DE102014019427A1 - Process for cleaning diesel engine exhaust gases - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zum Durchleiten des zu reinigenden Abgases durch einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) zur Oxidation von gasförmigen Restkohlenwasserstoffen (HC) und von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und zur mindestens anteiligen Oxidation von im Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) enthaltenden Abgasstrangs.A process is described for passing the exhaust gas to be purified through a diesel oxidation catalyst (DOC) for the oxidation of gaseous residual hydrocarbons (HC) and of carbon monoxide (CO) to carbon dioxide (CO2) and for the at least partial oxidation of nitrogen monoxide (NO) contained in the exhaust gas to nitrogen dioxide (NO2) containing exhaust line.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Dieselmotorenabgasen.The invention relates to a process for the purification of diesel engine exhaust gases.
Motoren der neuen Generation zeigen eine immer größere Leistungsausbeute pro Hubvolumen. Das bedingt, dass insbesondere bei der Applikation kleinerer Leistungsstufen immer kältere Abgastemperaturen auftreten, bei denen der sichere Betrieb eines „klassischen” Abgasnachbehandlungssystems mit motorfern angeordnetem SCR-Katalysator nicht mehr gewährleistet werden kann.New generation engines show ever greater power output per stroke volume. This means that, especially when smaller power levels are applied, colder exhaust gas temperatures always occur, in which the safe operation of a "classic" exhaust aftertreatment system with a SCR catalytic converter remote from the engine can no longer be guaranteed.
Insbesondere im Niedriglastbereich sind bei der Eindosierung untemperierter Harnstoffwasserlösung (HWL) ins Abgas Ablagerungen aus der Kristallisation von Harnstoff und Harnstoff-Folgeprodukten kaum zu vermeiden. Die entstehenden Ablagerungen können bei dauerhaftem Betrieb im unteren Teillastbereich zur Verblockung der Abgasanlage und somit zum Ausfall der Geräte führen. Auch kann eine hinreichende Entstickungsleistung des SCR-Systems im Niedriglastbereich nicht mehr gewährleistet werden, wenn die HWL im Abgas mangels hinreichender Abgastemperaturen nicht vollständig zu dem eigentlichen Reduktionsmittel Ammoniak aufgearbeitet werden kann.Particularly in the low-load range, deposits from the crystallization of urea and urea by-products can hardly be avoided when metering in untempered urea water solution (HWL) into the exhaust gas. The resulting deposits can lead to blockage of the exhaust system and thus to the failure of the equipment during continuous operation in the lower part load range. Also, a sufficient Entstickungsleistung the SCR system in the low load range can no longer be guaranteed if the HWL in the exhaust gas can not be worked up completely to the actual reducing agent ammonia for lack of sufficient exhaust gas temperatures.
Dies führt bei heutigen EAT-Systemen nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise Systemen gemäß der
Des Weiteren gilt für Motoren neuer Bauart ein Partikelanzahlgrenzwert. Diese Grenzwerte sind ohne Einführung eines geschlossenen Wandflussfilters nicht mehr zu erfüllen.Furthermore, for engines of new design, a particle number limit applies. These limits can no longer be met without the introduction of a closed wall flow filter.
Die
Die
Die
Die
Der in der
Die
Die
Die
Industriemotoren nach dem Stand der Technik werden typischerweise mit katalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungs(ANB)-Systemen gemäß der oben genannten
Damit das ANB-System mit der geforderten Reinigungseffizienz arbeiten kann, sind Mindestabgastemperaturen und Katalysatorbetriebstemperaturen von 230°C und mehr erforderlich.For the ANB system to operate with the required purification efficiency, minimum exhaust gas temperatures and catalyst operating temperatures of 230 ° C and more are required.
In niedriglastigen Betriebszuständen können die geforderten Mindestabgastemperaturen nur mittels motorischen Wärmemaßnahmen (z. B. Androsselung des Motors) bereitgestellt werden. Die Energie, die zur Bereitstellung der notwendigen Abgastemperaturen in das Abgas eingetragen wird, ist für den Antriebsstrang verloren. Verminderte Antriebswirkungsgrade des Motors und erhöhte Kraftstoffverbräuche und somit auch erhöhte CO2-Emissionen sind die Folge.In low-load operating conditions, the required minimum exhaust gas temperatures can only be provided by means of engine thermal measures (eg throttling of the engine). The energy that is introduced into the exhaust to provide the necessary exhaust gas temperatures is lost to the powertrain. Reduced drive efficiency of the engine and increased fuel consumption and thus also increased CO 2 emissions are the result.
Einen besonders großen negativen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat die Regeneration des geschlossenen Dieselpartikelfilters. Zum kontrollierten Abbrand des im Filter eingelagerten Rußes sind Abgastemperaturen von rd. 600°C erforderlich. Um diese zu erreichen sind i. d. R. zusätzlich zur passiven Regeneration aktive Maßnahmen wie beispielsweise eine zusätzliche Kraftstoffnacheinspritzung und exotherme Umsetzung der resultierenden unverbrannten Kohlenwasserstoffe auf dem DOC oder aktive Regenerationsmaßnahmen beispielsweise mittels Kraftstoff betriebenem Brenner gemäß
Zum Betrieb des SCR-Systems wird als Reduktionsmittel typischerweise wird eine Harnstoffwasserlösung, die 32,5% Harnstoff enthält, eingesetzt. To operate the SCR system, a urea water solution containing 32.5% urea is typically employed as the reductant.
Um daraus Ammoniak freizusetzen muss also zunächst 67,5% Wasser verdampft und der Harnstoff hydrolytisch zu Ammoniak und CO2 zersetzt werden.In order to liberate ammonia, 67.5% of water must first be evaporated and the urea hydrolyzed to ammonia and CO 2 .
Bei heutigen SCR-Systemen wird die zur Erzeugung des Reduktionsmittels Ammoniak benötigte wässrige Harnstofflösung (Harnstoff-Wasser-Lösung HWL, Handelsname AdBlue®) in flüssigem, untemperiertem Zustand anstromseitig zum SCR-Katalysator in das Abgas eingespritzt. Die Wärmemenge, die benötigt wird, um die HWL vollständig und unter (quantitativer) Freisetzung von Ammoniak in die Gasphase zu überführen (= Harnstoffaufbereitung), muss vollständig durch das heiße Abgas bereitgestellt werden.In current systems, the SCR required for generating the reducing agent ammonia urea aqueous solution (urea water solution HWL, trade name AdBlue ®) injected in liquid, untemperiertem state anstromseitig to the SCR catalyst in the exhaust gas. The amount of heat needed to completely convert the HWL into the gas phase with (quantitative) release of ammonia (= urea treatment) must be provided completely by the hot exhaust gas.
Insbesondere in schwachlastigen Betriebspunkten ist die im Abgas vorhandene Wärmemenge jedoch häufig nicht ausreichend, um die eingespritzte Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL), die zur vollständigen Reduktion der ebenfalls im Abgas vorhandenen Stickoxide benötigt wird, vollständig aufzubereiten. Die Folge sind Ablagerungen von Harnstoff und Harnstoff-Folgeprodukten wie Isocyansäure, Cyanursäure und Melamin in der Abgasanlage (Kristallisation), die zur gegebenenfalls vollständigen Verblockung der Abgasanlage führen können, sowie Umsatzeinbußen in der SCR-Reaktion wegen der unvollständigen Bereitstellung der zur Stickoxidreduktion benötigten stöchiometrischen Menge an Ammoniak.However, especially in low-load operating points, the amount of heat present in the exhaust gas is often not sufficient to completely treat the injected urea-water solution (HWL), which is required for complete reduction of the nitrogen oxides also present in the exhaust gas. The result is deposits of urea and urea secondary products such as isocyanic acid, cyanuric acid and melamine in the exhaust system (crystallization), which can lead to the possibly complete blockage of the exhaust system, as well as loss of revenue in the SCR reaction due to the incomplete provision of the nitrogen oxide reduction required stoichiometric amount of ammonia.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Reinigung von Dieselmotorenabgasen bereit zu stellen, das die vorstehend beschriebenen Nachteile heutiger Verfahren insbesondere bei Betrieb der Brennkraftmaschine im Niedriglastbereich nicht aufweist und sich durch eine verbesserte Energieeffizienz bei zugleich höchstmöglicher Kosteneffizienz des Gesamtsystems aufweist.It is an object of the present invention to provide a method for purifying diesel engine exhaust gases which does not have the above-described disadvantages of present-day methods, in particular when the internal combustion engine is operating in the low-load range, and which has improved energy efficiency and at the same time the highest possible cost-efficiency of the overall system.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Reinigung von Dieselmotorenabgasen mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:
Durchleiten des zu reinigenden Abgases durch einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) zur Oxidation von gasförmigen Restkohlenwasserstoffen (HC) und von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und zur mindestens anteiligen Oxidation von im Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2);
Zugabe von am Motor vorkonditionierten, d. h. auf 80–90°C erwärmten Harnstoffwasserlösung (HWL) zum aus Schritt a.) resultierenden Abgas und Freisetzung von Ammoniak aus dem zugegebenen Harnstoff durch Thermolyse und Hydrolyse;
Durchleiten des aus Schritt b.) resultierenden Abgases durch ein SCR-katalytisch aktiviertes Partikelfilter (SDPF) zur Verminderung der im Abgas enthaltenen Partikel und der im Abgas enthaltenen Stickoxide; Durchleiten des aus Schritt c.) resultierenden Abgases durch einen selektiven Ammoniakoxidationskatalysator (ASC) zur Verminderung von Ammoniakrestgehalten.This object is achieved by a method for purifying diesel engine exhaust gases with the following method steps:
Passing the exhaust gas to be purified through a diesel oxidation catalyst (DOC) for the oxidation of gaseous residual hydrocarbons (HC) and of carbon monoxide (CO) to carbon dioxide (CO 2 ) and for the at least partial oxidation of nitrogen monoxide (NO) contained in the exhaust gas to nitrogen dioxide (NO 2 ) ;
Adding to the engine preconditioned, ie heated to 80-90 ° C urea water solution (HWL) to the resulting from step a.) Exhaust gas and release of ammonia from the added urea by thermolysis and hydrolysis;
Passing the exhaust gas resulting from step b.) Through an SCR-catalytically activated particulate filter (SDPF) for reducing the particles contained in the exhaust gas and the nitrogen oxides contained in the exhaust gas; Passing the exhaust gas resulting from step c.) Through a selective ammonia oxidation catalyst (ASC) to reduce residual ammonia levels.
Bevorzugt erfolgt die Vorkonditionierung von Harnstoffwasserlösung am Motor mittels der in
Die Eindosierung von konditionierter, d. h. auf eine Temperatur von 80–90°C vorgewärmter Harnstoffwasserlösung (HWL) in den Abgasstrang ermöglicht zum einen die Dosierung bei niedrigeren Abgastemperaturen (180–200°C) als bei herkömmlichen Eindosierungsverfahren (200–230°C). Da zur Aufarbeitung der HWL zu Ammoniak weniger thermische Energie eingetragen werden muss, als bei herkömmlichen Systemen, kann dieser Vorteil statt zur Absenkung der Dosierschwelltemperatur zum anderen zur Verkürzung der Mischstrecke vor SDPF bzw. vor SCR-Katalysator genutzt werden.The dosage of conditioned, d. H. Pre-warmed urea water solution (HWL) into the exhaust system at a temperature of 80-90 ° C enables metering at lower exhaust gas temperatures (180-200 ° C) than with conventional metering procedures (200-230 ° C). Since for processing the HWL to ammonia less thermal energy must be entered, as in conventional systems, this advantage can be used instead of lowering the Dosierschwelltemperatur on the other to shorten the mixing distance before SDPF or before SCR catalyst.
Das am Motor nach Turbine abströmseitig angeordnete Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen DOC, eine Vorrichtung zur HWL-Eindosierung, ein SCR-katalytisch aktiviertes Partikelfilter (SDPF) und einen Ammoniakoxidationskatalysator, sowie optional einen SDPF und Ammoniakoxidationskatalysator (auch: Ammonniakschlupfkatalysator ASC) angeordneten zweiten SCR-Katalysator.The exhaust aftertreatment system arranged downstream of the engine downstream of the turbine comprises a DOC, a device for HWL metering, an SCR catalytically activated particulate filter (SDPF) and an ammonia oxidation catalyst, and optionally a second SCR catalytic converter arranged SDPF and ammonia oxidation catalyst (also: ammonia slip catalyst ASC).
Durch die (Teil-)Integration von SCR-Katalysatorvolumen in das Partikelfilter ist eine Verkleinerung des ANB-Systems im Vergleich zu herkömmlichen Systemen möglich. Eine verbesserte Aufheizcharakteristik des ANB-Systems nach dem Kaltstart und deutlich geringere Wärmeverluste über die Abgasanlage sind die Folge. Zudem ergeben sich Bauraumvorteile. Der SCR-Katalysator, der in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Partikelfilter angeordnet ist, kommt wahlweise zum Einsatz und zwar dann, wenn das in das Partikelfilter integrierbare SCR-Volumen nicht ausreichend ist, um eine NOx-Konvertierung des Gesamtsystems über die Laufzeit (8000 Betriebsstunden) von größer als 97% zu gewährleisten.By (partially) integrating SCR catalyst volume into the particulate filter, it is possible to downsize the ANB system compared to conventional systems. An improved heating characteristic of the ANB system after the cold start and significantly lower heat losses via the exhaust system are the result. In addition, space advantages result. The SCR catalyst, which is arranged downstream of the particulate filter in the flow direction of the exhaust gas, is used optionally when the SCR volume which can be integrated into the particulate filter is not sufficient to allow NO x conversion of the entire system over the transit time (8000 Operating hours) of greater than 97%.
Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ein passives Regenerationskonzept für das SCR-katalytisch aktivierte Partikelfilter (SDPF), das nachstehend noch beschrieben ist. Eine zusätzliche Stillstandsregeneration des Partikelfilters erfolgt im Rahmen des Service, ebenso die Überwachung des Abgasgegendruckes über SDPF, um im Falle unzureichender Rußregenerationsraten außerhalb der Service-Intervalle sogenannte Not-Stillstandsregenerationen durchführen zu können. The method according to the invention particularly preferably comprises a passive regeneration concept for the SCR catalytically activated particulate filter (SDPF), which is described below. An additional standstill regeneration of the particulate filter is carried out as part of the service, as well as the monitoring of the exhaust backpressure via SDPF, in order to be able to perform so-called emergency shutdown regenerations in the case of insufficient Rußregenerationsraten outside the service intervals.
Das SCR-katalytisch aktivierte Partikelfilter (SDPF) wird in besonders bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem passiven Filterregenerationskonzept betrieben. Dieses beinhaltet den Abbrand von eingelagertem Ruß nach der sogenannten CRT®-Reaktion, bei der die Oxidation der eingelagerten Rußpartikel mit NO2 erfolgt, das im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens über dem anstromseitig zum SDPF angeordneten DOC erzeugt wird.
Diese CRT-Reaktion steht in Konkurrenz zur SCR-Reaktion. Für die SCR-Reaktion gibt es drei Reaktionsmechanismen, die mit unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten (RG) ablaufen:
Um für den Rußabbrand zur passiven Regeneration des Partikelfilters hinreichend viel NO2 zur Verfügung zu stellen, muss der vorgelagerte DOC in Betriebspunkten bis zu einer Abgastemperatur von 350–375°C mehr als 50% NO2 im NOx zur Verfügung stellen. Der NO2-Überschuss steht für den Rußabbrand zur Verfügung, wenn die „CRT®-Reaktion” schneller abläuft, als die „slow-SCR”-Reaktion, so dass eine passive Partikelfilterregeneration gewährleistet ist.In order to provide a sufficient amount of NO 2 for the soot combustion for passive regeneration of the particulate filter, the upstream DOC must provide more than 50% NO 2 in NO x at operating points up to an exhaust gas temperature of 350-375 ° C. The NO 2 excess stands for the soot combustion available when the "CRT ® reaction" is faster than the "slow-SCR" reaction, so that a passive filter regeneration is ensured.
Bei einer DOC-Betriebstemperatur oberhalb von ca. 300°C verlässt man den kinetisch kontrollierten Bereich. Die mittels Katalysator erzeugbare NO2-Konzentration im Abgas hängt dann nicht mehr allein von der Katalysatorleistung, sondern von der Lage des thermodynamischen Gleichgewichts ab. Bei Temperaturen von mehr als 400°C sind NO2-Konzentrationen von mehr als 50% im NOx nicht mehr erzeugbar: Bereits ab 250°C setzt die Rußoxidation mit NO2 ein. Ab 300°C ist eine passive Regeneration des Partikelfilters mit hoher Betriebssicherheit möglich (Quelle:
Sollte die durch den DOC bereitstellbare Menge an NO2 nicht ausreichend sein, um die Konkurrenzsituation zwischen SCR-Reaktion einerseits und Rußregeneration andererseits produktiv aufzulösen, besteht die Möglichkeit, die Entstickungseffizienz des SCR-katalytisch aktivierten Filters durch Begrenzung der einzudosierenden Reduktionsmittelmenge zu limitieren, um eine hinreichende passive Regeneration des Partikelfilters zu gewährleisten. Für diesen Fall ist in einer alternativen Ausgestaltung eine zweite Dosierstelle für Harnstoffwasserlösung (HWL) vor einem nachgelagerten (zusätzlichen) SCR-Katalysator vorgesehen. Mittels dieser zweiten Dosierstelle wird vorkonditionierte, d. h. auf 80–90°C erwärmte Harnstoffwasserlösung (HWL) dem aus Schritt c.) resultierenden Abgas zugeführt, um die geforderte Entstickungseffizienz des Gesamtsystems von > 97% zu gewährleisten.If the amount of NO 2 that can be provided by the DOC is not sufficient to productively dissolve the competitive situation between SCR reaction on the one hand and soot regeneration on the other hand, it is possible to limit the denitration efficiency of the SCR catalytically activated filter by limiting the amount of reducing agent to be metered in to ensure sufficient passive regeneration of the particulate filter. In this case, in an alternative embodiment, a second metering point for urea water solution (HWL) is provided in front of a downstream (additional) SCR catalytic converter. By means of this second metering point preconditioned, ie, heated to 80-90 ° C urea water solution (HWL) is the resulting from step c.) Exhaust gas supplied to ensure the required Entstickungseffizienz the entire system of> 97%.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht einen Industriemotor mit einem ANB-System aus DOC + SDPF + SCR/ASC vor, wobei statt einer Vorrichtung zur Eindosierung von Harnstoffwasserlösung in das zu reinigende Abgas eine Vorrichtung zur Eindosierung von gasförmigem Ammoniak zum Einsatz kommt. Die Aufbereitung des Harnstoffs zu Ammoniak erfolgt bei einer solchen Ausgestaltung in einem am Motor angebrachten Reaktor, dem Harnstoffwasserlösung als Edukt zugeführt wird und in dem in einem katalytischen Verfahren per Thermolyse des Harnstoffs zu Isocyansäure und Ammoniak und anschließender Hydrolyse der resultierenden Isocyansäure zu Ammoniak und CO2 die Aufbereitung des Harnstoffs zu Ammoniak unabhängig von den in der Abgasanlage herrschenden Betriebsbedingungen durchgeführt wird.A further advantageous embodiment provides an industrial engine with an ANB system of DOC + SDPF + SCR / ASC, wherein instead of a device for metering urea water solution into the exhaust gas to be cleaned, a device for metering in gaseous ammonia is used. The preparation of the urea to ammonia takes place in such an embodiment in a motor attached to the reactor urea water solution is fed as educt and in which in a catalytic process by thermolysis of urea to isocyanic acid and ammonia and subsequent hydrolysis of the resulting isocyanic acid to ammonia and CO 2 the processing of urea to ammonia is carried out independently of the prevailing operating conditions in the exhaust system.
Durch die Auslagerung der Harnstoffaufbereitung zu Ammoniak aus der Abgasanlage und die direkte Dosierung von Ammoniak in das ANB-System kann die Temperaturschwelle für die Eindosierung des Reduktionsmittels auf deutlich unter 200–230°C, bevorzugt auf Temperaturen im Bereich von 120–180°C abgesenkt werden.Due to the outsourcing of the urea treatment to ammonia from the exhaust system and the direct dosing of ammonia in the ANB system, the temperature threshold for the metering of the reducing agent to well below 200-230 ° C, preferably lowered to temperatures in the range of 120-180 ° C. become.
Die Limitierung der vorstehend genannten unteren Temperaturdosierschwelle liegt im Bereich des Arbeitstemperaturfensters des SCR-Katalysators. Durch die Eindosierung von gasförmigem Ammoniak besteht kein Risiko der Kristallisation von Harnstoff und Harnstoff-Folgeprodukten wie Isocyansäure, Cyanursäure oder Melamin, die aus dem unvollständigen Abbau von Harnstoff resultieren und zu einer vollständigen Verblockung der Abgasanlage bei zu geringen Betriebstemperaturen führen können. Weiterhin besteht bei diesem Verfahren keine Limitierung der Entstikkungseffizienz durch unvollständige Harnstoffaufbereitung zu Ammoniak. Überdosierungen von Reduktionsmittel zur Kompensation einer unvollständigen Harnstoffaufbereitung in Niedriglastpunkten werden überflüssig. Eine Verkleinerung des ASC und/oder die vollständige Vermeidung der Ammoniaksekundäremission von (zulässigen) 10 Vppm im zeitlichen Mittel ohne ASC sind möglich. The limitation of the aforementioned lower Temperaturdosierschwelle is in the range of the operating temperature window of the SCR catalyst. By metering gaseous ammonia, there is no risk of crystallization of urea and urea derivatives such as isocyanic acid, cyanuric acid or melamine, which result from the incomplete degradation of urea and can lead to complete blockage of the exhaust system at too low operating temperatures. Furthermore, there is no limitation of the Entstikkungseffizienz by incomplete urea treatment to ammonia in this process. Overdosage of reducing agent to compensate for incomplete urea processing at low load points becomes superfluous. A reduction of the ASC and / or the complete avoidance of the ammonia secondary emission of (allowable) 10 Vppm on average without ASC are possible.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf den Gegenstand der Figuren beschränkt ist. Es zeigt schematisch:The invention and the technical environment are explained below with reference to the figures. It should be noted that the invention is not limited to the subject matter of the figures. It shows schematically:
In
Zwischen SCR-beschichtetem Partikelfilter und Ammoniakoxidationskatalysator kann bei Bedarf vorteilhafterweise weiteres SCR-Katalysatorvolumen integriert werden. In diesem Fall wird der ASC als abströmseitige Zone auf dem SCR-Katalysator aufgebracht. Durch (Teil-)Integration des SCR-Katalysatorvolumens in das Partikelfilter ist der vom Abgasnachbehandlungssystem insgesamt benötigte Bauraum noch immer deutlich geringer als der eines herkömmlichen Systems gemäß
Die Eindosierung von vorkonditionierter HWL in den Abgasstrang ermöglicht nicht nur die Dosierung bei niedrigeren Abgastemperaturen als bei herkömmlichen Eindosierungsverfahren. Da zur Aufarbeitung der HWL zu Ammoniak weniger thermische Energie eingetragen werden muss als bei herkömmlichen Systemen, kann dieser Vorteil bei Nichtabsenkung der Temperaturdosierschwelle für eine Verkürzung der Mischstrecke ausgenutzt werden.The metering of preconditioned HWL into the exhaust line not only allows metering at lower exhaust gas temperatures than with conventional metering methods. Since the processing of the HWL to ammonia less thermal energy must be entered as in conventional systems, this advantage can be exploited for non-lowering the Temperaturdosierschwelle for shortening the mixing section.
Systeme mit SCR-beschichtetem Filter, die im Stand der Technik vor allem in Pkw-Anwendungen beschrieben werden, werden typischerweise aktiv regeneriert, d. h. beispielsweise mittels Kraftstoffnacheinspritzung und exotherme Oxidation der resultierenden Kohlenwasserstoffe über einem dem Filter vorgelagerten Dieseloxidationskatalysator. Im erfindungsgemäßen Verfahren soll eine passive Regeneration des Partikelfilters erfolgen. Dazu sind hinreichende Mengen NO2 im Abgas vor Partikelfilter nötig. Der vorgelagerte Oxidationskatalysator muss daher hohe NO-Oxidationsraten aufweisen, so dass ein NO2/NOx-Verhältnis > 0,5 im Abgas vor SCR-beschichtetem Partikelfilter vorliegt. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass nur NO2, das im Verhältnis 1:1 im Abgas vor dem SCR-beschichtetem Filter vorliegt, in der SCR-Reaktion („fast SCR” unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten beachten!!) abreagiert. Darüber hinaus gehende Anteile an NO2 stehen dem Rußabbrand nach CRT®-Effekt zur Verfügung.Systems with SCR-coated filters, which are described in the prior art, especially in passenger car applications, are typically regenerated actively, for example by means of post-injection fuel injection and exothermic oxidation of the resulting hydrocarbons over a filter upstream of the diesel oxidation catalyst. In the method according to the invention, a passive regeneration of the particulate filter should take place. This requires sufficient amounts of NO 2 in the exhaust gas before particulate filters. The upstream oxidation catalyst must therefore have high NO oxidation rates, so that there is a NO 2 / NO x ratio> 0.5 in the exhaust gas before SCR-coated particulate filter. In this case, it can be assumed that only NO 2 , which is present in the ratio of 1: 1 in the exhaust gas before the SCR-coated filter, in the SCR reaction ("almost SCR "note different reaction rates !!). Any additional shares in NO 2 are the soot burn after CRT ® effect available.
Bei weniger optimalen Betriebstemperaturen kann in einer alternativen Ausgestaltung vorteilhafterweise eine zweite HWL-Dosierstelle zwischen dem SCR-beschichteten Partikelfilter und einem abströmseitigen SCR/ASC angeordnet werden. Um eine umfassende passive Regeneration zu gewährleisten, wird dann vor dem SCR-beschichteten Filter eine unterstöchiometrische Menge an Reduktionsmittel bereitgestellt. Die Restentstickung erfolgt nach einer zweiten HWL-Einspritzung im nachgeordneten SCR/ASC-Katalysator.At less optimal operating temperatures, in an alternative embodiment advantageously a second HWL metering point can be arranged between the SCR-coated particle filter and a downstream SCR / ASC. To ensure full passive regeneration, a substoichiometric amount of reductant is then provided before the SCR-coated filter. The residual denitrification takes place after a second HWL injection in the downstream SCR / ASC catalyst.
Der Begriff selektive katalytische Reduktion (englisch selective catalytic reduction, SCR) bezeichnet eine Technik zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Feuerungsanlagen, Müllverbrennungsanlagen, Gasturbinen, Industrieanlagen und Motoren. Die chemische Reaktion am SCR-Katalysator ist selektiv, das heißt, es werden bevorzugt die Stickoxide (NO, NO2) reduziert, während unerwünschte Nebenreaktionen (wie zum Beispiel die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid) weitgehend unterdrückt werden.The term selective catalytic reduction (SCR) refers to a technique for the reduction of nitrogen oxides in exhaust gases of combustion plants, waste incinerators, gas turbines, industrial plants and engines. The chemical reaction on the SCR catalyst is selective, that is, it is preferable that the nitrogen oxides (NO, NO 2 ) are reduced, while undesirable side reactions (such as the oxidation of sulfur dioxide to sulfur trioxide) are largely suppressed.
Zum Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das aus dem Abgas zugemischter Harnstoffwasserlösung freigesetzt wird. Die Produkte der Reaktion sind Wasser (H2O) und Stickstoff (N2). Chemisch gesehen handelt es sich bei der Reaktion um eine Komproportionierung der Stickoxide mit Ammoniak zu Stickstoff. Es gibt verschiedene Arten von Katalysatoren. Eine Art besteht im Wesentlichen aus Titandioxid, Vanadiumpentoxid und Wolframdioxid. Die andere Art verwendet Zeolithe.The reaction requires ammonia (NH 3 ), which is released from the urea water solution mixed with the exhaust gas. The products of the reaction are water (H 2 O) and nitrogen (N 2 ). Chemically, the reaction is a comproportionation of the nitrogen oxides with ammonia to nitrogen. There are different types of catalysts. One type consists essentially of titanium dioxide, vanadium pentoxide and tungsten dioxide. The other type uses zeolites.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Integration mindestens eines Teils des SCR-Katalysatorvolumens in das Partikelfiltervolumen durch Einsatz eines SCR-katalytisch aktivierten Partikelfilters vor.The method according to the invention provides for the integration of at least part of the SCR catalyst volume into the particulate filter volume by using an SCR catalytically activated particulate filter.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht außerdem die Vorkonditionierung der Harnstoffwasserlösung (HWL) an heißen Motorbauteilen wie beispielsweise den Kühlrippen einer luftgekühlten Brennkraftmaschine in einer Vorrichtung zur Vorkonditionierung von Harnstoffwasserlösung vor. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Vor- bzw. Konditionierung der HWL im Bereich der energiereichen Kühl- und/oder Schmiermittelströme erfolgt.The inventive method also provides the preconditioning of the urea water solution (HWL) on hot engine components such as the cooling fins of an air-cooled internal combustion engine in a device for preconditioning of urea water solution. A further advantageous embodiment provides that the pre-conditioning or conditioning of the HWL in the field of high-energy cooling and / or lubricant flows takes place.
In der Fahrzeugtechnik wird das SCR-Verfahren angewendet, um bei Dieselfahrzeugen die Stickoxidemissionen zu senken. Mit Hilfe dieser Technik können Nutzfahrzeuge die Euro-V-Norm, Landmaschinen die Tier 3b Norm und PKW die sehr strenge amerikanische BIN5 Abgasnorm sowie die Euro-6-Norm erfüllen. Auch zur Erfüllung der Abgasnormen US Tier4 final und EU Stufe IV wird diese Technologie eingesetzt.In vehicle technology, the SCR process is used to reduce nitrogen oxide emissions in diesel vehicles. With the help of this technology, commercial vehicles can meet the Euro V standard, agricultural vehicles meet the Tier 3b standard, and passenger cars meet the very stringent American BIN5 emission standard and the
Das für die SCR-Reaktion benötigte Ammoniak wird nicht direkt, d. h. in reiner Form, verwendet, sondern in der Abgasanlage aus einer 32,5-prozentigen, wässrigen Harnstofflösung erzeugt. Die Zusammensetzung der HWL ist in der
Die Thermolyse ist eine chemische Reaktion, bei der ein Ausgangsstoff durch Erhitzen in mehrere Produkte zersetzt wird. Im Gegensatz zur thermischen Zersetzung (=Pyrolyse) wird die Thermolyse gezielt zur Darstellung definierter Produkte oder reaktiver Zwischenstufen eingesetzt.Thermolysis is a chemical reaction in which a starting material is decomposed by heating it into several products. In contrast to thermal decomposition (= pyrolysis), thermolysis is used specifically for the preparation of defined products or reactive intermediates.
Die Hydrolyse ist die Spaltung von chemischen Verbindungen mit Wasser. Hydrolysis is the cleavage of chemical compounds with water.
Allgemein gilt:In general:
Thermolyse von Harnstoff:Thermolysis of urea:
-
(NH2)2CO → NH3 + HNCO(Isocyansäure) (NH 2 ) 2CO → NH 3 + HNCO (isocyanic acid)
Hydrolyse der resultierenden Isocyansäure:Hydrolysis of the resulting isocyanic acid:
-
HNCO + H2O → NH3 + CO2 HNCO + H 2 O → NH 3 + CO 2
Reduktion der Stickoxide:Reduction of nitrogen oxides:
-
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O („Standard SCR”) 4NH 3 + 4NO + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O ("Standard SCR") 2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O („Fast SCR”) 2NH 3 + NO + NO 2 → 2N 2 + 3H 2 O ("Fast SCR") 4NH3 + 3NO2 → 3,5N2 + 6H2O („Slow SCR”) 4NH 3 + 3NO 2 → 3.5N 2 + 6H 2 O ("Slow SCR")
Die Stickoxidminderung erfolgt ohne Änderung der motorischen Verbrennung und erhält damit den sehr guten Wirkungsgrad von Dieselmotoren.The nitrogen oxide reduction takes place without changing the engine combustion and thus receives the very good efficiency of diesel engines.
Abkürzungsverzeichnis:List of abbreviations:
-
- AdBlueAdBlue
- 32,5%ige wässrige Harnstofflösung32.5% aqueous urea solution
- ANBANB
- Abgasnachbehandlungexhaust aftertreatment
- ASCASC
- Ammoniak Slip KatalysatorAmmonia slip catalyst
- CRTCRT
- Continuously Regeneration TrapContinuously Regeneration Trap
- CSFCSF
- Partikelfilter mit einer Beschichtung zur Oxidation von AbgaskomponentenParticulate filter with a coating for the oxidation of exhaust gas components
- DOCDOC
- DieseloxidationskatalysatorDiesel oxidation catalyst
- DPFDPF
- Dieselpartikelfilterdiesel particulate Filter
- NH3NH3
- Ammoniakammonia
- NOxNOx
- Summe der bei der motorischen Verbrennung entstehenden Stickoxide (NO, NO2, N2O etc.)Sum of nitrogen oxides produced during engine combustion (NO, NO 2 , N 2 O, etc.)
- RGRG
- Reaktionsgeschwindigkeitreaction rate
- SCRSCR
- Selektive katalytische ReduktionSelective catalytic reduction
- SDPFSDPF
- Dieselpartikelfilter mit einer SCR-aktiven BeschichtungDiesel particulate filter with SCR active coating
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- Abgasstrangexhaust gas line
- 33
- Harnstoff-Wasser-Lösungs-TankUrea aqueous solution tank
- 55
- DOCDOC
- 66
- SDPFSDPF
- 77
- SCRSCR
- 88th
- ASCASC
- 99
- NOx-SensorNOx sensor
- 1010
- Zylinderkopfcylinder head
- 1111
- doppelwandiges Abgasrohrdouble-walled exhaust pipe
- 1212
- FlüssigharnförderpumpeFlüssigharnförderpumpe
- 1313
- Wassermantel im KurbelgehäuseWater jacket in the crankcase
- 1414
- Wärmetauscher, Spiral-, RohrbündelwärmetauscherHeat exchanger, spiral, shell and tube heat exchanger
- 1515
- Dosiereinrichtungmetering
- 1616
- Mischstreckemixing section
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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