DE10313704A1 - Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Abgasreinigungsanlage umfasst eine außerhalb der Abgasleitung angeordnete Ammoniakerzeugungseinrichtung und einen in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Stickoxidreduktionskatalysator, dem von der Ammoniakerzeugungseinrichtung erzeugter Ammoniak zuführbar ist. Die Ammoniakerzeugungseinrichtung weist einen Stickoxidadsorber auf, der in der Lage ist, Stickoxide aus einem der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführten stickoxidhaltigen Gasstrom abzutrennen und zwischenzuspeichern und das im Stickoxidadsorber zwischengespeicherte Stickoxid mit zugeführtem Wasserstoff wenigstens teilweise zu Ammoniak umzusetzen. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist der Stickoxidadsorber eine Vielzahl strömungsmäßig parallel geschalteter und voneinander getrennter Adsorberkanäle auf. Einem ersten Anteil der Adsorberkanäle ist der stickoxidhaltige Gasstrom zuführbar und einem zweiten Anteil der Adsorberkanäle ist ein wasserstoffhaltiger Gasstrom zuführbar. Die den jeweiligen Anteilen zugeordneten Adsorberkanäle sind in vorgebbarer zeitlicher Abhängigkeit aus der Vielzahl der Adsorberkanäle auswählbar.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Eine Abgasreinigungsanlage dieser Art ist aus der Offenlegungsschrift DE 101 28 414 A1 bekannt. Diese Abgasreinigungsanlage weist eine Ammoniakerzeugungseinrichtung auf, der ein Stickoxid-Generator zur Erzeugung von Stickoxid aus Luftstickstoff sowie eine Wasserstoff-Erzeugungseinheit zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases und eine Stickoxid-Reduktionseinheit zugeordnet ist. Von letzterer wird das erzeugte Stickoxid unter Verwendung des wasserstoffhaltigen Gases zu Ammoniak reduziert, welches zur Abgasreinigung eingangsseitig eines SCR-Katalysators (SCR = selective catalytic reduction) dem Abgas einer Brennkraftmaschine zugeführt wird. Bei dieser Anlage erfolgt neben der Reduktion von Stickoxid zu Ammoniak gleichzeitig eine Reduktion des bei der Stickoxiderzeugung im Gas verbleibenden Luftsauerstoffs mit dem reduzierenden wasserstoffhaltigen Gas. Hierfür ist wegen des hohen Sauerstoffanteils der Luft eine vergleichsweise große Menge an Reduktionsmittel erforderlich, weshalb die Ammoniakerzeugung mit der in der DE 101 28 414 A1 offenbarten Ammoniakerzeugungseinrichtung vergleichsweise energieintensiv ist. Die Ammoniakerzeugung erfolgt außerdem diskontinuierlich, was die bedarfsgerechte Bereitstellung des Ammoniaks erschwert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsanlage mit einer Ammoniakerzeugungseinrichtung anzugeben, welche auf apparativ einfache Weise eine kontinuierliche und wirtschaftliche Erzeugung von Ammoniak zur Abgasreinigung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage weist eine Ammoniakerzeugungseinrichtung mit einem Stickoxidadsorber auf, der in der Lage ist, Stickoxide aus einem ihr zugeführten stickoxidhaltigen Gasstrom abzutrennen und zwischenzuspeichern. Die Ammoniakerzeugungseinrichtung ist ferner in der Lage, das im Stickoxidadsorber zwischengespeicherte Stickoxid mit zugeführtem Wasserstoff wenigstens teilweise zu Ammoniak umzusetzen. Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass der Stickoxidadsorber der Ammoniakerzeugungseinrichtung eine Vielzahl strömungsmäßig parallel geschalteter, vorzugsweise voneinander getrennter Adsorberkanäle aufweist, wobei einem ersten Anteil der Adsorberkanäle der stickoxidhaltige Gasstrom zuführbar ist und einem zweiten Anteil der Adsorberkanäle ein wasserstoffhaltiger Gasstrom zuführbar ist. Ferner sind die dem ersten Anteil zugeordneten Adsorberkanäle und die dem zweiten Anteil zugeordneten Adsorberkanäle in vorgebbarer zeitlicher Abhängigkeit aus der Vielzahl der Adsorberkanäle auswählbar. Die Ammoniakerzeugungsanlage ermöglicht eine kontinuierliche Erzeugung von Ammoniak, indem der erste Anteil der Adsorberkanäle einige Zeit lang mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagt wird und anschließend mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom. Danach erfolgt wieder eine Beaufschlagung des ersten Anteils der Adsorberkanäle mit dem stickoxidhaltigem Gasstrom. Umgekehrt wird der zweite Anteil der Adsorberkanäle einige Zeit lang mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt und anschließend mit dem stickoxidhaltigen Gas strom. Dem ersten Anteil der Adsorberkanäle und dem zweiten Anteil der Adsorberkanäle wird also im zeitlichen Wechsel entweder ein stickoxidhaltiger Gasstrom oder ein wasserstoffhaltiger Gasstrom zugeführt. Als Anteil der Adsorberkanäle ist dabei ein relativer Anteil in Bezug auf die insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle zu verstehen.
  • Bei der Beaufschlagung der Adsorberkanäle mit dem gewöhnlich oxidierenden stickoxidhaltigen Gasstrom wird diesem das Stickoxid größtenteils oder vollständig vom Stickoxidspeichermaterial durch Zwischenspeicherung entzogen. Nach ausreichender Sättigung des Stickoxidspeichermaterials eines Adsorberkanals an Stickoxiden wird dieser mit einem reduzierenden wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt. Dadurch wird eine Freisetzung des zwischengespeicherten Stickoxids verursacht. Dieses wird im Adsorberkanal selbst oder in einer strömungsmäßig nachgelagerten Reduktionsstufe mit dem Wasserstoff wenigstens teilweise zu Ammoniak reduziert. Der entsprechende Adsorberkanal steht damit erneut wieder zur Zwischenspeicherung von Stickoxid zur Verfügung.
  • Die Ammoniakerzeugungsanlage ist vorzugsweise so konzipiert, dass die mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagten Adsorberkanäle einen vorgegebenen ersten Anteil der insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle ausmachen. In gleicher Weise umfassen die mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagten Adsorberkanäle einen vorgegebenen zweiten Anteil. Die beiden Anteile ergänzen sich vorzugsweise zu 100% der insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle. Sie können jedoch auch weniger als 100% betragen, was zur Folge hat, dass ein sich rechnerisch ergebender dritter Anteil der insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle zeitweise weder von dem stickoxidhaltigen Gasstrom noch von dem wasserstoffhaltigen Gasstrom durchströmt wird und beispielsweise mit einem Spülgas gespült werden kann.
  • Die entsprechenden Anteile sind vorzugsweise durch die konstruktive Realisierung der Gasanströmung des Stickoxidadsorbers vorgegeben.
  • Dadurch, dass die mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagten Adsorberkanäle und die mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagten Adsorberkanäle in vorgebbarer zeitlicher Abhängigkeit aus der Vielzahl der Adsorberkanäle auswählbar sind, wird eine kontinuierliche Ammoniakerzeugung ermöglicht.
  • Die Anreicherung von Stickoxiden in den Adsorberkanälen führt zu einem günstigen Mengenverhältnis der bezüglich des Wasserstoffs oxidierend wirkenden Komponenten Stickoxid und Sauerstoff, so dass ein wirtschaftlicher Einsatz des Wasserstoffs und eine hohe Ammoniakausbeute ermöglicht ist. Dies wird durch die vorgebbare zeitliche Auswahl der jeweiligen Asorberkanalanteile unterstützt, welche sich beispielsweise an dem Ammoniakbedarf zur Abgasreinigung orientieren kann.
  • In Ausgestaltung der Erfindung sind die Vielzahl der Adsorberkanäle genau einem Stickoxidadsorber zugeordnet. Der Stickoxidadsorber ist vorzugsweise als zylindrischer und mit einem Stickoxidspeichermaterial beschichteter monolithischer Wabenkörper mit rundem Querschnitt ausgebildet, der von der Vielzahl der Adsorberkanäle in axialer Richtung durchzogen ist. Eine Ausbildung des Stickoxidadsorbers durch eine Schüttung von beschichteten Formkörpern ist ebenfalls möglich. Vorzugsweise sind in diesem Fall die Adsorberkanäle durch geeignete Strömungsleitmittel, wie beispielsweise mit den Formkörpern gefüllte und benachbarte Hülsen voneinander getrennt. Die einzelnen als Hülsen ausgebildeten Strömungskanäle sind zu einem zylindrischen Adsorberkörper mit vorzugsweise ebenfalls rundem Querschnitt zusammengefasst.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die zeitliche Auswahl der Adsorberkanäle durch eine ortsfeste Gaszufuhr und durch eine Drehung des Stickoxidadsorbers um eine parallel zur Ausrichtung der Strömungskanäle angeordnete Achse. Die ortsfeste Gaszufuhr bezieht sich hierbei auf eine angeströmte Stirnfläche des Adsorbers und betrifft sowohl den stickoxidhaltigen Gasstrom als auch den wasserstoffhaltigen Gasstrom. Dies kann beispielsweise durch eine ortsfeste segmentartige Aufteilung der angeströmten Stirnseite des Stickoxidadsorbers erreicht werden. Ein erstes ortsfestes Segment wird vom stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagt, ein zweites ortsfestes Segment wird vom wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt. Die Segmente können beispielsweise von entsprechenden Blechformteilen gebildet sein, welche hinreichend dicht an der Adsorberstirnfläche anliegen, um eine Vermischung der Gasströme am Ort der Einströmung in den Adsorber zu vermeiden. Der Stickoxidadsorber dreht sich entweder kontinuierlich um seine Längsachse oder wird diskontinuierlich von Zeit zu Zeit so um einen Winkelbetrag gedreht, dass die Adsorberkanäle, welche vor der Drehung vom stickoxidhaltigen Gas angeströmt wurden, nach der Drehung zunächst nicht mehr angeströmt, von einem Spülgasstrom oder vom wasserstoffhaltigen Gasstrom angeströmt werden. Nach abermaliger Drehung, vorzugsweise um denselben Winkelbetrag, werden dieselben Adsorberkanäle wieder vom stickoxidhaltigen Gasstrom oder von einem Spülgasstrom angeströmt bzw. durchströmt. Die flächenmäßigen Anteile der Segmente können dabei unterschiedlich sein. Bei einer gleichmäßigen Drehung des Adsorbers wird so ein durch die größere Segmentfläche bestimmter Teil der Adsorberkanäle länger vom jeweiligen Gasstrom beaufschlagt als der der kleineren Segmentfläche zugeordnete Teil der Adsorberkanäle.
  • Analog zur vorstehend genannten Ausführungsform erfolgt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die zeitliche Abhängigkeit der Auswahl der Adsorberkanäle durch einen unbewegt angeordneten Stickoxidadsorber und durch eine zeitlich ortsabhängige Anströmung des Stickoxidadsorbers. Die Ortsabhängigkeit bezieht sich hier auf den unbeweglich angeordneten Stickoxidadsorber bzw. auf dessen angeströmte Stirnfläche. Vorteilhaft ist eine sich drehende, durch entsprechende Strömungsleitmittel segmentartig aufgeteilte Gaszufuhr. Die Drehung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Durch diese Ausgestaltung werden analog zur vorstehenden genannten Ausführungsform die Adsorberkanäle ebenfalls in zeitlichem Wechsel vom stickoxidhaltigen Gasstrom und vom wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Vielzahl der Adsorberkanäle wenigstens zwei getrennten Stickoxidadsorbern zugeordnet und die zeitliche Abhängigkeit der Auswahl der Adsorberkanäle erfolgt durch eine wechselweise Auswahl der wenigstens zwei Stickoxidadsorber. Somit werden jeweils ein oder mehrere Adsorber vom stickoxidhaltigen Gasstrom durchströmt, während der verbleibende Teil der insgesamt vorhandenen Adsorber vom wasserstoffhaltigen Gasstrom durchströmt wird. Ist die Stickoxidspeicherkapazität der Adsorberkanäle eines vom stickoxidhaltigen Gasstrom durchströmten Adsorbers erschöpft, so werden die Gasströme so umgeschalten, dass dieser nunmehr vom wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt wird und das in den Asorberkanälen dieses Stickoxidadsorbers zwischengespeicherte Stickoxid freigesetzt und wenigstens teilweise zu Ammoniak reduziert wird. Dadurch findet eine Regeneration des Adsorbers statt, so dass er anschließend wieder für eine erneute Zwischenspeicherung von Stickoxiden zur Verfügung steht. Umgekehrt wird durch die Umschaltung der Gasströme ein zuvor vom wasserstoffhaltigen Gasstrom durchströmter und somit bezüglich seiner Stickoxidspeicherfähigkeit regenerierter Stickoxidadsorber nunmehr vom stickoxidhaltigen Gasstrom durchströmt. Durch diese Ausgestaltung erfolgt ein kontinuierlicherer Ammoniakerzeugungsprozess. Die Gasströmungen können ebenfalls gleichmäßiger Natur sein, was die Prozessführung vereinfacht.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stickoxidgenerator zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführten stickoxidhaltigen Gasstroms vorgesehen. Dadurch kann überwiegend unabhängig vom Brennkraftmaschinenbetrieb eine bedarfsorientierte Ammoniakmenge erzeugt und zur Abgasreinigung bereitgestellt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführte stickoxidhaltige Gasstrom der Abgasleitung der Brennkraftmaschine entnommen. Insbesondere bei einer überwiegend mager betriebenen Brennkraftmaschine kann so das in deren Abgas enthaltene Stickoxid teilweise zur Ammoniakerzeugung und somit zur wenigstens teilweisen Entfernung des restlichen von der Brennkraftmaschine emittierten Stickoxids verwendet werden. Dadurch entfällt eine externe Erzeugung von Stickoxid.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Kraftstoffreformer zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführten Wasserstoffs vorgesehen. Vorzugsweise wird vom Kraftstoffreformer der zum Betrieb der Brennkraftmaschine vorgesehene Kraftstoff einem thermischen und/oder katalytischen Reformierungsprozess unterworfen, wobei ein wasserstoffhaltiges reduzierendes Reformiergas erzeugt wird, welches der Ammoniakerzeugungseinrichtung zur Reduzierung von Stickoxiden zu Ammoniak zugeführt wird.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Wasserelektrolyseeinheit zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführten Wasserstoffs vorgesehen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass Wasserstoff weitgehend fremdgasfrei und in konzentrierter Form zur Reduzierung von Stickoxiden bereitgestellt werden kann. Daraus resultiert eine hohe Ausbeute der Ammoniakerzeugung.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage mit einem Stickoxidreduktionskatalysator in einer Abgasleitung sowie mit einer zugehörigen Ammoniakerzeugungseinrichtung,
  • 2 eine schematisch im Längsschnitt dargestellte erste Ausführungsform einer Ammoniakerzeugungseinrichtung,
  • 3 eine schematisch im Querschnitt dargestellte erste Ausführungsform einer Ammoniakerzeugungseinrichtung,
  • 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Ammoniakerzeugungsanlage.
  • Gemäß 1 wird das von der hier beispielhaft vierzylindrig ausgeführten Brennkraftmaschine 1 abgegebene Abgas über eine Abgasleitung 2 einem Stickoxidreduktionskatalysator 3 zugeführt. Bei der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um einen überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotor, vorzugsweise um einen Dieselmotor. Weiterhin ist in einem Nebenzweig der Abgasleitung 2 eine Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 vorgesehen, von welcher ammoniakhaltiges Gas als Reduktionsmittel für im Abgas der Brennkraftmaschine 1 enthaltene Stickoxide stromauf des Stickoxidreduktionskatalysators 3 der Abgasleitung 2 über eine Zuführleitung 7 zuführbar ist. Die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 ist in der Lage, Stickoxide aus einem ihr über eine erste Zugabeleitung 8 zugeführten stickoxidhaltigen Gasstrom abzutrennen und nach einer Zwischenspeicherung zu Ammoniak zu reduzieren. Der von Stickoxid befreite Gasstrom wird über eine Abfuhrleitung 10 in die Umgebung abgeführt oder wieder der Abgasleitung 2 zugeführt. Der zur Reduktion des zwischengespeicherten Stickoxids eingesetzte Wasserstoff wird von einer Wasserstoffquelle 6 bereitgestellt und kann der Ammoniakerzeugungsanlage 4 über eine zweite Zugabeleitung 9 zugeführt werden.
  • Als Wasserstoffquelle 6 kann ein Speicher für elementaren Wasserstoff oder eine Elektrolyseeinheit für Wasser vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Wasserstoffquelle 6 jedoch als katalytischer Reformer ausgeführt, welcher mit einem Kraftstoff und Luft bzw. magerem Abgas versorgt wird. Der Reformer setzt den zugeführten Kraftstoff in einem katalytischen Reformierprozess zu einem wasserstoffhaltigen Gas um. Als Kraftstoff wird vorzugsweise der zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 an Bord des zugehörigen Kraftfahrzeugs verfügbare Energieträger verwendet.
  • Bei dem der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 zugeführten stickoxidhaltigen Gasstrom handelt es sich vorzugsweise um einen Teilstrom des Brennkraftmaschinenabgases, welcher der Abgasleitung 2 stromauf der Zugabestelle des von der Ammoniakerzeugungsanlage 4 erzeugten ammoniakhaltigen Gasstroms entnommen wird. Zur Bereitstellung des stickoxidhaltigen Gasstrom kann jedoch auch ein in 1 punktiert dargestellter separater Stickoxidgenerator 5 vorgesehen sein. Die Erzeugung von Stickoxid im Stickoxidgenerator 5 erfolgt durch Reaktion von Stickstoff mit Sauerstoff, was vorzugsweise durch einen elektrischen Lichtbogen oder durch einen anderen hierfür geeigneten Prozess, wie beispielsweise einen Plasmaprozess ermöglicht wird. Als Eduktgas kommt hierfür Luft oder das magere, sauerstoffhaltige Abgas der Brennkraftmaschine in Frage.
  • Vorzugsweise ist der Stickoxidreduktionskatalysator 3 als sogenannter SCR-Katalysator ausgeführt. Dieser ermöglicht mit Hilfe des Reduktionsmittels Ammoniak bei oxidierenden Bedingungen eine selektive Reduktion der im Brennkraftmaschinenabgas enthaltenen Stickoxide.
  • Es versteht sich, dass der in 1 schematisch dargestellten Anordnung weitere, hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Komponenten zugeordnet sind, bzw. zugeordnet sein können. Hierzu zählen Steuergeräte zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 sowie der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4, des Stickoxidgenerators 5 und der Wasserstoffquelle 6 sowie ebenfalls vorzusehende Schalt- und Förderelemente wie Ventile oder Pumpen.
  • Ferner können in der Abgasleitung 2 weitere reinigungswirksame Bauteile, wie beispielsweise ein Partikelfilter oder weitere katalytische Einheiten angeordnet sein. So kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zu dem Stickoxidreduktionskatalysator 3 einen Oxidationskatalysator, einen Dreiwegekatalysator und/oder einen Stickoxispeicherkatalysator vorzusehen, mit denen weitere Abgasreinigungsfunktionen wahrgenommen werden können.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, stromauf der Zugabestelle des ammoniakhaltigen Gasstroms in der Abgasleitung 2 einen Stickoxidspeicherkatalysator vorzusehen. Dieser speichert bei einem mageren Betrieb der Brennkraftmaschine 1 die im Abgas enthaltenen Stickoxide. Der mit zunehmender Erschöpfung der Stickoxidspeicherkapazität einhergehende zunehmende Schlupf von Stickoxiden aus dem Stickoxidspeicherkatalysator kann dann mittels des von der Ammoniakerzeugungseinrichtung gelieferten Ammoniaks am nachgeschalteten Stickoxidreduktionskatalysator 3 umgesetzt werden. Auf diese Weise können die verbrauchsgünstigen mageren Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 1 lange Zeit andauern. Der Ammoniakbedarf ist bei einer solcherart ausgeführten Abgasreinigungsanlage relativ gering, weshalb die zur Ammoniakerzeugung eingesetzten Bauteile relativ klein ausgeführt werden können.
  • Die Regeneration des Stickoxidspeicherkatalysators durch kurzzeitigen Fett-Betrieb der Brennkraftmaschine 1 kann zu einer zusätzlichen Erzeugung von Ammoniak genutzt werden. Diese kann im Stickoxidspeicherkatalysator oder in einem dahingehend ausgeführtem Dreiwegekatalysator, welcher dem Stickoxidspeicherkatalysator vorgeschaltet sein kann oder zwischen dem Stickoxidspeicherkatalysator und dem Stickoxidreduktionskatalysator 3 in der Abgasleitung 2 angeordnet sein kann.
  • Ebenso ist es vorteilhaft, einen Stickoxidspeicherkatalysator stromab des Stickoxidreduktionskatalysators 3 in der Abgasleitung anzuordnen. Durch die Zufuhr von Ammoniak aus der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 zum Stickoxidreduktionskatalysator 3 wird ein Teil des im Brennkraftabgas enthaltenen Stickoxids entfernt. Aufgrund des verminderten Stickoxidgehalts bleibt deshalb der nachgeschaltete Stickoxidspeicherkatalysator lange Zeit aufnahmefähig für Stickoxide, so dass die verbrauchsgünstigen mageren Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 1 entsprechend lang andauern können.
  • Unter Bezug auf 2 und 3 wird nachfolgend näher auf eine erste bevorzugte Ausführungsform der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 eingegangen. Dabei sind übereinstimmende Merkmale mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 weist einen Stickoxidadsorber 41 auf, der als zylindrischer Wabenkörper mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt ist. Dieser ist in Längsrichtung von einer Vielzahl strömungsmäßig parallel geschalteter und voneinander getrennter Adsorberkanäle 42 durchzogen. Die Adsorberkanäle 42 sind mit einem Stickoxidspeichermaterial beschichtet. Die Stickoxidspeicherung kann dabei je nach Ausprägung des Stickoxidspeichermaterials durch Chemisorption, Adsorption oder durch Absorption bzw. durch eine Kombination der genannten Vorgänge erfolgen. Vorzugsweise wird ein Stickoxidspeichermaterial eingesetzt, welches Alkali- Erdalkali- und/oder Cerverbindungen enthält und die Speicherung des Stickoxids erfolgt durch Nitratbildung.
  • In 2 ist die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Stickoxidadsorber 41 ist in einem Gehäuse 43 untergebracht. Über die erste Zugabeleitung 8 wird der stickoxidhaltige Gasstrom in das Gehäuse 43 geführt. Über die zweite Zugabeleitung 9 wird Wasserstoff in Form eines wasserstoffhaltigen Gasstroms zugeführt. Die zweite Zugabeleitung 9 ist auslassseitig zu einem Kreissegment 44 derart erweitert, dass ein entsprechendes Kreissegment 44 der Stirnfläche des Stickoxidadsorbers 41 vom zugeführten wasserstoffhaltigen Gasstrom angeströmt ist. Der in 3 schematisch dargestellte Querschnitt entlang der Querschnittslinie A-A in 2 verdeutlicht den Sachverhalt. Die segmentartig erweiterte Auslassseite der zweiten Zugabeleitung 9 liegt so an der Stirnseite des Stickoxidadsorbers 41 an, dass abgesehen von einer vernachlässigbarere Leckage, der wasserstoffhaltige Gasstrom nur in die innerhalb des Segments 44 endenden Adsorberkanäle 42 einströmt. Den anderen Adsorberkanälen 42 wird dagegen der stickoxidhaltige Gasstrom zugeführt.
  • Durch die azimutale Ausdehnung des Kreissegments 44 bzw. 45 ist daher einerseits ein erster Anteil der insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle 42 vorgegeben, dem der stickoxidhaltige Gasstrom zugeführt wird und andererseits ein zweiter Anteil vorgegeben, dem der wasserstoffhaltige Gasstrom zugeführt wird.
  • Analog zur einlassseitig gestalteten Gaszufuhr ist die auslassseitige Gasabfuhr der Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 gestaltet. Über die aus dem Gehäuse 43 geführte Abfuhrleitung 10 wird der auf seinem Strömungsweg längs des ersten Anteils der Adsorberkanäle von Stickoxiden weitestgehend befreite Gasstrom abgeführt.
  • Durch einen nicht näher dargestellten Antrieb können entweder die segmentartig erweiterten Leitungen 9 und 7 synchron oder der Stickoxidadsorber 41 um die Mittellängsachse des Stickoxidadsorbers 41 kontinuierlich oder diskontinuierlich gedreht werden. Als Folge hiervon werden in einer vom zeitlichen Verlauf der Drehung abhängigen Weise die dem ersten Anteil und die dem zweiten Anteil der insgesamt vorhandenen Adsorberkanäle 42 jeweils zugeordneten Adsorberkanäle ausgewählt.
  • So werden, nachdem eine gewisse Erschöpfung der Stickoxispeicherfähigkeit ihrer Stickoxidspeicherbeschichtung eingetreten ist, die Adsorberkanäle, die zunächst mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagt wurden, mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt. In der reduzierenden Atmosphäre des wasser stoffhaltigen Gasstroms erfolgt eine Freisetzung der zwischengespeicherten Stickoxide, wodurch das Stickoxidspeichermaterial hinsichtlich seiner Aufnahmefähigkeit für Stickoxide regeneriert wird. Bei einer geeignet ausgeführten, beispielsweise edelmetalldotierten Beschichtung der Adsorberkanäle 42, erfolgt bei der Freisetzung der zwischengespeicherten Stickoxide gleichzeitig deren Reduktion zu Ammoniak, so dass über die Zuführleitung 7 der Abgasleitung 2 Ammoniak zugeführt werden kann.
  • Parallel zu dem beschriebenen Vorgang werden als Folge der beschriebenen Drehung die Adsorberkanäle, die zunächst mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt und somit regeneriert wurden, erneut mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagt. Auf diese Weise erfolgt eine kontinuierliche Erzeugung von Ammoniak mit hoher Ausbeute unter gleichzeitig effektivem Einsatz des Reduktionsmittels Wasserstoff.
  • Die Drehgeschwindigkeit bzw. die Frequenz der Drehbewegung werden zweckmäßigerweise auf den aktuellen Bedarf an Ammoniak abgestimmt. Dementsprechend werden die Größen des stickoxidhaltigen Gasstroms bzw. des wasserstoffhaltigen Gasstroms ebenfalls an den aktuellen Ammoniakbedarf angepasst. Ferner können die Größen der Segmente 44, 45 im Sinne einer zweckmäßigen Prozessführung geeignet gewählt sein.
  • Bei einer kontinuierlichen Drehung der Segmente 44, 45 bzw. des Stickoxidadsorbers 41 ist es zweckmäßig, dass das mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom beaufschlagte Segment 45 einen größeren Winkelbereich umfasst als das mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagte Segment 44. Jeder einzelne Adsorberkanal 42 ist dadurch länger vom stickoxidhaltigen Gasstrom durchströmt als vom wasserstoffhaltigen Gasstrom. Entsprechend ist es zweckmäßig, dass bei einer diskontinuierlich um jeweils 180 Grad vorgenommenen Drehung die Segmente 44, 45 gleich groß ausgeführt sind.
  • Alternativ zur beschriebenen Ausführungsform können die Adsorberkanäle 42 auch mit einem edelmetallfreien Stickoxidspeichermaterial beschichtet sein, durch welches die Reduktion von freigesetztem Stickoxid zu Ammoniak nicht katalysiert werden kann. In diesem Fall weist die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 eine nicht dargestellte katalytische Reduktionsstufe auf, die dem Stickoxidadsorber nachgeschaltet ist. Die bei der Exposition mit dem wasserstoffhaltigen Gas freigesetzten Stickoxide werden in diesem Fall dieser Reduktionsstufe zugeführt und dort zu Ammoniak reduziert und das erzeugte Ammoniak der Abgasleitung 2 zugeführt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass jeweils hinsichtlich der Stickoxidspeicherung und der Stickoxidreduktion speziell optimierte Materialien eingesetzt werden können.
  • In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 schematisch dargestellt, wobei in Bezug auf die 1 bis 3 übereinstimmende Merkmale mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Die Ammoniakerzeugungseinrichtung 4 weist hier beispielhaft drei Stickoxidadsorber 41a, 41b, 41c auf, die jeweils analog zu dem in 2 dargestellten Adsorber ausgeführt sind. Die Vielzahl der Adsorberkanäle zur Zwischenspeicherung von Stickoxiden ist demnach auf diese Stickoxidadsorber 41a, 41b, 41c aufgeteilt. Über ein jeweils eingangsseitig vorgesehenes Umschaltventil 46 kann jeder Stickoxidadsorber wahlweise über die erste Zugabeleitung 8 mit dem stickoxidhaltigen Gasstrom oder über die zweite Zugabeleitung 9 mit dem wasserstoffhaltigen Gasstrom beaufschlagt werden. Entsprechend sind über ausgangsseitig vorgesehene Umschaltventile 47 die Stickoxidadsorber 41a, 41b, 41c mit der zur Abgasleitung 2 führende Zuführleitung 7 für erzeugtes Ammoniak oder mit der Abfuhrleitung 10 verbindbar. Die Umschaltventile 46 und 47 werden koordiniert betätigt. In der in 4 dargestellten Stellung befinden sich die Stickoxidadsorber 41a und 41b in einem Stickoxidadsorptionsmodus und werden von stickoxidhaltigem Gas beaufschlagt. Der Stickoxidadsorber 41c befindet sich dagegen in einem Regenerationsmodus und wird vom wasserstoffhaltigen Gas beaufschlagt. Eine mögliche Betriebsweise kann nun darin bestehen, dass nach einer vorgebbaren Zeitspanne eine Ventilumschaltung derart vorgenommen wird, dass die Stickoxidadsorber 41b und 41c im Adsorptionsmodus betrieben werden und der Stickoxidadsorber 41a im Regenerationsmodus betrieben wird. Sinngemäß kann nach weiteren vorgebbaren Zeiten zyklisch derart weiter geschaltet werden, dass jeweils ein Stickoxidadsorber regeneriert wird, während die beiden anderen Stickoxidadsorber im Adsorptionsmodus betrieben werden. Selbstverständlich erfolgt eine sinngemäße synchrone Umschaltung der ausgangsseitigen Umschaltventile 47.
  • Wie weiter oben beschrieben, werden von den im Adsorptionsmodus betriebenen Stickoxidadsorbern Stickoxide dem jeweils zugeführten stickoxidhaltigen Gasstrom entzogen und zwischengespeichert. Im Regenerationsmodus werden die zwischengespeicherten Stickoxide wieder freigesetzt und zu Ammoniak reduziert. Je nach Ausführung des Stickoxidspeichermaterials kann hierfür entsprechend den weiter oben genannten Erläuterungen eine in die Zuführleitung 7 geschaltete separate Reduktionsstufe vorgesehen sein.
  • Selbstverständlich ist es möglich, die Umschaltungen auf andere Weise oder in anderer Reihenfolge vorzunehmen, insbesondere wenn eine andere Anzahl von Stickoxidadsorbern vorgesehen ist, was ebenfalls ohne weiteres möglich ist.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einer Ammoniakerzeugungseinrichtung können um weitere Komponenten ergänzt werden. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, mittels Heizungen oder Wärmetauschern eine geeignete Temperierung der Bauteile bzw. Gasströme herbeizuführen. Beispielsweise kann im Falle einer als Reformer ausgeführten Wasserstoffquelle 6 ein Wärmetausch zwischen dem heißen wasserstoffhaltigen Reformiergas und dem einem Stickoxidadsorber zugeführten stickoxidhaltigen Gas vorgesehen sein. Vorteilhaft kann es außerdem sein, eine Entschwefelungseinrichtung vorzusehen, mit welcher die den Stickoxidadsorbern zugeführten Gase entschwefelt werden. Auf diese Weise kann einer Vergiftung bzw. Deaktivierung der üblicherweise schwefelempfindlichen Stickoxidspeichermaterialien vorgebeugt werden. Beispielsweise kann eine derartige Entschwefelungseinrichtung in die erste Zugabeleitung 8 und/oder in die zweite Zugabeleitung 9 eingefügt sein. Ebenso kann der dem als Wasserstoffquelle 6 dienenden Reformer zugeführte Kraftstoff durch eine Flüssigentschwefelung von Schwefel befreit werden. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz von üblicherweise schwefelhaltigem Diesel als Kraftstoff vorteilhaft.

Claims (9)

  1. Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer Ammoniakerzeugungseinrichtung und einem in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Stickoxidreduktionskatalysator, dem von der Ammoniakerzeugungseinrichtung erzeugter Ammoniak zuführbar ist, wobei die Ammoniakerzeugungseinrichtung außerhalb der Abgasleitung angeordnet ist und – einen Stickoxidadsorber aufweist, der in der Lage ist, Stickoxide aus einem der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführten stickoxidhaltigen Gasstrom abzutrennen und zwischenzuspeichern – und das im Stickoxidadsorber zwischengespeicherte Stickoxid mit zugeführtem Wasserstoff wenigstens teilweise zu Ammoniak umsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxidadsorber eine Vielzahl strömungsmäßig parallel geschalteter Adsorberkanäle aufweist, wobei – einem ersten Anteil der Adsorberkanäle der stickoxidhaltige Gasstrom zuführbar ist und – einem zweiten Anteil der Adsorberkanäle ein wasserstoffhaltiger Gasstrom zuführbar ist, und die dem ersten Anteil zugeordneten Adsorberkanäle und die dem zweiten Anteil zugeordneten Adsorberkanäle in vorgebbarer zeitlicher Abhängigkeit aus der Vielzahl der Adsorberkanäle auswählbar sind.
  2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Adsorberkanäle genau einem Stickoxidadsorber zugeordnet sind.
  3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abhängigkeit der Auswahl der Adsorberkanäle durch eine ortsfeste Gaszufuhr und durch eine Drehung des Stickoxidadsorbers um eine parallel zur Ausrichtung der Adsorberkanäle angeordnete Achse erfolgt.
  4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abhängigkeit der Auswahl der Adsorberkanäle durch einen unbewegt angeordneten Stickoxidadsorber und durch eine zeitlich ortsabhängige Anströmung des Stickoxidadsorbers erfolgt.
  5. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Adsorberkanäle wenigstens zwei getrennten Stickoxidadsorbern zugeordnet sind und die zeitliche Abhängigkeit der Auswahl der Adsorberkanäle durch eine wechselweise Auswahl der wenigstens zwei Stickoxidadsorber erfolgt.
  6. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stickoxidgenerator zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführten stickoxidhaltigen Gasstroms vorgesehen ist.
  7. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführte stickoxidhaltige Gasstrom der Abgasleitung der Brennkraftmaschine entnommen ist.
  8. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffreformer zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführten Wasserstoffs vorgesehen ist.
  9. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserselektrolyseeinheit zur Erzeugung des der Ammoniakerzeugungseinrichtung zugeführten Wasserstoffs vorgesehen ist.
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