DE102007004602B4

DE102007004602B4 - Heizvorrichtung zum Erhitzen eines Speichers für ein Komplexsalz

Info

Publication number: DE102007004602B4
Application number: DE102007004602A
Authority: DE
Inventors: Rainer Bentz; Joachim Dr. Frank
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: DE102007004602A1; US20080179414A1

Abstract

Heizvorrichtung zum Erhitzen eines Speichers (2) für ein Komplexsalz in einem Kraftfahrzeug umfassend
– den Speicher (2) für das Komplexsalz, der stromabwärts eines oder mehrerer Abgaskatalysatoren (20) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist,
– zumindest ein Abgasrohr des Kraftfahrzeugs, durch das während des Betriebs des Kraftfahrzeugs Abgas strömt und das thermisch so mit dem Speicher (2) für das Komplexsalz gekoppelt ist, dass das erhitzte Abgas in dem Abgasrohr den Speicher (2) für das Komplexsalz erhitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zum Erhitzen eines Speichers für ein Komplexsalz in einem Kraftfahrzeug. Die Heizvorrichtung umfasst den Speicher für das Komplexsalz. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben der Heizvorrichtung.
Es ist bekannt, zum Einhalten gesetzlicher Schadstoffemissionsbeschränkungen für Kraftfahrzeuge einem Abgas des entsprechenden Kraftfahrzeugs Ammoniak zuzuführen, damit der Ammoniak in einem speziellen Abgaskatalysator zusammen mit Stickoxiden des Abgases zu unbedenklichen Stoffen reagiert. Diese Art der Schadstoffreduktion wird häufig bei Kraftfahrzeugen mit Diesel-Brennkraftmaschinen verwendet, insbesondere bei Lastkraftwagen. Ferner ist es bekannt, aus Ammoniak Wasserstoff zu gewinnen und diesen im Kraftfahrzeug einer Brennstoffzelle zum Gewinnen von Energie zuzuführen, oder direkt aus dem Ammoniak Energie zu gewinnen. Der Ammoniak kann während des Betriebs der Brennkraftmaschine aus einem speziellen Medium gewonnen werden. Das spezielle Medium ist beispielsweise ein Komplexsalz, das den Ammoniak bei Erhitzen des Komplexsalzes freigibt.
Aus WO 2006/012903 A2 ist ein fester Ammoniakspeicher bekannt. Der feste Ammoniakspeicher umfasst ein Ammoniak absorbierendes Salz. Das Ammoniak absorbierende Salz ist ein ionisches Salz, das allgemein mit folgender Formel beschrieben werden kann: M_A(NH₃)_NX_Z. M sind ein oder mehrere Anionen aus den Erdalkalimetallen und/oder ein oder mehrere Übergangsmetalle, beispielsweise Mn, Fe, Cl, Ni, Cu und/oder Zn. X ist ein oder mehrere Anionen. A ist die Anzahl von Kationen pro Salzmolekül. Z ist die Anzahl von Anionen pro Salzmolekül und N ist eine Koordinationszahl zwischen 2 und 12. Der Ammoniakspeicher ist für die Automobilindustrie geeignet.
Aus WO 2005/091418 A2 ist ein Ammoniakspeicher für die Energiegewinnung bekannt. Ein Stromgenerator umfasst einen Ammoniakspeicher in Form eines Kontainers, der ein Ammoniak absorbierendes und frei gebendes Salz enthält. Es sind Mittel zum Erwärmen des Ammoniakspeichers vorgesehen. Der Ammoniak wird direkt zur Energiegewinnung genutzt oder zunächst in Wasserstoff umgewandelt, der dann zur Energiegewinnung genutzt wird.
Aus der DE 297 08 591 C1 ist bekannt als Ammoniakquelle einen beheizbaren druckfesten Konverter vorzusehen. In dem Konverter befindet sich ein thermolytisch Ammoniak abspaltender Stoff oder ein thermolytisch Ammoniak abspaltendes Stoffgemisch. Der Dosiervorrichtung ist ein Ammoniakspeicher zum Zwischenspeichern von aus dem Stoff durch Wärmezufuhr abgespaltenem Ammoniak vorgeschaltet. Die Dosiervorrichtung ist mit Steuersignalen einer Motorbetriebskenndaten verarbeitenden, daraus den NOX-Ausstoß bestimmenden Steuereinheit beaufschlagt.
Aus DE 197 28 343 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOX-Reduktion bekannt. Dabei wird gasförmiger Ammoniak durch Aufheizen eines festen Speichermediums zur Verfügung gestellt. Das Speichermedium ist in einem Behälter eingebracht. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich in besonderer Weise zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.
Aus DE 34 12 175 A1 ist ein Verfahren zur Beimischung von Ammoniak zu saure Schadstoffe enthaltenden Abgasen bekannt. Die jeweils erzeugte Ammoniakmenge wird durch eine Wärmemenge festgelegt, die einem thermisch unter Ammoniakabgabe zerfal lenen Salz in einer geeigneten Zersetzungsapparatur zugeführt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Heizvorrichtung zu schaffen, die dazu beiträgt, dass schnell ein schadstoffarmer Betrieb einer Brennkraftmaschine möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Ansprüchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung zeichnet sich aus gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung durch eine Heizvorrichtung. Die Heizvorrichtung dient zum Erhitzen eines Speichers für ein Komplexsalz in einem Kraftfahrzeug. Die Heizvorrichtung umfasst den Speicher für das Komplexsalz und zumindest ein Abgasrohr des Kraftfahrzeugs. Der Speicher für das Komplexsalz ist stromabwärts eines oder mehrerer Abgaskatalysatoren des Kraftfahrzeugs angeordnet. Durch das Abgasrohr strömt während des Betriebs des Kraftfahrzeugs Abgas. Das Abgasrohr ist thermisch so mit dem Speicher für das Komplexsalz gekoppelt, dass das Abgas in dem Abgasrohr den Speicher für das Komplexsalz erhitzt.
Dies ermöglicht, die Wärmeenergie des Abgases zum Erhitzen des Speichers zu verwenden, ohne dass für das Erhitzen des Speichers zusätzliche Energie aufgewendet werden muss. Das Komplexsalz ist vorzugsweise eines der Salze, die in den eingangs erwähnten Dokumenten des Standes der Technik aufgeführt sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist ein Stellglied zum Vorgeben eines Abgasstroms des Abgases durch das Abgasrohr vorgesehen. Dies ermöglicht einfach, die Temperatur des Speichers vorzugeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung umfasst das Abgasrohr eine Bypassleitung. Der Speicher für das Komplexsalz ist thermisch mit der By passleitung und/oder dem Abgasrohr gekoppelt. Dies kann dazu beitragen, den Speicher für das Komplexsalz besonders effektiv zu erwärmen.
Die vorteilhafte Ausgestaltung des zweiten Aspekts der Erfindung kann sowohl auf die Vorrichtung als auch auf das Verfahren zum Betreiben der Heizvorrichtung übertragen werden.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer Heizvorrichtung,
2 eine zweite Ausführungsform der Heizvorrichtung,
3 eine dritte Ausführungsform der Heizvorrichtung,
4 eine vierte Ausführungsform der Heizvorrichtung,
5 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben der Heizvorrichtung.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine Heizvorrichtung (1) umfasst einen Speicher 2 für ein Komplexsalz und eine masseführende Hohlleitung 4. Die Heizvorrichtung ist vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Der Speicher 2 für das Komplexsalz ist vorzugsweise speziell zum Speichern des Komplexsalzes ausgebildet. Durch die masseführende Hohlleitung 4 strömt während des Betriebs des Kraftfahrzeugs eine Masse, die sich während des Betriebs des Kraftfahrzeugs erhitzt. Die Masse wird insbesondere erhitzt durch den Betrieb einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs und nicht durch eine elektrische Heizung des Kraftfahrzeugs. Die Masse durchströmt die masseführende Hohllei tung 4 in einer Strömungsrichtung 5. Der Speicher 2 für das Komplexsalz ist vorzugsweise zumindest teilweise mit dem Komplexsalz gefüllt.
Vorzugsweise ist die Masse eine Abgasmasse des Kraftfahrzeugs und/oder eine Kühlwassermasse des Kraftfahrzeugs. Dementsprechend umfasst die masseführende Hohlleitung 4 ein Abgasrohr und/oder eine Abgasrückführleitung beziehungsweise eine Kühlwasserleitung des Kraftfahrzeugs.
Das Komplexsalz umfasst vorzugsweise eines der Salze, das in den eingangs genannten Druckschriften WO 06/012903 A2 und WO 2005/091418 A2 offenbart ist, deren Inhalt hiermit diesbezüglich einbezogen ist. Ammoniak kann durch Erhitzen des Komplexsalzes auf Temperaturen zwischen 10 und 700 Grad Celsius frei gesetzt werden abhängig vom verwendeten Komplexsalz und der benötigten Menge. Bezüglich der genauen Ammoniakgewinnung aus dem Komplexsalz wird auf die genannten Druckschriften verwiesen, deren Inhalt diesbezüglich einbezogen ist. Der Ammoniak kann zur Schadstoffreduktion in einem Abgas der Brennkraftmaschine, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas, und/oder zur Energiegewinnung, insbesondere zur Wasserstoffgewinnung, verwendet werden. Der Wasserstoff kann einer Brennstoffzelle zugeführt werden. Die Stickoxidreduktion erfolgt durch eine Reaktion der Stickoxide mit dem Ammoniak in einem Abgaskatalysator des Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem SCR-Katalysator.
Die masseführende Hohlleitung 4 ist thermisch so mit dem Speicher 2 für das Komplexsalz gekoppelt, dass die erhitzte Masse in der masseführenden Hohlleitung 4 die Wärmeenergie über eine Wandung der masseführenden Hohlleitung 4 und eine Wandung des Speichers 2 für das Komplexsalz auf das Komplexsalz übertragen kann.
Zwischen der masseführenden Hohlleitung 4 und/oder der Bypassleitung 10 (3) und dem Speicher 2 für das Komplexsalz kann noch ein Medium eingebracht sein, vorzugsweise ein Medium, durch das der Wärmeübertrag verbessert wird, beispielsweise eine Wärmeleitpaste und/oder ein Festkörper, der die Wärme besonders gut leitet.
Der Wärmeübertrag von der masseführenden Hohlleitung 4 auf den Speicher 2 für das Komplexsalz kann dadurch verbessert werden, dass zumindest ein erster Abzweig 6 der masseführenden Hohlleitung 4 und ein zweiter Abzweig 8 der masseführenden Hohlleitung 4 mit dem Speicher 2 für das Komplexsalz gekoppelt sind und um den Speicher 2 für das Komplexsalz herumgeführt werden (2).
Alternativ oder zusätzlich kann eine Bypassleitung 10 der masseführenden Hohlleitung 4 mit dem Speicher 2 für das Komplexsalz gekoppelt sein und an dem Speicher 2 für das Komplexsalz vorbeigeführt werden (3).
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Heizvorrichtung (4) sieht vor, dass die masseführende Hohlleitung 4 die Bypassleitung 10 aufweist und dass die Bypassleitung 10 einen ersten Abzweig 14 der Bypassleitung 10 und einen zweiten Abzweig 16 der Bypassleitung 10 aufweist. Der erste und der zweite Abzweig 14, 16 der Bypassleitung 10 sind thermisch so mit dem Speicher 2 für das Komplexsalz gekoppelt, dass die Wärmeenergie von den beiden Abzweigen zum Speicher 2 für das Komplexsalz fließen kann.
Vorzugsweise ist stromaufwärts des Speichers 2 für das Komplexsalz ein Stellglied 18, beispielsweise ein Ventil, vorgesehen, durch das ein Massestrom der erhitzten Masse durch die beiden Abzweige der Bypassleitung 10 und/oder der masseführenden Hohlleitung 4 vorgebbar ist. Das Stellglied 18 kann auch in der Bypassleitung 10 angeordnet sein, wenn die Bypassleitung 10 nicht die beiden Abzweige der Bypassleitung 10 aufweist.
Falls die masseführende Hohlleitung 4 das Abgasrohr der Brennkraftmaschine ist, so ist die Heizvorrichtung vorzugsweise stromabwärts eines oder mehrerer Abgaskatalysatoren (20) an geordnet. Dies trägt dazu bei, dass die Hitze des Abgases zunächst zum Erwärmen der Katalysatoren verwendet wird, damit diese möglichst schnell einsatzbereit sind, und erst im Wei teren zum Erhitzen des Speichers 2 für das Komplexsalz verwendet wird.
Auf einem Speichermedium einer Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs ist vorzugsweise ein Programm zum Betreiben der Heizvorrichtung gespeichert (5). Die Steuervorrichtung kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Heizvorrichtung bezeichnet werden. Das Programm dient dazu, das Komplexsalz im Speicher 2 für das Komplexsalz so zu erwärmen, dass vorzugsweise eine benötigte vorgegebene Ammoniakmasse zur Verfügung steht. Ein Ammoniakmassenbedarf NH3_MASS kann beispielsweise abhängig von einem Stickoxidgehalt des Abgases und/oder abhängig von einem Wasserstoffbedarf für eine Brennstoffzelle des Kraftfahrzeugs und/oder abhängig von einem Energiebedarf des Kraftfahrzeugs vorgegeben werden. Das Programm wird vorzugsweise in einem Schritt S1 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
In einem Schritt S2 wird der Ammoniakmassenbedarf NH3_MASS ermittelt. Der Ammoniakmassenbedarf NH3_MASS kann beispielsweise anhand eines Ammoniakmassenbedarf-Kennfelds und/oder anhand einer Modellrechnung ermittelt. Das Ammoniakmassenbedarf-Kennfeld, gegebenenfalls weitere Kennfelder, die Modellrechnung und gegebenenfalls weitere Modellrechnungen können beispielsweise an einem Motorprüfstand aufgezeichnet und/oder ermittelt werden.
In einem Schritt S3 wird abhängig vom ermittelten Ammoniakmassenbedarf NH3_MASS eine Solltemperatur TEMP_SP des Komplexsalzes ermittelt. Die Solltemperatur TEMP_SP kann beispielsweise anhand eines Solltemperatur-Kennfelds und/oder anhand einer weiteren Modellrechnung gewonnen werden.
In einem Schritt S4 wird ein Sollmassenstrom MASS_FLOW_SP der erhitzten Masse durch die masseführende Hohlleitung 4 ermittelt abhängig von der Solltemperatur TEMP_SP des Komplexsalzes. Der Sollmassenstrom MASS_FLOW_SP der erhitzten Masse kann beispielsweise anhand eines Sollmassenstrom-Kennfelds und/oder anhand einer weiteren Modellrechnung ermittelt werden.
In einem Schritt S5 wird ein Stellsignal SIG abhängig vom Sollmassenstrom MASS_FLOW_SP der erhitzten Masse ermittelt. Ferner kann im Schritt S5 das Stellglied 18 abhängig vom Stellsignal SIG angesteuert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die masseführende Hohlleitung 4 beliebig viele Abzweige umfassen und/oder beliebig so am Speicher 2 für das Komplexsalz vorbeigeführt werden, dass das Komplexsalz erhitzt wird. Beispielsweise kann die masseführende Hohlleitung 4 und/oder ein Abzweig der masseführenden Hohlleitung 4 durch den Speicher 2 für das Komplexsalz hindurchgeleitet werden. Ferner kann die Steuervorrichtung zum Betreiben der Heizvorrichtung in einer Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs integriert sein. Ferner kann das Programm zum Betreiben der Heizvorrichtung in einem weiteren Programm implementiert sein.

Claims

Heizvorrichtung zum Erhitzen eines Speichers (2) für ein Komplexsalz in einem Kraftfahrzeug umfassend – den Speicher (2) für das Komplexsalz, der stromabwärts eines oder mehrerer Abgaskatalysatoren (20) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, – zumindest ein Abgasrohr des Kraftfahrzeugs, durch das während des Betriebs des Kraftfahrzeugs Abgas strömt und das thermisch so mit dem Speicher (2) für das Komplexsalz gekoppelt ist, dass das erhitzte Abgas in dem Abgasrohr den Speicher (2) für das Komplexsalz erhitzt.
Heizvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der ein Stellglied (18) zum Vorgeben eines Abgasstroms durch die masseführende Hohlleitung (4) vorgesehen ist.
Heizvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Abgasrohr des Kraftfahrzeugs eine Bypassleitung umfasst und bei der der Speicher (2) für das Komplexsalz thermisch mit der Bypassleitung (10) und/oder dem Abgasrohr gekoppelt ist.