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DE10105185B4 - Vorrichtung zur Abgasbehandlung mit einem Speicherkatalysator - Google Patents

Vorrichtung zur Abgasbehandlung mit einem Speicherkatalysator Download PDF

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DE10105185B4
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cooling
exhaust gas
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internal combustion
combustion engine
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Abstract

Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mit einem Speicherkatalysator (6, 7) und einer Zuheizvorrichtung (4) zur Erwärmung des Abgasstromes (1) in einem gemeinsamen Gehäuse (10), wobei ein Wärmetauscher (2) zur Vorwärmung des zu erwärmenden Abgasstromes (1) mittels der Abwärme des von der Zuheizvorrichtung (4) erwärmten Abgasstromes vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Kühlvorrichtung (8a, 8b, 8c) mit einem Kühlmedium zur Kühlung des Speicherkatalysators (6, 7) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mit einem Speicherkatalysator und einer Zuheizvorrichtung zur Erwärmung des Abgasstromes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik:
  • Entsprechend dem fortschreitenden Kenntnisstand werden zum Schutz der Gesundheit und der Umwelt gesetzliche Vorgaben, die die Emissionen von Kraftfahrzeugen regeln, ständig verschärft. Zur Erfüllung dieser Vorgaben werden beispielsweise, neben der Verwendung von entsprechend modifizierten Treibstoffen, NOx-Speicherkatalysatoren verwendet, die die im mageren Motorbetrieb emittierten Stickoxide speichern, bei dem in entsprechenden Verbrennungsvorgängen ein Luftüberschuss (λ > 1) im Abgasstrom vorliegt. Hierbei kommt es nur zu einer geringen Kohlenmonoxid- und Kraftstoff-Emission, jedoch zu einer vergleichsweise hohen NOx-Emission, wobei das Abgas insbesondere Stickstoffmonoxid (NO) enthält.
  • Die NOx-Speicherkatalysatoren sind aufgrund ihrer Beschichtung während dieser Speicherphase in der Lage, NOx-Verbindungen aus dem Abgas zu absorbieren. Die Absorptionsrate hängt insbesondere von der Speicherkatalysatorbehandlung ab, so dass in gewissen Zeitabschnitten eine Regeneration notwendig ist. Die Regeneration wird vor allem dann durchgeführt, wenn die nach dem Speicherkatalysator gemessene NOx-Konzentration, verglichen mit den gesetzlichen Anforderungen, zu hoch ist. Zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators wird im Allgemeinen eine reduzierende Abgasatmosphäre (λ < 1) erzeugt.
  • Aus unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnissen (λ < 1) resultiert eine unvollständige Verbrennung des Brennstoffes, wobei als Folge vermehrt Kohlenmonoxid (CO) und Kraftstoff (HC) emittiert wird. Besonders diese Reduktionsmittel sowie Wasserstoff (H2) regenerieren während einer kurzzeitigen Regenerationsphase den NOx-Speicherkatalysator, wobei die gespeicherten NOx-Verbindungen zusammen mit dem Kohlenmonoxid (CO) und dem Kraftstoff (HC) beziehungsweise Wasserstoff (H2) im Katalysator vor allem zu Stickstoff (N2) beziehungsweise Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) abgebaut werden.
  • Im Allgemeinen ist für Ottomotoren sowohl ein magerer als auch ein fetter Betrieb vergleichsweise einfach zu realisieren. Jedoch werden bei Motoren mit Direkteinspritzung im Teillastbetrieb während einer mageren Betriebsweise häufig keine optimalen Arbeitstemperaturen des Speicherkatalysators erreicht. Hierbei wird bestenfalls die untere vom Katalysatorhersteller spezifizierte Temperaturgrenze des Arbeitsbereichs des NOx-Speicherkatalysators erreicht.
  • Bislang werden beispielsweise innermotorische Maßnahmen, elektrische Heizungen oder Kraftstoff-Brenner zur zusätzlichen Erwärmung des Abgasstromes eingesetzt. Dervergleichsweise hohe zusätzliche Energieaufwand beziehungsweise Kraftstoffeinsatz für den Brenner ist hierbei jedoch nachteilig. Entsprechend große Mengen an zusätzlicher Energie beziehungsweise zusätzlichem Kraftstoff wirken dem Magermotorkonzept entsprechender Motoren entgegen.
  • Aus der DE 195 03 989 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung bekannt, die eine mit Fremdenergie betriebene Heizvorrichtung sowie einen Abgas/Abgas-Wärmetauscher aufweist, der über eine Rückführleitung mit dem Ausgang der Nachbehandlungsvorrichtung verbunden ist. Weiterhin ist aus der DE 43 41 380 A1 ein Verfahren zur Beschleunigung der Aufheizung von Feststoffkatalysatoren mittels Zufuhr von Hilfsenergie bekannt. Auf diese Weise wird die Anspringtemperatur der katalytischen Reaktion des Feststoffkatalysators durch Zufuhr von externer Hilfsenergie deutlich begrenzt. Darüber hinaus ist aus der DE 1 594 710 A1 eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bekannt, bei der eine Zusatzheizung sowie ein Wärmetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse positioniert ist.
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, mit einem Speicherkatalysator und einer Zuheizvorrichtung zur Erwärmung des Abgasstromes vorzuschlagen, die den Betrieb des Speicherkatalysators verbessert und gleichzeitig die Menge der zuzuführenden Energie beziehungsweise des zuzuführenden Kraftstoffs deutlich reduziert.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
  • Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine dadurch aus, dass ein Wärmetauscher zur Vorwärmung des zu erwärmenden Abgasstromes mittels der Abwärme des von der Zuheizvorrichtung erwärmten Abgasstromes vorgesehen ist. Vorteilhafterweise erfolgt hierbei mittels dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher eine Wärmerückgewinnung der Abgaswärme für den Betrieb des Speicherkatalysators, so dass der energetische Aufwand zur Erreichung der optimalen Arbeitstemperatur des Speicherkatalysators wesentlich verringert wird.
  • Gleichzeitig kann der Wärmetauscher derart ausgeführt werden, dass er vergleichsweise starke Temperaturschwankungen des Abgasstromes ausgleichen kann, wodurch der Betrieb verbessert sowie die Lebensdauer des Speicherkatalysators verlängert wird.
  • In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird der Wärmetauscher in dem gemeinsamen Gehäuse des Speicherkatalysators und der Zuheizvorrichtung angeordnet. Hierdurch kann eine besonders kompakte, platzsparende Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit verbesserter Wärmerückgewinnung realisiert werden. Dies ist insbesondere auch für den Einsatz im Fahrzeugbau vorteilhaft, da hierdurch die erfindungsgemäße Vorrichtung vergleichsweise einfach und platzsparend an der Unterseite des Fahrzeugs anordenbar ist. Gegebenenfalls kann der Wärmetauscher auch durch eine entsprechende Anordnung der Abgasleitung am beziehungsweise um den Speicherkatalysator realisiert werden.
  • Vorzugsweise umfasst die Zuheizvorrichtung wenigstens ein elektrisches Heizelement. Hierdurch kann die Zuheizvorrichtung beispielsweise mittels einer elektrischen Batterie oder eines Akkumulators sowie mittels eines Generators mit entsprechender Heizenergie versorgt werden. Insbesondere ist als Generator eine sogenannte „Lichtmaschine" vorzusehen, die vorzugsweise von der Brennkraftmaschine betrieben wird.
  • Vorteilhafterweise kann auch der Katalysatorkörper ein Heizelement mit einem elektrischen, induktiven und/oder kapazitiven Widerstand umfassen, wobei gegebenenfalls mittels einem Heizdraht oder einer entsprechenden Strahlungsquelle Energie unmittelbar in den Katalysatorkörper eingebracht werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zuheizvorrichtung wenigstens einen Brenner. Hierdurch wird ermöglicht, dass in vorteilhafter Weise der Brenner mit dem Kraftstoff der Brennkraftmaschine oder dergleichen betrieben werden kann. Beispielsweise kann hierfür ein Brenner mit einer offenen Flamme und/oder ein katalytischer Brenner eingesetzt werden.
  • Grundsätzlich können auch zusätzlich innermotorische Maßnahmen zur Erhöhung der Temperatur des Abgasstromes durchgeführt werden, wie z.B. eine Verbrennungsphase mit einem Luftverhältnis λ = 1, eine Spätzündung oder dergleichen, wobei sich beispielsweise bei einer Späteinspritzung bei einem Dieselmotor der Kohlenwasserstoffanteil im Abgas erhöht, so dass dies hierbei als Reduktionsmittel zur Speicherkatalysator-Entleerung gegebenenfalls verwendet werden kann.
  • In einer möglichen Ausführungsform ist wenigstens eine Kühlvorrichtung mit einem Kühlmedium zur Kühlung des Speicherkatalysators vorgesehen. Hierdurch wird gewährleistet, dass beispielsweise in entsprechenden Betriebsphasen mit sehr heißem Abgas, wie u.a. im Vollastbetrieb, eine Überhitzung und somit eine Beschädigung beziehungsweise Zerstörung des Speicherkatalysator vermeidbar ist. Eine entsprechende Kühlung des Speicherkatalysators ist auch unabhängig von einer Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers vorteilhaft.
  • In einer möglichen Weiterbildung der Erfindung umfasst der Wärmetauscher die Kühlvorrichtung zur Kühlung des Speicherkatalysators. Hierdurch kann vorzugsweise in Abhängigkeit von der Betriebsweise der Brennkraftmaschine eine Mehrfachnutzung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers beispielsweise zur Vorwärmung als auch zur Kühlung des von der Brennkraftmaschine kommenden Abgasstromes umgesetzt werden. Vorteilhafterweise ist hierfür wenigstens eine Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzusehen, die vor allem mittels entsprechender Temperatur- und/oder Gas-Sensoren die Zuheizvorrichtung und/oder die Kühlvorrichtung in beziehungsweise außer Betrieb setzt und/oder die zugeführte Heizleistung regelt.
  • Als Kühlmedium der Kühlvorrichtung kann beispielsweise ein flüssiges Metall, Thermoöl oder dergleichen verwendet werden. Vorzugsweise wird als Kühlmedium der Kühlvorrichtung ein Fluid vorgesehen, das wenigstens teilweise Luft umfasst. Hierdurch kann beispielsweise mittels einem Ventilator oder dergleichen bei Bedarf kalte Luft als Kühlmedium zum Wärmetauscher geführt werden, so dass dieser entsprechend abgekühlt wird.
  • In einer vorteilhaften Variante wird als Kühlmedium der Kühlvorrichtung ein Fluid vorgesehen, das wenigstens teilweise Wasser umfasst. Hierbei kann bei Bedarf entsprechend kühles Wasser als Kühlmedium dem Wärmetauscher zugeführt werden, beispielsweise mittels Wasser durchflossener Leitungen, insbesondere mittels spiralförmiger Leitungen, die in den Wärmetauscher hineinragen und/oder wenigstens teilweise um diesen herum angeordnet sind.
  • In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird eine Kühleinheit zur Kühlung der Brennkraftmaschine zur Kühlung des Kühlmediums der Kühlvorrichtung vorgesehen. Hierdurch wird der Aufwand zur Kühlung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers vergleichsweise gering gehalten, da eine solche Kühleinheit bei jeder Brennkraftmaschine zwangsweise vorhanden ist. Eine Steuerung kann dabei in vorteilhafter Weise mittels entsprechender Sensoren die Kühlung der Brennkraftmaschine und/oder der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung regeln.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher eine oberflächenvergrößernde Struktur auf. Hierdurch wird die Wärmerückgewinnung des Wärmetauschers zusätzlich verbessert. Beispielsweise können mehrere, insbesondere parallel verschaltete, erfindungsgemäße Wärmetauscher und/oder mittels nichtplanarer, strukturierter oder ähnlich ausgebildeter Wärmeübertragungswände des Wärmetauschers die erfindungsgemäße Wärmeübertragung wesentlich verbessern.
  • Grundsätzlich führen alle Ausführungsformen der Erfindung zu einer deutlichen Verringerung der Zuheizenergiemenge, so dass ein wesentlich wirtschaftlicherer und umweltfreundlicher Betrieb gegenüber dem Stand der Technik möglich ist.
  • Ausführungsbeispiel:
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren näher erläutert.
  • Im Einzelnen zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
  • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei ein Zustrom 1, d.h. das von der Brennkraftmaschine in einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 2 strömende Abgas 1, mittels der Abwärme eines von einer Heizquelle 4 erwärmten Abstromes 9 vorgewärmt wird. Die Vorwärmung des Zustromes 1 erfolgt entlang einer Wärmetauscherwand 3. Hierbei ist an einem Ende der Wärmetauscherwand 3 eine Heizzone 5 mit der Heizquelle 4 angeordnet. Hierfür ist ein gemeinsames Gehäuse 10 vorgesehen.
  • Die 1 stellt insbesondere eine Betriebsphase eines Brenners als Heizquelle 4 schematisch dar, wobei jedoch auch elektrische sowie andere chemische Heizquellen 4 realisierbar sind, z.B. eine katalytische Umsetzung des Kraftstoffes der Brennkraftmaschine. Gegebenenfalls können sowohl separate Heizquellen 4 als auch in einem Katalysator 6, 7 integrierte Heizquellen 4 verwendet werden.
  • Im Bereich der Heizzone 5 gemäß 1 oder zwischen Heizzone 5 und Wärmetauscher 2 gemäß 2 sind vorteilhafterweise zwei Katalysatoren 6 und 7 dargestellt, wobei einer der Katalysatoren 6, 7 gegebenenfalls auch verzichtbar ist. Die in 2 dargestellte Vorrichtung zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 2 der Wärmetauscherwand 3, wobei die Heizzone 5 und gegebenenfalls der Katalysator 6 separat angeordnet sind.
  • Insbesondere zum Schutz der Speicherkatalysatoren 6, 7 weist die dargestellte Vorrichtung gemäß 1 Kühlvorrichtungen 8a, 8b, 8c auf, wobei auch lediglich eine einzelne Kühlvorrichtungen 8a, 8b oder 8c zur Kühlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausreichen kann. Die Kühlvorrichtung 8a kühlt den Zustrom 1 bereits im Eingangsbereich des Wärmetauschers 2, so dass eine vorteilhaft starke Abkühlung des Zustroms 1 erfolgt, bevor dieser die Katalysatoren 6, 7 erreicht. Die Kühlvorrichtungen 8b beziehungsweise 8c kühlen in vorteilhafter Weise den besonders heiß werdenden Bereich der Heizzone 5, so dass gegebenenfalls eine vorteilhaft schnelle Abkühlung der Heizzone 5 beziehungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbar ist, wobei die Heizquelle 4 außer Betrieb ist. Auch kann gegebenenfalls ein separater Wasser-Tank für das Kühlmedium der Kühlvorrichtung 8a, 8c vorgesehen werden.
  • Grundsätzlich führt der erfindungsgemäße Wärmetauscher 2 dazu, dass große Schwankungen der Abgastemperatur im Bereich der Katalysatoren 6, 7 vermieden werden, was zu einer verbesserten Betriebsweise und gegebenenfalls zu einer Erhöhung der Betriebsdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung führen kann. Hierbei werden vor allem nachteilige, hohe Temperaturspitzen abgebaut, was sich unter anderem auch vorteilhaft auf die Beladung der Katalysatoren 6, 7 auswirken kann. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl für Ottomotoren als auch für Dieselmotoren vorgesehen werden.
    • 1
    Zustrom
    2
    Wärmetauscher
    3
    Wärmetauscherwand
    4
    Heizquelle
    5
    Heizzone
    6
    Katalysator
    7
    Katalysator
    8
    Kühlvorrichtung
    9
    Abstrom
    10
    Gehäuse

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mit einem Speicherkatalysator (6, 7) und einer Zuheizvorrichtung (4) zur Erwärmung des Abgasstromes (1) in einem gemeinsamen Gehäuse (10), wobei ein Wärmetauscher (2) zur Vorwärmung des zu erwärmenden Abgasstromes (1) mittels der Abwärme des von der Zuheizvorrichtung (4) erwärmten Abgasstromes vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Kühlvorrichtung (8a, 8b, 8c) mit einem Kühlmedium zur Kühlung des Speicherkatalysators (6, 7) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuheizvorrichtung (4) wenigstens ein elektrisches Heizelement umfasst.
  3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuheizvorrichtung (4) wenigstens einen Brenner (4) umfasst.
  4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) die Kühlvorrichtung (8) zur Kühlung des Speicherkatalysators umfasst.
  5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium der Kühlvorrichtung (8) ein Fluid vorgesehen ist, das wenigstens teilweise Luft umfasst.
  6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium der Kühlvorrichtung (8) ein Fluid vorgesehen ist, das wenigstens teilweise Wasser umfasst.
  7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinheit zur Kühlung der Brennkraftmaschine zur Kühlung des Kühlmediums der Kühlvorrichtung (8) vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelvorrichtung zur Regelung der Zuheizvorrichtung (4) und/oder der Kühlvorrichtung (8) mittels chemischer und/oder temperaturabhängiger Sensoren und/oder eins Kennfeldes der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) eine oberflächenvergrößernde Struktur aufweißt.
  10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche in einem Fahrzeug zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine.
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