Die Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator für eine Verbrennungskraftmaschine zur Energiegewinnung aus der Verbrennung von Kraftstoff und Luft, wobei das entstehende Verbrennungsgas in einem Durchleitungsweg durch den Katalysator geleitet wird, an dem eine hochtemperaturfeste Diffusionsmembran angebracht ist, die an einen Regeneratsammler grenzt, der unter einem niedrigeren Druck als einem jeweils herrschenden

Katalysator innendruck gehalten ist und ein so aus dem Verbrennungsgas abgesaugtes

Regeneratgas der vorgeschalteten Verbrennungskraftmaschine als ein ergänzender Brennstoff zugeführt wird.

[0002] Bei heutigen Verbrennungskraftmaschinen, die mit einem Gemisch von Frischluft und Kohlenwasserstoff-Brennstoff betrieben werden, werden die Verbrennungsgase durch einen Katalysator hindurch geleitet, in dem unverbrannter Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Verbrennungszwischenprodukte, wie NOx, schrittweise in schadstoffarme Abgasendprodukte, wie H 2 O-Dampf und N2, durch eine katalytische Nachverbrennung überfuhrt werden. Durch die Nachverbrennung tritt im Katalysator gewöhnlich im laufenden Betrieb eine Temperatur von 600°C -l000°C auf und es herrscht in seinem Gehäuse gewöhnlich ein Druck von mehreren bar durch den Rückstau im anschließenden Schalldämpfer.

[0003] Die üblichen Katalysatoren bestehen aus einer engen großflächigen

Lamellenträgerstruktur, die mit einem Platinmetall oder Metallgemisch als wirksames Katalysatormaterial dünn beschichtet ist. Für eine stöchiometrisch ausgewogene

Zusammensetzung der Luft- und Brennstoffzufuhrsorgt eine Regelvorrichtung, der als Ist- Signal ein Messwert einer Abgassonde zugeführt wird, die den Gehalt an Schadstoffen, wie Kohlenmonoxid CO und Stickoxiden NOx, misst. Die thermische und chemische in dem Verbrennungsgas enthaltene Energie wird im Katalysator als nutzlose Wärmefreigesetzt. Rußpartikel werden kaum reduziert.

[0004] Es ist bekannt, einen Teil der heißen Verbrennungsgase abzuzweigen und der

Frischluft beizumischen, wodurch ein Teil der in den Verbrennungsgasen enthaltenen Energie in dem folgenden Verbrennungsvorgang nutzbringend verwertet wird. Jedoch führt die durch die noch heißen Verbrennungsgase höhere Temperatur der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luft zu einer geringeren Aufladung eines Verbrennungsmotors und damit zu einer Erniedrigung der Maximalleistung und in vielen Fällen zu einer erhöhten Bildung von Rußpartikeln, die eine unerwünschte Energieverschiebung aus dem Verbrennungsraum in den Katalysator mit sich bringt.

[0005] So ist aus der Patentschrift DE 34 13 419 C2 bekannt, dem Vergaser eines

Verbrennungsmotors mittels einer Abgasrückführleitung und einer zweiten Drosselklappe Abgase wieder zuzuführen, die damit in den Ansaugkanal des Verbrennungsmotors ergänzend eingespeist werden. Dies vermindert die Rußpartikel in den Abgasen nicht.

[0006] Weiterhin ist bekannt, etwa aus der Patentschrift DE 28 43 335 C2, dem Kraftstoff für die Verbrennung Wasser zuzuführen. Dadurch wird dir Verbrennungsluft gekühlt und die Energieausbeute verbessert. Das Wasser wird aber nicht in den Katalysationsprozess einbezogen.

[0007] ln der Patentschrift DE 10 2004 002 742 B2 ist ein Regenerator von

Verbrennungsgasen mit einem Abgaskatalysator beschrieben, bei dem aus dem Katalysator Regeneratgase abgesaugt und diese dem Verbrennungsmotor als ergänzender Brennstoff wieder zugeführt werden. Der Kraftstoffverbrauch wird mit der dort beschriebenen

Konfiguration deutlich verringert und der Ausstoß von Stickoxiden gemindert.

[0008] Es ist die Aufgabe der Erfindung, den vorbeschriebenen Regenerator in einer

Abgasanlage so zu verbessern, dass der Ausstoß von Rußpartikeln bei

Verbrennungskraftmaschinen deutlich gemindert und der Kraftstoffverbrauch weiter reduziert wird.

[0009] Der erfindungsgemäße Katalysator ist für eine Verbrennungskraftmaschine zur Energiegewinnung aus der Verbrennung von Kraftstoff und Luft vorgesehen. Das dabei entstehende Verbrennungsgas wird in einem Durchleitungsweg durch den Katalysator geleitet, an dem eine hochtemperaturfeste Diffusionsmembran angebracht ist. Diese grenzt an einen Regeneratsammler, der unter einem niedrigeren Druck als einem jeweils herrschenden Katalysatorinnendruck gehalten ist. Ein so aus dem Verbrennungsgas abgesaugtes

Regeneratgas wird der vorgeschalteten Verbrennungskraftmaschine als ein ergänzender Brennstoff zugeführt.

[0010] Der Katalysator zeichnet sich dadurch aus, dass in den Durchleitungsweg eine Wirbelkammer eingesetzt ist, an die die Diffusionsmembran grenzt und in der der

Katalysatorinnendruck durch Hindernisse für das Verbrennungsgas erhöht ist. Weiterhin wird, in den Durchleitungsweg vor der Wirbelkammer, Wasser dem Verbrennungsgas in einem bestimmten Verhältnis zum verbrannten Kraftstoff zugesetzt.

[001 1] Durch die mittels der Hindernisse verzögerte Durchleitung der Verbrennungsgase und das Zusetzen des Wassers werden die Rußpartikel in dem Verbrennungsgas gelöst und, durch die hohe Temperatur in dem Katalysator zu N 2 , O 2 und CO 2 reduziert. Es verbleiben daher nur sehr geringe Mengen Rußpartikeln im Abgas.

[0012] Die Diffusionsmembran trennt das viel Wasserstoff enthaltende Regeneratgas ab und dieses wird der Verbrennungskraftmaschine als zusätzlicher Brennstoff wieder zugeführt. Durch diese Maßnahme wird der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt. In Versuchen wurde eine Einsparung von Kraftstoff von über 20% festgestellt.

[0013] Die Versuche haben auch ergeben, dass das Regeneratgas dem sehr heißen Katalysator mit Temperaturen zwischen 0°C und 15°C entnommen wird. Dieses kühle Gas kühlt die Ladeluft der Verbrennungskraftmaschine. Es kann also auf einen separaten Ladeluftkühler verzichtet werden. Das kühle Gas kann auch zu weiteren energetischen Zwecken, etwa dem Betrieb einer Klimaanlage, genutzt werden.

[0014] Eine Verwirbelungsscheibe bildet für das Verbrennungsgas in dem Durchleitungsweg den Eingang zur Wirbelkammer und stellt für das Verbrennungsgas ein Hindernis dar.

Ausstanzungen in der Verwirbelungsscheibe sorgen für die gewünschten Wirbel der

Verbrennungsgase in der Wirbelkammer, die die Rußpartikel an die keramische Prall- Membranplatte bringen. Die Ausstanzungen sind bevorzugt als V-förmige Ausstanzungen gestaltet, was die Verwirbelung bewirkt.

[0015] Weiter ist vorgesehen, dass in Durchleitungsrichtung hinter der Wirbelkammer eine verstellbare Drosselklappe eingesetzt ist, die ein weiteres Hindernis darstellt und wodurch der Katalysatorinnendruck einstellbar ist. Je höher der Katalysatorinnendmck eingestellt ist, desto höher wird auch die Temperatur in dem Katalysator. Ein solches weiteres Hindernis kann anstelle einer Drosselklappe auch durch einen verschieblichen Absperrkolben gebildet sein.

[0016] Die Diffusionsmembran ist aus mindestens einem Verbund von einer Lage eines feinen Metallgewebes, das in gröberes Metallgewebe eingefasst ist, gebildet, wobei der Verbund mit Palladium beschichtet ist und an einer porösen Prall-Membranplatte anliegt, die die Wirbelkammer begrenzt und den Übergang zum Regeneratsammler darstellt. Durch den niedrigen Druck im Regeneratsammler wird mittels der Diffusionsmembran das energiehaltige Regeneratgas vom Verbrennungsgas getrennt und wieder der Verbrennung zugeflihrt.

[0017] Die Bildung von Regeneratgas wird weiter verbessert, indem in die

Diffusionsmembran drei Verbünde von Metallgeweben eingesetzt werden. Zwischen den Verbünden befindet sich jeweils eine hochtemperaturfeste Dichtung, die beispielsweise aus Glimmer besteht. Die Diffusionsmembran wird dabei von einer Spannfeder im

Regeneratsammler gegen die Prall-Membranplatte gepresst.

[0018] In der Diffusionsmembran besitzt das feine, mit Palladium versehene Metallgewebe Öffnungen, deren Weite zwischen 0,2m und 0,5m hegt. Diese Weiten haben sich als sehr effektiv für die Bildung von Regeneratgas erwiesen.

[0019] Optional ist in dem Durchleitungsweg vor der Wirbelkammer eine Flammkerze eingesetzt ist, die eine Vorwärmung des Katalysators ermöglicht. Damit werden die

Kaltstarteigenschaften der Verbrennungskraftmaschine wesentlich verbessert. Die katalytischen Prozesse beginnen kurze Zeit nach dem Kaltstart.

[0020] ln dem Durchleitungsweg des Katalysators ist vor der Wirbelkammer eine

Einspritzdüse zur Einspritzung des Wassers eingesetzt. Das Wasser wird ionisiert und mischt sich mit dem Verbrennungsgas, wobei die Rußpartikel gelöst werden. Sie reichern das Regeneratgas mit Energie an. Dadurch wird entsprechend Kraftstoff eingespart. Dabei ist es günstig, die Wassereinspritzung so zu steuern, dass das Verhältnis von Wasser zu Kraftstoff 1 :20 beträgt.

[0021 ] Anfallendes überschüssiges Wasser im Abgas hinter dem Katalysator wird vorteilhaft über ein Zyklon extrahiert, um es weiter nutzen zu können.

[0022] Dazu wird das extrahierte Wasser in einem Wassertank gesammelt und der

Einspritzdüse über eine Wasserpumpe wieder zugeführt. Es wird also wiederverwendet.

[0023] Der vorstehend beschriebene Katalysator wird in der Abgasanlage einer

Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Für einen guten Wirkungsgrad der

Verbrennungskraftmaschine wird die Frischluft für die Verbrennung über einen Turbolader oder einen Radialverdichter komprimiert und damit die Verbrennungskraftmaschine aufgeladen. [0024] ln die Luftleitung hinter dem Turbolader und vor der Verbrennungskraftmaschine ist vorteilhaft eine Venturi-Düse eingesetzt. Über diese wird das Regeneratgas mit der Frischluft vermischt und so als zusätzlicher Brennstoff der Verbrennungskraftmaschine zugefiihrt. Auf diese Weise wird entsprechend Kraftstoff eingespart.

[0025] ln den Figuren wird eine beispielhafte Ausführung des erfmdungsgemäßen

Katalysators sowie eine damit versehene Abgasanlage dargestellt.

Es zeigen:

Fig.1 einen Schnitt durch einen Katalysator;

Fig. 2 einen Detailschnitt durch die Diffusionsmembran;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit Regeneratgasrückfühmng.

[0026] In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Katalysator C mit einer Wirbelkammer WK im Gehäuse 1 und einem aufgesetzten Regeneratsammler R dargestellt. Auf seinem

Durchleitungsweg durch den Katalysator C gelangt das Verbrennungsgas VG an normales Katalysatorgewebe 2. Aus der Wasserdüse 21 wird Wasser in den Katalysator C eingeflihrt, das sich mit dem Verbrennungsgas VG mischt und ionisiert. Das Gemisch wird nun mit dem Katalysatorinnendruck pC durch die Verwirbelungsscheibe 3 gedrückt und gelangt so durch eine Keramikscheibe 4 mit größeren Löchern in die Wirbelkammer WK . Diese wird auf der anderen Seite durch eine Keramikplatte 5 mit kleineren Löchern und eine Lochscheibe 6 begrenzt. Die Wirbelkammer WK ist oben durch die poröse Prall-Membranplatte 1 1 begrenzt, auf die der Regeneratsammler R aufgesetzt ist. Auf der Prall-Membranplatte 1 1 ist in dem Gehäuse 19 des Regen eratsammlers R die Diffusionsmembran DM aufgespannt, die aus drei Verbünden von feinem Metallgewebe 12 und umschlingenden groben

Metallgewebe 13 bestehen, die jeweils von einer hochtemperaturfesten Dichtung 14 gehalten sind. Die Verbünde sind mit Palladium beschichtet, wodurch die Bildung des Regeneratgases RG erfolgt, das über den Regenerat- Auslass 18 mit dem niedrigen Regenratgasdruck pR abgesaugt wird.

[0027] Die Spannung der Diffusionsmembran DM erfolgt mit der Spannfeder 15, die mittels der Abschlussplatte 16 und den Spannschrauben 17 eingestellt wird.

[0028] Hinter der Wirbelkammer WK wird nun das Abgas AG, dem das energiereiche Regeneratgas RG entzogen ist, durch weiteres Katalysatorgewebe 2 weitergeleitet. Im Ausgang des Katalysators C ist die Drosselklappe 20 eingesetzt, durch die der Druck pC im Gehäuse 1 des Katalysators C eingestellt werden kann. Je höher der Druck pC im Katalysator ist, desto heißer wird der Katalysator C und entsprechend wird Regeneratgas RG gebildet.

[0029] Am Eingang des Katalysators C ist in das Gehäuse 1 eine Flammkerze 22 eingesetzt, die den Katalysator C vorheizen kann. Darüber wird die Kaltstartphase verkürzt und die Bildung von Regenratgas RG beginnt kurz nach einem Start des Betriebes des Katalysators C.

[0030] Fig. 2 zeigt einen Detailschnitt durch die Diffusionsmembran DM mit ihrem Einbau in das Gehäuse 19 des Regenratsammlers R. Auf der Prall-Membranplatte 1 1 ist die

Diffusionsmembran DM aufgespannt, die aus drei Verbünden von feinem Metallgewebe 12 und umschlingenden groben Metallgewebe 13 bestehen, die jeweils von einer

hochtemperaturfesten Dichtung 14 , etwa Glimmer, gehalten sind. Die Verbünde sind mit Palladium beschichtet, wodurch die Bildung des Regeneratgases RG erfolgt. Eine hochtemperaturfeste Dichtung 14 befindet sich jeweils zwischen den Verbünden.

[0031 ] Mittels der Spannfeder 15 sind die Verbünde auf die Prall-Membranplatte 11 aufgespannt. Die Spannung wird mittels der Spannfeder 17 eingestellt.

[0032] In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit

Regeneratgasrückfühmng gezeigt. Die Frischluft für die Verbrennungskraftmaschinc M wird über den Frischluftfilter F angesaugt, mittels des Turboladers TL verdichtet und der

Verbrennungskraftmaschine M zugeführt. Deren Verbrennungsgase gelangen zum

Katalysator C, in den über die Wasserdüse 21 Wasser eingeführt wird, das sich mit den Verbrennungsgasen vermischt und ionisiert.

[0033] In dem Regeneratsammler R wird aus dem Gemisch das Regenratgas gebildet und über das Rückführungsrohr RR mittels einer Venturidüse V auch dem Turbolader TL eingespeist. Es wird mit der Frischluft gemischt und der Verbrennungskraftmaschine M als zusätzlicher Brennstoff zugeführt.

[0034] In der Abgasleitung AL des Katalysators C befindet sich eine Drosselklappe 20, die über die Drosselklappensteuerung D eingestellt wird. Dies erfolgt günstigerweise zusammen mit einer Leistungssteuerung der Verbrennungskraftmaschine M.

[0035] Die Abgasleitung AL des Katalysators C führt zu einem Zyklon Z , in dem überschüssiges Wasser im Abgas ausgeschieden wird. Mittels eines Radialverdichters RV wird über eine Venturidüse VA in die Abgasleitung AL zusätzlich Frischluft F eingeführt und so mit erhöhtem Druck die Geschwindigkeit im Zyklon Z erhöht und die Wasserausscheidung im Zyklon Z verbessert. Das ausgeschiedene Wasser wird einem Wassertank WT zugeführt, in den über einen Einfüllstutzen EF weiteres Wasser gespeichert wird. Aus diesem Wassertank WT wird mittels einer Wasserpumpe WP der Wasserdüse 21 Wasser zugefuhrt und in den Katalysator C eingespritzt, wo es aufgrund der hohen

Temperatur sofort verdampft und sich mit dem Verbrennungsgasen vermischt. Dabei beträgt das Verhältnis von verbranntem Kraftstoff zu eingespritztem Wasser 1 :20, was über eine nicht dargestellte Steuerung erreicht wird. Bei einem solchen Verhältnis werden die Rußpartikel im Verbrennungsgas weitestgehend im Dampf gelöst und bilden das energiereiche Regeneratgas.

[0036] Das entwässerte Abgas aus dem Zyklon Z wird über einen Schalldämpfer SD in die Umwelt abgegeben. Rußpartikel sind aus diesem Abgas weitgehend eliminiert.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse des Katalysators

2 Katalysator-Gewebe

3 Verwirbelungsscheibe

4 Keramikscheibe mit größeren Löchern

5 Keramikscheibe mit kleineren Löchern

6 Lochscheibe

1 1 Prall-Membranplatte

12 Feines Metallgewebe

13 Grobes Metallgewebe

14 Hochtemperaturfeste Dichtung, Glimmer

15 Spannfeder

16 Abschlussplatte

17 Spannschraube

18 Regeneratgas-Auslass

19 Gehäuse des Regeneratsammlers

20 Drosselklappe

21 Wasserdüse

22 Flammkerze

AG Abgas

AL Abgasleitung

C Katalysator

D Drosselklappensteuemng DM Diffusionsmembran

EF Einfüllstutzen für Wasser F Frischluft

M Verbrennungskraftmaschine pC Druck im Katalysator pR Druck im Regeneratsammler R Regenratsammler

RG Regeneratgas

RR Rückführungsrohr

RV Raidalverdichter

SD Schalldämpfer

TL Turbolader

V Venturidüse

VA Venturidüse in der Abgasleitung VG Verbrenn ungs gas

WK Wirbelkammer

WP Wasserpumpe

WT Wassertank

Z Zyklon