EP1529155A1 - Brennkraftmaschine mit reduktionsmittelerzeugungseinheit und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Brennkraftmaschine mit reduktionsmittelerzeugungseinheit und betriebsverfahren hierfür

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EP1529155A1
EP1529155A1 EP03793661A EP03793661A EP1529155A1 EP 1529155 A1 EP1529155 A1 EP 1529155A1 EP 03793661 A EP03793661 A EP 03793661A EP 03793661 A EP03793661 A EP 03793661A EP 1529155 A1 EP1529155 A1 EP 1529155A1
Authority
EP
European Patent Office
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generation
stage
reducing agent
gas
internal combustion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03793661A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thilo-Ralf Bodo
Bernd Christner
Frank Duvinage
Christian Goerigk
Harald Menke
Siegfried Müller-Lunz
Arnold Nolte
Markus Paule
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1529155A1 publication Critical patent/EP1529155A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion
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    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404—Removing only nitrogen compounds
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    • F01N13/009—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features having two or more separate purifying devices arranged in series
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    • B01D2251/2062—Ammonia
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a reducing agent generation unit having the features of the preamble of claim 1 and an operating method therefor with the features of the preamble of claim 12 and an operating method having the features of the preamble of claim 13.
  • an internal combustion engine with a reducing agent generating unit is described.
  • the H 2 portion and the NH 3 portion in the reducing gas are generated in units connected in parallel, which necessitates the use of switching components and the use of buffers.
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine with a reduction generation unit and an operating method therefor, with which reduction and can be provided for an effective exhaust gas cleaning.
  • the internal combustion engine according to the invention is characterized in that the reducing agent generating unit a NO x - generating stage and a H 2 production 'Slevel comprising in serial arrangement.
  • the serial arrangement enables a structurally simple coupling of the generation stages with a small number of control valves and a largely independent and therefore easy to control operation of the generation stages.
  • the NO produced by the NO x -Erzeugüngstress x can be reduced to NH 3 as required by reduction with that of the H 2 -Erzeugungstress generated H 2.
  • an effective reducing agent is therefore available for removing the nitrogen oxides present in the exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the H generated by the H 2 -Erzeugungsrase 2 can also be used for the catalytic reduction of nitrogen oxide content in the exhaust, particularly at low temperatures.
  • POX partial oxidation
  • the composition of the product gas can be specifically adjusted by appropriate selection of the operating conditions of the POX reactor, so that, for example, a product gas rich in H 2 or a product gas rich in cracked, short-chain hydrocarbons is obtained. Since short-chain hydrocarbons or hydrogen are more effective than long-chain hydrocarbons in terms of NO x reduction, in particular at low temperatures, a mineral oil used as fuel for the internal combustion engine can be converted into a more effective reducing agent for nitrogen oxides with such a reactor become.
  • the various temperature ranges of the effectiveness of the reducing agents that can be generated by the reducing agent generating unit can also be used, and the composition of the reducing gas can be adapted to the temperature of the NO x reduction catalyst. This enables NO x reduction in a wide temperature range.
  • H 2 H 2
  • a steam reforming reaction HC + H 2 0> C0 2 + H 2
  • These can also take place in the H 2 generation stage or can take place in a separate reaction stage, preferably downstream of the H 2 generation stage.
  • the water required for the water gas shift reaction or the steam reforming reaction to take place can be added to the respective starting gas. If exhaust gas is supplied to the reducing agent generation unit, its water content already provides the prerequisite for the water gas shift reaction or the steam reforming reaction to take place.
  • reducing agents can be provided on board the associated motor vehicle largely independently of the operation of the internal combustion engine and used to reduce pollutants.
  • the reducing agent supply unit is only supplied with the operating supplies available on board a motor vehicle anyway, additional operating supplies and their storage or intermediate storage become superfluous.
  • a reduction in the pollutant content in the exhaust gas that is largely independent of the operation of the internal combustion engine is made possible in a structurally simple manner.
  • the N0 X generation stage is connected downstream of the H 2 generation stage.
  • This arrangement can offer advantages in the operation of reducing agent production.
  • the reducing gas emerging in the hot state from the upstream H 2 generation stage can cool down as it passes through the NO x generation stage, so that subsequent components are not subjected to excessive thermal stress.
  • the NO x generation stage is connected upstream of the H 2 generation stage.
  • This arrangement can also offer advantages in the operation of reducing agent production.
  • the gas emerging from the upstream NO x generation stage can be used to control the process taking place in the downstream H 2 generation stage.
  • the NO x generation stage is followed by an NH 3 generation stage.
  • the NH 3 generation stage is used for the on-board generation of NH 3 , preferably as required, so that this reducing agent for reducing NO x does not have to be carried in a storage container.
  • the reducing agent generation unit is assigned a fractionation unit such that low-boiling components of a fuel used to operate the internal combustion engine can be separated from the fractionation unit, which can be supplied to the H generation stage.
  • This embodiment has the advantage that a reducing agent generation unit, for example a POX reactor, is easier to operate. The low-boiling components separated from the fuel are cracked better and more completely by the POX reactor.
  • soot formation and condensation problems in the POX reactor can be largely avoided and the operating temperature can be reduced.
  • the efficiency and the H 2 yield of the partial hydrocarbon oxidation can also be improved.
  • largely sulfur-free fuel components are separated by the fractionation. The H 2 generation stage is therefore only supplied with low-boiling fuel components that are free of sulfur, which is why sulfur poisoning is minimized.
  • the NO x generation stage with the H 2 generation stage can be operated alternately in two operating modes, such that in the first operating mode a NO x -containing gas can be generated by the NO x generation stage and in In the second operating mode, an H 2 -containing gas and NH 3 -containing gas can be generated by the reducing agent generation unit.
  • This configuration advantageously enables the reducing agent generation unit to be operated as required. In periods in which a component of the reducing gas is not required, the corresponding generation unit can be put out of operation.
  • the NO x is -Erzeu- supply stage, a NO x -Zwischen towels downstream.
  • the NO x generation stage can also low efficiency.
  • the NO x present in the product gas only in small concentrations is accumulated in the NO x buffer and after a while is available in large quantities for conversion into NH 3 .
  • the NO x intermediate store is designed to convert stored NO x with H 2 to NH 3 .
  • the reducing agent generation unit can be made particularly compact.
  • NO x -Zwischen Eaton particular a NO x storage can be used.
  • its NH 3 formation function can be used in the regeneration by supplying reducing gas.
  • a NO x storage catalytic converter which is optimized, for example, by an increased rhodium content with regard to the NH 3 formation function is preferably used.
  • the H 2 generation stage is designed to convert supplied NO x to NH 3 . If the H 2 generation stage is simultaneously supplied with NO x from the upstream NO x generation stage and HC-containing fuel, both H 2 and NH 3 can be generated in a single, preferably catalytic, process step. In the partial hydrocarbon oxidation taking place under reducing conditions, the reduction of NO x to NH 3 is preferred for thermodynamic reasons, which is why this reduction step can advantageously be summarized in one process step with the H 2 production. In this way, a NH 3 - and H 2 -containing reducing gas is generated in one process step. The generation of the NH 3 - and H 2 -containing reducing gas is preferably carried out continuously.
  • the NO x generation stage for generating NO x from air and / or acid is exhaust gas.
  • NO x is preferably generated in a plasma process, by an electric arc or by a corona discharge.
  • NH 3 is thus generated exclusively from components of the air and the fuel carried along, which is why there is no need to store an NH 3 -releasing substance, such as urea.
  • the NO x reduction catalyst has a Denox catalyst stage for converting NO x with H 2 and an SCR catalyst stage for converting NO x with NH 3 .
  • the NO x reduction can take place under lean exhaust gas conditions, which is why the internal combustion engine is preferably operated continuously lean, and thus the full consumption advantage of lean operation can be exploited.
  • the different temperature ranges of the effectiveness of the two catalyst stages can be used, which is why an effective nitrogen oxide reduction can be achieved over a wide temperature range.
  • the inventive method is characterized by the following process steps: a) generation of a NO x -containing gas from the reducing agent generation unit associated NO x -Erzeugungsease from the NO x -Erzeugungsrase air supplied and / or supplied exhaust gas, b) the intermediate storage of N0 X in the passing the in process step a generated NO x -containing gas through a NOx downstream -Erzeugungsshake and the reducing agent generation unit associated NO x -Zwischen Amsterdam, c) generating a H 2 -containing gas from one of the reducing agent generation unit assigned and the NO x -Zwischen Amsterdam upstream H 2 generation stage from the H 2 generation stage stage supplied fuel as well as supplied air and / or supplied exhaust gas, d) conversion of N0 X stored in the NO x intermediate store with the gas generated in process step c to NH 3 , so that an H 2 -containing and NH 3 -containing reducing gas is generated , whereby process steps a and b are carried out with
  • the NO x generation and NO x intermediate storage take place in alternation with the generation of an H 2 -containing, reducing gas, release of the temporarily stored N0 X and its reduction to NH 3 .
  • An H 2 - / NH 3 -containing reducing gas is intermittently fed to the NO x reduction catalyst.
  • a NH 3 - Mrsnder SCR catalyst as N0 x - reduction catalyst is used, it may nevertheless x continually reduce the exhaust gas included NO, since, supplied in the operation phases in which the catalyst is not supplied NH 3 in the previous operating phase and stored NH 3 is used for NO x reduction.
  • the N0 X - intermediate storage in the operating phases of NO x generation results in an enrichment of the generated N0 X , which is released again in an increased concentration by the supply of reducing gas with a reducing composition and converted to NH 3 by the NO x intermediate storage. Consequently, the reducing agent NH 3 can be supplied to the NO x reduction catalyst in a comparatively large concentration.
  • the NO x conversion to NH 3 is carried out in a catalytic NH 3 generation stage which is assigned to the reducing agent generation unit and is connected downstream of the MO x intermediate store.
  • the NH 3 generation stage preferably comprises an NH 3 formation catalyst which catalyzes the reductive conversion of NO x to NH 3 .
  • a catalyst with a very high efficiency with regard to NH 3 formation is described, for example, in the unpublished German patent application 10214686.1. If NO x and H 2 -containing reducing gas is fed to such a catalyst, a high percentage of NO x is converted to NH 3 .
  • the intermediate storage of NO x and the NO x conversion to NH 3 is carried out with a catalytic NO x intermediate store.
  • the catalytic NO x intermediate store preferably has an NH 3 formation function in such a way that stored N0 X is at least partially reduced to NH 3 under reducing or stoichiometric conditions.
  • Such behavior shows, for example, NO x storage catalysts, which are preferably used here.
  • the functions of the NO x intermediate storage and the NH 3 formation integrated in a catalytic component make it possible to achieve a compact construction of the reducing agent generation unit.
  • Another method according to the invention is characterized by the following method steps: a) generation of a NO x -containing gas from an NO x generation stage assigned to the reducing agent generation unit from the air and / or exhaust gas supplied from the NO x generation stage, b) generation of an H 2 - containing and NH 3 -containing reducing gas from a H 2 generation stage assigned to the reducing agent generation unit and downstream of the NO x generation stage from the H 2 generation stage supplied, NO x- containing gas generated in method step a, supplied fuel and supplied air and / or supplied Exhaust gas.
  • an H 2 -containing and NH 3 -containing reducing gas is continuously produced and fed to the NO x reduction catalyst.
  • the H 2 generation stage preferably has a catalyst with an NH 3 formation function, and an H 2 -containing and NH 3 -containing reducing gas is generated by the H 2 generation stage.
  • the H 2 elimination from the HC-containing fuel in the H 2 generation stage and the reduction of the added NO x to NH 3 takes place in the same process. In this way, an H- and NH 3 -containing reduction gas is generated in one process step. This advantageously simplifies the design of the reducing agent generation unit.
  • a fuel enriched with low-boiling components is obtained in a fractionation unit assigned to the reducing agent generation unit and is supplied to the reducing agent generation unit for generating reducing gas.
  • the H 2 generation stage is thereby supplied with low molecular weight hydrocarbons, as a result of which its feed gas stream is better homogenized, coking is avoided and the H2 yield is increased.
  • the NO x reduction catalyst is divided into a Denox catalyst stage for the reaction of NO x with H 2 and into an SCR catalyst stage for the reaction of NO X with NH 3 , and the reducing gas is input as a function of its composition - tig the SCR catalyst stage (3a) or the input side of the Denox catalyst stage (3b) fed to the exhaust gas. Since the catalyst stages have different temperature ranges of their effectiveness, and the reducing agents HC, H 2 , NH 3 generated by the reducing agent generation unit have their optimal effect at different temperatures. zen, a high NO x reduction in the exhaust gas can be achieved over a wide temperature range.
  • the Denox catalyst stage can also be designed for the reduction of NO x with HC, which extends the area of application of the reducing gas.
  • the amount and / or the composition of the reducing gas generated by the reducing agent generation unit is set as a function of the operating state of the internal combustion engine.
  • the reducing agent generation unit preferably provides more reducing gas than at lower one.
  • the process of reducing gas generation is preferably controlled in such a way that the effect of the respective NO x reduction catalyst is optimally utilized.
  • an H 2 -rich reducing gas is preferably generated.
  • the reducing agent generation unit is preferably operated so that the reducing gas contains more NH 3 . Characterized x conversion is arranged in the exhaust system of the internal combustion engine SCR catalyst can again be operated with a higher NO.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of an internal combustion engine with a reducing agent generating unit
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of a structure of a reducing agent generating unit
  • 3 shows a schematic block diagram of the construction of a further embodiment of the reducing agent generation unit
  • 4 shows a schematic block diagram of the construction of a further embodiment of the reducing agent generation unit
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram of the construction of a further embodiment of the reducing agent generation unit
  • Fig. 6 is a schematic block diagram of the structure of an embodiment of the reducing agent generation unit with an associated fractionation unit.
  • a NO x reduction catalytic converter 3 comprising catalytic converter stages 3a and 3b, for example, is arranged in exhaust pipe 2.
  • the catalytic converter stage 3a is designed as an SCR catalytic converter, with which NH 3 as a reducing agent is used to reduce NO x under lean exhaust gas conditions.
  • An SCR catalyst based on V 2 0 5 / W0 3 / Ti0 2 can be used as the full extrudate or another catalyst suitable for NO x reduction with NH 3 .
  • the temperature range of the effectiveness of the catalyst stage 3a is typically between 200 ° C and 400 ° C.
  • the catalyst stage 3b is designed as a Denox catalyst, with which H 2 and / or HC as a reducing agent is used to reduce NO x under lean exhaust gas conditions.
  • a catalyst containing noble metal is preferably used, but a Cu-exchanged zeolite or another catalyst suitable for NO x reduction with H or HC can also be used.
  • the temperature range of the Wiksam speed of catalyst stage 3b ' is typically between 80 ° C and 200 ° C with H 2 as the reducing agent, and between 180 ° C and 400 ° C with HC as the reducing agent.
  • the reducing agent generation unit 20 assigned to the engine is used to generate the reducing agents H 2 and / or NH 3. For this purpose, their fuel or air or exhaust gas can be supplied as required via the fuel supply line 9 or the gas supply line 10.
  • the reducing agent generation unit 20 has a controlled heating, not shown, which is mainly in operation for starting.
  • the reducing gas generated by the reducing agent generation unit 20 can be added via the addition line 8 and the addition points 4, 5 to the exhaust gas on the inlet side of the catalyst stages 3a, 3b as required.
  • the engine operation and the operation of the reducing agent generation unit 20 is controlled by an engine control unit 6, which for this purpose is connected to the engine 1 or to the reducing agent generation unit 20 via control lines 7.
  • the reducing agent unit 20 is now operated so that 1 reducing gas as a function of the NO x emission of the engine generated and the input of the catalyst stages 3a and / or 3b is added to the exhaust gas.
  • the engine control unit 6 has, for example, characteristic diagrams in which the NO x emission is stored as a function of the engine operating point. The process of the reduction gas generation is controlled and monitored by the engine control unit 6, the engine control unit 6 having all the necessary information regarding the composition of the reduction gas and the operating state of the reduction agent generation unit 20.
  • the engine control unit 6 preferably controls the addition of air or exhaust gas and fuel and the operation of the reducing agent generation unit 20 in such a way that, at low exhaust gas temperature, reducing gas is supplied to the exhaust gas mainly via the addition point 4 at the entrance of the Denox catalyst 3b.
  • the reduction gas generation is controlled so that the reducing gas predominantly contains H 2 as the reducing agent.
  • an effective NO x reduction of the engine exhaust gas is achieved even at a low exhaust gas temperature or at a low temperature of the catalyst stage 3b.
  • the amount of addition of the reducing gas is adjusted by the engine control unit 6 in accordance with the NO x content of the exhaust gas, the exhaust gas temperature or the temperature of the catalyst stage 3b and the H 2 content of the reducing gas.
  • a molar ratio of about 3: 1 of H2: NOx is preferably set on the inlet side of the Denox catalyst 3b. If the catalytic converter stage 3b comes out of the temperature range of its effectiveness when the exhaust gas temperature rises, then the addition amount of predominantly H-containing reducing gas is reduced or adjusted at the addition point 4. At the same time, the operation of the reducing agent generation unit is changed over so that there is an increased NH 3 content in the reducing gas and the reducing gas is added to the exhaust gas at the addition point 5 at the beginning of the catalyst stage 3a. Since with rising the exhaust temperature of the SCR catalyst, the catalyst stage 3a is effectively increasingly now be made mainly to this catalyst, the N0 X minimization.
  • the SCR catalytic converter of catalytic converter stage 3a can also lose its effectiveness.
  • the reducing gas generation is switched so that the reducing agent generating unit 20 mainly generates cracked fuel with short-chain hydrocarbons. This reducing gas can then be fed to the downstream and therefore less hot Denox catalyst of catalyst stage 3b. On this catalyst, a NO x reduction with these hydrocarbons occurs at temperatures around 300 ° C.
  • catalytic converters can be arranged in the exhaust line 2, to which reducing gas can also be supplied if necessary via a corresponding addition point.
  • 1 H 2 -containing reducing gas can be metered into the exhaust gas at the start of a starting catalytic converter arranged close to the engine. A rapid heating of the starting catalytic converter can thus be achieved. As a result, pollutants can be removed from the exhaust gas in an early phase of engine warm-up.
  • FIG. 2 schematically shows the structure of the reducing agent generation unit 20 in a preferred embodiment.
  • the reducing agent generation unit 20 here comprises an H 2 generation stage 21, a NO x generation stage 22, a NO x intermediate store 23 and an NH 3 generation stage 24 in a serial arrangement.
  • the H 2 generation stage 21 is fuel over the Fuel supply line 9 and air and / or exhaust gas can be supplied in a quantity-controlled manner via the gas supply line 10. Air and / or exhaust gas can also be supplied to the NO x generation stage 22 in a quantity-controlled manner via a branch of the gas supply line 10.
  • the means used to regulate the volume are not shown here.
  • the illustrated embodiment of the reducing agent generation unit 20 is preferably operated alternately such that NH 3 and / or H 2 is alternately generated or NO x is generated.
  • the H 2 generation stage 21, which is designed as a catalytic POX reactor is first heated to operating temperature if necessary by means of an electrical heater (not shown).
  • the operating temperature of the catalyst arranged in the POX reactor is approximately 600 ° C. to 1000 ° C.
  • fuel and air or exhaust gas are fed to the POX reactor in a flow rate determined by the engine control unit. In doing so, a
  • the reaction product is a reducing gas with a composition that is heavily dependent on the process control, ie mainly on the temperature of the POX catalyst and on the air / fuel ratio set. Typical levels of the reducing agents H 2 and CO are about 18%.
  • the reducing gas can additionally have a certain content of low molecular weight hydrocarbons.
  • This reduct gas is now passed through the NO x generation stage 22, which is out of operation in this phase of the reduction gas generation.
  • the reducing gas flows through the NO x intermediate store 23, which contains a NO x adsorber.
  • the NO x adsorber can be, for example, a ceramic honeycomb body which is coated with a material which, under oxidizing conditions, absorbs NO x through adsorption or absorption and releases it again under reducing conditions.
  • a silver-based NO x adsorber material can be used. If the NO x intermediate store 23 has been loaded with the reduction gas generated by the H 2 generation stage 21 with N0 X before it flows through, this is consequently released.
  • the reducing gas enriched with N0 X is further fed to the NH 3 generation stage 24.
  • This preferably contains a catalyst with a coating containing precious metals.
  • the reduction of the NO x to NH 3 is catalyzed by this catalyst, so that the reducing agent generation unit 20 finally leaves a reducing gas containing NH 3 and H 2 via the reducing gas line 8 and at one or two addition points 4, 5 the exhaust gas of the engine 1 is added (see Fig. 1).
  • NTP non-thermal plasma
  • the N0 X generated with this process has a high hen N0 2 portion of typically more than 50%, which improves the subsequent storage after supply of the product gas to the NO x buffer 23. As described above, this is able to absorb the supplied NO x by adsorption or absorption.
  • the gas freed from NO x is passed on through the NH 3 generation stage, from where it is added to the exhaust gas of the engine 1 essentially unchanged via the reducing gas line 8 at one of the addition points 4, 5 (cf. FIG. 1). If the NO x buffer store 23 is saturated with NO x or the supply of reducing gas to a catalytic converter stage is necessary for other reasons, the NO x generation is stopped and the reducing gas with reducing action is produced again as described above.
  • FIG. 3 schematically shows the structure of the reducing agent generation unit 20 in a further preferred embodiment.
  • the designation and the function of the components having the same effect correspond to those in FIG. 2.
  • the one in FIG. 2 shown reducing agent generation unit 20 by interchanging H 2 generation stage 21 and NO x generation stage 22.
  • the embodiment of the reducing agent generation unit 20 shown in FIG. 3 is preferably operated alternately so that NH 3 and / or H is alternately generated, or NO x is generated.
  • the H 2 generation stage 21 is now out of operation and the NO x -containing product gas from the NO x generation stage 22 flows through the H 2 generation stage 21.
  • FIG. 4 schematically shows the structure of the reducing agent generation unit 20 in a further preferred embodiment. Analogously to the embodiments of FIGS. 2 and 3, this variant is also operated alternately. The differences in structure and in the mode of operation compared to the embodiments of FIGS. 2 and 3 are explained below.
  • the N0 X -Ergneungsease 22 here is a NO x -Spei- cherkatalysatorcut 26 downstream, which at the same time the function of the NO x and the NH -Zwischen arrivedung fulfilled 3 formation.
  • NO x storage catalyst stage 26 When reducing gas is supplied from the H 2 generation stage 21 to the NO x storage catalyst stage 26, NO x stored there is released and simultaneously reduced to NH 3 .
  • a N0 X storage material is used in stage 26, which is optimized with regard to NH 3 formation, for example, by an increased rhodium content.
  • a further simplification is achieved in that the N0 X generation stage 22 is supplied with the gas required for NO x generation via the H 2 generation stage 21, which is why a branch in the gas supply line 10 can be dispensed with.
  • components are thus saved, as a result of which the reducing agent generation unit 20 can be designed more simply.
  • FIG. 5 schematically shows the structure of the reducing agent generation unit 20 in a further preferred embodiment.
  • this embodiment can be operated continuously, ie the NO x generation and the NH 3 generation can take place simultaneously.
  • a reactor stage 25 is provided, in which the same time H, preferably 2 production runs through a catalytic partial oxidation process and a reduction of NO x from the NO x -Erzeugungstress 22 supplied.
  • the NO x generation is carried out as in the embodiments described above.
  • the necessary starting gas is supplied to the NO x generation stage 22 via the gas supply line 10 as required.
  • the gas supply line can additionally have a branch to the reactor stage 25.
  • the reactor stage 25 is supplied with hydrocarbon-containing fuel via the feed line 9.
  • the preferred conditions exist for the H 2 production by partial oxidation and, on the other hand, for the reduction of N0 X to NH 3 , so that both H 2 and NH 3 can be generated in one process.
  • the quantitative ratio of these two components can be adjusted as required by appropriate adjustment of the fuel or NO x supplied from the reactor stage 25.
  • Fig. 6 shows schematically the structure of the reducing agent generation unit 20 in a further preferred embodiment, the reducing agent generation unit 20 includes analogous to that shown in Figure 4 embodiment, the NO x -.. Generation stage 22 downstream H 2 -Erzeugungstress 21.
  • the NO further downstream x Storage catalyst stage 26 is used NO x intermediate storage and NH 3 generation.
  • the system is preferably operated in alternation of NO x generation phases and H 2 or NH 3 generation phases.
  • the NO x generation stage 22 is supplied with air and / or exhaust gas via the gas supply line 10. Air and / or exhaust gas can also be supplied to the H 2 generation stage 21 via a branch.
  • the reducing agent generation unit 20 is also assigned a fractionation unit 27, in which low-boiling constituents are separated off in a fractionation process from the fuel provided for engine operation.
  • the fractionation unit 27 is supplied with fuel via the fuel supply line 9 from the storage vessel of the engine, not shown here.
  • the fuel depleted in low-boiling components is returned via the return line 9b.
  • the separated low-boiling fuel constituents are fed to the H 2 generation of the H 2 generation stage 21 via the fuel supply line 9a. Due to the fact that the H 2 generation stage 21 is operated with low-boiling hydrocarbons, the H 2 generation can take place with a higher yield and the risk of coking of the POX catalyst is reduced.
  • water can generally also be supplied to the reducing agent generation unit 20.
  • the water can be taken from a reservoir of the associated vehicle or can be obtained from the engine exhaust gas by condensing.
  • the water can be used, for example, for a steam reforming process in H generation stage 21.
  • this also has the advantage that this endothermic process improves the heat and energy balance of H 2 production.
  • the water can also be supplied to a water gas shift stage downstream of the H 2 generation stage 21.
  • the reducing gas thus enriched in H 2 has a higher selectivity in the NH 3 generation and in the NO x reduction on a Denox catalyst.
  • the CO content in the reducing gas is reduced, which prevents poisoning of the Denox catalytic converter by CO coverage of active catalytic centers.
  • the reducing agent generation unit 20 can also be assigned heat exchangers in order to improve the heat and energy balance of the overall process and the process control.
  • a heat exchanger can be provided in the gas supply line 10 for preheating the supplied air or the supplied exhaust gas.
  • heat exchangers can also be provided in the reducing agent generation unit 20, for example in order to use the heat content of the hot product gas stream of the H 2 generation stage or of the NH 3 generation stage for preheating the feed gas of an upstream stage.

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Abstract

1. Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit und Betriebsverfahren hierfür. 2.1. Es wird eine Brennkraftmaschine mit einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zur Erzeugung eines H2-haltigen und/oder eines NH3-haltigen Reduktionsgases, welches stromaufwärts eines NOx-Reduktionskatalysators (3) in die Abgasleitung (2) zugebbar ist, vorgeschlagen sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine. 2.2. Erfindungsgemäss weist die Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) eine NOx-Erzeugungsstufe und eine H2-Erzeugungsstufe in serieller Anordnung auf; für das Verfahren ist vorgesehen, dass wenigstens zeitweise von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) aus von der NOx-Erzeugungsstufe erzeugtem NOx durch chemische Reduktion NH3 gebildet wird. 2.3. Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftwagen mit Dieselmotor.

Description

Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit und
Betriebsverfahren hierfür
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Betriebsverfahren hierfür mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12 bzw. ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.
In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10128414.4 ist eine Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittel- erzeugungseinheit beschrieben. Die Reduktionsmittelerzeugungseinheit dient der Erzeugung eines H2-haltigen und NH3- haltigen Reduktionsgases, welches stromaufwärts eines NOx- Reduktionskatalysators in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine zugebbar ist, wobei der Reduktionsmittelerzeugungseinheit ein HC-haltiger (HC = Kohlenwasserstoff) Kraftstoff sowie Luft und/oder Abgas zuführbar ist. Die Erzeugung des H2-Anteils und des NH3-Anteils im Reduktionsgas erfolgt in parallelgeschalteten Einheiten, was den Einsatz von Schaltbauteilen und die Verwendung von Zwischenspeichern notwendig macht .
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennkraftmaschine mit einer Reduktionserzeugungseinheit und ein Betriebsverfahren hierfür anzugeben, mit welchen auf konstruktiv und verfahrenstechnisch einfache Weise Reduktions- mittel für eine wirkungsvolle Abgasreinigung bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst .
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Reduktionsmittelerzeugungseinheit eine NOx- Erzeugungsstufe und eine H2-Erzeugung'sstufe in serieller Anordnung aufweist. Die serielle Anordnung ermöglicht eine konstruktiv einfache Kopplung der Erzeugungsstufen mit einer geringen Zahl von Steuerventilen und einen in großem Maße voneinander unabhängigen und damit einfach zu steuernden Betrieb der Erzeugungsstufen. Das von der NOx-Erzeugüngsstufe erzeugte NOx kann bedarfsgerecht durch Reduktion mit dem von der H2-Erzeugungsstufe erzeugten H2 zu NH3 reduziert werden. Damit steht in Verbindung mit einem geeigneten Abgaskatalysator ein wirksames Reduktionsmittel für die Entfernung der im Abgas der Brennkraftmaschine vorhandenen Stickoxide zur Verfügung. Der von der H2-Erzeugungsstufe erzeugte H2 kann ebenfalls zur katalytischen Verminderung des Stickoxidgehalts im Abgas, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, eingesetzt werden .
Die H2-Erzeugungsstufe ist vorzugsweise als POX-Reaktor (POX = partielle Oxidation) ausgeführt. Durch entsprechende Wahl der Betriebsbedingungen des POX-Reaktors kann die Zusammensetzung des Produktgases gezielt eingestellt werden, so dass beispielsweise ein H2-reiches Produktgas oder ein an gecrackten, kurzkettigen Kohlenwasserstoffen reiches Produktgas erhalten wird. Da kurzkettige Kohlenwasserstoffe oder Wasserstoff hinsichtlich der NOx-Reduktion insbesondere bei niedrigen Temperaturen wirksamer sind als langkettige Kohlenwasserstoffe, kann mit einem solchen Reaktor ein als Brennstoff für die Brennkraftmaschine "eingesetztes Mineralöl in ein wirksameres Reduktionsmittel für Stickoxide umgesetzt werden. Ferner können auch die verschiedenen Temperaturbereiche der Wirksamkeit der von der Reduktionsmittelerzeugungs- einheit erzeugbaren Reduktionsmittel ausgenutzt werden, und die Zusammensetzung des Reduktionsgases an die Temperatur des NOx-Reduktionskatalysators angepasst werden. Dadurch wird in einem breiten Temperaturbereich eine NOx-Verminderung ermöglicht.
Die H2-Ausbeute der H2-Erzeugung lässt sich durch Einbezie- '* hung einer Wassergasshiftreaktion • (CO + H20 > C02 +
H2)oder einer Steamreformingreaktion (HC + H20 > C02 + H2) erhöhen. Diese können ebenfalls in der H2-Erzeugungsstufe ablaufen oder in einer getrennten, vorzugsweise der H2-Erzeu- gungsstufe nachgeschalteten Reaktionsstufe ablaufen. Das für das Ablaufen der Wassergasshiftreaktion bzw. die Steamreformingreaktion notwendige Wasser kann dem jeweiligen Eduktgas zugesetzt werden. Wird der Reduktionsmittelerzeugungseinheit Abgas zugeführt, so ist durch dessen Wassergehalt bereits die Voraussetzung für das Ablaufen der Wassergasshiftreaktion bzw. der Steamreformingreaktion gegeben.
Wegen der leichten Oxidierbarkeit des von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugten H2 kann zusätzlich eine rasche Aufheizung von Katalysatoren im Abgasstrang erzielt werden. Durch Zugabe des erzeugten H2 eingangs eines Abgaskatalysators kann daher ein schnelles Anspringen dieses Katalysators erreicht werden, was insbesondere bei der Verminderung der Schadstoffemission beim Kaltstart wichtig ist. Desgleichen können Katalysatoren unter thermisch ungünstigen Bedingungen, wie beispielsweise in Unterbodenposition eines Kraftfahrzeugs, wirksam betrieben werden.
Mit der weitgehend autark arbeitenden Reduktionsmittelerzeugungseinheit kann somit weitgehend unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine Reduktionsmittel an Bord des zugehörigen Kraftf hrzeugs bereitgestellt und zur Schadstoff erminderung eingesetzt werden. Da außerdem die Reduktionsmittelerzeu- gungseinheit nur mit den an Bord eines Kraftfahrzeugs sowieso verfügbaren Betriebsstoffen gespeist wird, werden Zusatzbetriebsstoffe und deren Speicherung oder Zwischenspeicherung überflüssig. Außerdem entfällt weitgehend die Notwendigkeit, den Betrieb der Brennkraftmaschine zur Bereitstellung von Reduktionsmittel für die NOx-Reduktion beispielsweise auf fette Verbrennung umzustellen, was insbesondere bei Dieselmotoren mit Schwierigkeiten verbunden ist. Insgesamt wird daher auf konstruktiv einfache Weise eine vom Betrieb der Brennkraftmaschine weitgehend unabhängige Verringerung des Schad- stoffgehalts im Abgas ermöglicht.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die N0X-Erzeugungsstufe der H2-Erzeugungsstufe nachgeschaltet. Diese Anordnung kann beim Betrieb der Reduktionsmittelerzeugung Vorteile bieten. Beispielsweise kann sich das in heißem Zustand aus der vorgeschalteten H2-Erzeugungsstufe austretende Reduktionsgas beim Durchtritt durch die NOx-Erzeugungsstufe abkühlen, so dass nachfolgende Bauteile thermisch nicht zu stark belastet werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die NOx-Erzeu- gungsstufe der H2-Erzeugungsstufe vorgeschaltet. Diese Anordnung kann beim Betrieb der Reduktionsmittelerzeugung ebenfalls Vorteile bieten. Beispielsweise kann das aus der vorgeschalteten NOx-Erzeugungsstufe austretende Gas zur Steuerung des in der nachgeschalteten H2-Erzeugungsstufe ablaufenden Prozesses eingesetzt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der NOx-Erzeu- gungsstufe eine NH3-Erzeugungsstufe nachgeschaltet. Die NH3- Erzeugungsstufe dient der vorzugsweise bedarfsgerechten on- board-Erzeugung von NH3, so dass dieses Reduktionsmittel zur NOx-Verminderung nicht in einem Vorratsbehälter mitgeführt werden muss . In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Reduktionsmittelerzeugungseinheit eine Fraktioniereinheit zugeordnet, derart, dass von der Fraktioniereinheit niedrigsiedende Bestandteile eines zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzten Kraftstoffs abtrennbar sind, welche der H-Erzeu- gungsstufe zuführbar sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine beispielsweise als POX-Reaktor ausgeführte Reduktionsmittelerzeugungseinheit leichter zu betreiben ist. Die vom Kraftstoff abgetrennten leichtsiedenden Bestandteile werden vom POX-Reaktor besser und vollständiger gecrackt . Ferner können Rußbildung und Kondensationsproblem im POX- Reaktor weitgehend vermieden werden und die Betriebstemperatur kann abgesenkt werden. Der Wirkungsgrad und die H2-Ausbeute der partiellen Kohlenwasserstoffoxidation können ebenfalls verbessert werden. Außerdem werden durch die Fraktionierung weitge nd schwefelfreie Kraftstoffkomponenten abgetrennt. Die H2-Erzeugungsstufe wird daher nur mit niedrigsiedenden Kraftstoffkomponenten versorgt, die frei von Schwefel sind, weshalb eine Schwefelvergiftung minimiert wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die NOx-Erzeu- gungsstufe mit der H2-Erzeugungsstufe im zeitlichen Wechsel in zwei Betriebsarten betreibbar, derart, dass in der ersten Betriebsart von der NOx-Erzeugungsstufe ein NOx-haltiges Gas erzeugbar ist und in der zweiten Betriebsart von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit ein H2-haltiges Gas und NH3-halti- ges Gas erzeugbar ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht in vorteilhafter Weise einen bedarfsgerechten Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit. In Zeitabschnitten, in welchen eine Komponente des Reduktionsgases nicht benötigt wird, kann die entsprechende Erzeugungseinheit außer Betrieb gesetzt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der NOx-Erzeu- gungsstufe ein NOx-Zwischenspeicher nachgeschaltet. Mit dieser Ausführungsform kann die NOx-Erzeugungsstufe auch mit geringem Wirkungsgrad betrieben werden. Das dabei nur in geringen Konzentrationen im Produktgas vorhandene NOx wird im NOx-Zwischenspeicher angesammelt und steht nach einiger Zeit in größerer Menge zur Umsetzung in NH3 zur Verfügung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der NOx-Zwischenspeicher zur Umsetzung von gespeichertem NOx mit H2 zu NH3 ausgelegt. Mit dieser Doppelfunktion von NOx-Speicherung und NH3-Bildung kann die Reduktionsmittelerzeugungseinheit besonders kompakt gestaltet werden. Als NOx-Zwischenspeicher kann insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung kann dessen NH3-Bildungs-funktion bei der Regeneration durch Zufuhr von Reduktionsgas ausgenutzt werden. Vorzugsweise wird ein beispielsweise durch einen gesteigerten Rhodiumgehalt bezüglich der NH3-Bildungsfunktion optimierter NOx-Speicherkatalysator eingesetzt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die H2-Erzeu- gungsstufe zur Umsetzung von zugeführtem NOx zu NH3 ausgelegt. Wird der H2-Erzeugungsstufe gleichzeitig NOx aus der vorgeschalteten NOx-Erzeugungsstufe und HC-haltiger Kraftstoff zugeführt, kann in einem einzigen, vorzugsweise katalytischen, Prozessschritt sowohl H2 als auch NH3 erzeugt. Bei der unter reduzierenden Bedingungen ablaufenden partiellen Kohlenwasserstoffoxidation ist die Reduktion von NOx zu NH3 aus thermodynamisehen Gründen bevorzugt, weshalb dieser Reduktionsschritt in vorteilhafter Weise in einem Prozessschritt mit der H2-Erzeugung zusammengefasst werden kann. Auf diese Weise wird in einem Prozessschritt ein NH3- und H2-hal- tiges Reduktionsgas erzeugt. Dabei wird die Erzeugung des NH3- und H2-haltigen Reduktionsgases vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die NOx-Erzeu- gungsstufe zur Erzeugung von NOx aus Luft/und oder sauer- stoff altigem Abgas ausgelegt. Vorzugsweise wird in der NOx- Erzeugungsstufe NOx in einem Plasmaprozess, durch einen elektrischen Lichtbogen oder durch eine Corona-Entladung erzeugt. In Verbindung mit der nachgeschalteten Reduktion des N0X wird somit NH3 ausschließlich aus Bestandteilen der Luft und des mitgeführten Kraftstoffs erzeugt, weshalb auf die Bevorratung eines NH3-freisetzenden Stoffes, wie beispielsweise Harnstoff, verzichtet werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der NOx-Reduk- tionskatalysator eine Denox-Katalysatorstufe zur Umsetzung von NOx mit H2 und eine SCR-Katalysatorstufe zur Umsetzung von NOx mit NH3 auf. In beiden Fällen kann die NOx-Reduktion bei mageren Abgasbedingungen stattfinden, weshalb die Brennkraftmaschine vorzugsweise ständig mager betrieben wird, und damit der volle Verbrauchsvorteil des Magerbetriebs ausgeschöpft werden kann. Zusätzlich können die unterschiedlichen Temperaturbereiche der Wirksamkeit der beiden Katalysatorstufen ausgenutzt werden, weshalb in einem breiten Temperaturbereich eine wirksame Stickoxidverminderung erzielt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus : a) Erzeugung eines NOx-haltigen Gas von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten NOx-Erzeugungsstufe aus der NOx-Erzeugungsstufe zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, b) Zwischenspeicherung von N0X bei der Durchleitung des im Verfahrensschritt a erzeugten NOx-haltigen Gases durch einen der NOx-Erzeugungsstufe nachgeschalteten und der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten NOx-Zwischenspeicher, c) Erzeugung eines H2-haltigen Gases von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten und dem NOx-Zwischenspeicher vorgeschalteten H2-Erzeugungsstufe aus der H2-Erzeugungs- stufe zugeführtem Kraftstoff sowie zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, d) Umsetzung von im NOx-Zwischenspeicher gespeicherten N0X mit dem im Verfahrensschritt c erzeugten Gas zu NH3, so dass ein H2-haltiges und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugt wird, wobei die Verfahrensschritte a und b mit den Verfahrens- schritten c und d in zeitlichem Wechsel durchgeführt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung erfolgt die NOx- Erzeugung und NOx-Zwischenspeicherung in zeitlichem Wechsel mit der Erzeugung eines H2-haltigen, reduzierenden Gases, Freisetzung des zwischengespeicherten N0X und dessen Reduktion zu NH3. Dem NOx-Reduktionskatalysator wird intermittierend ein H2-/NH3-haltiges Reduktionsgas zugeführt. Da jedoch vorzugsweise ein NH3-speichernder SCR-Katalysator als N0x- Reduktionskatalysator eingesetzt wird, kann dieser dennoch im Abgas enthaltenes NOx kontinuierlich reduzieren, da in den Betriebsphasen, in denen dem Katalysator kein NH3 zugeführt wird, in der vorigen Betriebsphase zugeführtes und eingespeichertes NH3 zur NOx-Reduktion verwendet wird. Durch die N0X- Zwischenspeicherung in den Betriebsphasen der NOx-Erzeugung erfolgt eine Anreicherung des erzeugten N0X, welches bei Zufuhr von Reduktionsgas mit reduzierender Zusammensetzung in erhöhter Konzentration vom NOx-Zwischenspeicher wieder abgegeben und zu NH3 umgesetzt wird. Folglich kann das Reduktionsmittel NH3 in vergleichsweise großer Konzentration dem NOx- Reduktionskatalysator zugeführt werden.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird die NOx-Umsetzung zu NH3 in einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten, dem MOx-Zwischenspeicher nachgeschalteten katalytischen NH3- Erzeugungsstufe durchgeführt. Vorzugsweise umfasst die NH3- Erzeugungsstufe einen NH3-Bildungskatalysator der die reduk- tive Umsetzung von NOx zu NH3 katalysiert. Ein Katalysator mit einem bezüglich der NH3-Bildung sehr hohen Wirkungsgrad ist beispielsweise in der nichtvorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10214686.1 beschrieben. Wird einem solchen Katalysator NOx und H2-haltiges Reduktionsgas zugeführt, so erfolgt zu einem hohen Prozentsatz eine Umsetzung von NOx zu NH3.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zwischen- speicherung von NOx und die NOx-Umsetzung zu NH3 mit einem katalytischen NOx-Zwischenspeicher durchgeführt. Der kataly- tische NOx-Zwischenspeicher verfügt hierzu vorzugsweise über eine NH3-Bildungsfunktion, derart, dass gespeichertes N0X unter reduzierenden oder stöchiometrischen Bedingungen zumindest teilweise zu NH3 reduziert wird. Ein derartiges Verhalten zeigen beispielsweise NOx-Speicherkatalysatoren, die hier vorzugsweise eingesetzt werden. Durch die in einem katalytischen Bauteil integrierten Funktionen der NOx-Zwischenspei- cherung und der NH3-Bildung kann eine kompakte Bauweise der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erreicht werden.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus : a) Erzeugung eines NOx-haltigen Gas von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten NOx-Erzeugungsstufe aus der NOx-Erzeugungsstufe zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, b) Erzeugung eines H2-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten und der NOx-Erzeugungsstufe nachgeschalteten H2-Erzeugungsstufe aus der H2-Erzeugungsstufe zugeführtem, im Verfahrensschritt a erzeugten NOx-haltigen Gases, zugeführtem Kraftstoff sowie zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas . Mit dieser erfindungsgemäßen Verfahrensführung erfolgt eine kontinuierliche Erzeugung „eines H2-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases und dessen Zufuhr zum NOx-Reduktionskataly- sator. Vorzugsweise weist die H2-Erzeugungsstufe einen Katalysator mit NH3-Bildungsfunktion auf, und es wird von der H2- Erzeugungsstufe ein H2-haltiges und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugt. Die H2-Abspaltung aus dem HC-haltigen Kraftstoff in der H2-Erzeugungsstufe und die Reduktion des beigegebenen NOx zu NH3 erfolgt im gleichen Prozess. Somit wird in einem Prozessschritt ein H- und NH3-haltiges .Reduktionsgas erzeugt. Dies vereinfacht in vorteilhafter Weise die Ausführung der Reduktionsmittelerzeugungseinheit .
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit zugeordneten Fraktioniereinheit ein an niedrigsiedenden Bestandteilen angereicherter Kraftstoff gewonnen, der der Reduktionsmittel- erzeugungseinheit zur Reduktionsgaserzeugung zugeführt wird. Die H2-Erzeugungsstufe wird dadurch mit niedermolekularen Kohlenwasserstoffen versorgt, wodurch dessen Eduktgasstrom besser homogenisiert wird, Verkokungen vermieden werden und die H2-Ausbeute gesteigert wird.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren ist der NOx- Reduktionskatalysator in eine Denox-Katalysatorstufe zur Umsetzung von NOx mit H2 und in eine SCR-Katalysatorstufe zur Umsetzung von N0X mit NH3 aufgeteilt, und das Reduktionsgas wird in Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung eingangssei- tig der SCR-Katalysatorstufe (3a) oder eingangsseitig der Denox-Katalysatorstufe (3b) dem Abgas zugeführt. Da die Katalysatorstufen unterschiedliche Temperaturbereiche ihrer Wirksamkeit aufweisen, und die von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugten Reduktionsmittel HC, H2, NH3 bei unterschiedlichen Temperaturen ihre optimale Wirkung besit- zen, kann damit in einem breiten Temperaturbereich eine hohe NOx-Verminderung im Abgas erzielt werden. Die Denox-Katalysatorstufe kann außerdem zur Reduktion von NOx mit HC ausgelegt sein was den Anwendungsbereich des Reduktionsgases erweitert.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Menge und/oder die Zusammensetzung des von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugten Reduktionsgases in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt. Vorzugsweise wird von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit bei mengenmäßig großer NOx-Emission der Brennkraftmaschine mehr Reduktionsgas bereitgestellt, als bei niedriger. Der Prozess der Reduktionsgaserzeugung wird vorzugsweise so gesteuert, dass die Wirkung des jeweiligen NOx-Reduktionskatalysators optimal ausgenützt wird. Bei niedriger Last der Brennkraftmaschine bzw. niedriger Abgastemperatur wird vorzugsweise ein H2-reiches Reduktionsgas erzeugt. Bei höherer Last der Brennkraftmaschine bzw. höherer Abgastemperatur wird die Reduktionsmittelerzeugungseinheit vorzugsweise so betrieben, dass das Reduktionsgas mehr NH3 enthält. Dadurch kann wiederum ein im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneter SCR-Katalysator mit höherem NOx-Umsatz betrieben werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittelerzeugungseinheit ,
Fig. 2 ein schematisches Blockbild eines Aufbaus einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit,
Fig. 3 ein schematisches Blockbild des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungs- einheit, Fig. 4 ein schematisches Blockbild des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungs- einheit,
Fig. 5 ein schematisches Blockbild des Aufbaus einer weiteren Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungs- einheit,
Fig. 6 ein schematisches Blockbild des Aufbaus einer Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit mit zugeordneter Fraktioniereinheit.
In Fig. 1 ist eine hier beispielhaft als vierzylindriger Dieselmotor ausgeführte Brennkraftmaschine 1 dargestellt . Im Folgenden wird vereinfachend von einem Motor gesprochen. Das im Verbrennungsprozess erzeugte Abgas wird über die Abgasleitung 2 in die Umgebung geleitet. In der Abgasleitung 2 ist ein hier beispielhaft die Katalysatorstufen 3a und 3b umfassender NOx-Reduktionskatalysator 3 angeordnet.
Die Katalysatorstufe 3a ist als SCR-Katalysator ausgeführt, mit welchem mit NH3 als Reduktionsmittel eine NOx-Verminde- rung unter mageren Abgasbedingungen erfolgt . Es kann ein SCR- Katalysator auf V205/W03/Ti02-Basis als Vollextrudat oder ein anderer für die NOx-Reduktion mit NH3 geeigneter Katalysator eingesetzt werden. Der Temperaturbereich der Wirksamkeit der Katalysatorstufe 3a liegt typischerweise zwischen 200° C und 400° C.
Die Katalysatorstufe 3b ist als Denox-Katalysator ausgeführt, mit welchem mit H2 und/oder HC als Reduktionsmittel eine NOx- Verminderung unter mageren Abgasbedingungen erfolgt. Eingesetzt wird vorzugsweise ein edelmetallhaltiger Katalysator, es kann jedoch auch ein Cu-ausgetauschter Zeolith oder ein anderer für die NOx-Reduktion mit H oder HC geeigneter Katalysator eingesetzt werden. Der Temperaturbereich der Wiksam- keit der Katalysatorstufe 3b' liegt mit H2 als Reduktionsmittel typischerweise zwischen 80° C und 200° C, mit HC als Reduktionsmittel zwischen 180° C und 400° C.
Zur Erzeugung der Reduktionsmittel H2 und/oder NH3 dient die dem Motor zugeordnete Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20. Zu diesem Zweck können ihr Kraftstoff bzw. Luft oder Abgas über die Kraftstoffzufuhrleitung 9 bzw. über die Gaszufuhrleitung 10 bedarfsgerecht zugeführt werden. Die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 verfügt über eine nicht dargestellte geregelte Beheizung, welche hauptsächlich zum Anfahren in Betrieb ist. Das von der Reduktionsmittelerzeugungs- einheit 20 erzeugte Reduktionsgas kann über die Zugabeleitung 8 und die Zugabestellen 4, 5 dem Abgas eingangsseitig der Katalysatorstufen 3a, 3b bedarfsgerecht zugegeben werden.
Der Motorbetrieb und der Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 wird von einem Motorsteüergerät 6 gesteuert, welches zu diesem Zweck über Steuerleitungen 7 mit dem Motor 1 bzw. mit der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 verbunden ist .
Selbstverständlich können dem Motor 1 oder der Abgasanlage weitere, Bauteile zugeordnet sein, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Insbesondere können dies weitere katalytische Reinigungseinheiten, ein Partikel- filter und Sensoren in der Abgasleitung 2 sowie übliche weitere Motorbestandteile wie Einspritzanlage, Abgasturbolader, Bauteile zur Abgasrückführung usw. sein. Ebenfalls nicht dargestellt sind schaltbare bzw. einstellbare Absperrorgane in der Zugabeleitung 8 und den Zufuhrleitungen 9, 10.
Die Reduktionsmitteleinheit 20 wird nun so betrieben, dass in Abhängigkeit von der NOx-Emission des Motors 1 Reduktionsgas erzeugt und eingangsseitig der Katalysatorstufen 3a und/oder 3b dem Abgas zugegeben wird. Hierzu verfügt das Motorsteuergerät 6 beispielsweise über Kennfelder, in denen die NOx- Emission in Abhängigkeit vom Motorbetriebpunkt abgelegt ist . Der Prozess der Reduktionsgaserzeugung wird vom Motorsteuergerät 6 gesteuert und überwacht, wobei das Motorsteuergerät 6 über alle notwendigen Informationen bezüglich der Reduktionsgaszusammensetzung und den Betriebszustand der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 verfügt.
Das Motorsteuergerät 6 steuert die Zugabemengen von Luft bzw. Abgas sowie Kraftstoff und den Betrieb der Reduktionsmittel- erzeugungseinheit 20 vorzugsweise so, dass bei niedriger Abgastemperatur Reduktionsgas hauptsächlich über die Zugabe- stelle 4 eingangs des Denox-Katalysators 3b dem Abgas zugeführt wird. Die Reduktionsgaserzeugung wird dabei so gesteuert, dass das Reduktionsgas überwiegend H2 als Reduktionsmittel enthält. Somit wird auch bei niedriger Abgastemperatur bzw. bei niedriger Temperatur der Katalysatorstufe 3b eine wirksame NOx-Verminderung des Motorabgases erreicht . Die Zugabemenge des Reduktionsgases wird dabei vom Motorsteuergerät 6 entsprechend des NOx-Gehalts des Abgases der Abgas- temperatur bzw. der Temperatur der Katalysatorstufe 3b sowie des H2-Gehalts des Reduktionsgases eingestellt. Vorzugsweise wird ein molares Verhältnis von etwa 3:1 von H2 : NOx eingangsseitig des Denox-Katalysators 3b eingestellt. Gerät bei steigender Abgastemperatur die Katalysatorstufe 3b aus dem Temperaturbereich ihrer Wirksamkeit, so wird die Zugabemenge an vorwiegend H-haltigem Reduktionsgas an der Zugabestelle 4 vermindert bzw. eingestellt. Gleichzeitig wird der Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit so umgestellt, dass sich ein erhöhter NH3-Anteil im Reduktionsgas ergibt und das Reduktionsgas an der Zugabestelle 5 eingangs der Katalysatorstufe 3a dem Abgas zugegeben. Da mit steigen- der Abgastemperatur der SCR-Katalysator der Katalysatorstufe 3a in zunehmendem Maße wirksam wird, erfolgt nun hauptsächlich an diesem Katalysator die N0X-Verminderung.
Bei noch weiter steigender Abgastemperatur kann auch der SCR- Katalysator der Katalysatorstufe 3a aus dem Temperaturbereich seiner Wirksamkeit geraten. In diesem Fall wird die Reduktionsgaserzeugung so umgestellt, dass von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 hauptsächlich gecrackter Kraftstoff mit kurzkettigen Kohlenwasserstoffen erzeugt wird. Dieses Reduktionsgas kann dann dem weiter stromab liegenden und damit weniger heißen Denox-Katalysator der Katalysatorstufe 3b zugeführt werden. An diesem Katalysator findet bei Temperaturen um etwa 300° C eine NOx-Reduktion mit diesen Kohlenwasserstoffen statt.
Es versteht sich, dass in der Abgasleitung 2 weitere hier nicht dargestellte Katalysatoren angeordnet sein können, denen ebenfalls über eine entsprechende Zugabestelle bei Bedarf Reduktionsgas zugeführt werden kann. Insbesondere kann zur Emissionsminderung bei einem Kaltstart des Motors 1 H2- haltiges Reduktionsgas eingangs eines motornah angeordneten Startkatalysators ins Abgas zudosiert werden. Damit kann eine rasche Aufheizung des Startkatalysators erreicht werden. Folglich können auf diese Weise Schadstoffe bereits in einer frühen Phase des Motorwarmlaufs aus dem Abgas entfernt werden.
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer bevorzugten Ausführungsform. Die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 umfasst hier eine H2-Erzeugungsstufe 21, eine NOx-Erzeugungsstufe 22, einen NOx-Zwi- schenspeicher 23 und eine NH3-Erzeugungsstufe 24 in serieller Anordnung. Der H2-Erzeugungsstufe 21 ist Kraftstoff über die Kraftstoffzufuhrleitung 9 und Luft und/oder Abgas über die Gaszufuhrleitung 10 mengenreguliert zuführbar. Der NOx-Erzeu- gungsstufe 22 ist ebenfalls Luft und/oder Abgas über einen Abzweig der Gaszufuhrleitung 10 mengenreguliert zuführbar. Die zur Mengenregulierung eingesetzten Mittel sind hierbei nicht dargestellt.
Die dargestellte Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 wird vorzugsweise im Wechsel so betrieben, dass abwechselnd NH3 und/oder H2 erzeugt ird, oder NOx erzeugt wird. Zur Erzeugung von H2 wird die als katalytischer POX-Reaktor ausgeführte H2-Erzeugungsstufe 21 falls nötig zunächst mittels einer nicht dargestellten elektrischen Heizung auf Betriebstemperatur aufgeheizt. Die Betriebstemperatur des im POX-Reaktor angeordneten Katalysators beträgt dabei etwa 600° C bis 1000° C. Danach werden dem POX-Reaktor Kraftstoff und Luft bzw. Abgas in einem von dem Motorsteuergerät festgelegten Mengenstrom zugeführt. Dabei wird ein
Luft-/Kraftstoffverhältnis von vorzugsweise etwa λ = 0,3 eingestellt. Bei diesem Lambdawert läuft im POX-Reaktor die partielle Kraftstoffoxidation praktisch rußfrei ab. Reaktionsprodukt ist ein Reduktionsgas mit einer Zusammensetzung, die stark von der Prozessführung, d.h. hauptsächlich von der Temperatur des POX-Katalysators und vom eingestellten Luft- /Kraftstoffverhältnis, abhängt. Typische Gehalte der Reduktionsmittel H2 bzw. CO sind etwa 18 %. Das Reduktionsgas kann zusätzlich noch einen gewissen Gehalt an niedermolekularen Kohlenwasserstoffen aufweisen.
Dieses Reduktiσnsgas wird nun durch die NOx-Erzeugungsstufe 22 geleitet, welche in dieser Phase der Reduktionsgaserzeugung außer Betrieb ist. Nach Durchleitung durch die NOx-Er- zeugungsstufe 22 durchströmt das Reduktionsgas den NOx-Zwi- schenspeicher 23, welcher einen NOx-Adsorber enthält. Der NOx-Adsorber kann beispielsweise ein keramischer Wabenkörper sein, der mit einem Material beschichtet ist, welches bei oxidierenden Bedingungen NOx durch Adsorption bzw. Absorption aufnimmt und bei reduzierenden Bedingungen wieder abgibt . Dafür kommt beispielsweise ein NOx-Adsorbermaterial auf Silber-Basis in Frage. Falls der NOx-Zwischenspeicher 23 vor Durchströmen mit dem von der H2-Erzeugungsstufe 21 erzeugten Reduktionsgas mit N0X beladen worden ist, wird dieses folglich freigesetzt. Das mit N0X angereicherte Reduktionsgas wird weiter der NH3-Erzeugungsstufe 24 zugeführt. Diese enthält vorzugsweise einen Katalysator mit edelmetallhaltiger Beschichtung. Von diesem Katalysator wird die Reduktion des NOx zu NH3 katalysiert, so dass die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 schließlich ein NH3- und H2-haltiges Reduktionsgas über die Reduktionsgasleitung 8 verlässt und an einer der oder beiden Zugabestellen 4, 5 dem Abgas des Motors 1 zugegeben wird (vergl . Fig. 1) .
Kommt die NH3-Bildung, beispielsweise durch Erschöpfung der im NOx-Zwischenspeicher 23 gespeicherten NOx-Menge, zum Erliegen, so kann, falls dies erforderlich ist, der Betrieb der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 zur NOx-Erzeugung umgestellt werden. Zu diesem Zweck wird die Zufuhr von Luft bzw. Abgas sowie die Zufuhr von Kraftstoff zur H2-Erzeugungs- stufe 21 abgestellt. Daraufhin wird der NOx-Erzeugungsstufe 22 Luft und/oder Sauerstoffhaltiges Abgas zugeführt. In der NOx-Erzeugungsstufe 22 wird daraufhin beispielsweise ein Plasmaprozess gestartet oder ein elektrischer Lichtbogen oder eine Corona-Entladung gezündet. Durch einen derartigen Pro- zess wird in der Stickstoff- und sauerstoffhaltiger Atmosphäre der NOx-Erzeugungseinheit NOx erzeugt. Vorzugsweise wird ein NTP-Prozess (NTP = nichtthermisches Plasma) gestartet und für die gewünschte Zeit der NOx-Brzeugung aufrechterhalten. Das mit diesem Prozess erzeugte N0X besitzt einen ho- hen N02-Anteil von typischerweise mehr als 50 %, was die nachfolgende Einspeicherung nach Zufuhr des Produktgases zum NOx-Zwischenspeicher 23 verbessert. Wie oben beschrieben, ist dieser in der Lage, das zugeführte NOx durch Adsorption oder Absorption aufzunehmen. Das von NOx befreite Gas wird weiter durch die NH3-Erzeugungsstufe geleitet, von wo es im Wesentlichen unverändert über die Reduktionsgasleitung 8 an einer der Zugabestellen 4, 5 dem Abgas des Motors 1 zugegeben wird (vergl . Fig. 1) . Ist der NOx-Zwischenspeicher 23 mit NOx gesättigt oder es ist aus anderen Gründen die Zufuhr von reduzierendem Gas zu einer Katalysatorstufe erforderlich, wird die NOx-Erzeugung beendet und die Erzeugung von reduzierend wirkendem Reduktionsgas wie oben beschrieben wieder vorgenommen.
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form. Die Bezeichnung und die Funktion der wirkungsgleichen Bauteile entspricht dabei der in Fig. 2. Im Vergleich zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform unterscheidet sich die in Fig. 2 dargestellte Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 durch die Vertauschung von H2-Erzeugungsstufe 21 und NOx- Erzeugungsstufe 22. Auch die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 wird vorzugsweise im Wechsel so betrieben, dass abwechselnd NH3 und/oder H erzeugt wird, oder NOx erzeugt wird. In den Betriebsphasen mit NOx-Erzeugung ist nun jedoch die H2-Erzeu- gungsstufe 21 außer Betrieb und das NOx-haltige Produktgas der NOx-Erzeugungsstufe 22 durchströmt die H2-Erzeugungsstufe 21. Dabei kann in der erhitzten H2-Erzeugungsstufe 21 eine Regeneration von eventuell durch den Crackprozess verursachten Verkokungen erfolgen, was die Funktionsfähigkeit des POX- Katalysators verbessert. Analog zur Funktion der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird im NOx-Zwischenspeicher 23 dem Gas NOx durch Speicherung entzogen. Nach Umstellen des Betriebs der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 durch Beendigung der NOx-Erzeugung und Inbetriebnahme der H2-Erzeugungsstufe 21 durchströmt reduzierendes, H2-haltiges Reduktionsgas den NOx-Zwischenspeicher 23 wobei, wie oben beschrieben, die Freisetzung des gespeicherten NOx erfolgt. In der nachgeschalteten NH3-Erzeugungsstufe 24 findet daraufhin eine Umsetzung des gespeicherten NOx zu NH3 statt und das Reduktionsgas wird mit NH3 angereichert. Das erzeugte Reduktionsgas wird, wie weiter oben beschrieben, bedarfsgerecht eingangs einer Katalysatorstufen in die Abgasleitung eingespeist.
Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form. Analog zu den Ausführungsformen der Fig. 2 und Fig. 3 wird auch diese Variante im Wechsel betrieben. Die Unterschiede im Aufbau und in der Wirkungsweise im Vergleich zu den Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 werden nachfolgend erläutert. Der N0X-Erzeugungsstufe 22 ist hier eine NOx-Spei- cherkatalysatorstufe 26 nachgeschaltet, welche gleichzeitig die Funktion der NOx-Zwischenspeicherung und der NH3-Bildung erfüllt . Bei der Zuführung von reduzierendem Reduktionsgas aus der H2-Erzeugungsstufe 21 zur NOx-Speicherkatalysator- stufe 26 wird dort gespeichertes NOx freigesetzt und gleichzeitig zu NH3 reduziert. Dieser, bei üblichen NOx-Speicherkatalysatoren auftretende Effekt kann somit in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden. Vorzugsweise wird in der Stufe 26 ein N0X-Speichermaterial eingesetzt, welches in Bezug auf die NH3-Bildung beispielsweise durch einen erhöhten Rhodiumgehalt optimiert ist. Eine weitere Vereinfachung wird dadurch erreicht, dass der N0X-Erzeugungsstufe 22 das zur NOx-Erzeu- gung notwendige Gas über die H2-Erzeugungsstufe 21 zugeführt wird, weshalb auf einen Abzweig in der Gaszufuhrleitung 10 verzichtet werden kann. Im Vergleich zu den Ausführungsformen der Fig. 2 und Fig. 3 werden somit Bauteile eingespart, wodurch die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 einfacher ausgeführt werden kann.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form. Wie nachfolgend erläutert, kann diese Ausführungsform kontinuierlich betrieben werden, d.h. die NOx-Erzeugung und die NH3-Erzeugung können gleichzeitig erfolgen. Zu diesem Zweck ist eine Reaktorstufe 25 vorgesehen, in welcher gleichzeitig eine H2-Erzeugung, vorzugsweise durch einen katalytischen partiellen Oxidationsprozess, und eine Reduktion von aus der NOx-Erzeugungsstufe 22 zugeführtem NOx abläuft. Die NOx-Erzeugung wird dabei wie in den oben beschriebenen Aus- führungsformen vorgenommen. Das notwendige Eduktgas wird der NOx-Erzeugungsstufe 22 über die Gaszufuhrleitung 10 bedarfsgerecht zugeführt. Die Gaszufuhrleitung kann zusätzlich einen Abzweig zur Reaktorstufe 25 aufweisen. Der Reaktorstufe 25 wird kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoff über die Zufuhrleitung 9 zugeführt. Vorzugsweise wird beim Betrieb der Reaktorstufe 25 dort ein Luft-/KraftStoffVerhältnis von etwa λ = 0,3 eingestellt. Somit liegen einerseits für die H2-Erzeugung durch partielle Oxidation und andererseits für die Reduktion von N0X zu NH3 thermodynamisch die bevorzugte Verhältnisse vor, so dass in einem Prozess sowohl H2 als auch NH3 erzeugt werden können. Das Mengenverhältnis dieser beiden Komponenten kann dabei bedarfsgerecht durch entsprechende Einstellung von der Reaktorstufe 25 zugeführtem Kraftstoff bzw. NOx eingestellt werden.
Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 in einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form. Die Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 enthält analog zu der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform eine der NOx- Erzeugungsstufe 22 nachgeschaltete H2-Erzeugungsstufe 21. Die weiter nachgeschaltete NOx-Speicherkatalysatorstufe 26 dient der NOx-Zwischenspeicherung und der NH3-Erzeugung. Die Anlage wird vorzugsweise im Wechsel von NOx-Erzeugungsphasen und H2- bzw. NH3-Erzeugungsphasen betrieben. Zur NOx-Erzeugung wird die NOx-Erzeugungsstufe 22 mit Luft und/oder Abgas über die Gaszufuhrleitung 10 versorgt. Über einen Abzweig kann der H2- Erzeugungsstufe 21 ebenfalls Luft und/oder Abgas zugeführt werden. Der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 ist ferner eine Fraktioniereinheit 27 zugeordnet, in welcher aus dem für den Motorbetrieb vorgesehenen Kraftstoff niedrigsiedende Bestandteile in einem Fraktionierprozess abgetrennt werden. Zu diesem Zweck wird die Fraktioniereinheit 27 über die Kraftstoffzufuhrleitung 9 mit Kraftstoff aus dem hier nicht dargestellten Vorratsgefäß des Motors versorgt . Über die Rückführleitung 9b wird der an niedrigsiedenden Bestandteilen abge- reicherte Kraftstoff wieder zurückgeführt. Die abgetrennten niedrigsiedenden Kraftstoffbestandteile werden zur H2-Erzeu- gungs der H2-Erzeugungsstufe 21 über die Kraftstoffzufuhrleitung 9a zugeführt. Durch die Tatsache, dass die H2-Erzeu- gungsstufe 21 mit niedrigsiedenden Kohlenwasserstoffen betrieben wird, kann die H2-Erzeugung mit größerer Ausbeute erfolgen und die Gefahr einer Verkokung des POX-Katalysators vermindert werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die niedrig-siedenden Kraftstoffbestandteile im Bedarfsfall nur gering aufzubereiten und dem mageren Abgas eingangseitig eines Denox-Katalysators zuzugeben. Dadurch kann im Temperaturbereich von etwa 200° C bis 350° C eine wirksame NOx-Ver- minderung erzielt werden. Zur Erhöhung der H2-Ausbeute bei der Reduktionsgaserzeugung kann der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 generell zusätzlich Wasser zugeführt werden. Das Wasser kann hierbei einem Vorratsbehälter des zugehörigen Fahrzeugs entnommen werden oder durch Auskondensieren aus dem Motorabgas gewonnen werde. Das Wasser kann beispielsweise für einen Steam-Reformingprozess in der H-Erzeugungsstufe 21 genutzt werden. Dies hat neben der Erhöhung des H2-Gehalts im erzeugten Reduktionsgas zusätzlich den Vorteil, dass dieser endotherme Prozess die Wärme- und Energiebilanz der H2-Erzeugung verbessert . Außerdem wird ein größerer Spielraum beim Temperaturmanagement der H2-Erzeugungsstufe 21 und der gesamten Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 gewonnen. Das Wasser kann jedoch auch einer der H2-Erzeugungsstufe 21 nachgeschalteten Wassergasshiftstufe zugeführt werden. Das dadurch an H2 angereicherte Reduktionsgas besitzt eine höhere Selektivität bei der NH3-Erzeugung und bei der NOx-Reduzierung an einem Denox-Katalysator. Zugleich wird der CO-Gehalt im Reduktions- gas vermindert, was einer Vergiftung des Denox-Katalysators durch CO-Belegung aktiver katalytischer Zentren vorbeugt .
Es versteht sich, dass der Reduktionsmittelerzeugungseinheit 20 ferner Wärmetauscher zugeordnet sein können, um die Wärme- und Energiebilanz des Gesamtprozesses und die Prozessführung zu verbessern. So kann beispielsweise zur Vorwärmung der zugeführten Luft bzw. des zugeführten Abgases ein Wärmetauscher in der Gaszufuhrleitung 10 vorgesehen sein. Es können jedoch auch Wärmetauscher in der Reduktionsmittelerzeugungs- einheit 20 vorgesehen sein, beispielsweise um den Wärmeinhalt des heißen Produktgasstroms der H2-Erzeugungs-stufe oder der NH3-Erzeugungsstufe zur Vorwärmung des Eduktgases einer vorgelagerten Stufe zu nutzen.

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, mit einer Abgasleitung (2) , in welcher ein NOx-Reduktions- katalysator (3) angeordnet ist und mit einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zur Erzeugung eines H2-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases, welches stromaufwärts des NOx-Reduktionska- talysators (3) in die Abgasleitung (2) zugebbar ist, wobei der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) ein HC-haltiger Kraftstoff sowie Luft und/oder Abgas zuführbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) eine NOx- Erzeugungsstufe (22) und eine H2-Erzeugungsstufe (21; 25) in serieller Anordnung auf eist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die NOx-Erzeugungsstufe (22) der H2~ Er zeugungs stufe (21; 25) nachgeschaltet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die NOx-Erzeugungsstufe (22) der H2 -Erzeugungsstufe (21; 25) vorgeschaltet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der NOx-Erzeugungsstufe (22) eine NH3-Erzeugungs- stufe (24; 25; 26) nachgeschaltet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) eine Fraktioniereinheit (27) zugeordnet ist, derart, dass von der Fraktioniereinheit (27) niedrigsiedende Bestandteile eines zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) eingesetzten Kraftstoffs abtrennbar sind, welche der H2-Erzeugungs- stufe (21; 25) zuführbar sind.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , die Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) im zeitlichen Wechsel in zwei Betriebsarten betreibbar ist, derart, dass in der ersten Betriebsart von der NOx-Erzeugungsstufe (22) ein NOx-haltiges Gas erzeugbar ist und in der zweiten Betriebsart von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) ein H2-haltiges und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugbar ist .
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der NOx-Erzeugungsstuf e (22) ein NOx-Zwischenspeicher (23; 26) nachgeschaltet ist.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der NOx-Zwischenspeicher (26) zur Umsetzung von gespeichertem NOx mit H2 zu NH3 ausgelegt ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die H2-Erzeugungsstufe' (21; 25) zur Umsetzung von zugeführtem NOx zu NH3 ausgelegt ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die NOx-Erzeugungsstufe (22) zur Erzeugung von NOx aus Luft/und oder sauerstoffhaltigem Abgas ausgelegt ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der NOx-Reduktionskatalysator (3) eine Denox-Katalysatorstufe (3b) zur Umsetzung von NOx mit H2 und eine SCR-Katalysatorstufe (3a) zur Umsetzung von NOx mit NH3 aufweist.
12. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, , insbesondere eines Dieselmotors, mit einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) und mit einer Abgasleitung (2) , in welcher ein NOx-Reduktions- katalysator (3) angeordnet ist, wobei ein von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) erzeugtes Reduktionsgas stromaufwärts des NOx-Reduktions- katalysators (3) dem Abgas zugegeben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Reduktionsgaserzeugung folgende Verfahrensschritte umfasst : a) Erzeugung eines NOx-haltigen Gas von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten NOx-Erzeu- gungsstufe (22) aus der NOx-Erzeugungsstufe (22) zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, b) Zwischenspeieherung von NOx bei der Durchleitung des im Verfahrensschritt a erzeugten NOx-haltigen Gases durch einen der NOx-Erzeugungsstufe (22) nachgeschalteten und der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten NOx-Zwischenspeicher (23; 26), c) Erzeugung eines H2-haltigen Gases von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten und dem NOx- Zwischenspeicher (23; 26) vorgeschalteten H2-Erzeugungs- stufe (21) aus der H2-Erzeugungsstufe (21) zugeführtem Kraftstoff sowie zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, d) Umsetzung von im NOx-Zwischenspeicher (23; 26) gespeicherten NOx mit dem im Verfahrensschritt c erzeugten Gas zu NH3, so dass ein H2-haltiges und NH3-haltiges Reduktionsgas erzeugt wird, wobei die Verfahrensschritte a und b mit den Verfahrensschritten c und d in zeitlichem Wechsel durchgeführt werden.
13. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit einer Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) und mit - einer Abgasleitung (2) , in welcher ein NOx-Reduktions- katalysator (3) angeordnet ist, wobei ein von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) erzeugtes Reduktionsgas stromaufwärts des NOx-Reduktions- katalysators (3) dem Abgas zugegeben wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Reduktionsgaserzeugung folgende Verfahrensschritte umfasst : a) Erzeugung eines NOx-haltigen Gas von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten NOx-Erzeu- gungsstufe (22) aus der NOx-Erzeugungsstufe (22) zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas, b) Erzeugung eines H-haltigen und NH3-haltigen Reduktionsgases von einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit
(20) zugeordneten und der NOx-Erzeugungsstufe (22) nachgeschalteten H2-Erzeugungsstufe (21) aus der H2-Erzeu- gungsstufe (21) zugeführtem, im Verfahrensschritt a erzeugten NOx-haltigen Gases, zugeführtem Kraftstoff sowie zugeführter Luft und/oder zugeführtem Abgas . -14. Verfahren nach Anspruch 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die NOx-Umsetzung zu NH3 in einer der Reduktionsmittel- erzeugungseinheit (20) zugeordneten, dem NOx-Zwischenspeicher (23) nachgeschalteten katalytischen NH3-Erzeugungs- stufe (24) durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zwischenspeicherung von NOx und die NOx-Umsetzung zu NH3 mit einem katalytischen NOx-Zwischenspeicher (26) durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einer der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zugeordneten Fraktioniereinheit (27) ein an niedrigsiedenden Bestandteilen angereicherter Kraftstoff gewonnen wird, der - der Reduktionsmittelerzeugungseinheit (20) zur Reduktionsgaserzeugung zugeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der NOx-Reduktionskatalysator (3) in eine Denox-Katalysatorstufe (3b) zur Umsetzung von NOx mit H2 und in eine SCR-Katalysatorstufe (3a) zur Umsetzung von NOx mit NH3 aufgeteilt, und das Reduktionsgas in Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung eingangsseitig der SCR-Katalysatorstufe (3a) oder eingangsseitig der Denox-Katalysatorstufe (3b) dem Abgas zugeführt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Menge und/oder die Zusammensetzung des von der Reduktionsmittelerzeugungseinheit erzeugten Reduktionsgases in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt wird.
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