CH707551A1

CH707551A1 - Abgasnachbehandlungssystem.

Info

Publication number: CH707551A1
Application number: CH00388/13A
Authority: CH
Inventors: Dr Régis Vonarb; Nicolas Talavera; Erich Raemy
Original assignee: Liebherr Machines Bulle Sa
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-08-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Katalysator (2) zur Umwandlung von NOx durch Reaktion von im Abgas enthaltenem NOx mit einem dem Abgas zugegebenen Reduktionsmittel, mit einem ersten Zuführungssystem (4) zur Zuführung eines Vorgängerprodukts des Reduktionsmittels zum Abgas, und mit einem zweiten Zuführungssystem (3) zur direkten Zuführung des Reduktionsmittels zum Abgas.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Katalysator zur Umwandlung von NOx durch Reaktion von im Abgas enthaltenem NOx mit einem dem Abgas zugegebenen Reduktionsmittel. Solche Katalysatoren werden insbesondere bei Dieselmotoren zur Abgasreinigung eingesetzt.

[0002] Bei bekannten Systemen wird dabei das Reduktionsmittel, üblicherweise Ammoniak, als Vorgängerprodukt in Form einer wässrigen Harnstofflösung zugegeben. Bei Standard SCR-Systemen wird dabei meist 32,5%-iger Harnstoff gelöst in Wasser ins Abgas eindosiert. Im Abgasstrom wird dann das Wasser verdunstet und der Harnstoff durch Thermolyse und Hydrolyse zu Ammoniak umgewandelt. Dies wird durch die folgenden drei Formeln verdeutlicht:

[0003] Verdunsten von Wasser

[0004] Harnstoff-Thermolyse

[0005] Isocyansäure-Hydrolyse

[0006] Die Reaktion zur Umwandlung des Vorgängerprodukts in das Reduktionsmittel und insbesondere das Verdunsten des Wassers benötigt viel Energie. Diese Energie wird dem Abgasstrom entzogen, wodurch sich die Temperatur des Abgases am Eingang des Katalysators verringert.

[0007] Dies kann zum einen dazu führen, dass keine ausreichende Umwandlung des NOx im Katalysator erfolgt. Weiterhin kann dann, wenn im Abgasstrom nicht genügend Energie vorhanden ist, das wässrige Vorgängerprodukt nicht vollständig in das Reduktionsmittel umgewandelt werden, was zu Ablagerungsbildung führen kann. Somit ist die Dosiermenge des Dosiersystems stark durch die Abgastemperatur limitiert.

[0008] Bekannte SCR-Systeme können daher bei tiefen Abgastemperaturen die NOx-Emission des Motors nur ungenügend oder überhaupt nicht reduzieren. Dies macht es nötig, die Abgastemperaturen beispielsweise durch Erhöhung des Gegendrucks im Abgassystem durch eine Abgasklappe künstlich zu erhöhen. Doch auch solchen Massnahmen sind Grenzen gesetzt.

[0009] Dabei sind aus dem Stand der Technik auch Alternativen zur Zugabe des Ammoniaks in Form einer wässrigen Harnstofflösung bekannt. Diese können jedoch mit dem vorhandenen Bauraum und der gegebenen Gewichtseinschränkung gerade bei grossen Dieselmotoren, oft nicht sinnvoll eingesetzt werden.

[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Abgasnachbehandlungssystem zur Verfügung zu stellen, welches bei möglichst geringem Bauraum dennoch eine Reduktion der NOx-Emission bei tiefen Abgastemperaturen erreicht.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Abgasnachbehandlungssystem gemäss Anspruch 1 gelöst.

[0012] Das erfindungsgemässe Abgasnachbehandlungssystem weist einen Katalysator zur Umwandlung von NOx durch Reaktion von im Abgas enthaltenen NOx mit einem dem Abgas zugegebenen Reduktionsmittel auf. Dabei ist ein erstes Zuführungssystem zur Zuführung eines Vorgängerprodukts des Reduktionsmittels zum Abgas vorgesehen, sowie zusätzlich ein zweites Zuführungssystem zur direkten Zuführung des Reduktionsmittels zum Abgas. Die beiden Zuführungssysteme erlauben damit eine getrennte, separat dosierbare und ansteuerbare Zuführung des Vorgängerprodukts bzw. des Reduktionsmittels zum Abgas.

[0013] Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Dosiermenge des zweiten Zuführungssystems nicht von der Abgastemperatur, sondern nur von der Grösse des zweiten Zuführungssystems limitiert ist. Das zweite Zuführungssystem kann daher insbesondere dann eingesetzt werden, wenn das erste Zuführungssystem aufgrund der tiefen Temperaturen des Abgases nicht ausreichend Reduktionsmittel zur Verfügung stellen kann. Gleichzeitig muss das zweite Zuführungssystem jedoch nicht so gross dimensioniert werden, dass es die gesamte Zuführung des Reduktionsmittels in sämtlichen Betriebssituationen übernehmen kann. Vielmehr kann insbesondere bei hohen Abgastemperaturen das Reduktionsmittel über die Zugabe des Vorgängerprodukts über das erste Zuführungssystem zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch kann Bauraum und Gewicht gespart werden. Weiterhin ist von Vorteil, dass bei hohen Temperaturen des Abgases keine Energie aufgewandt werden muss, um das Reduktionsmittel im zweiten Zuführungssystem zur Verfügung zu stellen.

[0014] Die vorliegende Erfindung kann dabei insbesondere bei einem der folgenden Katalysator-Typen eingesetzt werden: – SCR-Kat – DOC + SCR-Kat – DOC + DPF + SCR-Kat, DOC + SCR-Kat + DPF – SCRF – DOC + SCRF SCR Selective Catalytic Reaction DOC Diesel Oxidation Catalyst DPF Diesel Partikel Filter SCRF SCR on Filter (DPF mit SCR-Beschichtung)

[0015] Die vorliegende Erfindung kommt weiterhin bevorzugt bei einem System zum Einsatz, bei welchem als Reduktionsmittel Ammoniak eingesetzt wird und als Vorgängerprodukt eine wässrige Harnstofflösung. Insbesondere kann es sich bei der Harnstofflösung dabei um 32,5%-igen Harnstoff in wässriger Lösung handeln.

[0016] Das erste Zuführungssystem kann dabei ein erstes Dosiersystem zum Dosieren einer dem Abgas zugegebenen Menge des Vorgängerprodukts aufweisen. Insbesondere kann dabei eine Pumpe und/oder Ventile vorgesehen sein.

[0017] Vorteilhafterweise ist das erste Zuführungssystem dabei so ausgeführt, dass es das flüssige Vorgängerprodukt in den Abgasstrom einsprüht.

[0018] Das zweite Zuführungssystem ist hingegen vorteilhafterweise so ausgeführt, dass es das Reduktionsmittel gasförmig direkt in den Abgasstrom einbringt.

[0019] Das zweite Zuführungssystem kann dabei einen Reduktionsmittelgenerator aufweisen, weicher das Reduktionsmittel aus einem Vorgängerprodukt gewinnt. Insbesondere kann dabei das gasförmige Reduktionsmittel aus einem flüssigen Vorgängerprodukt gewonnen werden. Insbesondere kann es sich auch hier bei dem Vorgängerprodukt um eine wässrige Harnstofflösung und bei dem Reduktionsmittel um Ammoniak handeln. Als Reduktionsmittelgenerator kann dabei insbesondere ein Umwandlungskatalysator eingesetzt werden, in welchen das Vorprodukt eingesprüht wird und in welchem das Vorprodukt in das Reduktionsmittel umgewandelt wird. Vorteilhafterweise weist der Reduktionsmittel-Generator dabei eine Heizvorrichtung auf, welche die für die Umwandlung notwendige Temperatur zur Verfügung stellt.

[0020] Weiterhin kann das zweite Zuführungssystem ein zweites Dosiersystem zum Dosieren des in den Umwandlungskatalysator zugegebenen Vorgängerprodukts aufweisen, über welches die Menge des dem Abgasstrom direkt zugeführten Reduktionsmittels eingestellt wird. Auch dieses Dosiersystem kann eine Pumpe und/oder Ventile aufweisen.

[0021] Das erfindungsgemässe Abgasnachbehandlungssystem weist vorteilhafterweise eine Steuerung auf, welche das erste und das zweite Zuführungssystem ansteuert. Vorteilhafterweise werden das erste und das zweite Zuführungssystem dabei in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases angesteuert.

[0022] Vorteilhafterweise ist die Steuerung dabei so ausgeführt, dass sie bei niedrigeren Temperaturen des Abgases die Menge an Reduktionsmittel, welche über das zweite Zuführungssystem direkt zugegeben wird, erhöht. Umgekehrt kann die Menge an Reduktionsmittel, welche über das zweite Zuführungssystem direkt zugegeben wird, bei steigenden Temperaturen verringert werden.

[0023] Die Ansteuerung der beiden Zuführungssysteme kann dabei auch von anderen Betriebsparametern abhängen, insbesondere von Betriebsparametern des Motors, welche einen Einfluss auf die Menge von NOx im Abgas haben. Weiterhin kann auch ein NOx-Sensor stromaufwärts des Katalysators vorgesehen sein, dessen Werte in die Ansteuerung der beiden Zuführungssysteme eingehen.

[0024] Dabei können das erste und das zweite Zuführungssystem sowohl gleichzeitig, als auch abwechselnd Reduktionsmittel bzw. das Vorgängerprodukt zum Abgas zugeben.

[0025] Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Motor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, wie er oben beschrieben wurde. Insbesondere handelt es sich bei dem Motor dabei um einen Dieselmotor. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um einen Dieselmotor mit hoher Leistung.

[0026] Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung ein mobiles Arbeitsgerät mit einem Motor mit einem erfindungsgemässen Abgasnachbehandlungssystem. Insbesondere kann der Motor dabei als Fahrantrieb und/oder zum Antrieb der Arbeitsausrüstung des mobilen Arbeitsgerätes dienen. Beispielsweise kann der Motor dabei zum Antrieb eines Hydrauliksystems des Arbeitsgerätes dienen.

[0027] Bei dem Arbeitsgerät kann es sich beispielsweise um ein Umschlaggerät wie einen Kran handeln und/oder um Erdbewegungs- und/oder Baumaschinen wie beispielsweise Hydraulikbagger, Muldenkipper oder ähnliches. Die vorliegende Erfindung kann dabei auch bei dieselelektrischen Systemen zum Einsatz kommen, wie sie beispielsweise bei einem Muldenkipper ebenfalls eingesetzt werden.

[0028] Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystems, bei welchem NOx in einem Katalysator durch Reaktion von im Abgas enthaltenen NOx mit einem dem Abgas zugegebenen Reduktionsmittel umgewandelt wird. Dabei wird gleichzeitig oder abwechselnd sowohl ein Vorgängerprodukt des Reduktionsmittels zum Abgas zugegeben, welches dort in das Reduktionsmittel umgewandelt wird, als auch das Reduktionsmittel direkt zum Abgas zugegeben.

[0029] Die Zugabe des Vorgängerprodukts kann dabei in flüssiger Form durch Einsprühen in das Abgas erfolgen. Das Reduktionsmittel kann dagegen gasförmig in das Abgas geleitet werden.

[0030] Vorteilhafterweise erfolgt die Zugabe des Vorgängerprodukts und des Reduktionsmittels dabei in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases.

[0031] Insbesondere kann dann bei niedrigeren Temperaturen des Abgases die Menge an Reduktionsmittel, welche direkt zugegeben wird, höher sein als bei höheren Temperaturen des Abgases.

[0032] Das erfindungsgemässe Verfahren erfolgt dabei bevorzugt so, wie dies bereits oben im Hinblick auf das erfindungsgemässe Abgasnachbehandlungssystem beschrieben wurde. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Abgasnachbehandlungssystems.

[0033] Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels sowie einer Figur näher dargestellt.

[0034] Die einzige Figur zeigt dabei ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Abgasnachbehandlungssystems.

[0035] In der einzigen Figur ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Abgasnachbehandlungssystems gezeigt. Das Abgasnachbehandlungssystem dient dabei zur Behandlung des Abgases eines Dieselmotors 1 und umfasst im Ausführungsbeispiel einen SCR-Katalysator 2, in welchem NOx durch Reaktion mit Ammoniak umgewandelt wird. Die Erfindung könnte jedoch auch mit weiteren Katalysatortypen eingesetzt werden.

[0036] Dabei ist ein erstes Zuführungssystem 4 vorgesehen, durch welches eine wässrige Harnstofflösung in das Abgas dosiert wird. Dabei kann ein 32,5%-iger Harnstoff gelöst in Wasser eingesetzt werden, welcher unter dem Namen AdBlue bekannt ist. Im Abgasstrom wird dann das Wasser verdunstet und der Harnstoff durch Thermolyse und Hydrolyse zu Ammoniak umgewandelt. Dies wird durch die folgenden drei Formeln verdeutlicht:

[0037] Verdunsten von Wasser

[0038] Harnstoff-Thermolyse

[0039] Isocyansäure-Hydrolyse

[0040] Da die Dosiermenge dieses Dosiersystems stark durch die Abgastemperatur limitiert wird, ist zusätzlich ein zweites Zuführungssystem 8 zur direkten Zuführung von Ammoniak in das Abgas vorgesehen. Das zweite Zuführungssystem weist dabei einen Ammoniak-Generator auf, welcher gasförmiges Ammoniak erzeugt, welches so direkt in das Abgas dosiert werden kann.

[0041] Hierdurch ist im Abgasstrom kein Verdunsten oder Umwandeln nötig, so dass es auch keinen Temperaturverlust gibt. Die gesamte Abgastemperatur kann so für die DeNOx-Reaktion im SCR verwendet werden.

[0042] Im Ausführungsbeispiel generiert der Ammoniak-Generator gasförmiges Ammoniak aus einem Vorläuferprodukt. Dieses Vorgängerprodukt wird im Ammoniak-Generator zu gasförmigem Ammoniak umgewandelt. Da dieser Vorgang unabhängig von der Abgastemperatur und unabhängig von der Motorlast ist, wird die Dosiermenge des zweiten Zuführungssystems nicht von der Abgastemperatur, sondern nur von der Grösse des Ammoniak-Generators limitiert.

[0043] Die erfindungsgemässe Kombination eines bekannten Dosiersystems zum Dosieren eines Vorgängerprodukts mit dem Ammoniak-Generator erlaubt es, im gesamten Temperaturbereich des Dieselmotors genug Ammoniak für die volle Funktionsfähigkeit des SCR-Systems zur Verfügung zu stellen, und gleichzeitig die Raumbeschränkung für derartige Antriebe zu erfüllen.

[0044] Im Ausführungsbeispiel umfasst das erste Zuführungssystem dabei ein Behälter für das Vorgängerprodukt, eine Zuführleitung 5 für das Vorgängerprodukt von diesem Behälter, eine Pumpe 6 zum Dosieren des Vorgängerprodukts, von welcher aus das Vorgängerprodukt an einer Eindosierstelle 7 in den Abgasstrom eindosiert wird.

[0045] Das zweite Zuführungssystem weist ein Ammoniak-Generator 11 auf, welcher gasförmiges Ammoniak erzeugt und von welchem aus dieses zu einer Dosierstelle 12 in den Abgasstrom gelangt. Bei dem Ammoniak-Generator 11 kann es sich dabei insbesondere um einen Umwandlungs-Katalysator handeln. Dieser kann beheizt werden, um die notwendigen Temperaturen zur Umwandlung eines Vorgängerprodukts in Ammoniak zur Verfügung zu stellen. Bei dem Vorgängerprodukt handelt es sich vorteilhafterweise ebenfalls um eine wässrige Harnstofflösung, und insbesondere ebenfalls um eine 32,5%-ige Lösung von Harnstoff in Wasser.

[0046] Dieses Vorgängerprodukt kann dabei über eine Zuleitung 9 zu der Pumpe 10 gelangen, welche das Eindosieren des Vorgängerprodukts in den Ammoniak-Generator 11 übernimmt.

[0047] Dabei kann die Zuführleitung 9 von einem separaten Behälter für das Vorgängerprodukt abzweigen, oder von dem gleichen Behälter, welcher auch das Vorgängerprodukt für das erste Zuführungssystem zur Verfügung stellt.

[0048] Damit sind erfindungsgemäss zwei Dosiersysteme vorgesehen, über welche jeweils separat das Vorgängerprodukt bzw. das Reduktionsmittel zum Abgasstrom zudosiert werden können.

[0049] Vorteilhafterweise erfolgt die Ansteuerung der beiden Zuführungssysteme bzw. der in diesen enthaltenen Dosiersystemen dabei in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases, wobei das zweite Zuführungssystem insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen eingesetzt werden kann. Bei hohen Abgastemperaturen kann dagegen hauptsächlich das erste Zuführungssystem eingesetzt werden.

[0050] Der im Ausführungsbeispiel eingesetzte SCR-Katalysator 2 weist mehrere Katalysatorabschnitte mit SCR-Funktion 3 auf. Optional kann ein Ammoniak-Oxidationskatalysator 4 vorgesehen sein, welcher am Ausgang des Katalysators angeordnet ist und den Austritt von Ammoniak verhindert.

[0051] Das erfindungsgemässe Abgasnachbehandlungssystem kann auch mit einer Abgasklappe kombiniert werden, welche in einem Heat-Mode den Gegendruck erhöht, und hierdurch höhere Abgastemperaturen erzielt.

Claims

1. Abgasnachbehandlungssystem mit einem Katalysator (2) zur Umwandlung von NOx durch Reaktion von im Abgas enthaltenem NOx mit einem dem Abgas zugegebenen Reduktionsmittel, mit einem ersten Zuführungssystem (4) zur Zuführung eines Vorgängerprodukts des Reduktionsmittel zum Abgas, und mit einem zweiten Zuführungssystem (5) zur direkten Zuführung des Reduktionsmittels zum Abgas.

2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Reduktionsmittel um NH3 und bei dem Vorgängerprodukt um eine wässrige Harnstofflösung handelt.

3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Zuführungssystem (4) ein erstes Dosiersystem (6) zum Dosieren einer dem Abgas zugegebenen Menge des Vorgängerprodukts aufweist.

4. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Zuführungssystem (4) so ausgeführt ist, dass es das flüssige Vorgängerprodukt in den Abgasstrom einsprüht.

5. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zweite Zuführungssystem (8) so ausgeführt ist, dass es das Reduktionsmittel gasförmig in den Abgasstrom einbringt.

6. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zweite Zuführungssystem (8) einen Reduktionsmittel-Generator (11) aufweist, welcher das Reduktionsmittel aus einem Vorgängerprodukt gewinnt, insbesondere einen Umwandlungs-Katalysator, wobei das zweite Zuführungssystem (8) vorteilhafterweise ein zweites Dosiersystem (10) zum Dosieren des in den Umwandlungs-Katalysator zugegebenen Vorgängerprodukts aufweist.

7. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einer Steuerung, welche das erste und das zweite Zuführungssystem in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases ansteuert.

8. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei die Steuerung bei niedrigeren Temperaturen des Abgases die Menge an Reduktionsmittel, welche über das zweite Zuführungssystem direkt zugegeben wird, erhöht.

9. Motor mit einem Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, insbesondere Dieselmotor (1).

10. Mobiles Arbeitsgerät mit einem Motor nach Anspruch 9, wobei der Motor (1) als Fahrantrieb und/oder zum Antrieb der Arbeitsausrüstung des mobilen Arbeitsgerätes dient, und insbesondere zum Antrieb eines Hydrauliksystems.

11. Verfahren zum Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystems, bei welchem NOx in einem Katalysator (2) durch Reaktion von im Abgas enthaltenem NOx mit einem dem Abgas zugegebenen Reduktionsmittel umgewandelt wird, wobei gleichzeitig oder abwechselnd sowohl ein Vorgängerprodukt des Reduktionsmittel zum Abgas zugegeben wird, welches dort in das Reduktionsmittel umgewandelt wird, als auch das Reduktionsmittel direkt zum Abgas zugegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zugabe des Vorgängerprodukts in flüssiger Form durch Einsprühen ins Abgas erfolgt und das Reduktionsmittel gasförmig in das Abgas geleitet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Zugabe des Vorgängerprodukts und des Reduktionsmittel in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei bei niedrigeren Temperaturen des Abgases die Menge an Reduktionsmittel, welche direkt zugegeben wird, höher ist als bei höheren Temperaturen des Abgases.

15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche zum Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.