DE10138111A1 - Einrichtung zur thermischen Konditionierung und Zuführung eines thermisch und/oder chemisch aktiven Mittels in eine Abgasreinigungsanlage - Google Patents

Einrichtung zur thermischen Konditionierung und Zuführung eines thermisch und/oder chemisch aktiven Mittels in eine Abgasreinigungsanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (10) zur thermischen Konditionierung und Zuführung eines thermisch und/oder chemisch aktiven Mittels, wie beispielsweise eines Reduktionsmittels, in das einer Abgasreinigungsanlage zuführende Abgas, beispielsweise in das zu einer Katalysatoranordnung strömende Abgas eines Verbrennungsmotors. Durch Verwendung eines keramischen Materials, insbesondere einer aus einer Isolierschicht (11) und einer Heizschicht (12) bestehenden Kompositkeramik, als Einrichtung beispielsweise zur Verdampfung und Zuführung eines Reduktionsmittels wie Kraftstoff in eine Abgasleitung (1), gelingt eine homogene Verteilung dieses Reduktionsmittels im Abgas sowie eine strömungstechnische Optimierung des Abgasnachbehandlungssytems bei verringertem Gewicht und erhöhter Lebensdauer.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur thermischen Konditionierung und Zuführung eines thermisch und/oder chemisch aktiven Mittels in das einer Abgasreinigungsanlage zuzuführende Abgas. Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasreinigungsanlage mit einer derartigen Einrichtung.
    • Stand der Technik
  • Bei der Behandlung und Reinigung des Abgasstroms beispielsweise eines Verbrennungsmotors kommen verschiedene bekannte Systeme, wie Speicherkatalysator, DENOX- Katalysator, Rußfilter sowie Oxidationskatalysatoren oder katalytische Brenner zum Einsatz. Speicherkatalysatoren etwa speichern über einen gewissen Zeitraum (ca. zwei Minuten) Stickoxide (NOx) aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors (Dieselmotor). Der beladene Katalysator muß anschließend für einige Sekunden entleert werden. Die Stickoxide werden dabei zu Stickstoff reduziert und an das Abgas abgegeben. Für diesen Entleer- oder Regenerationsvorgang ist eine reduzierende Umgebung (fettes Gemisch) bei einem herrschenden Luftverhältnis von λ < 1 notwendig.
  • Ein Luftverhältnis von λ < 1 kann motorintern direkt durch Steuerung der Verbrennung oder motorextern durch Dosierung eines Reduktionsmittels (z. B. Dieselkraftstoff) in das Abgassystem erzeugt werden. Bei nockengetriebenen Einspritzsystemen ist die Herstellung eines fetten Gemisches zur Abgasnachbehandlung nur mit einem motorunabhängigen Verfahren zu realisieren. Aber auch bei Common-Rail-Systemen, die die Möglichkeit einer Nacheinspritzung beinhalten, kann die motorexterne Anreicherung zielführend sein, da es bei einer motorinternen Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen zu einer teilweisen Voroxidation dieser Bestandteile kommt.
  • Bei der motorinternen Steuerung der Anreicherung des Abgasstroms mit Dieselkraftstoff als Reduktionsmittel gelingt jedoch nur im unteren Drehzahl-/Lastbereich eine rußarme Verbrennung.
  • Bei der motorunabhängigen Anreicherung des Abgasstroms mit einem Reduktionsmittel ist es bekannt, dieses über einen Mischer in den Abgasstrom dosiert einzuleiten. Die Regeneration eines Speicherkatalysators kann im Teilstrom erfolgen, wobei 10% des Abgasvolumenstroms angereichert mit dem Reduktionsmittel (Dieselkraftstoff) dem zu entleerenden Speicherkatalysator zugeführt wird. Hier bietet sich ein duales System aus zwei parallel geschalteten Speicherkatalysatoren an, um abwechselnd zu beladen und zu regenerieren. Die Abgasströme zu den beiden Katalysatoren werden über eine Abgasklappe gesteuert.
  • Um den Sauerstoffüberschuß im Abgas zu reduzieren, kann während der Regeneration Kraftstoff katalytisch verbrannt werden, um Luftverhältnisse von λ < 1,0 zu erzielen.
  • Die in Abgasreinigungsanlagen enthaltenen Ruß- und Partikelfilter müssen von Zeit zu Zeit freigebrannt werden, um ihren ursprünglichen Wirkungsgrad wieder zu erhalten.
  • Bei den genannten Abgasbehandlungssystemen ist demnach an verschiedenen Stellen die Zuführung von thermisch und/oder chemisch aktiven Mitteln notwendig. Im Falle der Regeneration von Speicherkatalysatoren wird als Reduktionsmittel in der Regel verdampfter Dieselkraftstoff als thermisch und chemisch aktives Mittel eingesetzt. Die hierbei eingesetzten Verdampfungseinrichtungen sind in der Lage, Dieselkraftstoff dosiert zu verdampfen. Sie unterscheiden sich in der Verdampfungsleistung und dadurch bedingt in ihrer Geometrie.
  • Es wurde vorgeschlagen, als Heizkomponente dieser Verdampfungseinrichtungen Glühstiftkerzen (GSK) einzusetzen. Bei hoher Verdampfungsleistung sind mehrere solche Glühstiftkerzen notwendig. Als Dosierkomponente werden Serien-Einspritzventile verwendet, welche Betriebstemperaturen von bis zu 200°C ausgesetzt werden können.
  • Glühstiftkerzen werden in der Startphase von Dieselmotoren im Brennraum dazu verwendet, um innerhalb weniger Sekunden bei kaltem Motor die für den Start notwendige Temperatur herzustellen.
  • Bei der erwähnten Abgasnachbehandlung werden zur Übertragung hoher Verdampfungsleistung auf den dem Abgasstrom zuzuführenden Dieselkraftstoff aufgrund der geringen Wärmeübertragungseffizienz mehrere Glühstiftkerzen benötigt, was wiederum zu großen und schweren Bauteilen führt. Für das Abbrennen von Partikelfiltern sind Glühstiftkerzen auch kaum geeignet.
  • Bisher werden die GSK im Serieneinsatz im Zylinderkopf eingeschraubt und somit am Gehäuse thermisch nicht über 100°C belastet. Die Dichtungen, die sich im Gehäuse des Bauteils befinden, sind entsprechend ausgelegt. Bei Vollast des Motors können die Abgastemperaturen weit oberhalb 400°C liegen. Da die Verdampfereinheit in den Abgastrakt eingebaut ist, überträgt sich die Abgastemperatur an das Gehäuse der Verdampfereinheit und führt zu einer Schädigung der genannten Dichtungen.
  • Schließlich kommt es aufgrund der Geometrie der GSK zu einer starken Einschränkung der Freiheitsgrade im Design und bei einer Applikation des Verdampfersystems an unterschiedliche Abgasbehandlungssysteme und Einbauräume zu Einschränkungen und Unmöglichkeiten.
  • Aufgrund der genannten Nachteile ist es erstrebenswert, für die verschiedenen Systeme bei der Abgasnachbehandlung eine Einrichtung zur thermischen Konditionierung und Zuführung eines thermisch und/oder chemisch aktiven Mittels anzugeben, durch die die genannten Glühstiftkerzen ersetzt und die resultierenden genannten Nachteile vermieden werden können.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Einrichtung zur thermischen Konditionierung und Zuführung eines thermisch und/oder chemisch aktiven Mittels ist erfindungsgemäß zumindest teilweise aus einem Keramikmaterial, insbesondere aus einer Kompositkeramik, aufgebaut. Im beschriebenen Kontext vereinigen keramische Materialien mehrere Vorteile:
    Das Bauteilgewicht wird aufgrund der geringeren Dichte von Keramik (gegenüber Stahl) reduziert. Zudem wirkt sich, speziell bei Verdampfungseinrichtungen höherer Leistung der oben beschriebenen Art, das Einsparen mehrerer (in der Regel bis zu drei) Glühstiftkerzen positiv aus.
  • Die Standzeit/Lebensdauer der Verdampfungseinheit wird erhöht, da Keramiken im angeführten Temperaturbereich ohne Einschränkung nutzbar sind. Durch die Verwendung von Keramiken mit unterschiedlichen Stoffeigenschaften kann die Dosierkomponente einer Verdampfungseinrichtung zusätzlich von der Heizkomponente thermisch isoliert werden. Dies hat positive Auswirkung auf die Lebensdauer der Dosierkomponente.
  • Ein weiterer Vorteil bei GSK-freien Verdampfungseinrichtungen ist, daß die Wärmeübertragung auf das zugeführte Reduktionsmittel während seiner Zuführung erfolgt, so daß eine hohe Wärmeübertragungseffizienz erreicht wird. Bei Glühstiftkerzen erfolgt die Wärmeübertragung nur von der Spitze der Kerze zum vorüberströmenden Medium. Zudem stellt sich nach längerer Betriebsdauer (mehrere Stunden) eine Ablagerung von Kraftstoffrückständen im Spaltbereich zwischen Glühstiftkerze und Abgasrohr ein. Diese Rückstände müssen durch Freibrennen beseitigt werden. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen, GSK-freien Verdampfen des Kraftstoffs befindet sich kein Spalt zwischen Heizelement und Gehäuse und die eingebrachte Energie wirkt unmittelbar auf etwaige Kraftstoffrückstände in den Zuführkanälen.
  • Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird das thermisch und/oder chemisch aktive Mittel (wie Dieselkraftstoff als Reduktionsmittel) vorteilhaft über mehrere von einer zentralen Zuleitung abzweigende Zuführleitungen in den Abgasstrom eingeleitet und dort verteilt. Mit Vorteil erfolgt die Zuführung in (oder gegen) Strömungsrichtung des Abgases, um eine homogene Verteilung zu erreichen.
  • Die Materialien der erfindungsgemäßen Einrichtung sind zweckmäßigerweise derart gewählt, dass eine Isolierschicht sowie eine Heizschicht vorhanden sind, so dass die Erwärmung des zugeführten Mittels unmittelbar vor Eintrag des Mittels in den Abgasstrom stattfinden kann, während stromaufwärts von der Zufuhröffnung eine thermische Isolierung die übrigen Komponenten (beispielsweise Dosiereinrichtung) vor Überhitzung schützt.
  • Die Isolierschicht kann beispielsweise aus Zirkonoxid oder Aluminiumoxid bestehen, während die Heizschicht aus Siliziumnitrid, dotiert mit MoSi2, hergestellt ist.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich nicht nur zur Verdampfung eines Reduktionsmittels wie Dieselkraftstoff bei der oben behandelten Abgasreinigung mittels Katalysatoren, sondern auch bei der regenerativen Abbrennung von Partikelfiltern. Im Rahmen einer Regeneration von Rußfiltern bzw. Partikelfiltern reichert die Einrichtung bzw. Dosiereinrichtung das Abgas vor einem Oxidationskatalysator mit verdampftem Dieselkraftstoff an.
  • Der Oxidationskatalysator sorgt für die Verbrennung des Kraftstoffs schon bei niedrigen Temperaturen. Nach dem Oxidationskatalysator hat sich das Abgas bis auf die Zündtemperatur des im Partikelfilter befindlichen Rußes erhitzt und startet somit das Abbrennen des Rußes.
  • Die zumindest teilweise aus Keramik hergestellte Einrichtung kann hinsichtlich des Strömungswiderstands im Abgasstrom optimiert werden. Durch das Anbringen mehrerer Austrittsöffnungen wird eine homogene Verteilung des dem Abgas zugeführten Mittels begünstigt. Beispielsweise wird verdampfter Dieselkraftstoff homogen im Abgasstrom verteilt oder Wärmeenergie homogen auf einen freizubrennenden Filter übertragen.
  • Schließlich ist die Adaption des Systems an unterschiedliche Abgasanlagen vereinfacht.
  • Ein erfindungsgemäßer Keramikverdampfer für Dieselkraftstoff wird sinnvollerweise aus dem Fahrzeugtank mit Kraftstoff versorgt. Für den Aufbau des erforderlichen Druckpotentials an der Dosierkomponente gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, nämlich einen Bypass an bereits im Fahrzeug befindlichen Einspritzsystemen oder ein autarkes System mit eigener Kraftstoffpumpe.
  • Die Erfindung soll im Folgenden anhand weiterer in den Zeichnungen illustrierter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
    • Figuren
  • Fig. 1 zeigt ein Kraftstoff-Dosiersystem zur Abgasnachbehandlung unter Verwendung einer Glühstiftkerze.
  • Fig. 2 zeigt ein Kraftstoff-Dosiersystem zur Abgasnachbehandlung bei einem Nox-Speicherkatalysator unter Verwendung von Glühstiftkerzen,
  • Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau zur Abgasnachbehandlung unter Verwendung eines Oxidationskatalysators und eines Partikelfilters und
  • Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung in Anwendung als Kraftstoffverdampfer in einer Abgasleitung.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Zunächst seien anhand der Fig. 1 und 2 bisherige Methoden der Kraftstoff-Dosierung zur Abgasnachbehandlung mittels Glühstiftkerzen kurz beschrieben. Dem in der Abgasleitung 1 in Richtung 6 strömenden Abgas wird in diesem Ausführungsbeispiel Dieselkraftstoff als Reduktionsmittel in verdampfter Form zugegeben. Durch diese Maßnahme kann beispielsweise ein nachgeschalteter Speicherkatalysator regeneriert werden, indem die Stickoxide zu Stickstoff reduziert und dem Abgasstrom zugeführt werden. Zur Herstellung einer sauerstoffarmen Umgebung bei einem Luftverhältnis von λ < 1 wird Kraftstoff über das Einspritzventil 2 dosiert unter Druck dem Dosiermittelzulauf 3 zugeleitet. Der flüssige Kraftstoff wird mittels über die Glühstiftkerze 4 erzeugte Wärme verdampft. Eine Glühstiftkerze 4 wandelt elektrische Energie in Wärme um (Glühwendelprinzip) und kann innerhalb weniger Sekunden hohe Temperaturen (über 850°C) erreichen. Die zur Verdampfung notwendige Temperatur beträgt bei Dieselkraftstoff etwa 400°C. Das Gehäuse 5 ist an die Abgasleitung 1 befestigt, der Dosiermittelzulauf 3 wird an der Glühstiftkerze 4 entlanggeleitet, um die Wärme aufnehmen zu können.
  • In Fig. 2 ist ein ähnlicher Aufbau wie in Fig. 1 dargestelt. Zwei Glühstiftkerzen 4 sind an eine Kammer 7 angebracht, in die der Dosiermittelzulauf 3 des Einspritzventils 2 mündet. Der zugeführte Kraftstoff wird mittels der über die Glühstiftkerzen 4 zugeführten Wärmeenergie verdampft. Je nach Verdampfungsleistung werden üblicherweise 1 bis 3 Glühstiftkerzen 4 eingesetzt.
  • Fig. 3 zeigt schematisch einen Aufbau zur Abgasnachbehandlung bei einem Dieselmotor. Dessen Abgase setzen sich hauptsächlich aus Stickstoff, Kohlendioxid und . Wasser sowie aus Schadstoffen zusammen, zu denen insbesondere Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide, Bleiverbindungen und Partikel (Ruß) zählen. Durch den Oxidationskatalysator 9 werden nicht vollständig verbrannte Bestandteile, CO sowie HC (Kohlenwasserstoffe), zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Ein Partikelfilter 10 filtert unverbrannte Partikel, insbesondere Ruß. Die Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasleitung 1 ist durch den Pfeil 6 in Fig. 3 gegeben. Zur Herabsetzung des Sauerstoffgehalts im Abgas wird über die Kraftstoffzugabeeinrichtung 8 verdampfter Kraftstoff (HC) dem Abgasstrom zugegeben.
  • Durch Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Kraftstoffzugabe lassen sich die bereits erwähnten Vorteile, Strömungsoptimierung, homogene Verteilung des verdampften HC, Reduzierung des Bauteilgewichts und eine erhöhte Lebensdauer, realisieren. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Einrichtung die Menge und die Temperatur des zugeführten verdampften Kraftstoffes einfach, flexibel und genau geregelt werden, wodurch sich wiederum Temperatur und Volumenstrom des Abgases beeinflussen lassen. Zur Regelung dieser Vorgänge sowie zum optimalen Betreiben des Oxidationskatalysators 9 wird dessen Temperatur an verschiedenen Stellen mittels Temperatursensoren 11, 12 und 13 gemessen. Die Konzentration des nicht umgesetzten Kraftstoffes misst das Messgerät 14.
  • Unverbrannte Partikel wie Ruß werden im Partikelfilter 10 gesammelt. Dieser muss von Zeit zu Zeit freigebrannt werden, um seine ursprüngliche Filtereigenschaft wiederherzustellen. Das Abbrennen des Filters kann ebenfalls mittels einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur thermischen Konditionierung und Zuführung eines thermisch aktiven Mittels erfolgen. Beispielsweise werden über die Einrichtung Abgase auf eine hohe Temperatur gebracht und homogen auf die Filteroberfläche gerichtet. Die Abgastemperatur muss zum Freibrennen auf ca. 700°C vor dem Partikelfilter 10 erhöht werden.
  • Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 zur Kraftstoffverdampfung, wie sie in einer Abgasleitung 1 angebracht sein kann. Flüssiger Kraftstoff wird über die Leitung 13 einer Dosierkomponente 2 zugeführt. Diese Dosierkomponente kann beispielsweise ein thermisch entkoppeltes Einspritzventil sein. Es schließt sich der erfindungsgemäße Kraftstoffverdampfer 10 an, der als Kompositkeramik aufgebaut ist. Die aus Keramik bestehende Einrichtung 10 ist in eine Isolierschicht 11 und eine Heizschicht 12 unterteilt. Als thermisch und elektrisch isolierende Schicht 11 wird Zirkonoxid oder Aluminiumoxid verwendet. Der Kraftstoff tritt dann in parallel zur Strömungsrichtung 6 des Abgases verlaufende Leitungen, wo er die Heizschicht 12 der Kompositkeramik kontaktiert. Diese Heizschicht basiert auf SiN4 und ist dotiert mit MoSi2. Die Heizschicht ist ihrerseits von der thermisch und elektrisch isolierenden Schicht 11 umgeben. Die erfindungsgemäße Einrichtung 10 stellt sicher, dass ein direkter Wärmeübertrag auf den Kraftstoff stattfindet, der bei definiert einstellbarer Temperatur der Heizschicht 12 verdampft. Die thermisch und elektrisch isolierende Schicht 11 schützt die umgebenden Bauteile vor Überhitzung und trägt so zu einer längeren Lebensdauer der gesamten Einrichtung zur Abgasnachbehandlung bei. Die erfindungsgemäße Kraftstoffverdampfereinrichtung 10 kann strömungstechnisch optimiert werden, was beim Einsatz von Glühstiftkerzen nicht möglich ist. Durch Anzahl und Ausrichtung der Austrittsöffnungen 14 der Einrichtung 10 kann eine homogene Verteilung des verdampften Kraftstoffs sichergestellt werden. Auch kann eine gezielte Ausrichtung des aus den Austrittsöffnungen 14 austretenden Mittels (beispielsweise der heißen Abgase beim Freibrennen von Partikelfiltern) vorgenommen, werden.

Claims (10)

1. Einrichtung zur thermischen Konditionierung und Zuführung eines thermisch und/oder chemisch aktiven Mittels in das einer Abgasreinigungsanlage zuzuführende Abgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zur thermischen Konditionierung und Zuführung des thermisch und/oder chemisch aktiven Mittels zumindest teilweise aus einem Keramikmaterial aufgebaut ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) aus einer Kompositkeramik aufgebaut ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Isolierschicht (11) und/oder eine Heizschicht (12) aufweist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus Zirkonoxid oder Aluminiumoxid besteht.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschicht aus SiN4, dotiert mit MoSi2, besteht.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung über mehrere von einer zentralen Zuleitung abzweigende Zuführleitungen mit Austrittsöffnungen (14) verfügt.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung(en) für das thermisch und/oder chemisch aktive Mittel parallel zur Strömungsrichtung (6) des Abgases gerichtet sind.
8. Abgasreinigungsanlage für Verbrennungsmotoren mit einer Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Verdampfung und Zuführung eines Reduktionsmittels wie Dieselkraftstoff in das Abgas eines Verbrennungsmotors, das einer eine Katalysatoranordnung (9) enthaltenden Abgasreinigungsanlage zuzuführen ist.
10. Verwendung einer Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 im Rahmen einer Regeneration wenigstens eines Rußfilters einer Abgasreinigungsanlage.
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