaust gases avoided, which leads to a reduction in fuel consumption needs leads. Contrary to using fuel as Additional fuel for the exhaust gas afterburning are at Combustion of hydrogen but no additional pollutants produced.
Durch die Zugabe von Sauerstoff aus der Elektrolyse oder aus der Umgebungsluft kann das Abgas gekühlt und somit die Abgas temperatur auf einfache Art und Weise geregelt werden. Dies ist vor allem wichtig, um zusätzliche Abgasnachbehandlungsele mente, die zur weiteren Verbesserung der Abgasqualität in der Abgasleitung angeordnet sind, vor Überhitzung zu schützen.By adding oxygen from electrolysis or from the ambient air can cool the exhaust gas and thus the exhaust gas temperature can be regulated in a simple manner. This is especially important to additional exhaust aftertreatment elements that further improve the exhaust gas quality in the Exhaust pipe are arranged to protect against overheating.
Außerdem kann dadurch, daß schon vor dem Start der Brennkraft maschine die Verbrennung des Wasserstoffs in der Abgasleitung gezündet wird, bereits das beim Start anfallende Abgas effektiv nachverbrannt werden. Dadurch kann ein Ausstoß von erhöhten Schadstoffmengen während des Kaltstarts oder während der Warm laufphase verhindert werden.In addition, even before the start of the internal combustion machine the combustion of hydrogen in the exhaust pipe is ignited, the exhaust gas generated at the start is effective be burned. This can increase emissions Quantities of pollutants during cold start or during warm running phase can be prevented.
Die Gewinnung des Wasserstoffs mittels Elektrolyse aus Wasser bietet den Vorteil, daß anstelle eines Wasserstoffspeichers nur ein einfach zu handhabender Wassertank benötigt wird.The production of hydrogen from water by means of electrolysis has the advantage that instead of a hydrogen storage only an easy-to-use water tank is required.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigt im einzelnenIn the following the invention with reference to the drawing he purifies. It shows in detail
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for performing the method according to the invention and
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 is a schematic representation of another device for performing the method according to the invention.
Fig. 1 zeigt die Abgasanlage eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs. Das von einer Brennkraftmaschine 1 erzeugte Abgas wird durch eine Abgasleitung 2 an die Umgebung abgegeben. Zur Nachbehandlung der Abgase wird über eine erste Leitung 3 und eine erste Düse 4 Wasserstoff in die Abgasleitung 2 ein gebracht. Außerdem wird der Abgasleitung 2 über eine zweite Leitung 5 und eine oder mehrere Düsen 6 Sauerstoff, beziehungsweise Luft zugeführt. Zur besseren Vermischung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff, der Luft, beziehungsweise dem Abgas, ist außerdem ein Drallblech 7 vorgesehen. Stromab der beiden Düsen 4 und 6 ist eine Zündeinrichtung 8, die durch eine Hochspannungsquelle 9 mit der notwendigen Zündspannung versorgt wird, angeordnet. Die beiden Düsen 4 und 6 bilden gemeinsam mit der Zündeinrichtung 8 einen Wasserstoffbrenner 10. Der benö tigte Wasserstoff und Sauerstoff wird in einer Elektrolysezelle 11, die von einem Speicherbehälter 12 über eine Zuleitung 13 mit Wasser versorgt wird, gebildet. Die Betriebsspannung für die Elektrolysezelle 11 wird über die Zuleitung 14 von einem Steuergerät 15, welches wiederum über eine Zuleitung 16 mit der Spannungsversorgung des Kraftfahrzeugs verbunden ist, bereit gestellt. Vom Steuergerät 15 sind über Steuerleitungen 17, 18 zwei Ventile 19, 20 ansteuerbar, mit denen die zum Wasser stoffbrenner 10 zugeführte Menge an Wasserstoff, beziehungs weise Sauerstoff kontrolliert werden kann. Außerdem kann die zugeführte Sauerstoffmenge zusätzlich durch eine Luftpumpe 21, die über eine weitere Steuerleitung 22 vom Steuergerät 15 an gesteuert wird, erhöht werden. Fig. 1 shows the exhaust system of a motor vehicle, not shown. The exhaust gas generated by an internal combustion engine 1 is emitted to the environment through an exhaust pipe 2 . For aftertreatment of the exhaust gases, hydrogen is introduced into the exhaust line 2 via a first line 3 and a first nozzle 4 . In addition, the exhaust gas line 2 is supplied with oxygen or air via a second line 5 and one or more nozzles 6 . A swirl plate 7 is also provided for better mixing of the hydrogen with the oxygen, the air or the exhaust gas. An ignition device 8 , which is supplied with the necessary ignition voltage by a high-voltage source 9 , is arranged downstream of the two nozzles 4 and 6 . Together with the ignition device 8, the two nozzles 4 and 6 form a hydrogen burner 10 . The required hydrogen and oxygen is formed in an electrolysis cell 11 , which is supplied with water from a storage container 12 via a feed line 13 . The operating voltage for the electrolysis cell 11 is provided via the supply line 14 by a control device 15 , which in turn is connected to the voltage supply of the motor vehicle via a supply line 16 . From the control device 15 , two valves 19 , 20 can be controlled via control lines 17 , 18 , with which the amount of hydrogen or oxygen supplied to the hydrogen burner 10 can be controlled. In addition, the amount of oxygen supplied can additionally be increased by an air pump 21 , which is controlled by the control unit 15 via a further control line 22 .
Das Steuergerät 15 wird über verschiedene Sensoren über alle notwendigen Betriebsparameter informiert. Über einen Tempera tursensor 23 und einen Drucksensor 24 stromauf des Wasser stoffbrenners 10 wird der anfallende Abgasmassenstrom ermit telt. Durch einen weiteren Temperatursensor 25 stromab des Wasserstoffbrenners 10 kann zusätzlich die Temperatur des nachverbrannten Abgases bestimmt werden. Außerdem erhält das Steuergerät 15 über einen Sensor 26 Informationen über den Wasserstand im Speicherbehälter 12. Über die Leitung 27 wird schließlich nach erfolgreicher Inbetriebnahme des Wasserstoff brenners 10 ein Signal zur Freigabe des Startvorganges über mittelt. The control unit 15 is informed about all necessary operating parameters via various sensors. Via a tempera ture sensor 23 and a pressure sensor 24 upstream of the hydrogen burner 10 , the resulting exhaust gas mass flow is determined. The temperature of the afterburned exhaust gas can also be determined by a further temperature sensor 25 downstream of the hydrogen burner 10 . In addition, the control unit 15 receives information about the water level in the storage container 12 via a sensor 26 . After successful startup of the hydrogen burner 10, a signal for releasing the starting process is finally transmitted via line 27 .
Durch das Starten des Wasserstoffbrenners 10 vor dem Start der Brennkraftmaschine 1 wird erreicht, daß das anfallende Abgas bereits direkt nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 durch den brennenden Wasserstoff geleitet und dadurch nachverbrannt werden kann. Durch die Nachverbrennung ist anderseits wiederum möglich, die Brennkraftmaschine 1 mit einem höheren Luftüber schuß zu betreiben. Dies kann dazu führen, daß die Menge der Stickoxide im Abgas unter die gesetzlichen Grenzwerte sinkt. In diesem Fall kann auf den Einsatz eines zusätzlichen Kataly sators verzichtet werden. Außerdem kann wegen der direkten Nachverbrennung der Abgase bei einem Dieselmotor auf den Ruß abbrennfilter verzichtet werden. Da Abgassysteme ohne Kataly sator, beziehungsweise Rußabbrennfilter, einen geringeren Ab gasgegendruck aufweisen, kann auf diese Weise der Kraftstoff verbrauch der Brennkraftmaschine 1 ebenfalls verringert werden.By starting the hydrogen burner 10 before the start of the internal combustion engine 1 it is achieved that the resulting exhaust gas can be passed through the burning hydrogen immediately after the start of the internal combustion engine 1 and can thereby be combusted. On the other hand, the afterburning makes it possible to operate the internal combustion engine 1 with a higher excess air. This can lead to the amount of nitrogen oxides in the exhaust gas falling below the legal limit values. In this case, the use of an additional catalyst can be dispensed with. In addition, the soot burn-off filter can be dispensed with because of the direct afterburning of the exhaust gases in a diesel engine. Since exhaust systems without catalytic converter, or soot combustion filter, have a lower gas back pressure, the fuel consumption of the internal combustion engine 1 can also be reduced in this way.
Die Menge des in der Elektrolysezelle 11 erzeugten Wasserstoffs kann durch das Steuergerät 15 mittels einer Änderung der zuge führten elektrischen Ladung, beispielsweise in Abhängigkeit vom Abgasmassenstrom, auf einfache Art und Weise variiert werden. Außerdem kann die Zufuhr von Wasserstoff oder Sauerstoff zur Abgasleitung 2 durch die Ventile 19, 20 kontrolliert werden. So kann die Zufuhr beispielsweise bei auftretenden Problemen schnell unterbrochen werden. Vorteilhafterweise ist dabei die Sauerstoffdüse 6 stromauf der Wasserstoffdüse 4 angeordnet, so daß Wasserstoff, der eventuell nach dem Abschalten des Wasser stoffbrenners 10 in der Abgasleitung 2 verbleiben könnte, durch einen erhöhten Luftzusatz durch die Pumpe 21 aus der Abgaslei tung 2 ausgeblasen werden kann.The amount of hydrogen generated in the electrolysis cell 11 can be varied in a simple manner by the control unit 15 by changing the electrical charge supplied, for example as a function of the exhaust gas mass flow. In addition, the supply of hydrogen or oxygen to the exhaust pipe 2 can be controlled by the valves 19 , 20 . For example, the supply can be interrupted quickly if problems arise. Advantageously, the oxygen nozzle is arranged 6 upstream of the Wasserstoffdüse 4 so that hydrogen, which could possibly remain in the exhaust line 2 fuel burner 10 after switching off the water, tung by an increased addition of air by the pump 21 from the Abgaslei 2 may be blown out.
Fig. 2 zeigt ein gegenüber Fig. 1 leicht verändertes zweites Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an exhaust system that has been slightly modified compared to FIG. 1, the same parts being identified by the same reference numbers.
Abweichend von Fig. 1 ist in der Abgasleitung 2 stromab des Wasserstoffbrenners 10 ein weiteres Abgasnachbehandlungselement 28 angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Katalysator oder einen Rußabbrennfilter handeln. In einer Bypassleitung 29 zum Abgasnachbehandlungselement 28 ist ein Differenzdrucksensor 30 angeordnet, der die durch das Abgas nachbehandlungselement 28 erzeugte Druckerhöhung in der Abgas leitung 2 an das Steuergerät 15 übermittelt. Hier dient der Wasserstoffbrenner 10 dazu, bereits beim Start der Brennkraft maschine 1 die anfallenden Abgase nachzuverbrennen. Durch die Nachverbrennung wird einerseits ein Teil der Schadstoffe im Abgas direkt beseitigt; andererseits wird dadurch die Be triebstemperatur des nachgeordneten Abgasnachbehandlungsele mentes 28 rasch angehoben. Beide Effekte führen dazu, daß das Abgasnachbehandlungselement 28 effektiver arbeitet und somit die an die Umwelt abgegebene Schadstoffmenge reduziert wird. Weiterhin kann der Wasserstoffbrenner auch zum Abbrennen eines Rußfilters verwendet werden. In diesem Fall wird der Wasser stoffbrenner nur in bestimmten Zeitabständen oder bei Erreichen eines vorgegebenen Abgasgegendruckes, der durch den Differenz drucksensor 30 ermittelt wird, für ein vorgegebenem Zeitinter vall gezündet. Das Differenzdrucksignal wird für das Abgas nachbehandlungselement 28 im Neuzustand ermittelt. Im Betrieb, beispielsweise eines Rußfilters, ändert sich der Wert dann in folge von Ablagerungen. Wird ein vorgegebener Grenzwert er reicht, schaltet sich der Wasserstoffbrenner 10 ein und das Filter wird freigebrannt.Deviating from FIG. 1 is in the exhaust pipe 2 downstream of the hydrogen burner 10, a further exhaust gas treatment member 28 is disposed. This can be, for example, a catalyst or a soot burning filter. In a bypass line 29 to the exhaust gas aftertreatment element 28 , a differential pressure sensor 30 is arranged, which transmits the pressure increase in the exhaust gas line 2 generated by the exhaust gas aftertreatment element 28 to the control unit 15 . Here, the hydrogen burner 10 is used to afterburn the resulting exhaust gases at the start of the internal combustion engine 1 . On the one hand, part of the pollutants in the exhaust gas are removed directly by the afterburning; on the other hand, this quickly increases the operating temperature of the downstream exhaust gas aftertreatment element 28 . Both effects result in the exhaust gas aftertreatment element 28 working more effectively and thus the amount of pollutant released to the environment is reduced. Furthermore, the hydrogen burner can also be used to burn off a soot filter. In this case, the hydrogen burner is ignited only at certain time intervals or when a predetermined exhaust gas back pressure, which is determined by the differential pressure sensor 30 , is reached for a predetermined time interval. The differential pressure signal is determined for the exhaust gas aftertreatment element 28 when new. In operation, for example a soot filter, the value changes as a result of deposits. If a predetermined limit value is reached, the hydrogen burner 10 switches on and the filter is burned free.
Bei einem Katalysator erhält man mittels der Differenzdruck messung ebenfalls eine Aussage über den Verschmutzungszustand, beziehungsweise Abtragungen. Eine kontinuierliche Funktion be ziehungsweise Überwachung des Abgasnachbehandlungselementes 28 ist somit gewährleistet. Ein schadhaftes Abgasnachbehandlungs element kann infolge einer Überschreitung oder Unterschreitung von vorgegebenen Grenzwerten sofort erkannt und ein Signal an das Steuergerät 15 weitergeben werden.In the case of a catalytic converter, the differential pressure measurement also provides information about the state of pollution, or wear. A continuous function or monitoring of the exhaust gas aftertreatment element 28 is thus ensured. A defective exhaust gas aftertreatment element can be recognized immediately as a result of exceeding or falling below predetermined limit values and a signal can be passed on to the control unit 15 .
Durch die Zugabe von kaltem Sauerstoff, beziehungsweise von kalter Umgebungsluft durch die Pumpe 21 wird ein Überhitzungs schaden des Abgasnachbehandlungselementes 28 ausgeschlossen, da der Kühlluftstrom dem Abgas zugeführt wird, sobald die gemes sene Abgastemperatur einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.By adding cold oxygen or cold ambient air through the pump 21 , overheating damage to the exhaust gas aftertreatment element 28 is excluded, since the cooling air flow is supplied to the exhaust gas as soon as the measured exhaust gas temperature exceeds a predetermined limit value.
Claims (9)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |