Vorrichtung zum Verdampfen bzw. Zerstäuben eines Brennstoffs,

Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine sowie

Baugruppe mit einer Reformierungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen eines Kohlen- Wasserstoffe enthaltenden Brennstoffs und zum Einleiten eines aus dem Brennstoff erzeugten Dampfes in einen Gasstrom bzw. eine Vorrichtung zum Zerstäuben eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Brennstoffs und Einbringen desselben in einen Gasstrom, insbesondere für eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine oder eine Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Bereich aufweist, der im Betrieb einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist und in dem sich aus den Kohlenwasserstoffen des Brennstoffs kohlenstoffhaltige Ablagerungen bilden können. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine sowie eine Baugruppe mit einer Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases.

Eine derartige Verdampfungsvorrichtung ist beispielsweise aus der EP 1 369 557 A1 bekannt und wird in einer Kfz-Abgasanlage zur Einbringung von Kraftstoff in den Abgasstrom stromaufwärts eines Abgasreinigungssystems, etwa eines Partikelfilters oder eines NO _x -Speicherkatalysators, genutzt, um dieses in periodischen Abständen zu regenerieren. Eine weitere Einsatzmöglichkeit für eine solche Verdampfungs- oder Zerstäubungsvorrichtung ist die Einbringung von Kraftstoff (in dampfförmiger oder zerstäubter Form) in die Luftzufuhr einer Reformierungseinrichtung, etwa einem autothermen Reformer, der aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch ein mit Wasserstoff angereichertes Gas erzeugt. Dieses kann anschließend einer Brennstoffzelle zugeführt werden, als Kraftstoff für eine Verbrennungskraftmaschine dienen oder ebenfalls zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems genutzt werden.

Bei der Verdampfung bzw. Zerstäubung des Brennstoffs sind gewisse

Bereiche der Vorrichtungen erhöhten Temperaturen ausgesetzt, wodurch es zur Ablagerung kohlenstoffhaltiger Zersetzungsprodukte, insbesondere kohle- oder teerartiger Substanzen, in diesen Bereichen kommen kann, die die

Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsvorrichtung verunreinigen und deren Lebensdauer verkürzen. Der Ablagerungsprozeß wird auch als „coking" bezeichnet und tritt verstärkt bei der Verdampfung bzw. Zerstäubung von sauerstoffangereicherten Kraftstoffen oder Biodiesel auf.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Verdampfen bzw.

Zerstäuben eines Brennstoffs bereitzustellen, bei der die Ablagerung von kohlenstoffhaltigen Zersetzungsprodukten verhindert wird.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dies bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Verdampfen eines Brennstoffs dadurch erreicht, daß in dem Bereich, der im Betrieb einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist, ein Katalysator zur Spaltung und Umwandlung der Kohlenwasserstoffe und/oder der Ablagerungen in bei der Betriebstemperatur flüchtige Produkte vorgesehen ist. Dieser Katalysator begünstigt eine Zersetzung der Anteile von schweren Kohlenwasserstoffen im Brennstoff in flüchtige Bestandteile und verhindert so die Ansammlung bzw. Agglomeration der Kohlenwasserstoffe unter Bildung von teerartigen Ablagerungen bzw. das „Verkohlen" dieser Ablagerungen im temperaturbelasteten Bereich. Auf diese Weise wird die Lebensdauer der Verdampfungsvorrichtung erhöht.

Vorzugsweise weist die Verdampfungsvorrichtung einen Verdampfungsraum mit einem darin angeordneten Heizelement, insbesondere einer Glühkerze, auf, wobei der Katalysator im Verdampfungsraum angeordnet ist. Da im Betrieb der Vorrichtung speziell im Bereich des Heizelements hohe Temperaturen vorherrschen, können sich dort die beschriebenen Ablagerungen bilden.

Da sich die Zersetzungsprodukte des Brennstoffs insbesondere am Heizele- ment ablagern, weist dieses vorteilhaft eine den Katalysator enthaltende

Beschichtung auf. Die Beschichtung kann beispielsweise einen Precursor, insbesondere eine sich leicht zersetzende metallorganische Verbindung, umfassen, aus dem der Katalysator z.B. durch Sintern oder Kalzinieren entsteht.

Weiterhin kann das Heizelement mit dem Precursor für den Katalysator imprägniert und anschließend wärmebehandelt werden, so daß der aus dem

Precursor entstehende Katalysator chemisch oder physikalisch in der Matrix des

Heizelements gebunden ist. Die Erzeugung des Katalysators über einen

Precursor führt zu einer feineren Verteilung des Katalysators in der Beschichtung bzw. der Matrix und damit zu einer höheren katalytischen Aktivität.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist im Verdampfungsraum ein den Katalysator enthaltendes poröses Material angeordnet, durch das der Brennstoff hindurchgeführt wird. Auch dieses Material umgibt das Heizelement direkt. Bei dem porösen Material kann es sich z.B. um eine poröse Keramik oder einen Metallschaum handeln, der katalytisch aktiviert oder beschichtet ist, um die Spaltung von schweren Kohlenwasserstoffen und ihren Ablagerungsprodukten zu begünstigen.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung sieht, wie bereits erwähnt, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zum Zerstäuben eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Brennstoffs vor, bei der ebenfalls in dem Bereich, der im Betrieb einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist, ein Katalysator zur Spaltung und Umwandlung der Kohlenwasserstoffe und/oder der Ablagerungen in bei der Betriebstemperatur flüchtige Produkte vorgesehen ist. Wiederum wird so eine Ansammlung von kohle- oder teerartigen Ablagerungen in diesem Bereich verhindert und somit die Lebensdauer der Zerstäubungsvorrichtung erhöht.

Die Zerstäubungsvorrichtung weist insbesondere einen im Betrieb dem Gasstrom ausgesetzten Abschnitt auf, in dem der Katalysator angeordnet ist. Dieser Abschnitt wird durch den heißen Gasstrom erhitzt und ist daher anfällig für die Bildung von Zersetzungsprodukten aus dem Brennstoff durch ungleichmäßige Zerstäubung und Agglomeration schwerer Brennstoffanteile, die an dem heißen Abschnitt zusammenbacken und teer- oder kohleartige Ablagerungen bilden können. Der in den heißen Abschnitt eingebrachte Katalysator begünstigt die Spaltung der höhermolekularen Anteile des Brennstoffs in leicht flüchtige Produkte, so daß eine Ablagerung von kohle- oder teerartigen Substanzen verhindert wird.

Insbesondere kann im Bereich einer dem Gasstrom ausgesetzten Düse eine den Katalysator enthaltende Beschichtung vorgesehen sein, oder der Katalysator ist chemisch oder physikalisch in das Matrixmaterial der Düse eingebunden.

Dabei dient die Düse der Einbringung des Brennstoffs in den Gasstrom, steht also in direktem Kontakt mit dem Brennstoff.

Unter Umständen kann es auch im Fall einer Verdampfungsvorrichtung, die teilweise in einen heißen Gasstrom ragt, sinnvoll sein, den in den Gasstrom ragenden Abschnitt mit einem Katalysator zu versehen.

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei dem Kohlenwasserstoffe enthaltenden Brennstoff um Kraftstoff, insbesondere um Dieselkraftstoff. Mit umfaßt sind auch sauerstoffangereicherte Kraftstoffe oder Biodiesel, bei denen eine besonders hohe Gefahr der Bildung von teer- oder kohleartigen

Ablagerungen an thermisch belasteten Bereichen besteht. Mit dem Begriff

„Biodiesel" werden im allgemeinen Kraftstoffe aus Fettsäuremethylester, insbesondere Rapsölmethylester, bezeichnet.

Der Katalysator umfaßt vorzugsweise ein oder mehrere Seltenerdmetalloxide, beispielsweise CeO ₂ , entweder als Reinstoff, als Mischoxid oder als physikalisches Gemisch miteinander oder zusammen mit anderen Oxiden. Aufgrund seiner Wirkungsweise kann der Katalysator als ein Crackkatalysator angesehen werden, der aus den schweren Brennstoffanteilen und/oder den kohlenstoffhaltigen Ablagerungen bereits bei relativ niedrigen Temperaturen, wie sie z.B. in einer Abgasanlage vorherrschen, flüchtige Produkte erzeugt, die sich nicht auf den thermisch belasteten Oberflächen der Vorrichtung absetzen können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Abgasanlage für eine

Verbrennungskraftmaschine vor, mit einer Abgasleitung, wenigstens einem Abgasreinigungssystem, insbesondere einem Partikelfilter mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator oder einem NO _x -Speicherkatalysator, sowie wenigstens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die stromaufwärts des Abgasreinigungs- Systems angeordnet ist. Wie bereits eingangs erwähnt, dient die Vorrichtung, gleich ob Verdampfungs- oder Zerstäubungsvorrichtung, der Regeneration des Abgasreinigungssystems.

Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in einer

Baugruppe mit einer Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasser- stoffhaltigen Gases gegeben, die neben der Vorrichtung eine Zuführleitung aufweist, wobei die Vorrichtung stromaufwärts der Reformierungseinrichtung angeordnet ist. Die Vorrichtung dient in diesem Fall der Bereitstellung von

Brennstoff für ein Luft-Brennstoff-Gemisch, das in der Reformierungseinπ ^' chtung in ein mit Wasserstoff angereichertes Gas zerlegt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeich- nungen. In diesen zeigen:

- Figur 1 eine Ansicht einer Verdampfungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, teilweise geschnitten;

- Figur 2 eine Ansicht einer Verdampfungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, teilweise geschnitten;

- Figur 3 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zerstäubungsvorrichtung;

- Figur 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasanlage; und

- Figur 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit einer Reformierungseinrichtung.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Verdampfen eines Brennstoffs, die ein längliches Gehäuse 12 aufweist, in dem ein Verdampfungsraum 14 ausgebildet ist. Der Verdampfungsraum 14 steht über einen Einlaß 16 in Verbindung mit einer Brennstoffzuleitung 18, in der flüssiger Brennstoff geführt ist. Eine Luftzufuhr zur Vorrichtung 10 ist nicht vorgesehen. Der Einlaß 16 und die Brennstoffzuleitung 18 sind seitlich am Gehäuse 12 in einem außerhalb einer Leitung 20 liegenden Bereich angeordnet. In der Leitung 20 ist ein Gasstrom geführt.

Ein in die Leitung 20 hineinragender Abschnitt 22 des Gehäuses 12 hat einen Auslaß 24, der mit Bezug auf den Querschnitt der Leitung 20 in etwa mittig angeordnet ist und in Strömungsrichtung des Gasstroms (angedeutet durch den Pfeil P ₁ ) weist.

Im Verdampfungsraum 14 ist ein Heizelement 26, hier eine Glühkerze, angeordnet. Die Oberfläche des Heizelements 26 bildet einen Bereich 28, der im Betrieb der Vorrichtung 10 einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist und in dem

- -

sich daher kohlenstoffhaltige Ablagerungen aus dem Brennstoff, bei dem es sich insbesondere um Kraftstoff handelt, bilden können. Um die Entstehung oder ein Festsetzen dieser Ablagerungen zu verhindern, ist im Bereich 28 ein Katalysator vorgesehen, der bei der gezeigten Ausführungsform in einer Beschichtung 32 des Heizelements 26 enthalten ist. Der Katalysator dient der Spaltung und Umwandlung schwerer Kohlenwasserstoffe bzw. der kohlenstoffhaltigen Ablagerungen in bei der Betriebstemperatur der Vorrichtung flüchtige Produkte und kann somit als ein Crackkatalysator angesehen werden, der z.B. ein Seltenerdmetalloxid wie CeO ₂ umfaßt.

Alternativ zu einer Beschichtung des Heizelements kann der Katalysator auch chemisch oder physikalisch in die Oberfläche des Heizelements, die im Fall einer Glühkerze aus Keramik besteht, integriert sein. Beispielsweise kann das Heizelement mit einem Cer enthaltenden Precursor, insbesondere einer cerorganischen Verbindung, imprägniert und anschließend der Katalysator in der Keramik-Matrix durch Sintern oder Kalzinieren gebildet und stabilisiert werden.

Figur 2 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei im folgenden gleiche oder funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und lediglich auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen Ausführungsform eingegangen wird. Bei der Ausführungsform der Figur 2 ist im Verdampfungsraum 14 ein den Katalysator enthaltendes poröses Material 34 angeordnet. Insbesondere handelt es sich bei dem porösen Material 34 um einen Metallschaum, der als Träger für den Katalysator dient. Anstelle des Metallschaums kann auch ein poröses keramisches Material verwendet werden. Der Katalysator kann in einer Beschichtung der Poren des porösen Materials 34 enthalten sein, er kann aber auch in das poröse Material selbst integriert sein.

Natürlich kann abweichend von den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausgestaltungen das Heizelement 26 auch ganz oder teilweise in die Leitung 20 hineinragen.

Figur 3 zeigt eine Vorrichtung 40 gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung. Bei der Vorrichtung 40 handelt es sich um eine Vorrichtung zum Zerstäuben eines Brennstoffs, wiederum insbesondere Kraftstoff. Die Vorrichtung 40 weist ein Gehäuse 42 sowie eine Brennstoffzuleitung 44 auf, wobei ein vorderer

Abschnitt 46 des Gehäuses 42, in dem eine Düse 48 vorgesehen ist, in eine

- -

Leitung 50 ragt, in der ein Gasstrom (Pfeil P ₁ ) geführt ist. Da der Abschnitt 46 mit der Düse 48 dem Gasstrom ausgesetzt ist, bildet er einen Bereich 52, der im Betrieb einer erhöhten Temperatur ausgesetzt ist und in dem sich somit kohlenstoffhaltige Ablagerungen bilden können.

Um die Entstehung derartiger Ablagerungen zu verhindern, ist im Bereich 52, insbesondere im Austrittskegel der Düse 48, ein Katalysator vorgesehen, der in einer Beschichtung 56 enthalten ist. Dieser spaltet höhermolekulare Brennstoffanteile bzw. die daraus entstehenden Ablagerungen, insbesondere teerartige Substanzen, und wandelt sie in bei der Betriebstemperatur flüchtige Produkte um, wodurch eine Verschmutzung der Düse 48 verhindert wird. Insbesondere ist der Katalysator auch hier eine Art Crackkatalysator, der z.B. ein Seltenerdmetalloxid wie CeO ₂ umfaßt.

Die Vorrichtungen 10 bzw. 40 können, wie in Figur 4 gezeigt ist, in einer Abgasanlage 60 für eine Verbrennungskraftmaschine 62, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt werden. Die Leitung 20 bzw. 50 ist dann eine Abgasleitung. Die Abgasanlage 60 weist ein Abgasreinigungssystem 64 in Form eines Partikelfilters mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator oder eines NO _x - Speicherkatalysators auf. Die Vorrichtung 10, 40 ist bezüglich des in der Leitung 20, 50 geführten Abgasstroms stromaufwärts des Abgasreinigungssystems 64 angeordnet, um dieses durch Einbringen von Kraftstoff in die Leitung 20, 50 in periodischen Abständen zu regenerieren.

Figur 5 zeigt eine Baugruppe 70 mit einer Reformierungseinrichtung 72 zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases. Die Baugruppe 70 weist weiterhin eine Zuführleitung auf, die durch die Leitung 20, 50 gebildet ist und in der eine Vorrichtung 10, 40 stromaufwärts der Reformierungseinrichtung 72 angeordnet ist. In der Zuführleitung wird Luft geführt, die sich mit dem Kraftstoff aus der Vorrichtung 10, 40 vermischt, wobei die Reformierungseinrichtung 72 aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt.