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DE102005056359A1 - Baugruppe und Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zur Regeneration eines Kfz-Abgasreinigungssystems - Google Patents

Baugruppe und Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zur Regeneration eines Kfz-Abgasreinigungssystems Download PDF

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Abstract

Eine Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zur Regeneration eines Kfz-Abgasreinigungssystems umfaßt eine Reformierungseinrichtung (12) mit einer Kraftstoffzufuhr und einer eine Abgasleitung (14) sowie eine Frischluftleitung (18) aufweisenden Gaszufuhr. Die Abgasleitung (14) ist mit einer Abgasrückführleitung (16) des Kraftfahrzeugs und die Frischluftleitung (18) ist mit einer Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs stromabwärts einer Druckquelle strömungsmäßig verbunden. Außerdem wird ein Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäßen Baugruppe (10) beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Baugruppe sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zur Regeneration eines Kfz-Abgasreinigungssystems. Abgasreinigungssysteme im Sinne der Erfindung können insbesondere NOx-Speicherkatalysatoren und Partikelfilter umfassen.
  • Zur Einhaltung umweltgesetzlicher Vorgaben ist es erforderlich, die Abgase von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen zu reinigen. So werden z. B. geeignete Partikelfilter eingesetzt, um die partikelförmigen Emissionen von dieselbetriebenen Kraftfahrzeugen zu verringern. Derartige Partikelfilter müssen von Zeit zu Zeit durch Abbrennen der auf der Filteroberfläche angesammelten Partikel regeneriert werden. Hierzu wird gewöhnlich dem Partikelfilter ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet, der durch Oxidation einer im Abgasstrom befindlichen oxidierbaren Substanz die zum Abbrennen der Rußpartikel benötigte Wärme erzeugt.
  • Weiterhin kommen zunehmend NOx-Speicherkatalysatoren zum Einsatz, die der Reduzierung des Stickoxidausstoßes dienen. Um solche Speicherkatalysatoren zu regenerieren, ist eine Anfettung des Abgases erforderlich. Hierzu bedarf es insbesondere bei Dieselmotoren, die mit Luftüberschuß betrieben werden und deren Abgas daher ebenfalls einen Luftüberschuß aufweist, besonderer Maßnahmen.
  • Zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators oder Partikelfilters in der Abgasanlage eines Magergemischmotors ist es also von Zeit zu Zeit nötig, das Abgas mit einer oxidierbaren Substanz anzureichern. Hierzu hat es sich als besonders effizient erwiesen, dem Abgas anstelle von herkömmlichem Kraftstoff ein in einer Reformierungseinrichtung (beispielsweise einem autothermen Reformer) erzeugtes wasserstoffhaltiges Gas zuzusetzen. Dazu wird in der Reformierungseinheit ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in mit Wasserstoff angereichertes Gas zerlegt. Als Kraftstoff kommt jeder beliebige Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis in Frage, also insbesondere der im Kraftfahrzeug mitgeführte Kraftstoff. Bei der Luft handelt es sich um Umgebungsluft, die durch eine eigens zu diesem Zweck vorgesehene Kompressoreinheit verdichtet wird, was sich nachteilig auf den Energieverbrauch auswirkt.
    •
  • Demgegenüber schafft die Erfindung ein System bzw. ein Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases an Bord eines Kraftfahrzeugs, das sich durch eine besonders hohe Energieeffizienz auszeichnet.
  • Zu diesem Zweck weist die erfindungsgemäße Baugruppe eine Reformierungseinrichtung mit einer Kraftstoffzufuhr und einer eine Abgasleitung sowie eine Frischluftleitung aufweisenden Gaszufuhr auf, wobei die Abgasleitung mit einer Abgasrückführleitung des Kraftfahrzeugs und die Frischluftleitung mit einer Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs stromabwärts einer Druckquelle strömungsmäßig verbunden ist. Es ist zu betonen, daß die in der Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs angeordnete Druckquelle eine ohnehin im Fahrzeug verfügbare Druckquelle ist. Dabei herrscht sowohl in der Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs als auch in der Abgasrückführleitung ein genügend hoher Druck, so daß eine zusätzliche Kompression des der Reformierungseinrichtung zugeführten Gases zumindest stark eingeschränkt werden kann. Im Idealfall kann sogar vollständig darauf verzichtet werden. Auf diese Weise läßt sich der Energieverbrauch des Systems deutlich senken, wobei die Vorteile der Verwendung von reformiertem Kraftstoff zur Regeneration beibehalten werden, namentlich ein erheblich geringerer Kraftstoffverbrauch als bei der Einspritzung von uneformiertem Kraftstoff sowie eine Funktionsfähigkeit über einen erheblich größeren Temperaturbereich, insbesondere auch bei relativ niedrigen Temperaturen.
  • Insbesondere im Falle eines Pkws läßt sich in der Frischluftleitung der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung ein genügend hoher Druck erreichen, wenn es sich bei der Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs um eine Frischluftansaugleitung und bei der Druckquelle um einen Turbolader handelt.
  • Im Falle eines Lkws kann auf eine ohnehin bestehende Druckluftleitung zurückgegriffen werden. Als Druckquelle ist dann der Kompressor der Druckluftversorgung anzusehen.
  • Um einen hohen Druck in der Abgasleitung der Gaszufuhr zu erreichen, handelt es sich vorteilhaft bei der Abgasrückführleitung des Kraftfahrzeugs um eine hochdruckseitige Abgasrückführleitung, d.h. das zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts eines Turboladers abgegriffen.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Regeleinrichtung vorgesehen, mittels der ein Verhältnis aus Abgas und Frischluft in der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung einstellbar ist. Dadurch läßt sich der Sauerstoffgehalt in der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung zwischen dem in der Abgasrückführleitung vorliegenden geringen Sauerstoffgehalt und dem in der Frischluftleitung vorliegenden hohen Sauerstoffgehalt beliebig einstellen, um die in der Reformierungseinrichtung stattfindenden Reaktionen zu regeln.
  • Dazu kann die Regeleinrichtung ein in der Frischluftleitung der Gaszufuhr angeordnetes Regelventil, insbesondere ein Proportionalventil, umfassen, mittels dem der Massendurchsatz in der Frischluftleitung einstellbar ist.
  • Ergänzend oder alternativ kann die Regeleinrichtung ein in der Abgasleitung angeordnetes Regelventil umfassen, bei dem es sich vorzugsweise um ein Ventil handelt, das dem Hauptabgasrückführventil ähnlich ist. Dieses bestimmt den Massendurchsatz in der Abgasleitung zur Reformierungseinrichtung.
  • Vorteilhaft weist die Frischluftleitung und/oder die Abgasleitung ein Regelsystem auf, das in Abhängigkeit von einem momentanen Massendurchsatz das jeweilige Regelventil ansteuert. Bevorzugt ist ein solches Regelsystem in beiden Leitungen der Gaszufuhr vorgesehen.
  • Um die der Reformierungseinrichtung aktuell zugeführte Sauerstoffmenge zu kontrollieren, kann wenigstens ein Meßgerät zur Erfassung des Sauerstoffgehalts in der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung vorgesehen sein. Bei diesem Meßgerät handelt es sich insbesondere um eine Lambda-Sonde, die als Massenartikel besonders preisgünstig ist.
  • Vorzugsweise leitet die Kraftstoffzufuhr Kraftstoff unmittelbar in die Frischluftleitung und/oder die Abgasleitung der Gaszufuhr ein. Anschließend wird die Gas-Kraftstoff-Mischung der Reformierungseinrichtung zugeführt. Auf diese Weise läßt sich eine bessere Vermischung und eine homogenere Verteilung des Gemischs in der Reformierungseinrichtung erzielen.
  • Die erfindungsgemäße Baugruppe kommt bevorzugt bei einem Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zur Regeneration eines Kfz-Abgasreinigungssystems zum Einsatz, das die folgenden Schritte aufweist. Zunächst wird ein Soll-Sauerstoffgehalt in der Gaszufuhr ermittelt. Außerdem wird die momentane Abgaszusammensetzung in der Abgasrückführleitung ermittelt, und anschließend wird ein an die ermittelten Daten angepaßtes Verhältnis von Frischluft- und Abgasmassenstrom in der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung eingestellt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäße Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
    •
  • Die Figur zeigt eine Baugruppe 10 zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, das zur Regeneration eines in der Figur nicht gezeigten Kfz-Abgasreinigungssystems, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators oder eines Partikelfilters, oder zur Reduktion von NOx an einem SCR-Katalysator verwendet wird. Prinzipiell ließe sich das wasserstoffhaltige Gas ebenso als Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine nutzen. Die Baugruppe umfaßt eine Reformierungseinrichtung 12, hier einen sogenannten Plasma Fuel Reformer, die über eine Abgasleitung 14 mit einer Abgasrückführleitung 16 des Kraftfahrzeugs in Strömungsverbindung steht. Über eine Frischluftleitung 18 kann der Reformierungseinrichtung 12 darüber hinaus Frischluft aus einer Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs, hier einer Frischluftansaugleitung 20, zugeführt werden. Um einen ausreichenden Druck in der Frischluftleitung 18 zu gewährleisten, ist diese stromabwärts einer Druckquelle in Form eines Turboladers 22 mit der Frischluftansaugleitung 20 verbunden.
  • Die in der Figur dargestellte Baugruppe 10 ist für den Einsatz in einem Pkw vorgesehen. Im Falle eines Lkws kann die Frischluftleitung 18 mit einer im Lkw vorhandenen Druckluftleitung verbunden sein.
  • Weiterhin ist eine Kraftstoffzufuhr zur Reformierungseinrichtung 12 vorgesehen, die eine mit einem Kraftstofftank (nicht gezeigt) des Fahrzeugs in Verbindung stehende Kraftstoffleitung 26 sowie ein Dosierventil 28 für den Kraftstoff umfaßt. Die Kraftstoffleitung 26 mündet stromabwärts des Dosierventils 28 direkt in die Frischluftleitung 18, wodurch eine bessere Vermischung des Kraftstoffs mit der Frischluft sowie eine homogenere Verteilung der Mischung in der Reformierungseinrichtung 12 erzielt wird. Alternativ kann der Kraftstoff natürlich auch unmittelbar in die Abgasleitung 14 oder einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 24 der Gaszufuhr eingeleitet werden.
  • Zum Zwecke der Dosierung des Abgasstroms zur Reformierungseinrichtung 12 ist in der Abgasleitung 14 ein Regelventil 30 angeordnet, das ähnlich dem Hauptabgasrückführventil ausgebildet ist. Auch die Frischluftleitung 18 weist ein Regelventil 32, hier ein Proportionalventil, auf. Stromabwärts des Regelventils 32 ist eine Drossel 34 angeordnet, der ein Differenzdrucksensor 38 sowie auf der Eingangs- und auf der Ausgangsseite je ein Temperatursensor 36 zugeordnet ist. Mit Hilfe dieser Sensoren läßt sich der momentane Massendurchsatz in der Frischluftleitung 18 bestimmen. In Abhängigkeit von diesem Massendurchsatz steuert ein Regelsystem 40 das Regelventil 32 an. Natürlich ist es ebenso möglich, alternativ oder zusätzlich bei der Abgasleitung 14 ein entsprechendes Regelsystem vorzusehen.
  • Außerdem sind Meßgeräte, hier in Form von Lambda-Sonden 42, zur Erfassung des Sauerstoffgehalts in der durch die Frischluftleitung 18 und die Abgasleitung 14 gebildeten Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung 12 vorgesehen. Anstelle der beiden in der Figur gezeigten, der Frischluftleitung 18 und der Abgasleitung 14 separat zugeordneten Lambda-Sonden 42 kann natürlich auch eine einzige Lambda-Sonde, die mit dem gemeinsamen Leitungsabschnitt 24 in Verbindung steht, Verwendung finden.
  • Zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas zur Regeneration des Kfz-Abgasreinigungssystems wird nun zunächst, beispielsweise in einer Motorsteuerung (nicht gezeigt), ein gewünschter Sauerstoffgehalt in der Gaszufuhr ermittelt, der auf eine zu erzielende Reaktion in der Reformierungseinrichtung 12 abgestimmt ist. Im Anschluß daran, gleichzeitig oder auch bereits zuvor wird die momentane Abgaszusammensetzung in der Abgasrückführleitung 16 ermittelt, woraufhin in der Motorsteuerung ein geeignetes Verhältnis von Frischluftmassenstrom zu Abgasmassenstrom bestimmt werden kann, mittels dem der Soll-Sauerstoffgehalt erreicht wird. Entsprechend dem ermittelten Verhältnis werden die Regelventile 30 und 32 angesteuert, um den jeweils passenden Massenstrom zur Reformierungseinrichtung 12 bereitzustellen, wobei der Frischluftmassenstrom über das Regelsystem 40 fortwährend geregelt wird.
  • Ist ein höherer Sauerstoffgehalt gewünscht, so wird mehr Frischluft verwendet, bei einem geringeren Sauerstoffgehalt kommt hauptsächlich Abgas zum Einsatz. Die Lambda-Sonden 42 kontrollieren dabei den Sauerstoffgehalt in der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung 12. Zur Regulierung der Reaktionen in der Reformierungseinrichtung 12 ist natürlich nicht nur das Verhältnis von Frischluft- zu Abgasmassenstrom entscheidend, sondern auch das Gas-Kraftstoff-Verhältnis, insbesondere das Sauerstoff-Kraftstoff-Verhältnis.
    • 10
    Baugruppe
    12
    Reformierungseinrichtung
    14
    Abgasleitung
    16
    Abgasrückführleitung
    18
    Frischluftleitung
    20
    Frischluftansaugleitung
    22
    Turbolader
    24
    gemeinsamer Leitungsabschnitt
    26
    Kraftstoffleitung
    28
    Dosierventil
    30
    Regelventil
    32
    Regelventil
    34
    Drossel
    36
    Temperatursensor
    38
    Differenzdrucksensor
    40
    Regelsystem
    42
    Lambda-Sonde

Claims (12)

  1. Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zur Regeneration eines Kfz-Abgasreinigungssystems, umfassend eine Reformierungseinrichtung (12) mit einer Kraftstoffzufuhr und einer eine Abgasleitung (14) sowie eine Frischluftleitung (18) aufweisenden Gaszufuhr, wobei die Abgasleitung (14) mit einer Abgasrückführleitung (16) des Kraftfahrzeugs und die Frischluftleitung (18) mit einer Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs stromabwärts einer Druckquelle strömungsmäßig verbunden ist.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs um eine Frischluftansaugleitung (20) und bei der Druckquelle um einen Turbolader (22) handelt.
  3. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Frischluftleitung des Kraftfahrzeugs um eine Druckluftleitung handelt.
  4. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Abgasrückführleitung des Kraftfahrzeugs um eine hochdruckseitige Abgasrückführleitung handelt.
  5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, mittels der ein Verhältnis aus Abgas und Frischluft in der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung (12) einstellbar ist.
  6. Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung ein in der Frischluftleitung (18) der Gaszufuhr angeordnetes Regelventil (32) umfaßt.
  7. Baugruppe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung ein in der Abgasleitung (14) angeordnetes Regelventil (30) umfaßt.
  8. Baugruppe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluftleitung (18) und/oder die Abgasleitung (14) ein Regelsystem (40) aufweist, das in Abhängigkeit von einem momentanen Massendurchsatz das Regelventil (32; 30) ansteuert.
  9. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Meßgerät zur Erfassung des Sauerstoffgehalts in der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung (12) vorgesehen ist.
  10. Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Meßgerät um eine Lambda-Sonde (42) handelt.
  11. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr Kraftstoff unmittelbar in die Frischluftleitung (18) und/oder die Abgasleitung (14) der Gaszufuhr einleitet.
  12. Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zur Regeneration eines Kfz-Abgasreinigungssystems unter Verwendung einer Baugruppe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Ermitteln eines Soll-Sauerstoffgehalts in der Gaszufuhr; – Ermitteln der momentanen Abgas-Zusammensetzung in der Abgasrückführleitung (16); und – Einstellen eines an die ermittelten Daten angepaßten Verhältnisses von Frischluft- und Abgasmassenstrom in der Gaszufuhr zur Reformierungseinrichtung (12).
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