DE4201018A1 - Verfahren zur nachbehandlung von abgasen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung von
Abgasen einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 1.
Da es bei bekannten Otto- oder Dieselmotoren bisher nicht mög
lich ist, das aufbereitete Kraftstoff-Luft-Gemisch vollständig
zu verbrennen, sind in den Abgasen verschiedene Schadstoffe,
beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid,
Stickoxide oder Rußpartikel enthalten. Die Nachbehandlung der
Abgase mittels Katalysatoren oder Rußfiltern kann zwar den
Schadstoffgehalt im Abgas verringern, gleichzeitig wird dadurch
aber der Kraftstoffverbrauch erhöht. Außerdem arbeiten sowohl
der Katalysator als auch der Rußfilter erst bei höheren Tempe
raturen zufriedenstellend, wodurch beim Kaltstart und während
der Warmlaufphase dennoch größere Schadstoffmengen an die Um
welt abgegeben werden.
Aus der DE-OS 38 35 939 ist eine Abgasanlage bekannt, bei der
ein Katalysator vor dem Start der Brennkraftmaschine durch eine
Heizeinrichtung vorgewärmt und ab einer vorgegebenen Temperatur
zusätzlich Kraftstoff in die Abgasleitung eingespritzt wird.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß der durch den einge
bauten Katalysator erhöhte Kraftstoffverbrauch durch das Ein
bringen des Kraftstoffs in die Abgasleitung noch weiter erhöht
wird.
Aus der US 36 57 892 ist ein Verfahren, bei dem im Abgas ent
haltenes Wasser mittels eines Kohlenstoffsubstrats zu Wasser
stoffgas und Kohlenmonoxid dissoziiert wird, bekannt. Durch die
anschließende Oxidation des Wasserstoffs im Rußfilter wird die
zum Abbrennen der abgelagerten Rußpartikel notwendige Tempera
tur erzeugt. Nachteilig ist hierbei, daß erst nach dem Start
der Brennkraftmaschine Wasserstoff erzeugt und somit die Tem
peraturerhöhung erst nach einer Anlaufzeit erfolgt. Außerdem
kann so nur eine geringe Wasserstoffmenge erzeugt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die beschriebenen
Nachteile zu beseitigen, das heißt ein Verfahren zu schaffen,
mit dem die im Abgas enthaltenen Schadstoffe verringert werden
können, ohne dabei den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Haupt
anspruchs gelöst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen
aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
Bei Verwendung einer Abgasnachverbrennung ist ein Betrieb der
Brennkraftmaschine mit hohem Luftüberschuß möglich, wodurch der
Anteil der Stickoxide im Abgas deutlich verringert wird. Daher
kann bei Unterschreiten der Stickoxidgrenzwerte auf den Einsatz
eines zusätzlichen Katalysators verzichtet werden. Genauso kann
bei Dieselmotoren durch die Verbrennung der Rußpartikel im
Wasserstoffbrenner auf den Einsatz eines Rußfilters verzichtet
werden. In beiden Fällen wird eine zusätzliche Drosselung der
Abgase vermieden, was zu einer Verminderung des Kraftstoffver
brauchs führt. Im Gegensatz zur Verwendung von Kraftstoff als
Zusatzbrennstoff für die Abgasnachverbrennung werden bei der
Verbrennung von Wasserstoff aber keine zusätzlichen Schadstoffe
produziert.
Durch die Zugabe von Sauerstoff aus der Elektrolyse oder aus
der Umgebungsluft kann das Abgas gekühlt und somit die Abgas
temperatur auf einfache Art und Weise geregelt werden. Dies ist
vor allem wichtig, um zusätzliche Abgasnachbehandlungsele
mente, die zur weiteren Verbesserung der Abgasqualität in der
Abgasleitung angeordnet sind, vor Überhitzung zu schützen.
Außerdem kann dadurch, daß schon vor dem Start der Brennkraft
maschine die Verbrennung des Wasserstoffs in der Abgasleitung
gezündet wird, bereits das beim Start anfallende Abgas effektiv
nachverbrannt werden. Dadurch kann ein Ausstoß von erhöhten
Schadstoffmengen während des Kaltstarts oder während der Warm
laufphase verhindert werden.
Die Gewinnung des Wasserstoffs mittels Elektrolyse aus Wasser
bietet den Vorteil, daß anstelle eines Wasserstoffspeichers nur
ein einfach zu handhabender Wassertank benötigt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er
läutert. Es zeigt im einzelnen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt die Abgasanlage eines nicht weiter dargestellten
Kraftfahrzeugs. Das von einer Brennkraftmaschine 1 erzeugte
Abgas wird durch eine Abgasleitung 2 an die Umgebung abgegeben.
Zur Nachbehandlung der Abgase wird über eine erste Leitung 3
und eine erste Düse 4 Wasserstoff in die Abgasleitung 2 ein
gebracht. Außerdem wird der Abgasleitung 2 über eine zweite
Leitung 5 und eine oder mehrere Düsen 6 Sauerstoff,
beziehungsweise Luft zugeführt. Zur besseren Vermischung des
Wasserstoffs mit dem Sauerstoff, der Luft, beziehungsweise dem
Abgas, ist außerdem ein Drallblech 7 vorgesehen. Stromab der
beiden Düsen 4 und 6 ist eine Zündeinrichtung 8, die durch eine
Hochspannungsquelle 9 mit der notwendigen Zündspannung versorgt
wird, angeordnet. Die beiden Düsen 4 und 6 bilden gemeinsam mit
der Zündeinrichtung 8 einen Wasserstoffbrenner 10. Der benö
tigte Wasserstoff und Sauerstoff wird in einer Elektrolysezelle
11, die von einem Speicherbehälter 12 über eine Zuleitung 13
mit Wasser versorgt wird, gebildet. Die Betriebsspannung für
die Elektrolysezelle 11 wird über die Zuleitung 14 von einem
Steuergerät 15, welches wiederum über eine Zuleitung 16 mit der
Spannungsversorgung des Kraftfahrzeugs verbunden ist, bereit
gestellt. Vom Steuergerät 15 sind über Steuerleitungen 17, 18
zwei Ventile 19, 20 ansteuerbar, mit denen die zum Wasser
stoffbrenner 10 zugeführte Menge an Wasserstoff, beziehungs
weise Sauerstoff kontrolliert werden kann. Außerdem kann die
zugeführte Sauerstoffmenge zusätzlich durch eine Luftpumpe 21,
die über eine weitere Steuerleitung 22 vom Steuergerät 15 an
gesteuert wird, erhöht werden.
Das Steuergerät 15 wird über verschiedene Sensoren über alle
notwendigen Betriebsparameter informiert. Über einen Tempera
tursensor 23 und einen Drucksensor 24 stromauf des Wasser
stoffbrenners 10 wird der anfallende Abgasmassenstrom ermit
telt. Durch einen weiteren Temperatursensor 25 stromab des
Wasserstoffbrenners 10 kann zusätzlich die Temperatur des
nachverbrannten Abgases bestimmt werden. Außerdem erhält das
Steuergerät 15 über einen Sensor 26 Informationen über den
Wasserstand im Speicherbehälter 12. Über die Leitung 27 wird
schließlich nach erfolgreicher Inbetriebnahme des Wasserstoff
brenners 10 ein Signal zur Freigabe des Startvorganges über
mittelt.
Durch das Starten des Wasserstoffbrenners 10 vor dem Start der
Brennkraftmaschine 1 wird erreicht, daß das anfallende Abgas
bereits direkt nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 durch
den brennenden Wasserstoff geleitet und dadurch nachverbrannt
werden kann. Durch die Nachverbrennung ist anderseits wiederum
möglich, die Brennkraftmaschine 1 mit einem höheren Luftüber
schuß zu betreiben. Dies kann dazu führen, daß die Menge der
Stickoxide im Abgas unter die gesetzlichen Grenzwerte sinkt.
In diesem Fall kann auf den Einsatz eines zusätzlichen Kataly
sators verzichtet werden. Außerdem kann wegen der direkten
Nachverbrennung der Abgase bei einem Dieselmotor auf den Ruß
abbrennfilter verzichtet werden. Da Abgassysteme ohne Kataly
sator, beziehungsweise Rußabbrennfilter, einen geringeren Ab
gasgegendruck aufweisen, kann auf diese Weise der Kraftstoff
verbrauch der Brennkraftmaschine 1 ebenfalls verringert werden.
Die Menge des in der Elektrolysezelle 11 erzeugten Wasserstoffs
kann durch das Steuergerät 15 mittels einer Änderung der zuge
führten elektrischen Ladung, beispielsweise in Abhängigkeit vom
Abgasmassenstrom, auf einfache Art und Weise variiert werden.
Außerdem kann die Zufuhr von Wasserstoff oder Sauerstoff zur
Abgasleitung 2 durch die Ventile 19, 20 kontrolliert werden. So
kann die Zufuhr beispielsweise bei auftretenden Problemen
schnell unterbrochen werden. Vorteilhafterweise ist dabei die
Sauerstoffdüse 6 stromauf der Wasserstoffdüse 4 angeordnet, so
daß Wasserstoff, der eventuell nach dem Abschalten des Wasser
stoffbrenners 10 in der Abgasleitung 2 verbleiben könnte, durch
einen erhöhten Luftzusatz durch die Pumpe 21 aus der Abgaslei
tung 2 ausgeblasen werden kann.
Fig. 2 zeigt ein gegenüber Fig. 1 leicht verändertes zweites
Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage, wobei gleiche Teile mit
gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind.
Abweichend von Fig. 1 ist in der Abgasleitung 2 stromab des
Wasserstoffbrenners 10 ein weiteres Abgasnachbehandlungselement
28 angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen
Katalysator oder einen Rußabbrennfilter handeln. In einer
Bypassleitung 29 zum Abgasnachbehandlungselement 28 ist ein
Differenzdrucksensor 30 angeordnet, der die durch das Abgas
nachbehandlungselement 28 erzeugte Druckerhöhung in der Abgas
leitung 2 an das Steuergerät 15 übermittelt. Hier dient der
Wasserstoffbrenner 10 dazu, bereits beim Start der Brennkraft
maschine 1 die anfallenden Abgase nachzuverbrennen. Durch die
Nachverbrennung wird einerseits ein Teil der Schadstoffe im
Abgas direkt beseitigt; andererseits wird dadurch die Be
triebstemperatur des nachgeordneten Abgasnachbehandlungsele
mentes 28 rasch angehoben. Beide Effekte führen dazu, daß das
Abgasnachbehandlungselement 28 effektiver arbeitet und somit
die an die Umwelt abgegebene Schadstoffmenge reduziert wird.
Weiterhin kann der Wasserstoffbrenner auch zum Abbrennen eines
Rußfilters verwendet werden. In diesem Fall wird der Wasser
stoffbrenner nur in bestimmten Zeitabständen oder bei Erreichen
eines vorgegebenen Abgasgegendruckes, der durch den Differenz
drucksensor 30 ermittelt wird, für ein vorgegebenem Zeitinter
vall gezündet. Das Differenzdrucksignal wird für das Abgas
nachbehandlungselement 28 im Neuzustand ermittelt. Im Betrieb,
beispielsweise eines Rußfilters, ändert sich der Wert dann in
folge von Ablagerungen. Wird ein vorgegebener Grenzwert er
reicht, schaltet sich der Wasserstoffbrenner 10 ein und das
Filter wird freigebrannt.
Bei einem Katalysator erhält man mittels der Differenzdruck
messung ebenfalls eine Aussage über den Verschmutzungszustand,
beziehungsweise Abtragungen. Eine kontinuierliche Funktion be
ziehungsweise Überwachung des Abgasnachbehandlungselementes 28
ist somit gewährleistet. Ein schadhaftes Abgasnachbehandlungs
element kann infolge einer Überschreitung oder Unterschreitung
von vorgegebenen Grenzwerten sofort erkannt und ein Signal an
das Steuergerät 15 weitergeben werden.
Durch die Zugabe von kaltem Sauerstoff, beziehungsweise von
kalter Umgebungsluft durch die Pumpe 21 wird ein Überhitzungs
schaden des Abgasnachbehandlungselementes 28 ausgeschlossen, da
der Kühlluftstrom dem Abgas zugeführt wird, sobald die gemes
sene Abgastemperatur einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Claims (9)
1. Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraft
maschine, wobei das Abgas durch die Oxidation von gasförmigem
Wasserstoff auf eine für die Nachverbrennung des Abgases notwendige
Temperatur gebracht wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß Wasserstoffgas in eine an der Brennkraftmaschine (1) ange
ordneten Abgasleitung (2) eingebracht und entzündet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich Sauerstoff aus der Elektrolyse oder aus der Um
gebungsluft in die Abgasleitung (2) eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abgastemperatur stromab der Gaseinlaßdüsen (4, 6) ge
messen und die Menge an zugeführtem Sauerstoff oder Umgebungs
luft mit zunehmender Abgastemperatur erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine (1) Sauerstoff
und/oder Wasserstoffgas in die Abgasleitung (2) eingebracht
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge des Wasserstoffs, der in die Abgasleitung (2)
eingeleitet wird, mit zunehmendem Abgasmassenstrom erhöht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Abgasleitung (2) stromab der Gaseinlaßöffnungen eine
Zündvorrichtung (8) vorgesehen ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß stromab der Gaseinlaßöffnungen ein weiteres Abgasnachbe
handlungselement (28) in der Abgasleitung (2) angeordnet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die durch das Abgasnachbehandlungselement (28) verursachte
Druckerhöhung in der Abgasleitung (2) gemessen wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4201018A DE4201018A1 (de) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | Verfahren zur nachbehandlung von abgasen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4201018A DE4201018A1 (de) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | Verfahren zur nachbehandlung von abgasen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4201018A1 true DE4201018A1 (de) | 1993-07-22 |
Family
ID=6449636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4201018A Withdrawn DE4201018A1 (de) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | Verfahren zur nachbehandlung von abgasen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4201018A1 (de) |
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- 1992-01-16 DE DE4201018A patent/DE4201018A1/de not_active Withdrawn
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