WO2012084156A1 - Verbrennungskraftmaschine und verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

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WO2012084156A1
WO2012084156A1 PCT/EP2011/006363 EP2011006363W WO2012084156A1 WO 2012084156 A1 WO2012084156 A1 WO 2012084156A1 EP 2011006363 W EP2011006363 W EP 2011006363W WO 2012084156 A1 WO2012084156 A1 WO 2012084156A1
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fuel
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Rolf Miebach
Stephan Schraml
Markus Müller
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Deutz Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine and a method for operating the same.
  • the invention has for its object to provide an internal combustion engine with evaporator device or a method for operating such an internal combustion engine with evaporator device in an exhaust system, in particular in front of an SCR catalyst, which manage without additional reducing agent.
  • This object is achieved in that a delivery device for an evaporative liquid is inserted into the exhaust pipe of a burner.
  • the corresponding method is characterized in that the burner provides a basic thermal power, the lower limit of which is predetermined by the provision of a sufficient amount of energy for the vaporization of an amount of vapor liquid introduced into the exhaust gas line.
  • the embodiment of the invention is characterized in that the evaporator device can be used for any liquid to be evaporated.
  • the liquid is a fuel
  • it is preferably the same fuel, for example diesel fuel, which is also injected with the supply device of the burner.
  • a gaseous fuel for example natural gas
  • the separate introduction of the additional burner Stoffs on the introduction device has the advantage that in contrast to the prior art, for example, a required amount of fuel for a process must not be supplied through the supply device of the burner, but downstream of the burner, a subset of the total required fuel as "secondary fuel quantity" is supplied , This secondary fuel quantity is then finally processed in a completely controlled manner and / or burned.
  • an orifice of the introduction device in the exhaust pipe has an atomizing nozzle, in particular a pressure atomizing nozzle or an air atomizing nozzle.
  • the introduction device can also be designed as an air Stromzerstäuberdüse. The Heilstromzerstäuberdüse is operated so that the evaporation liquid is introduced with a small amount of air into the exhaust pipe. If the evaporative liquid is fuel, for example, during normal operation of an air atomizing nozzle, 20 l of air / min. and 2 cm 3 / min.
  • a venturi device is arranged in the exhaust gas line in the region of an opening of the introduction device. This causes a rapid mixing of the successive partial flows of exhaust gas and vaporized liquid.
  • the burner with the combustion chamber, the exhaust pipe and the introduction device are integrated in a housing and the housing is adapted to the exhaust pipe.
  • a construction unit is provided which can be attached to various exhaust pipes.
  • the housing can ideally be designed such that, when used on an internal combustion engine, it is preferably connected to the exhaust gas system near the engine, for example directly behind the exhaust manifold or an exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine. can be built.
  • the exhaust pipe protrudes with at least one outlet into the exhaust pipe. This ensures a good mixing of the coincident gas streams.
  • the exhaust pipe is preferably concentrically introduced into the exhaust pipe so that the outlet from the exhaust pipe in the flow direction of the process exhaust stream, so for example, the engine exhaust gas flow is arranged.
  • the burner exhaust gas is controlled cooled (at a supply in the flow direction before the mouth of the introduction), in the form that enough power for evaporation of the evaporating liquid is still provided, but its ignition (if the evaporative liquid is fuel) is prevented.
  • the supply can also take place in the region of the mouth or in the flow direction behind the mouth.
  • the chemical reactions of the evaporating liquid with the burner exhaust gas and / or the process exhaust gas can be promoted or prevented as may be required.
  • the exhaust aftertreatment device comprises a nitrogen oxide selectively catalytically reducing catalyst and / or an oxidation catalyst and / or at least one particle filter.
  • Each of the catalysts or the catalyst particle filter systems can be operated with the evaporation device according to the invention alone or in any desired combination, as will be explained in detail below in connection with the method of operation.
  • the present invention includes an evaporator unit having the property of converting diesel fuel into other (ideally short chain) hydrocarbons, this particular HC mix providing high NOx conversion rates on the downstream SCR catalyst as illustrated in FIG.
  • the constructive embodiments described above are used to implement the following described further embodiment of the invention Betreibungs vides useful.
  • the burner is operated in a lambda range of 0.75 to 1.75, preferably 1.
  • the burner is designed such that it can be operated in a power range up to 20 kW, preferably up to 15 kW and very preferably up to 5 kW. It is an object of the invention to operate the burner with the lowest possible power, because then in particular the required air conveyor for the supply of (combustion) air can be relatively easily configured. Furthermore, by the inventive method in a general form evaporating liquid (optionally with the direct addition of a subset of process exhaust gas) is evaporated by the burner exhaust gas and passed together with the burner exhaust gas and the total amount of process exhaust gas in the exhaust gas aftertreatment device to cause the provided there SCR reaction.
  • a temperature of up to 650 ° C is generated by the oxidation of the vaporized fuel, which is needed for the regeneration of particulate filters.
  • different vapor liquids, in particular fuel can be introduced into the exhaust pipe via one or more introduction devices. With only one introduction device, the supply of the evaporative liquid is alternately controlled via a corresponding switching device, while in two existing introduction devices, the switching device is not needed.
  • an alternate supply of vaporized liquid normally takes place an alternate supply of vaporized liquid.
  • This alternating supply can be advantageously used, for example, if the oxidation catalyst is a general-purpose vanadium-containing catalyst in particular, which is also suitable for assisting the selective catalytic reduction of NO x.
  • the oxidation catalyst is alternately used for different functions.
  • a partial amount of the fuel quantity introduced and vaporized as evaporating liquid is oxidized with the release of heat within the exhaust gas line and / or the location of the merging with the process exhaust gas.
  • the total thermal power can be increased so far with a minimum set burner power that a safe commissioning of a catalyst takes place.
  • an oxidation catalytic converter In order to start its activity, that is to say a catalytic reaction of the
  • an oxidation catalytic converter must reach a predetermined minimum temperature, for example 300 ° C. This temperature is achieved by summing the burner output and the power generated by the burned subset.
  • the oxidized subset of the evaporated fuel quantity is kept at least approximately constant independently of the total amount of fuel evaporated. In this case, it is further envisaged to end the partial conversion after exceeding a limit quantity of the partially converted fuel quantity and to evaporate the total fuel mass as a whole.
  • An alternative embodiment provides an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device, which consists in the flow direction of the exhaust gas of the following components:
  • Burners having an evaporator device for generating heat and for providing substances, which substances in the subsequent catalysts support desired reactions, from an SCR catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides and optionally an oxidation catalyst and a particle filter or a catalytic converter. lytically coated particulate filter.
  • the said substances are produced by evaporation of an evaporating liquid.
  • the substances are produced by evaporation and by chemical reactions of the evaporative liquid with the burner exhaust gas and / or the Process exhaust or the exhaust gas of the internal combustion engine (VKM) generated.
  • the vaporization liquid preferably consists of the same fuel that is also injected with the supply device of the burner.
  • the vaporous liquid is diesel fuel or biodiesel fuel.
  • the generated substances are used in an SCR catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides.
  • the SCR catalytic converter is followed by an oxidation catalytic converter in the flow direction of the exhaust gas.
  • the oxidation catalyst is followed by a particle filter or a catalytically coated particle filter in the flow direction of the exhaust gas.
  • the vaporization liquid is the same fuel that is also injected with the supply device of the burner, it is oxidized in the oxidation catalyst and / or in a catalytically coated particle filter and thus generates the temperatures required for regeneration of the particle filter, preferably in such a way that always a catalytically coated filter is included in the exhaust tract.
  • an uncoated filter is provided.
  • a special HC mix is provided from entrained diesel fuel through the burner / evaporator unit. Burner / evaporator acts as a reformer.
  • FIG. 1 shows a burner-A steam generator unit with SCR catalyst
  • Figure 2 shows the experimental setup for sampling the vaporized
  • FIG. 3 shows the exemplary temperature profile before / after DOC during a thermal regeneration of the DPF
  • Figure 4 shows the chemical composition of the gas sample at the time of the maximum secondary fuel amount
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 with an exhaust tract 2.
  • a housing 15 in which a burner or an evaporator 3 and a metering device 4 are arranged.
  • the burner and / or the evaporator 3 are preferably operated with the same fuel or evaporator material, in particular diesel fuel.
  • the burner and / or evaporator 3 and the metering device 4 arranged in the flow direction are connected to the control or control unit 5.
  • the fuel supply unit 6, which supplies fuel to both the burner and / or evaporator 3 and the metering device 4, is connected to the control unit 5.
  • the burner and / or evaporator 3 has an air supply unit 7, which is connected to the control or control unit 5.
  • an SCR catalytic converter 10 Downstream of the housing 15, an SCR catalytic converter 10 is arranged in the exhaust tract 2.
  • a pressure or temperature measuring sensor 8 In the flow direction in front of the SCR catalytic converter 10, a pressure or temperature measuring sensor 8 is arranged.
  • a pressure or temperature measuring sensor 9 is installed in the flow direction of the exhaust gas after the SCR catalyst 10.
  • the pressure or temperature measuring sensors 8, 9 are connected to the control or control unit 5.
  • an air mass sensor 1 1 is arranged, which is connected to the control or control unit 5.
  • the exhaust aftertreatment system (EATS) will consist of either an EGR in combination with DPF and upstream DOC or an SCR system to reduce nitrogen oxides.
  • EGR exhaust aftertreatment system
  • SCR SCR system
  • the thermal performance of the first stage is designed so that the DOC's light-off temperature of about 300 ° C, which serves as a catalytic burner for the thermal regeneration of a DPF, in the entire engine map in all environments - and operating conditions is achieved.
  • the atmospheric diesel burner is operated stoichiometrically with a turbulent premix flame, the flame stabilization being achieved by means of a swirl flow and a recirculation vortex.
  • the mixture formation takes place with a Lucaszerstäuberdüse, which is used at the same time for the swirl generation within the combustion chamber.
  • the design of the atomizer nozzle and the dimensioning of the combustion chamber allow the operation of the diesel burner in a power range of 8 to 15 kW.
  • An electric air pump with speed control provides the required combustion air.
  • a hot film sensor is used.
  • the air supply to the burner is designed so that on the one hand the ignition components are cooled and on the other hand, a combustion air preheating is realized, which ensures an increase in combustion stability.
  • a burner head cooling with cooling water can be achieved in this case that the complete burner power is available for heating the exhaust gas and is not dissipated via the coolant.
  • the fuel is supplied by means of an extended metering module, wherein an additional metering valve is installed for the fuel supply of the first burner stage.
  • the ignition system of the burner consists of two main components. Centrally to the swirl atomizing nozzle, a glow plug for the evaporation of the fuel is arranged and in the combustion chamber rear wall two spark plugs are installed, which allow a continuous spark ignition. With this configuration, a reliable ignition can be realized even with highly unsteady engine operation and in extreme cold weather conditions down to -25 ° C as well as for biodiesel mixtures up to 30%.
  • diesel fuel is metered into the exhaust gas of the first stage, so that it evaporates in the very hot oxygen-poor exhaust gas, but is hardly oxidized.
  • an evaporator tube is installed directly at the burner outlet, which is dimensioned so that the spray injected sufficient residence time for complete evaporation is available, thus allowing an ideal treatment for the catalytic oxidation.
  • Spray generation is assisted by air to generate the necessary fine droplets.
  • the burner gas is mixed with the engine exhaust gas and the subsequent oxidation of the vaporized hydrocarbons in the DOC.
  • the metering amount of the second stage serves as a control variable for the regeneration temperature.
  • a sufficiently large drop surface and residence time of the droplets in the evaporator tube are available to process about 150 g of diesel fuel per minute.
  • the main advantage of the complete evaporation of the diesel fuel in the second burner stage is that on the one hand vaporized diesel fuel has very good transport properties. In this case, without further application onsaufwand realize very different pipe guide. On the other hand, a homogeneous distribution of hydrocarbons on the catalyst surface is guaranteed. This leads to very low radial temperature gradients in the catalyst, which has a positive effect on the thermo-mechanical loading of the catalyst and thus on the durability.

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Abstract

Beschrieben wird eine Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend wenigstens einen Abgastrakt (2), wenigstens einen Brenner und/oder Verdampfer (3), wenigstens eine Dosiervorrichtung (4), wenigstens eine Regel- bzw. Steuerungseinheit (5) und eine mit dem Brenner und/oder Verdampfer (3) kommunizierende Kraftstoffversorgungseinheit (6) sowie wenigstens einen SCR-Katalysator (10).

Description

Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen bzw. Verfahren sind zum Beispiel bekannt aus der DE 10 2005 039 630 A1. Daran ist nachteilig, dass man immer zusätzliches Reduktionsmittel wie z. B. NH3 mitführen muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine mit Verdampfereinrichtung beziehungsweise ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Verbrennungskraftmaschine mit Verdampfereinrichtung in einem Abgastrakt, insbesondere vor einem SCR-Katalysator anzugeben, die ohne zusätzliches Reduktionsmittel auskommen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in die Abgasleitung eines Brenners eine Einbringvorrichtung für eine Verdampfflüssigkeit eingesetzt ist. Das ent- sprechende Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Brenner eine thermische Grundleistung zur Verfügung stellt, deren Untergrenze durch die Bereitstellung einer ausreichenden Energiemenge zur Verdampfung einer über eine in die Abgasleitung eingebrachte Verdampfflüssigkeits- menge vorgegeben ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verdampfereinrichtung für eine beliebige zu verdampfende Flüssigkeit verwendet werden kann. Für den Fall, dass die Flüssigkeit ein Brennstoff ist, ist dieser bevorzugt der gleiche Brennstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, der auch mit der Versorgungsvorrichtung des Brenners eingespritzt wird. Grundsätzlich ist es aber möglich, zum Betreiben des Brenners auch einen gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zu verwenden. Die getrennte Einbringung des zusätzlichen.Brenn- Stoffs über die Einbringvorrichtung bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zum Stand der Technik eine für einen Prozess beispielsweise benötigte Brennstoffmenge nicht mehr insgesamt durch die Versorgungsvorrichtung des Brenners zugeführt werden muss, sondern stromabwärts des Brenners eine Teilmenge des insgesamt benötigten Brennstoffs als "Sekundärbrennstoffmenge" zugeführt wird. Diese Sekundärbrennstoffmenge wird dann letztendlich ganz kontrolliert aufbereitet und/oder verbrannt. Die entsprechenden möglichen Verfahrensvarianten werden nachfolgend im Zusammenhang mit den abhängigen Verfahrensansprüchen erläutert. In Weiter- bildung der Erfindung weist eine Mündung der Einbringvorrichtung in der Abgasleitung eine Zerstäuberdüse, insbesondere eine Druckzerstäuberdüse oder eine Luftstromzerstäuberdüse auf. Mit der Druckzerstäuberdüse wird die Verdampfflüssigkeit allein durch den Druck der Verdampfflüssigkeit zerstäubt. Alternativ kann die Einbringvorrichtung aber auch als Luft- Stromzerstäuberdüse ausgestaltet sein. Dabei wird die Luftstromzerstäuberdüse so betrieben, dass die Verdampfflüssigkeit mit einer geringen Luftmenge in die Abgasleitung eingebracht wird. Ist die Verdampfflüssigkeit Brennstoff, würde bei normalem Betrieb einer Luftstromzerstäuberdüse beispielsweise 20 I Luft/min. und 2 cm3/min. Brennstoff zur Bereitstellung eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisches gefördert werden, während mit der erfindungsgemäß betriebenen Luftstromzerstäuberdüse bis zu 100 cm3/min. Brennstoff gefördert werden. Ein derartig fettes Brennstoff- Luft- Gemisch ist primär nicht zündfähig. In weiterer Ausgestaltung ist in der Abgasleitung im Bereich einer Mündung der Einbringvorrichtung eine Venturi- einrichtung angeordnet. Diese bewirkt eine schnelle Vermischung der aufeinander treffenden Teilströme von Abgas und Verdampfflüssigkeit. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Brenner mit der Brennkammer, die Abgasleitung und die Einbringvorrichtung in ein Gehäuse integriert und das Gehäuse ist an das Abgasrohr adaptiert. Es wird somit eine Bau- einheit bereitgestellt, die an verschiedene Abgasrohre angebaut werden kann. Dabei kann das Gehäuse im Idealfall so ausgestaltet sein, dass dieses bei Anwendung an einer Brennkraftmaschine bevorzugt brennkraftma- schinennah, beispielsweise direkt hinter der Abgassammelleitung oder einem Abgasturbolader der Brennkraftmaschine, an das Abgassystem an- gebaut werden kann. In weiterer Ausgestaltung ragt die Abgasleitung mit zumindest einem Austritt in das Abgasrohr hinein. Dadurch wird eine gute Vermischung der zusammentreffenden Gasströme gewährleistet. Dazu ist die Abgasleitung bevorzugt konzentrisch in das Abgasrohr so eingeführt, dass der Austritt aus der Abgasleitung in Strömungsrichtung des Prozessabgasstroms, also beispielsweise des Brennkraftmaschinenabgasstroms, angeordnet ist. Dadurch wird eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Prozessabgases erreicht, was für eine schnelle Durchmischung des Gasgemischs aus Brennerabgas und Dampf (verdampfte Verdampfflüssig- keit) mit dem Prozessabgas sorgt. Dadurch kann eine Entzündung des Gasgemischs auch dann verhindert werden, wenn das Prozessabgas Sauerstoff enthält. Um das Auftreten chemischer Reaktionen im Bereich der Einleitung weiter zu unterbinden, können entsprechende Hilfsmittel, die dies unterstützen, vorgesehen sein. Solche mögliche Hilfsmittel sind bei- spielsweise eine Platte oder ein Kegel, die vor dem Austritt der Abgasleitung angeordnet sind, wobei die Kegelspitze zu dem Austritt der Abgasleitung hin ausgerichtet ist. Auch ist es vorgesehen, zusätzlich oder alternativ zur weiteren Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Austritts eine Strömungsverengung in dem Abgasrohr beispielsweise in Form einer Venturieinrichtung oder Venturidüse vorzusehen. Mit anderen Worten soll eine mögliche Reaktion des mit Verdampfflüssigkeit aufbereiteten Brennerabgases mit dem Prozessabgas gequencht werden. In Weiterbildung der Erfindung mündet in die Abgasleitung eine Prozessabgas führende Gasleitvorrichtung ein. Dadurch wird dem Brennerabgas und der Ver- dampfflüssigkeit Prozessabgas zugeführt. Dadurch wird das Brennerabgas (bei einer Zuführung in Strömungsrichtung vor der Mündung der Einleitvorrichtung) kontrolliert abgekühlt, und zwar in der Form, dass noch genügend Leistung zum Verdampfen der Verdampfflüssigkeit bereitgestellt wird, aber dessen Entzündung (falls die Verdampfflüssigkeit Brennstoff ist) verhindert wird. Die Zuführung kann aber auch im Bereich der Mündung oder in Strömungsrichtung hinter der Mündung erfolgen. Durch geeignete Wahl der beschriebenen Hilfsmittel können die chemische Reaktionen der Verdampfflüssigkeit mit dem Brennerabgas und/oder dem Prozessabgas je nach darf gefördert oder verhindert werden. Insbesondere durch Beeinflussung der Temperatur im Bereich der Einleitvorrichtung ist es möglich, durch Reaktionen der Verdampfflüssigkeit mit dem Brennerabgas gezielt Stoffe zu erzeugen, die in den nachfolgenden Katalysatoren gewünschte Reaktionen unterstützen. In weiterer Ausgestaltung weist die Abgasnachbehandlungs- einrichtung einen Stickstoffoxide selektiv katalytisch reduzierenden Katalysator und/oder einen Oxidationskatalysator und/oder zumindest einen Partikelfilter auf. Jeder der Katalysatoren beziehungsweise der Katalysator- Partikelfiltersysteme ist mit der erfindungsgemäßen Verdampfungseinrichtung allein oder in beliebiger Kombination betreibbar, wie im Einzelnen nachfolgend im Zusammenhang mit den Betreibungsverfahren erläutert wird. Die vorliegende Erfindung umfasst eine Verdampfereinheit, die die Eigenschaft besitzt, Dieselkraftstoff in andere (idealerweise kurzkettige) Kohlenwasserstoffe umzuwandeln, dieser besondere HC-Mix sorgt für hohe NOx-Konvertierungsraten auf dem nachgeschalteten SCR-Katalysator, wie er in Figur 1 dargestellt wird. Die zuvor beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen werden zur Umsetzung der nachfolgend beschriebenen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betreibungsverfahrens sinnvoll eingesetzt. So wird der Brenner in einem Lambda-Bereich von 0,75 bis 1 ,75, bevorzugt von 1 , betrieben. Weiterhin ist der Brenner so ausge- legt, dass er in einem Leistungsbereich bis 20 kW, bevorzugt bis 15 kW und ganz bevorzugt bis 5 kW, betreibbar ist. Es ist ein Ziel der Erfindung, den Brenner mit einer möglichst geringen Leistung zu betreiben, weil dann insbesondere die erforderliche Luftfördereinrichtung für die Zufuhr von (Verbrennungs-) Luft relativ einfach ausgestaltet sein kann. Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in einer allgemeinen Form Verdampfflüssigkeit (gegebenenfalls unter direkter Hinzufügung einer Teilmenge von Prozessabgas) durch das Brennerabgas verdampft und zusammen mit dem Brennerabgas und der Gesamtmenge des Prozessabgases in die Abgasnachbehandlungseinrichtung geleitet, um die dort vorgesehene SCR- Reaktion hervorzurufen. Bei der Anwendung in Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen, die mit Dieselbrennstoff betrieben werden und bei denen die Verdampfflüssigkeit Brennstoff ist, wird dieser zusammen mit dem Brennerabgas und dem Prozessabgas über das Abgasrohr einem Oxidationskatalysator und einem nachfolgenden Partikelfilter zugeführt und in dem Oxidationskatalysator und/oder in einem katalytisch beschichteten Partikelfilter oxidiert. Besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung ist es, dass die Oxi- dationsreaktion also erst in dem Oxidationskatalysator erfolgt und demzufolge erst hier die zur Regeneration des Partikelfilters notwendigen Tempe- raturen erzeugt werden. Würde, wie dies bei dem zum Stand der Technik beschriebenen System erfolgt, der eingespritzte Brennstoff bereits am Ort der Einbringung in die Abgasleitung entzündet, wäre dies mit einer höheren thermischen Belastung des gesamten Abgassystems verbunden und es müssten beträchtliche Wärmeverluste durch größere Kraftstoff mengen aus- geglichen werden. In dem Oxidationskatalysator wird durch die Oxidation des verdampften Brennstoffs beispielsweise eine Temperatur von bis zu 650 °C erzeugt, die zur Regeneration von Partikelfiltern benötigt wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können unterschiedliche Verdampfflüssigkeiten, insbesondere Brennstoff, über eine oder mehrere Einbring- Vorrichtungen in die Abgasleitung eingebracht werden. Bei nur einer Einbringvorrichtung erfolgt die Zufuhr der Verdampfflüssigkeit wechselweise gesteuert über eine entsprechende Umschalteinrichtung, während bei zwei vorhandenen Einbringvorrichtungen die Umschalteinrichtung nicht benötigt wird. Auch in diesem Fall erfolgt normalerweise eine wechselweise Zufuhr von Verdampfflüssigkeit. Diese wechselweise Zufuhr ist beispielsweise vorteilhaft einsetzbar, wenn der Oxidationskatalysator ein insbesondere Vanadium enthaltender Mehrzweckkatalysator ist, der auch geeignet ist, die selektive katalytische Reduktion von NOx zu unterstützen. In diesem Fall wird der Oxidationskatalysator wechselweise für unterschiedliche Funktionen eingesetzt. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, einen Oxidationskatalysator und, getrennt davon, einen eine selektive katalytische Reduktion von NOx bewirkenden Katalysator vorzusehen. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Teilmenge der als Verdampfflüssigkeit eingebrachten und verdampften Brennstoffmenge unter Freiset- zung von Wärme innerhalb der Abgasleitung und/oder dem Ort der Zusammenführung mit dem Prozessabgas oxidiert. Dadurch kann die thermische Gesamtleistung bei minimal eingestellter Brennerleistung so weit erhöht werden, dass eine sichere Inbetriebsetzung eines Katalysators erfolgt. Um seine Aktivität zu starten, also um eine katalytische Reaktion des einge- brachten verdampften Kraftstoff zu starten, muss beispielsweise ein Oxida- tionskatalysator eine vorgegebene Mindesttemperatur, beispielsweise 300 °C, erreichen. Diese Temperatur wird durch die Summation der Brennerleistung und der Leistung, die durch die verbrannte Teilmenge erzeugt wird, erreicht. In weiterer Ausgestaltung wird die oxidierte Teilmenge der verdampften Brennstoffmenge unabhängig von der gesamten verdampften Brennstoffmenge zumindest angenähert konstant gehalten. Dabei ist es weiterhin vorgesehen, nach Überschreitung einer Grenzmenge der teilumgesetzten Brennstoffmenge die Teilumsetzung zu beenden und die Brenn- Stoffgesamtmenge insgesamt zu verdampfen. Diese unterschiedlichen Wirkungen werden durch eine strikte Kontrolle des Verbrennungsluftverhältnisses in dem Brenner und/oder eine strikte Kontrolle der Menge der im Fall der Verwendung einer Luftstromzerstäuberdüse zugeführten Zerstäubungsluft für die Luftstromzerstäuberdüse erreicht. Weitere Einflussgrößen sind der Ort der Anbringung der Mündung der Einbringvorrichtung und die Zufuhr einer Teilmenge von Prozessabgas (zur Kühlung des Brennerabgases und folglich der Verdampfflüssigkeit), ebenfalls unter Berücksichtigung des Zufuhrortes. Eine alternative Ausgestaltung sieht eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung vor, die in Strömungsrichtung des Abgases aus den folgenden Komponenten besteht:
Brenner mit einer Verdampfereinrichtung, die zur Wärmeerzeugung und zur Bereitstellung von Stoffen dienen, wobei diese Stoffe in den nachfolgenden Katalysatoren gewünschte Reaktionen unterstützen, aus einem SCR-Kata- lysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden sowie fakultativ einem Oxidationskatalysator und einem Partikelfilter oder einem kata- lytisch beschichteten Partikelfilter.
Die besagten Stoffe werden durch Verdampfung einer Verdampfflüssigkeit erzeugt. Die Stoffe werden durch Verdampfung und durch chemische Reaktionen der Verdampfflüssigkeit mit dem Brennerabgas und/oder dem Prozessabgas bzw. dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (VKM) erzeugt.
Die Verdampfflüssigkeit besteht vorzugsweise aus dem gleichen Brenn- Stoff, der auch mit der Versorgungseinrichtung des Brenners eingespritzt wird. Die Verdampfflüssigkeit ist Dieselkraftstoff oder Biodieselkraftstoff. Die erzeugten Stoffe werden in einem SCR Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden eingesetzt. Dem SCR Katalysator wird in Strömungsrichtung des Abgases ein Oxidati- onskatalysator nachgeschaltet.
Dem Oxidationskatalysator wird in Strömungsrichtung des Abgases ein Partikelfilter oder ein katalytisch beschichteter Partikelfilter nachgeschaltet.
Ist die Verdampfflüssigkeit der gleiche Brennstoff, der auch mit der Versorgungseinrichtung des Brenners eingespritzt wird, so wird dieser in dem Oxidationskatalysator und/oder in einem katalytisch beschichteten Partikelfilter oxidiert und damit die zur Regeneration des Partikelfilters notwen- digen Temperaturen erzeugt, vorzugsweise so, dass immer ein katalytisch beschichteter Filter im Abgastrakt enthalten ist. In einer alternativen Ausgestaltung ist auch ein unbeschichteter Filter vorgesehen.
Weitere Vorteile der Erfindung sind nachfolgend aufgeführt:
- Es sind hohe NOx-Umsatzraten darstellbar.
Es ist keine Bereitstellung eines zweiten Betriebsmittels erforderlich. Ein besonderer HC-Mix wird aus mitgeführtem Dieselkraftstoff durch die Brenner/Verdampfer-Einheit bereitgestellt. Brenner/Verdampfer wirkt als Reformator.
- Es ist keine kostenintensive Infrastruktur (Tank, Dosiermodul, Pumpe, Beheizung des Betriebsmittels, Diagnose (OBD), etc..) notwendig.
Eine gute Mischbarkeit und Gleichverteilung ist darstellbar.
Es erfolgt keine Kristallisationsbildung im Abgassystem. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist. Es zeigen: Figur 1 eine Brenner-A erdampfereinheit mit SCR-Katalysator
Figur 2 den Versuchsaufbau zur Probennahme des verdampften
Dieselkraftstoffs
Figur 3 den exemplarischen Temperaturverlauf vor / nach DOC während einer thermischen Regeneration des DPF
Figur 4 die chemische Zusammensetzung der Gasprobe zum Zeitpunkt der maximalen Sekundärkraftstoffmenge
In Figur 1 wird eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Abgastrakt 2 dargestellt. In den Abgastrakt 2 ragt ein Gehäuse 15, in dem ein Brenner bzw. ein Verdampfer 3 und eine Dosiervorrichtung 4 angeordnet sind. Der Brenner und /oder der Verdampfer 3 werden vorzugsweise mit dem gleichen Kraft- bzw. Verdampferstoff, insbesondere Dieselkraftstoff betrieben. Der Brenner und/oder Verdampfer 3 und die in Strömungsrichtung danach angeordnete Dosiervorrichtung 4 sind mit der Regel- bzw. Steuerungsein- heit 5 verbunden. Die Kraftstoffversorgungseinheit 6, die sowohl den Brenner und/oder Verdampfer 3 als auch die Dosiervorrichtung 4 mit Kraftstoff versorgt, ist mit der Regel- bzw. Steuerungseinheit 5 verbunden. Der Brenner und/oder Verdampfer 3 verfügt über eine Luftversorgungseinheit 7, die mit der Regel- bzw. Steuerungseinheit 5 verbunden ist. Stromabwärts nach dem Gehäuse 15 ist im Abgastrakt 2 ein SCR-Katalysator 10 angeordnet. In Strömungsrichtung vor dem SCR-Katalysator 10 ist ein Druck- bzw. Temperaturmesssensor 8 angeordnet. Ein Druck- bzw. Temperaturmesssensor 9 ist in Strömungsrichtung des Abgases nach dem SCR-Katalysator 10 installiert. Die Druck- bzw. Temperaturmesssensoren 8, 9 sind mit der Regel- bzw. Steuerungseinheit 5 verbunden. In Strömungsrichtung vor dem SCR-Katalysator 10 ist ein Luftmassensensor 1 1 angeordnet, der mit der Regel- bzw. Steuerungseinheit 5 verbunden ist. Detaillierte Brenner- Verdampfereinheit
Zur Erfüllung der Abgasgesetzgebung ab dem Jahr 201 1 wird das Abgasnachbehandlungssystem (EATS) entweder aus einer AGR in Kombination mit DPF und vorgeschaltetem DOC oder aus einem SCR-System zur Re- duzierung der Stickoxide bestehen. Für die thermische Regeneration des DPF unter allen Umwelt- und Betriebsbedingungen ist ein zweistufiger Brenner vorgesehen.
Die Brenner-Verdampfereinheit wird beschrieben. Für die erforderliche Wärmeerzeugung in zwei Stufen arbeitet das System wie folgt:
1. Stufe: Atmosphärischer Dieselbrenner
2. Stufe: Dieselverdampfer Die thermische Leistung der ersten Stufe wird dabei so ausgelegt, dass die Light-Off-Temperatur des DOC von ca. 300 °C, der als katalytischer Brenner für die thermische Regeneration eines DPFs dient, im gesamten Motorkennfeld unter allen Umwelt- und Betriebsbedingungen erreicht wird. In der ersten Brennerstufe wird der atmosphärische Dieselbrenner stöchio- metrisch mit einer turbulenten Vormischflamme betrieben, wobei die Flammenstabilisierung mittels einer Drallströmung und eines Rezirkulationswir- bels erreicht wird. Die Gemischbildung erfolgt mit einer Luftzerstäuberdüse, die gleichzeitig für die Drallerzeugung innerhalb der Brennkammer genutzt wird. Die Auslegung der Zerstäuberdüse und die Dimensionierung der Brennkammer ermöglichen den Betrieb des Dieselbrenners in einem Leistungsbereich von 8 bis 15 kW. Eine elektrische Luftpumpe mit Drehzahlregelung liefert dazu die benötigte Verbrennungsluft. Zur Bestimmung des Luftmassenstroms wird ein Heißfilmsensor eingesetzt. Die Luftzufuhr zum Brenner ist so gestaltet, dass einerseits die Zündkomponenten gekühlt werden und andererseits eine Verbrennungsluftvorwärmung realisiert wird, die für eine Erhöhung der Brennstabilität sorgt. Im Gegensatz zu einer Brennerkopfkühlung mit Kühlwasser kann hierbei erreicht werden, dass die komplette Brennerleistung zur Aufheizung des Abgases bereitsteht und nicht über das Kühlmittel abgeführt wird. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt mittels eines erweiterten Dosiermoduls, wobei für die Kraftstoffzufuhr der ersten Brennerstufe ein zusätzliches Dosierventil eingebaut ist.
Das Zündsystem des Brenners besteht aus zwei Hauptkomponenten. Zentral zur Drallzerstäuberdüse ist eine Glühkerze zur Verdampfung des Brenn- Stoffs angeordnet und in der Brennkammerrückwand sind zwei Zündkerzen eingebaut, die eine kontinuierliche Funkenzündung ermöglichen. Durch diese Konfiguration lässt sich eine sichere Zündung auch bei hoch instationären Motorbetrieb und im extremen Kälteeinsatz bis -25 °C sowie für Biodieselbeimischungen bis 30 % realisieren.
In der zweiten Stufe wird Dieselkraftstoff in das Abgas der ersten Stufe eindosiert, so dass dieser in dem sehr heißen sauerstoffarmen Abgas verdampft, aber kaum oxidiert wird. Dazu ist unmittelbar am Brenneraustritt ein Verdampferrohr verbaut, das so dimensioniert ist, dass dem eingespritzten Spray hinreichend Verweildauer zur vollständigen Verdampfung zur Verfügung steht und somit eine ideale Aufbereitung für die katalytische Oxidation ermöglicht. Die Sprayerzeugung wird hierbei luftunterstützt, um die notwendigen feinen Tropfen zu erzeu- gen. Am Austritt aus dem Verdampferrohr des Brenners erfolgt die Mischung des Brennergases mit dem Motorabgas und anschließender Oxidation der verdampften Kohlenwasserstoffe im DOC. Die Eindosiermenge der zweiten Stufe dient als Stellgröße für die Regenerationstemperatur. Im vorliegenden Design stehen eine hinreichend große Tropfenoberfläche und Verweildauer der Tropfen im Verdampferrohr zur Verfügung, um etwa 150 g Dieselbrennstoff pro Minute aufzubereiten. Der Hauptvorteil der vollständigen Verdampfung des Dieselkraftstoffs in der zweiten Brennerstufe besteht darin, dass zum Einen verdampfter Dieselkraftstoff über sehr gute Transporteigenschaften verfügt. Dabei lassen sich ohne weiteren Applikati- onsaufwand sehr unterschiedliche Rohrführung realisieren. Zum Anderen wird eine homogene Verteilung der Kohlenwasserstoffe auf der Katalysatoroberfläche garantiert. Dies führt zu sehr geringen radialen Temperaturgradienten im Katalysator, was sich positiv auf die thermo-mechanische Belastung des Katalysators und somit auf die Dauerhaltbarkeit auswirkt.
Gaszusammensetzung des verdampften Dieselkraftstoffs
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verdampfung des Dieselkraftstoffs in der heißen Atmosphäre des Brennerabgases zu veränderten che- mischen Eigenschaften des Dieselkraftstoffs führt, denen durch die Katalysatortechnologie Rechnung getragen werden muss. Hauptsächlich konnten hierbei Teiloxidationen und kurzkettige Crackprodukte des Dieselkraftstoffs gefunden werden. Eine gänzlich platinfreie Beschichtung auf Palladiumbasis kann eine Kostenreduktion in der Edelmetallbeladung des Katalysators erzielen. Eine Erhöhung der Stickstoffdioxidemissionen (N20), die von pla- tinhaltigen Beschichtungen bekannt ist, wurde nicht festgestellt, was den Einsatz dieser Technologie auch für den Innenraum- und Untertageeinsatz ermöglicht. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde eine detaillierte Analyse des verdampften Dieselkraftstoffs durchgeführt. Dazu werden wäh- rend der thermischen Regeneration eines DPF im Motor betrieb verschiedene Gasproben mit einem Gassammeirohr ("Gasmaus") entnommen, indem der Probegasstrom nach Figur 2 des FTIR-Abgas-Analysators über das Gassammeirohr geleitet wurde. Für die Untersuchung wurde ein 6,2 I Dieselmotor (TCD 2012 L06) der Abgasstufe EU HIB stationär im Teillastbereich (1650 1/min, 260 Nm) betrieben. Ausgehend von einer Motorabgastemperatur von 285 °C konnte die Temperatur nach Zuschalten der ersten Brennerstufe auf 405 °C vor DOC erhöht werden. Die Zieltemperatur von 650 °C nach DOC konnte nach Figur 3 mittels drei rampenförmig aufeinanderfolgenden Sekundär-Kraft- stoffmengen erreicht werden. Die Temperatur vor DOC wurde dabei stabil auf 405 °C gehalten mit Ausnahme des letzten Sektors. Hier wurde während der max. Sekundär-Kraftstoffmenge ein Temperaturrückgang von ca. 18 °C vor DOC gemessen. Dies ist in der Abkühlung des Brennerabgases der ersten Stufe begründet, da für die Verdampfung großer Dieselkraftstoffmengen der zweiten Brennerstufe eine hohe Verdampfungsenthalpie erforderlich ist.
Zusätzlich zur FTIR-Analyse wurden Gasproben chemisch analysiert. Mittels der Gaschromatographie konnte für die verschiedenen Gasproben, die während der Regeneration erzeugt wurden, in der Flüssiggasanalyse nach DIN 51 619 die Gaszusammensetzung in v% [I Γ1] bestimmt werden. Wei- terhin konnten in einer Erdgasanalyse nach DIN EN ISO 6974-3 Kohlenwasserstoffkomponenten, d. h. ausschließlich FID relevante Komponenten, in w% [kg kg"1] detektiert werden. In der nachfolgenden Tabelle ist das Ergebnis der chemischen Zusammensetzung der Gasprobe zum Zeitpunkt der maximalen Sekundär-Kraftstoffmenge dargestellt, die in diesem Be- triebspunkt zu einer Zieltemperatur von 650 °C vor DOC führt. Aus der Tabelle in Figur 4 ist ersichtlich, dass im verdampften Dieselkraftstoff hauptsächlich kurzkettige Alkene (Ethen, Propen) sowie Alkine (Ethin) gefunden werden. Der Anteil von Ethen beträgt an der gesamten Gaszusammensetzung nur 0,12 v% [I Γ1], jedoch hat diese Komponente innerhalb der detektierbaren Kohlenwasserstoffe einen Anteil von 31 ,5 w% [kg kg"1].
Bezugszeichen
1 Verbrennungskraftmaschine
2 Abgastrakt
3 Brenner und/oder Verdampfer
4 Dosiervorrichtung
5 Regel- bzw. Steuerungseinheit
6 Kraftstoffversorgungseinheit
7 Luftversorgungseinheit
8 Druck- bzw. Temperaturmesssensor vor dem SCR-Katalysator
9 Druck- bzw. Temperaturmesssensor nach dem SCR-Katalysator
10 SCR-Katalysator
11 Luftmassensensor
14 Mündung der Einbringvorrichtung
15 Gehäuse

Claims

Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben A N S P R Ü C H E
1. Verbrennungskraftmaschine (1 ), umfassend eine Abgasnachbehandlungseinrichtung im Abgastrakt (2), wenigstens einen Brenner und eine Verdampfungseinrichtung (3), wenigstens einen SCR-Katalysator (10) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und/ oder einen Oxida- tionskatalysator und/oder einen Partikelfilter und/ oder einen katalytisch beschichteten Partikelfilter.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens eine Luftversorgungseinheit (7) und/oder einen Luftmassensensor (11 ) aufweist.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Dieselpartikelfilter (12) und/oder einen Oxidationskatalysator (13) aufweist.
4. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff ein gasförmiger oder flüssiger Kraftstoff ist.
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfflüssigkeit ein flüssiger Brennstoff oder eine sonstige Flüssigkeit ist.
6. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Luftversorgungseinheit (7) mit der Regelvorrichtung (5) mittels einer Leitung zum Datenaustausch verbunden ist.
7. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassensensor (1 1 ) in der Strömungsrichtung der Luft vor der Luftversorgungseinheit (7) angeordnet ist.
8. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassensensor (11 ) in der Strömungsrichtung der Luft nach der Luftversorgungseinheit (7) angeordnet ist.
9. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff ist.
10. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere die Mündung der Einbringvorrichtung (14) in der Abgasleitung (2) eine Zerstäuberdüse, insbesondere eine Druckzerstäuberdüse oder eine Luftstromzerstäuberdüse und/oder eine Venturieinrichtung aufweist.
11. Verbrennungskraftmaschine nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (3), die Abgasleitung (2) und die Dosiervorrichtung (4) in ein Gehäuse (15) integriert sind und das Gehäuse (1 ) an das Abgasrohr (2) adaptiert ist.
12. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche zum Einsatz kommt.
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