DE102005026032A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasaufbereitung umfasst DOLLAR A - einen Partikelabscheider, DOLLAR A - einen SCR-Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden und DOLLAR A - einen Ammoniakgenerator zur Erzeugung von Ammoniak als selektivem Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden, DOLLAR A wobei der Partikelabscheider in einem Hauptabgasstrang und der Ammoniakgenerator in einem ersten Nebenstrang ausgebildet ist, wobei der erste Nebenstrang in einer Einmündung in den Hauptabgasstrang mündet, die so ausgebildet ist, dass der im Ammoniakgenerator erzeugte Ammoniak-haltige Gasstrom den SCR-Katalysator durchströmen kann.

Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur Reduktion des Stickoxid- und Partikelgehalts dieser Abgase. Bevorzugt findet die Erfindung Anwendung in Automobilen.
  • Verbrennungskraftmaschinen produzieren Abgase, die je nach Art, Hubraum und Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine unterschiedlich zusammengesetzt sind. Diese Abgase müssen sowohl für den stationären Bereich, beispielsweise in Kraftwerken, als auch im mobilen Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Booten oder Luftfahrzeugen, in vielen Ländern gesetzliche Grenzwerte einhalten, die nach und nach immer weiter verschärft werden. Diese Grenzwerte können oft nur durch Abgasaufbereitung oder -nachbehandlung eingehalten werden. Da Grenzwerte für eine Vielzahl von Abgaskomponenten einzuhalten sind, sind auch relativ komplexe Vorrichtungen und Verfahren zur Abgasnachbehandlung nötig. Dies bedingt eine Vielzahl von unterschiedlichen Abgasreinigungskomponenten, deren Betrieb jeweils Auswirkungen auf die Konzentration einer anderen Komponente des Abgases haben kann, wie dies beispielsweise bei der Konzentration von Stickoxiden und Partikeln im Abgas insbesondere von Dieselmotoren der Fall ist.
  • Bei der Reduktion von Stickoxiden sind Verfahren vorgeschlagen worden, die auf der selektiven katalytischen Reduktion (SCR, selective catalytic reduction) von Stickoxiden beruhen. Hier wird ein selektives Reduktionsmittel wie beispielsweise Ammoniak eingesetzt, welches an einem entsprechend ausgestalteten Katalysator zu einer selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden führt. Da eine direkte Bevorratung von Ammoniak insbesondere in mobilen Anforderungen problematisch ist, wurde vielfach die Bevorratung von Ammoniakprecursorn wie beispielsweise Harnstoff, Isocyansäure, Cyanursäure oder auch Ammoniumcarbamat vorgeschlagen. Insbesondere die Bevorratung von Harnstoff in wässriger Lösung ist bis zur Marktreife entwickelt worden. Diese Systeme haben den Nachteil, dass ein zusätzlicher Vorratsbehälter für den Ammoniakprecursor notwendig ist, was insbesondere in mobilen Anwendungen aufgrund des geringen Bauraums insbesondere im Personenkraftwagenbereich nachteilig ist und was zudem eine flächendeckendes System erfordert, mit dem der Ammoniakprecursor aufgefüllt werden kann, da ohne Ammoniakprecursor eine Umsetzung von Stickoxiden gänzlich unterbleibt und so bei leerem Vorratsbehälter keine Umsetzung mehr erfolgen kann.
  • Weiterhin wurden Systeme vorgeschlagen, wie Ammoniak on-board erzeugt werden kann. Beispielsweise offenbart die DE 102 58 185 A1 die Generation von Ammoniak aus Luftstickstoff durch plasmagestützte Bildung von Stickstoffmonoxid und anschließende Reduktion dieses Stickstoffmonoxids zu Ammoniak mit einem Wasserstoffhaltigen Gasstrom. Dieses System hat den Nachteil, dass ausschließlich Stickoxide und nicht weitere Komponenten des Abgases betrachtet werden.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduktion der Konzentration von Stickoxiden und Partikeln im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, die eine gleichzeitige Reduktion beider Komponenten erlauben und die dabei nicht auf das Mitführen eines weiteren Betriebsstoffes angewiesen sind.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 56. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasaufbereitung umfasst
    • – einen Partikelabscheider,
    • – einen SCR-Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden und
    • – einen Ammoniakgenerator zur Erzeugung von Ammoniak als selektivem Redukionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden,
    wobei der Partikelabscheider in einem Hauptabgasstrang und der Ammoniakgenerator in einem ersten Nebenstrang ausgebildet ist, wobei der erste Nebenstrang in einer Einmündung in den Hauptabgasstrang mündet, die so ausgebildet ist, dass der im Ammoniakgenerator erzeugte Ammoniak haltige Gasstrom den SCR-Katalysator durchströmen kann.
  • Bevorzugt wird auch der Partikelabscheider von dem Ammoniak haltigen Gasstrom durchströmt. Die Ausbildung des Ammoniakgenerators im Nebenstrang bedeutet insbesondere, dass der Ammoniakgenerator in einem Bypass der Abgasleitung ausgebildet sein kann. Andererseits ist es auch möglich, den Nebenstrang so mit der Abgasleitung zu verbinden, dass nur das gebildete Ammoniak in die Abgasleitung zugeführt werden kann, nicht jedoch das Abgas durch oder zu dem Ammoniakgenerator geführt wird. Unter Partikeln werden hier insbesondere Kohlenstoff enthaltende Partikel verstanden oder auch reiner Kohlenstoff.
  • Der Partikelabscheider, der SCR-Katalysator und der Ammoniakgenerator können jeweils mindestens einen Wabenkörper umfassen. Unter einem Wabenkörper versteht man einen Körper mit großer Wandoberfläche, welcher für ein Fluid wie ein Abgas zumindest beströmbare Hohlräume aufweist. Ein Wabenkörper kann beispielsweise aus keramischem Material gefertigt werden, beispielsweise durch Extrusion. Weiterhin kann ein Wabenkörper auch aus metallischen Lagen aufgebaut sein. Diese können beispielsweise zumindest teilweise strukturierte Lagen umfassen, die spiralförmig aufgewickelt werden, gegebenenfalls mit einer oder mehreren im wesentlichen glatten Lagen. Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Wabenkörpers umfasst ebenfalls metallische Lagen, die gestapelt werden. Einer oder mehrere Stapel werden gleich- oder gegensinnig verwunden. Ein Stapel kann mindestens eine zumindest teilweise strukturierte Lage und gegebenenfalls mindestens eine im wesentlichen glatte Lage umfassen.
  • Unter einer metallischen Lage versteht man insbesondere Blechfolien, Faservliese, gesinterte poröse metallische Lagen, Wire Mesh Lagen oder Kombinationen aus mindestens zwei dieser Elemente. Unter einer zumindest teilweise strukturierten Lage versteht man eine Lage, die zumindest in Teilbereichen Strukturen aufweist, die nach dem Aufwickeln, Stapeln oder Verwinden Hohlräume bilden. Insbesondere können diese Strukturen wellenartig ausgebildet sein. Unter einer im wesentlichen glatten Lage versteht man eine Lage, die glatt ist und gegebenenfalls Mikrostrukturen aufweist. Mikrostrukturen sind Strukturen, die eine Strukturierungsamplitude aufweisen, die deutlich kleiner als die Strukturierungsamplitude der zumindest teilweise strukturierten Lage sind.
  • Der Partikelabscheider kann insbesondere offen oder geschlossen sein. Ein geschlossener Partikelabscheider ist so aufgebaut, dass das Abgas beim Durchströmen des Abgases durch mindestens eine Wand des Partikelabscheiders hindurchtreten muss. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Partikelabscheider mit einer Vielzahl von durch poröse Wände getrennten Kanälen ausgebildet ist, die wechselweise an der gaseintritts- und gasaustrittseitigen Stirnfläche des Wabenkörpers verschlossen sind, so dass eine erste Gruppe von Hohlräumen mit gaseintrittsseitig offenen, gasaustrittsseitig verschlossenen Stirnseiten und eine zweite Gruppe von Hohlräumen mit gaseintrittsseitig verschlossenen, gasaustrittsseitig offenen Stirnseiten vorhanden ist.
  • Ein Partikelabscheider kann auch einen offenen Partikelfilter umfassen. Ein Partikelfilter wird dann als offen bezeichnet, wenn er grundsätzlich von Partikeln vollständig durchlaufen werden kann, und zwar auch von Partikeln, die erheblich größer als die eigentlich auszufilternden Partikel sind. Dadurch kann ein solcher Filter selbst bei einer Agglomeration von Partikeln während des Betriebes nicht verstopfen. Ein geeignetes Verfahren zur Messung der Offenheit eines Partikelfilters ist beispielsweise die Prüfung, bis zu welchem Durchmesser kugelförmige Partikel noch durch einen solchen Filter rieseln können. Bei vorliegenden Anwendungsfällen ist ein Filter insbesondere dann offen, wenn Kugeln von größer oder gleich 0,1mm Durchmesser noch hindurchrieseln können, vorzugsweise Kugeln mit einem Durchmesser oberhalb von 0,2mm.
  • Der Partikelabscheider kann insbesondere aus Metall- oder Keramikschaum ausgebildet sein. Der Partikelabscheider kann Hohlräume aufweisen, die regelmäßig, unregelmäßig oder chaotisch geformt sind.
  • Der SCR-Katalysator umfasst bevorzugt einen Wabenkörper, welcher mit einer SCR-Beschichtung versehen ist. Diese umfasst insbesondere ein Titandioxid (Anatas)-getragenes Vanadium/Wolframmischoxid oder Metallausgetauschte Zeolithe, insbesondere vom Typ X, Y, ZSM-5 oder ZSM-11, bevorzugt Eisenausgetauschte Zeolithe. Bei Ausbildung eines on-board Ammoniakgenerators kann in vorteilhafter Weise auf einen üblicherweise zur Hydrolysierung von Harnstoff benötigten Hydrolysekatalysator verzichtet werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet insbesondere Vorteile im Anschluss und im Betrieb. So kann eine einzige Vorrichtung eingesetzt werden, die zwei kritische Abgaskomponenten reduziert. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so gesteuert werden, dass sowohl der Anteil an Stickoxiden als auch an Partikeln in gleicher Weise reduziert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als sogenannte „Black Box" angesehen werden, bei der sich der Anwender und auch der Systemplaner für Abgassysteme nicht um die detaillierte Funktionsweise der in dieser Box verbauten Komponenten kümmern muss, sondern bei der lediglich ein Anschluss an das Abgassystem und an elektrischen Strom erfolgen muss.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Partikelabscheider wechselweise verschlossene Kanäle, die durch zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare Wandungen voneinander getrennt sind.
  • Bevorzugt ist der Partikelabscheider so aufgebaut, dass ein Abgasstrom durch die Wandung erfolgen kann. Je nach Ausbildung kann das Abgas zum Teil durch die Wandung strömen, insbesondere bei einem offenen Partikelabscheider oder auch gänzlich durch die Wandung strömen, insbesondere kann in einem solchen Fall ein geschlossener Filter mit wechselweise verschlossenen Kanälen vorliegen. Die Wandungen können bevorzugt keramisch und/oder metallisch ausgebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Partikelabscheider einen zumindest teilweise metallischen Träger.
  • Ein teilweise metallischer Träger kann beispielsweise ein metallischer Wabenkörper wie oben ausgeführt sein. Ein anderes Beispiel ist ein keramischer Träger, in den metallische Strukturen, beispielsweise als Elektroden zur elektrostatischen Agglomeration und/oder Abscheidung von Partikeln, eingelagert sind.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der metallische Träger mindestens eine metallische Lage.
  • Bevorzugt ist hierbei, dass der SCR-Katalysator, der Ammoniakgenerator und/oder der Partikelabscheider einen Wabenkörper umfassend mindestens eine metallische Lage umfasst. Weiterhin können weitere Trägerkörper umfassend mindestens eine metallische Lage ausgebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Partikelabscheider ein keramisches Filterelement, welches metallische Einlagerungen aufweist.
  • Insbesondere kann das keramische Filterelement schichtweise aufgebaut sein, insbesondere über entsprechende „Rapid Manufacturing" Techniken. Unter einem schichtweisen Aufbau wird hier insbesondere verstanden, dass zunächst ein erste Schicht des Körpers aus einem oder mehreren Rohmaterialien aufgebaut wird, diese dann verfestigt wird und dann auf diese verfestigte Schicht eine weitere Schicht aus einem oder mehreren Rohmaterialien aufgetragen wird. Diese Schicht wird dann ebenfalls verfestigt und weiter wie oben beschrieben verfahren.
  • Ein Rohmaterial kann die spätere keramische Wand bilden, während ein weiteres Rohmaterial die spätere metallische Einlagerung bilden kann. Die Verfestigung kann auf einer kurzzeitigen Temperaturerhöhung beruhen, die beispielsweise durch Bestrahlung mit Laserlicht erreicht wird. Durch eine räumlich selektive und/oder inhomogene Erwärmung und/oder durch Verwendung eines Rohmaterials, welches räumlich selektiv und/oder inhomogen aufgetragen wird, können so durch Wandungen getrennte Hohlräume erzeugt werden, die beispielsweise auch mikrostrukturierte Wandungen aufweisen können. Weiterhin können durch Einsatz mehrerer Rohmaterialien Wandungen mit Bereichen unterschiedlicher Eigen schaften aufgebaut, die beispielsweise in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Porositäten oder auch elektrische Leitfähigkeiten aufweisen. Auf diese Weise ist es auch möglich, sehr genau anhand der Ausbildung der metallischen Einlagerungen eine Stromverteilung im Filterelement nach Fertigstellung vorzugeben und so im Falle einer elektrostatischen Agglomeration und/oder Abscheidung im Filterelement vorgeben zu können, in welchen Bereichen eine Abscheidung in welchem Maße erfolgt. Zum Aufbau sind insbesondere „Selective Laser Sintering", „Three Dimensional Printing" und „Fused Deposition Modeling"-Techniken vorteilhaft einsetzbar.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Wandungen mindestens eine der folgenden Eigenschaften auf
    • 8.1) die Wandungen weisen zumindest teilweise eine Beschichtung auf; oder
    • 8.2) die Wandungen umfassen zumindest eine katalytisch aktive Komponente.
  • Der Partikelabscheider oder das Filterelement – ebenso wie alle anderen hier offenbarten Wabenkörper – kann gemäß 8.1) eine Beschichtung aufweisen. Diese kann insbesondere keramisch sein und/oder einen Washcoat und/oder Zeolithe umfassen. Gemäß 8.2) können die Wandungen des Partikelabscheiders – ebenso wie die Wandungen aller anderen hier offenbarten Wabenkörper – katalytisch aktive Komponenten umfassen. Diese können in einer gemäß 8.1) ausgebildeten Beschichtung eingebracht sein oder auch direkt in und/oder auf die Wandung, letzteres bevorzugt dann, wenn diese Wandungen keramisches Material umfassen. Die katalytisch aktive Komponente kann bevorzugt Edelmetalle umfassen, beispielsweise in Form von Edelmetallkomplexen. Bevorzugt können mehrere Edelmetalle in der katalytisch aktiven Komponente umfasst sein.
  • Der Partikelabscheider kann beispielsweise eine Oxidationsfördernde katalytisch aktive Komponente umfassen, bevorzugt im Bereich einer der Stirnseiten, bevorzugt im Strömungseingangsseitigen Stirnseitenbereich. Diese kann insbesondere die Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid katalysieren, der bei einer kontinuierliche Regeneration nach dem CRT (Continuous Regeneration Trap, kontinuierlich regenerierende Falle)-Prinzip arbeitenden Partikelabscheider benötigt wird. Weiterhin kann eine katalytisch aktive Komponente auf dem Partikelabscheider ausgebildet sein, die die CRT-Regenerationsreaktion katalysiert. Eine solche Beschichtung kann bevorzugt im gesamten Partikelabscheider ausgebildet sein. Eine Oxidationsfördernde Beschichtung kann beispielsweise auch eine Oxidation von Kohlenwasserstoffen katalysieren, die zu einer Aufheizung des Partikelabscheiders führt. Die Kohlenwasserstoffe können beispielsweise dadurch in den Partikelabscheider eingebracht werden, dass die Verbrennungskraftmaschine kurzfristig, beispielsweise bei einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine in einem Zyklus, mit einem erhöhten Treibstoffanteil betrieben wird, also fett betrieben wird. Dies führt dazu, dass Kohlenwasserstoffe den Partikelabscheider erreichen und dort oxidieren können.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Partikelscheider eine Regenerationsmöglichkeit zur Regeneration des Partikelabscheiders auf. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, dass die Regenerationsmöglichkeit durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen erzeugt wird:
    • 10.1) Bereitstellen von Stickstoffdioxid stromaufwärts zumindest eines Teils des Partikelabscheiders;
    • 10.2) Erhöhung der Temperatur des Partikelabscheiders über eine Grenztemperatur; oder
    • 10.3) Bereitstellen eines Oxidationsmittels stromaufwärts zumindest eines Teils des Partikelabscheiders; oder
    • 10.4) Regeneration durch eine elektrische Entladung.
  • Unter einer Regenerationsmöglichkeit wird die Eignung des Partikelabscheiders zur Regeneration der ein- und/oder angelagerten Partikel, also der Entfernung der Partikel aus dem Partikelabscheider, verstanden. Diese Regenerationsmöglichkeit kann insbesondere thermisch und/oder chemisch ausgebildet sein. Weist der Partikelabscheider eine thermische Regenerationsmöglichkeit auf, so sind Mittel vorgesehen, die eine Aufheizung des Partikelabscheiders über eine Temperatur bewirken können, bei der eine Oxidation des Kohlenstoffs der Partikeln erfolgt, bevorzugt auch mit einem Restsauerstoffanteil im Abgas. Eine solche thermische Regeneration kann über eine Erhöhung der Abgastemperatur und/oder durch zusätzliche Heizeinrichtungen erreicht werden. Weist der Partikelabscheider eine chemische Regenerationsmöglichkeit auf, so besteht die Möglichkeit, durch eine chemische Reaktion einen Abbau der Partikel zu erreichen. Dies kann beispielsweise über eine Reaktion des Kohlenstoffs mit Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid und Kohlendioxid erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit einer Regenerationsmöglichkeit besteht in einem CRT-Verfahren, bei der Mittel ausgebildet sind, die möglichst kontinuierlich eine genügend große Stickstoffdioxidkonzentration im Abgas im Partikelabscheider gewährleisten, um so die Kohlenstoffpartikel kontinuierlich umzusetzen. Eine auf einer elektrischen Entladung beruhende Regenerationsmöglichkeit beruht beispielsweise auf einer Oberflächengleitentladung.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Partikelabscheider Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im Partikelabscheider, durch welches mindestens eine der folgenden Funktionen erfüllt wird:
    • 12.1) Agglomeration von Partikeln; oder
    • 12.2) Abscheidung von Partikeln.
  • Unter einer Agglomeration von Partikeln wird hier insbesondere die Kumulation von mehreren kleinen Partikeln zu größeren Partikeln verstanden. Unter der Abscheidung von Partikeln wird insbesondere das Anlagern der Partikel auf dem Filter verstanden.
  • Feinstaub, also Partikel mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern und weniger, scheint aufgrund der Fähigkeit der Aufnahme dieser Partikel ins Lungengewebe ein Gesundheitsrisiko für Menschen darzustellen. Je größer der mittlere Durchmesser der Partikel desto unwahrscheinlicher wird die Aufnahme dieser Partikel ins Lungengewebe. Von daher ist es von Vorteil, neben einer Abscheidung von Partikeln, die beispielsweise durch mechanische Einwirkungen trotzdem zu einer Freisetzung der kleinen Partikel führen kann, eine Agglomeration der Partikel zu größeren Partikeln anzustreben, um so den Anteil an Feinstaub im Abgas zu senken und möglichst solche mittleren Durchmesser der Partikel zu erreichen, dass diese nicht mehr in das Lungenwebe aufgenommen werden können.
  • Eine solche Agglomeration lässt sich auch durch Anlegen eines elektrischen Feldes erreichen, welches beispielsweise dadurch angelegt werden kann, dass der Partikelabscheider einen Massepol und einen Pol auf einem positiven Personal aufweist, die ein entsprechendes elektrisches Feld insbesondere quer zu einer Kanallängsachse bilden. Bevorzugt können auch mehrere Pole, die ein solches Feld aufbauen, parallel zueinander ausgebildet sein, so dass der Partikelabscheider eine Mehrzahl von elektrischen Feldern umfasst. Die Felder können insbesondere durch eine Gleichspannung betreiben werden, jedoch ist ein Betrieb mit einer Wechselspannung, insbesondere einer niederfrequenten Wechselspannung mit einer Frequenz von 10 Hz oder weniger ebenso möglich und erfindungsgemäß.
  • Durch eine Polarisation der Russpartikel werden diese zu einem der Pole gezogen und dort angelagert. Die Pole können insbesondere mit den Wandungen des Partikelabscheiders kombiniert sein, insbesondere als Teil von diesen ausgebildet sein oder diese selber bilden. Bevorzugt ist hierbei die Ausbildung des Partikelabscheiders aus Metallschaum, wobei der Partikelabscheider bevorzugt mindestens zwei Bauteile umfasst, die insbesondere gegengleich ausgebildet sind. Besonders bevorzugt ist die Ausbildung des Partikelabscheiders aus einem Metallschaum, der eine Vielzahl von Hohlräumen ausbildet, die von Abgas durchströmt werden.
  • Die im Rahmen dieser Anmeldung offenbarten Details des Partikelabscheiders können auch in Alleinstellung ohne die übrigen Komponenten der Vorrichtung verwirklicht werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Ammoniakgenerator einen Plasmagenerator.
  • Insbesondere kann es sich hierbei um einen Plasmagenerator wie in der DE 102 58 185 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insbesondere in Bezug auf die Betriebsparameter des Plasmagenerators, die Ausbildung der Elektroden und die Zugabe an Betriebsgas in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung aufgenommen wird. Der Plasmagenerator wird bevorzugt so betrieben, dass sich das Betriebsgas kurzfristig auf Temperaturen von mehr als 2500 K aufheizt. Der Plasmagenerator wird mit einem Stickstoff- und Sauerstoffhaltigen Gas als Betriebsgas betrieben, wobei die Betriebsparameter des Plasmagenerators so gewählt werden, dass das Reaktionsgleichgewicht der im Plasma ablaufenden Reaktionen so verschoben ist, dass bevorzugt Stickstoffmonoxid erzeugt wird. Dieses Stickstoffmonoxid kann dann über einen entsprechend ausgebildeten Reduktionskatalysator, der insbesondere auf einem Wabenkörper aufgebracht ist, unter Zugabe beispielsweise von Wasserstoff als Reduktionsmittel zu Ammoniak reduziert wer den. Insbesondere kann als Betriebsgas Luft, Abgas oder mit Luft angereichertes Abgas eingesetzt werden.
  • Bevorzugt ist hierbei die Ausbildung eines Ammoniakgenerators, welcher ferner Speicherelemente zur temporären Speicherung von Stickstoffmonoxid umfasst. So ist es möglich, einen Ammoniakgenerator vorzusehen, welcher mindestens zwei Speicherelemente aufweist, von denen eines mit Stickstoffmonoxid gefüllt wird, während ein anderes Speicherelement das in ihm gespeicherte Stickstoffmonoxid zumindest teilweise abgibt, so dass es zu Ammoniak reduziert werden kann. Insbesondere kann hier die Abgabe des Stickstoffmonoxids in einen Wasserstoffhaltigen und möglichst Sauerstoffarmen Gasstrom erfolgen. Dies reduziert den benötigten Wasserstoffanteil, da Wasserstoff im Regelfall zunächst mit Sauerstoff reagieren würde. Umfasst das Betriebsgas des Plasmagenerators zumindest Luft, so ist der Sauerstoffanteil des Betriebsgases beim Verlassen des Plasmagenerators immer noch relativ hoch beispielsweise im Bereich von 18% bis 19%. Wird nun ein Sauerstoffarmes, Wasserstoffhaltiges Gas eingesetzt, in welches oder in welchem die Bereitstellung des Stickstoffmonoxids erfolgt, ist der Bedarf an Wasserstoff deutlich geringer als wenn direkt das Betriebsgas mit einem Wasserstoffhaltigen Gas gemischt würde.
  • Das Wasserstoffhaltige Gas kann insbesondere ein Spalt- oder Synthesegas sein, welches durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoff erzeugt wird. Insbesondere kann der Treibstoff, der zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird, als Edukt für das Spalt- oder Synthesegas dienen. Da der benötigte Wasserstoffanteil verringert wird, verringert sich auch der Treibstoffmehrverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Der Plasmagenerator kann intermittierend mit zwei Gassträngen betrieben werden, die jeweils ein Speicherelement zur temporären Speicherung von Stickstoffmonoxid und gegebenenfalls eine Reduktionseinheit zur Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Ammoniak um fassen. Die Reduktionseinheit zur Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Ammoniak kann gegebenenfalls auch gemeinsam von beiden Gassträngen beschickt werden. Weiterhin ist es möglich, Speicherelement und Reduktionseinheit in einem einzigen Bauteil auszubilden, beispielsweise durch Ausbildung eines Wabenkörpers mit einer entsprechenden Speicherreduktionsbeschichtung.
  • Weiterhin kann der Ammoniakgenerator alternativ oder kumulativ Mittel umfassen, die Stickstoffmonoxid in einem Gasstrom anreichern, beispielsweise in dem ein Stickoxide (NOx) enthaltender Gasstrom in einen ersten Gasstrom getrennt wird, in dem der relative Anteil von NO an NOx erhöht ist und einen zweiten Gasstrom, in dem der relative Anteil von NO2 an NOx erhöht ist. Dies ist beispielsweise durch entsprechende Membrane möglich.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht in einem Speicherelement, welches selektiv nur Stickstoffmonoxid, nicht aber Stickstoffdioxid speichern kann. Dies kann durch entsprechend ausgebildete Molekularsiebe, insbesondere Zeolithe, erreicht werden. Ein solches Speicherelement kann dann mit Abgas durchströmt werden, bis eine gewisse Menge an Stickstoffmonoxid gespeichert ist. Dann kann beispielsweise durch Änderung einer physikalischen und/oder chemischen Verfahrensgröße das in diesem Speicherelement temporär gespeicherte Stickstoffmonoxid herausgelöst und in einen Wasserstoffhaltigen Gasstrom abgegeben werden, worauf ebenfalls eine Reduktion zu Ammoniak durch einen entsprechenden Katalysator katalysiert wird.
  • Die hier beschriebenen Möglichkeiten, Stickstoffmonoxid direkt aus dem Abgas anzureichern bzw. zu speichern können bevorzugt auch im Hauptabgasstrom umgesetzt werden und insbesondere auch ohne, dass ein Partikelfilter oder ein SCR-Katalysator ausgebildet ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Ammoniakgenerator ein Speicherelement zur temporären Speicherung mindestens einer der folgenden Komponenten:
    • 15.1) Ammoniak oder
    • 15.2) einen Ammoniakprecursor.
  • Unter einem Ammoniakprecursor wird eine Substanz verstanden, die Ammoniak freisetzt, beispielsweise durch Thermo-, Pyro- und/oder Hydrolyse, oder die mit einem weiteren Edukt zu Ammoniak reagieren kann. Bevorzugt ist hierbei, dass die Komponente 15.2) Stickstoffmonoxid umfasst. Die gespeicherten Komponenten 15.1) und/oder 15.2) können insbesondere als Puffer für im Abgas auftretende sehr große NOx-Konzentrationen eingesetzt werden, bei denen eine relativ große Menge an Ammoniak benötigt wird. Darüber hinaus kann das Speicherelement in vorteilhafter Weise zur intermittierenden Speicherung und Abgabe von Stickstoffmonoxid eingesetzt werden wie oben dargestellt. Unter Ammoniakprecursorn werden neben Stickstoffmonoxid ferner beispielsweise auch Harnstoff, Isocyansäure, Cyanursäure oder Ammoniumcarbamat verstanden.
  • Weiterhin bevorzugt ist hierbei, dass das Speicherelement die mindestens eine Komponente durch Sorption, insbesondere Chemi- und/oder Physisorption temporär speichert.
  • Unter einer Physisorption wird hierbei insbesondere eine Speicherung aufgrund von physikalischen Wechselwirkungen verstanden, während eine Chemisorption eine auf einer chemischen Bindung beruhende Adsorption umfasst. Eine Physisorption erfolgt insbesondere bei niedrigen Temperaturen unterhalb einer ersten Grenztemperatur, während oberhalb dieser ersten Grenztemperatur eine Desorption des Ammoniakprecursors erfolgt. Eine Chemisorption erfolgt in nennenswertem Maße oberhalb einer zweiten Grenztemperatur, da ein entsprechend verscho benes Reaktionsgleichgewicht eine gewisse Temperatur erfordert. Durch entsprechende Auswahl des Speicherelements, beispielsweise eine entsprechend gestaltete Beschichtung des Speicherelements, können die erste und die zweite Grenztemperatur so gewählt werden, dass über einen weiten Temperaturbereich eine Adsorption von Stickstoffmonoxid ermöglicht wird.
  • Eine entsprechende Beschichtung eines Wabenkörpers kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass ein weiter von einer von Abgas beströmten Oberfläche entfernter Bereich der Beschichtung eher zur Physisorption geeignet ist, während ein näher an einer von Abgas beströmten Oberfläche der Beschichtung liegender Bereich eher zur Chemisorption geeignet ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Nebenstrang von mindestens einem der folgenden Gase durchströmt:
    • 24.1) Abgas; oder
    • 24.2) einem zumindest Sauerstoff und Stickstoff umfassenden Gas; oder
    • 24.3) Luft.
  • Hierbei können erfindungsgemäß beliebige Mischungsverhältnisse der Gase 24.1), 24.2) und 24.3) auftreten. Insbesondere kann der Nebenstrang von reinem Abgas durchströmt, bevorzugt dann, wenn das Abgas einen hohen Sauerstoffanteil aufweist, beispielsweise wenn die Verbrennungskraftmaschine ein Dieselmotor ist. Weiterhin kann der Nebenstrang von reiner Luft durchströmt werden. Insbesondere dann, wenn ein Plasmagenerator im Ammoniakgenerator umfasst ist, kann es vorteilhaft sein, den Nebenstrang so zu gestalten, dass zusätzlich zu den Gasen 24.1), 24.2) und/oder 24.3) ein Wasserstoffhaltiges Gas den Nebenstrang durchströmen kann, um so eine Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Ammoniak zu erreichen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Partikelabscheider Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im Partikelabscheider und der Ammoniakgenerator einen Plasmagenerator, wobei mindestens eine Steuerungseinrichtung zur Erzeugung und Regelung des elektrischen Feldes des Partikelabscheiders und zur Ansteuerung des Plasmagenerators ausgebildet ist.
  • Der hier beschriebene Ammoniakgenerator, sowie der Nebenstrang, können auch in vorteilhafter Weise ohne die übrigen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwirklicht werden.
  • Die Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes umfassen insbesondere Elektroden im Partikelabscheider sowie eine Spannungsquelle, die elektrisch mit den Elektroden im Partikelabscheider verbindbar ist. Bevorzugt ist die Ausbildung einer einzigen Steuerungseinrichtung, über die sowohl die Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im Partikelabscheider als auch der Plasmagenerator gesteuert und gegebenenfalls mit elektrischer Energie versorgt werden. Insbesondere beim Kaltstart können in vorteilhafter Weise zunächst die Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im Partikelabscheider mit elektrischer Energie versorgt werden, worauf nach einer vorgebbaren Zeitspanne auch der Plasmagenerator mit elektrischer Energie versorgt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Partikel grundsätzlich agglomeriert und/oder abgeschieden werden, während eine Umsetzung der Stickoxide erst dann erfolgt, wenn der SCR-Katalysator seine Mindestbetriebstemperatur („light-off"-Temperatur) erreicht hat. Diese Betriebstemperatur erreicht der SCR-Katalysator jedoch erst nach einer gewissen Zeit.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese einen ersten Strömungsbereich und mindestens einen zwei ten Strömungsbereich, die im wesentlichen parallel zueinander durchströmbar sind, wobei der erste Strömungsbereich zumindest ein Teil des Hauptabgasstrangs ist, wobei der erste und der zweite Strömungsbereich so ausgebildet sind, dass ein Wärmeeintrag vom ersten Strömungsbereich in den mindestens einen zweiten Strömungsbereich erfolgen kann.
  • Bevorzugt sind die Strömungsbereiche koaxial oder konzentrisch. Weiterhin ist bevorzugt, dass im ersten Strömungsbereich ein Plasmagenerator oder ein Reformer oder ein Reaktor ausgebildet ist. Bevorzugt ist in einem ersten Strömungsbereich ein Plasmagenerator und in einem zweiten Strömungsbereich ein Reformer oder Reaktor ausgebildet, der insbesondere über eine partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen Wasserstoff generiert. Weiterhin bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der der erste und der zweite Strömungsbereich durch mindestens eine Trennwand voneinander getrennt sind.
  • Insbesondere liegt der erste Strömungsbereich auf einer ersten Seite der Trennwand, während der zweite Strömungsbereich auf einer zweiten Seite der Trennwand ausgebildet ist. Die Trennwand kann ein oder mehrschichtig ausgebildet sein. Insbesondere ist bevorzugt, die beiden Strömungsbereiche durch flächiges stoffschlüssiges Verbinden zweier üblicher Rohre auszubilden, wobei die Rohre gegebenenfalls noch verformt werden können. Neben einer koaxialen Ausbildung des ersten und zweiten Strömungsbereichs ist auch eine konzentrische Anordnung dieser Bereiche möglich und erfindungsgemäß.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Führung von Abgas in einem ersten Teilstrom im ersten Strömungsbereich und in einem zweiten Abgasteilstrom in einem zweiten Strömungsbereich. Da der Plasmagenerator nur im ersten Strömungsbereich ausgebildet ist, kann so ohne größeren konstruktiven Aufwand gewährleistet werden, dass nur ein Abgasteilstrom in einem Strömungsbereich einer Behandlung mit Plasma unterzogen wird. So kann insbesondere ein Plasmagenerator sehr kompakt in die Abgasanlage von Kraftfahrzeugen integriert werden. Insbesondere ist der Plasmagenerator so gestaltet, das Abgas im Plasmagenerator durch die Gasentladung auf Temperaturen über 2000 Kelvin, bevorzugt sogar über 2800 Kelvin erhitzt wird. Im Betrieb werden molekularer Stickstoff, der sowohl im Abgas als auch in der – gegebenenfalls zugebbaren – Luft vorhanden ist, und Sauerstoff durch nicht thermische, Plasma-induzierte Stoßprozesse mit hochenergetischen Elektronen elektronisch angeregt, disoziiert und ionisiert. Bevorzugt werden durch Reaktionen der elektronisch angeregten Moleküle, Radikale und Ionen mit dem durch das Plasma aufgeheizten Abgas Stickoxide gebildet. Aufgrund der hohen anliegenden Temperatur wird bevorzugt Stickstoffmonoxid (NO) gebildet, da das Reaktionsgleichgewicht bei diesen Temperaturen die Bildung von Stickstoffmonoxid der von Stickstoffdioxid entsprechend bevorzugt. Die Reaktionszeiten dafür liegen im Bereich von unter 10 Millisekunden.
  • So kann durch den Plasmagenerator im Betrieb die Konzentration an Stickstoffmonoxid erhöht werden. Dieses Stickstoffmonoxid kann weiterhin bevorzugt zu Ammoniak reduziert werden. Der Plasmagenerator kann beispielsweise wie in der DE 102 58 185 A1 beschrieben aufgebaut sein, wobei deren Inhalt im Bezug auf den Aufbau und den Betrieb des Plasmagenerators in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung vollständig mit aufgenommen wird.
  • Die Vorrichtung weist im Bereich des Plasmagenerators geeignete Anschlüsse auf, mit denen der Plasmagenerator mit einer entsprechenden Stromversorgung und einer entsprechenden Steuerung verbunden werden kann. Entsprechende Isolierungen und ähnliches können erfindungsgemäß ausgebildet sein.
  • Wird der Plasmagenerator so betrieben, dass das Abgas durch die Gasentladung auf recht hohe Temperaturen, wie beispielsweise 2800 Kelvin und mehr kurzzei tig lokal erhitzt wird, so kommt es unter Anwesenheit von molekularem Stickstoff (N2) einerseits zur Reaktion mit durch das Plasma gebildeten Sauerstoffradikalen, wobei Stickstoffmonoxid und Stickstoff entsteht und andererseits zur Reaktion eines solchen Stickstoffatoms mit molekularem Sauerstoff (O2) zu Stickstoffmonoxid und einem Sauerstoffradikal. Weitere Reaktionen sind bei relativ hohen Temperaturen von eher unter geordneter Bedeutung, so dass eine hohe Ausbeute an Stickstoffmonoxid durch Einsatz und einen entsprechenden Betrieb des Plasmagenerators erreicht werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in einer axialen bevorzugten Strömungsrichtung stromaufwärts des Plasmagenerators Gaszuführmittel ausgebildet, insbesondere zum Zuführen eines Sauerstoff umfassenden Gases.
  • Die Gaszuführmittel können dabei sowohl im ersten Strömungsbereich, als auch in einem Teil der Abgasbehandlungseinheit, in dem die Strömungsbereiche noch nicht voneinander getrennt sind, ausgebildet sein. Ein solcher Bereich kann beispielsweise stromaufwärts dadurch gebildet werden, dass die Trennwand dort noch nicht ausgebildet ist.
  • Als Sauerstoff umfassendes Gas kann beispielsweise Umgebungsluft zugeführt werden. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass molekularer Stickstoff dem System zugeführt wird, welcher in gleicher Weise zur Bildung von Stickstoffmonoxid dienen kann. Hierbei ist es grundsätzlich möglich Luft, über einen Kompressor unter Druck zuzuführen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest in einer axialen bevorzugten Strömungsrichtung stromabwärts des ersten und des zweiten Strömungsbereichs ein gemeinsamer dritter Strömungsbereich ausgebildet. Dieser kann damit im Betrieb dazu dienen, dass die durch die trennende Wand gebildeten beiden Gasströme nach Durchströmen der jeweiligen Strömungsbereich wieder zusammenströmen und dort insbesondere vermischt werden. In diesem Strömungsbereich kommt es beim Betrieb des Plasmagenerators zur Erzeugung von Stickstoffmonoxid zur Bildung eines mit Stickstoffmonoxid angereicherten Gesamtabgasstroms, der beide durch die beiden Strömungsbereiche strömenden Teilabgasströme umfasst. Es ist gleichfalls möglich, vor Zusammenführen der beiden Gasströme für eine Reduktion des Stickstoffmonoxids zu Ammoniak zu sorgen, indem beispielsweise ein entsprechender Katalysator beispielsweise auf einem Katalysatorträgerkörper in den ersten Strömungsbereich stromabwärts des Plasmagenerators eingebracht wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in einer axialen bevorzugten Strömungsrichtung stromabwärts des Plasmagenerators eine erste Wabenstruktur mit einer ersten Reduktionskatalysatorbeschichtung zur Reduktion von Sauerstoff ausgebildet.
  • Diese erste Wabenstruktur kann insbesondere zum Entfernen des Restsauerstoffs aus dem Abgasstrom dienen. Dieser Restsauerstoffgehalt kann insbesondere dann hoch sein, wenn Luft über die Gaszuführmittel zugeführt wurde. Als erste Reduktionskatalysatorbeschichtung wird insbesondere ein keramisches Beschichtungsmaterial wie insbesondere Washcoat eingesetzt, in den Edelmetallhaltige Komponenten enthaltend beispielsweise Platin und/oder Palladium eingebracht werden.
  • Die erste Wabenstruktur wie auch alle im folgenden erwähnten Wabenstrukturen können übliche Wabenstrukturen umfassen. Beispielsweise können hier keramische Monolithe eingesetzt werden oder auch Wabenkörper, die aus mindestens einer zumindest teilweise strukturierten und gegebenenfalls einer im wesentlichen glatten metallischen Lage aufgebaut sind. Insbesondere sind unter einer Waben struktur im Sinne der vorliegenden Erfindung auch Wabenstrukturen zu verstehen, bei denen eine glatte und eine strukturierte wie beispielsweise gewellte Blechlage spiralförmig aufgewickelt werden oder die dadurch hergestellt werden, dass durch Stapelung einer Mehrzahl von im wesentlichen glatten und zumindest teilweise gewellten metallischen Lagen und gleich- oder gegensinniges Verwinden eines oder mehrerer solcher Stapel hergestellt sind. Sämtliche Wabenstrukturen sind für ein Abgas durchströmbar und weisen insbesondere für ein Abgas durchströmbare Hohlräume wie beispielsweise Kanäle auf.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in einer axialen bevorzugten Strömungsrichtung stromabwärts des Plasmagenerators eine zweite Wabenstruktur mit einer zweiten Reduktionskatalysatorbeschichtung zur Reduktion von Stickoxid zu Ammoniak ausgebildet. Die zweite Reduktionskatalysatorbeschichtung umfasst insbesondere Platin und/oder Palladium als Aktivkomponenten, insbesondere ist bei dieser Beschichtung nur wenig Rhodium vorhanden, bevorzugt im wesentlichen kein Rhodium.
  • Somit gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung in dieser Ausgestaltung die Bereitstellung eines kompakten on-board Ammoniakgenerators, welcher insbesondere auch in mobilen Anwendungen im Abgassystem von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden kann. Das so erzeugbare Ammoniak kann stromabwärts als Reduktionsmittel in einem selektiven katalytischen Reduktionsprozess (SCR, selective catalytic reduction) von Stickoxiden dienen. Insbesondere bei mobilen Anwendungen kann so auf die Ausbildung von Tanks für Reduktionsmittel wie beispielsweise für Ammoniakprecursoren (z. B. Harnstoff Ammoniumcarbamat, Isocyansäure, Cyanursäure, etc.) in Lösung oder als Feststoff verzichtet werden.
  • Durch eine entsprechende Ausgestaltung der zweiten Reduktionskatalysatorbeschichtung der zweiten Wabenstruktur können auch andere Reaktionen katalysiert werden, durch welche statt Ammoniak andere Reduktionsmittel wie beispielsweise Isocyansäure oder Cyanursäure generiert werden. Auch solche Reduktionsmittel und entsprechende zweite Reduktionskatalysatorbeschichtungen sind möglich und erfindungsgemäß. Die zweite Reduktionskatalysatorbeschichtung umfasst insbesondere Edelmetalle als Katalysatoren wie beispielsweise Platin. Die zweite Reduktionskatalysatorbeschichtung umfasst insbesondere Titandioxid (Anatas)getragenes Vanadium/Wolframmischoxid oder auch metallausgetauschte Zeolithe wie insbesondere Zeolithe vom Typen X, Y, ZSM-5 oder ZSM-11.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Strömungsrichtung zwischen dem Plasmagenerator und der zweiten Wabenstruktur Reduktionszufuhrmittel zur Zuführung eines Reduktionsmittels ausgebildet. Ist auch eine erste Wabenstruktur zur Reduktion insbesondere des noch vorhandenen Sauerstoffs ausgebildet, werden die Reduktionszuführmittel bevorzugt zwischen der ersten und der zweiten Wabenstruktur ausgebildet.
  • Als Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Ammoniak haben sich insbesondere Kohlenwasserstoffe bewährt. Diese können in einfacher Weise aus dem Treibstoff der Verbrennungskraftmaschine gewonnen werden. So ist es beispielsweise möglich, Treibstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, der Verbrennungskraftmaschine über die Reduktionszufuhrmittel direkt vor der zweiten Wabenstruktur in den Abgasstrom einzuspritzen. Insbesondere sind die Reduktionszufuhrmittel als Düse ausgebildet. Die Reduktionszufuhrmittel sind insbesondere so ausgebildet, dass eine möglichst gleichmäßige Konzentration des Reduktionsmittels über den Strömungsquerschnitt erreicht wird. Insbesondere hat es sich bewährt, das Reduktionsmittel in Form kleiner Tröpfchen einzusprühen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im gemeinsamen Strömungsbereich eine Mischerstruktur ausgebildet.
  • Eine Mischerstruktur kann beispielsweise aus einer Wabenstruktur bestehen, die zwischen den einzelnen Kanälen Durchbrechungen aufweist, durch die das Abgas zumindest teilweise im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung strömen kann. Dadurch kommt es zur Durchmischung des Abgasstroms. Besonders bevorzugt ist hierbei die Ausbildung von Leitstrukturen in der Kanalwand, die den Abgasstrom hin zu den zwischen den Kanälen befindlichen Öffnungen leiten.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinheit ist in Strömungsrichtung stromabwärts der zweiten Wabenstruktur eine dritte Wabenstruktur mit einer SCR-Katalysatorbeschichtung ausgebildet.
  • Diese SCR-Katalysatorbeschichtung ist eine Beschichtung, die einen Katalysator enthält, welcher die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden katalysiert. Die SCR-Katalysatorbeschichtung umfasst insbesondere Titandioxid (Anatas)getragenes Vanadium/Wolframmischoxid oder auch metallausgetauschte Zeolithe wie insbesondere Zeolithe vom Typen X, Y, ZSM-5 oder ZSM-11.
  • Im Betrieb kann es so aufgrund des in der zweiten Wabenstruktur gebildeten Ammoniakanteils zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide zu molekularem Stickstoff kommen. Dadurch werden die Stickoxidemissionen der Verbrennungskraftmaschine wirksam gesenkt.
  • Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn zwischen zweiter Wabenstruktur und dritter Wabenstruktur Mittel zur temporären Speicherung eines Reduktionsmittels ausgebildet sind.
  • Insbesondere handelt es sich hierbei um Mittel zur temporären Speicherung des Reduktionsmittels, welches im vorhergehenden Prozessschritt gebildet wird. Insbesondere handelt es sich als um Mittel zur temporären Speicherung von Ammoniak. Jedoch können auch andere Reduktionsmittel entsprechend gespeichert werden wie beispielsweise Isocyansäure oder Cyanursäure.
  • Die Ausbildung von Mitteln zur temporären Speicherung ermöglicht die Vorhaltung eines gewissen Reduktionsmittelvorrates, welcher dann zum Einsatz kommen kann, wenn eine sehr schnell sehr stark ansteigende Konzentration von Stickoxiden zu reduzieren ist. Um hier die mögliche Trägheit des Systems zur Erzeugung des Reduktionsmittels auszuschalten, ist die Vorhaltung einer gewissen Menge von Reduktionsmittel in den Mitteln zur temporären Speicherung vorteilhaft. Insbesondere kann es sich bei diesen Mitteln um beschichtete Wabenstrukturen handeln, die insbesondere mit bestimmten Zeolithen, wie beispielsweise Zeolithen der Typen A, X, Y oder ZSM-5 beschichtet sind.
  • Besonders vorteilhaft ist hierbei die Ausbildung eines Regelkreises, mit welchem einerseits die Konzentration von Stickoxiden im Abgas direkt oder indirekt bestimmt wird, welcher weiterhin die Menge an eingelagertem Reduktionsmittel in den Mitteln zur temporären Speicherung erfasst. Hierbei wird insbesondere die Generation von Stickstoffmonoxid im Plasmagenerator geregelt, beispielsweise über ein Ein- und Ausschalten des Plasmagenerators, eine Änderung der Stromstärke und/oder -frequenz oder auch eine Änderung der Gaszusammensetzung beispielsweise durch Zuleitung oder Änderung der Menge eines sauerstoffartigen Gases. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Regelung in gewisser Weise vorausschauend versucht, den Gehalt an Stickstoffoxiden im Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu einem zukünftigen Zeitpunkt zu extrapolieren. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass neben der Stickoxidkonzentration mittels eines Speicherbausteins und eines Differenzierers auch die Steigung der Stickstoffkonzentration beobachtet wird. So ist es auf einfache Weise möglich, die Stickoxidkonzentration in die Zukunft zu extrapolieren und damit auch Abschätzungen für die benötigte Menge an Reduktionsmittel durchführen zu können. Entsprechend dieser Abschätzung kann dann die Generation von Stickoxiden und daran anschließend von Ammoniak erfolgen.
  • Besonders bevorzugt ist im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Abgassystem, dass in Strömungsrichtung vor der gemeinsamen Wand zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsbereich Strömungsleitmittel ausgebildet sind, die es erlauben, den Abgasteilstromanteil, welcher in den ersten Strömungsbereich strömt, festzulegen.
  • Grundsätzlich erfolgt durch die Ausbildung der Trennwand per se eine Aufteilung der Abgasströme auf den ersten und den zweiten Strömungsbereich. In dieser Situation strömt ein erster geometrischer Abgasteilstrom in den ersten Strömungsbereich und ein zweiter geometrischer Abgasteilstrom in den zweiten Strömungsbereich. Je nach Anbindung kann es erforderlich sein, dass der erste Abgasteilstrom, welcher den ersten Strömungsbereich durchströmt, größer oder kleiner als der erste geometrische Abgasteilstrom sein muss. Beispielsweise ist es vorteilhaft, einen nur sehr geringen Massenstrom durch den ersten Strömungsbereich und relativ große Massenströme durch den zweiten Strömungsbereich zu leiten. Ist in einem solchen Fall aufgrund beispielsweise des Platzbedarfs des Plasmagenerators oder des Reformers/Reaktors der erste geometrische Abgasteilstrom größer als der benötigte Abgasteilstrom, so kann es erforderlich sein, Mittel im vorderen Anströmbereich der Wand auszubilden, die in den in den ersten Strömungsbereich einströmenden Abgasteilstrom verkleinern. Dies kann beispielsweise in einer Verengung in diesen Bereich bestehen oder auch in einer beweglichen Klappe, die den Abgasteilstromanteil variabel macht. Bevorzugt ist auch die Ausbildung von Strömungsleitmitteln, bei denen im wesentlichen der gesamte Massenstrom durch den zweiten Strömungsbereich geleitet wird. In einem solchen Fall ist zu gewährleisten, dass das Feedgas, welches dem Plasmagenerator zugeführt wird, neben Sauerstoff genügend Stickstoff enthält. Beispielsweise kann hier Luft als Feedgas eingesetzt werden.
  • Unabhängig von der Ausbildung von Strömungsleitmitteln kann der erste Strömungsbereich auch eingangsseitig im wesentlichen abgeschlossen ausgebildet sein. Das bedeutet insbesondere, dass im wesentlichen kein Abgas in den ersten Strömungsbereich einströmen kann. Bevorzugt ist in einem solchen Falle, dass der erste Strömungsbereich so ausgestaltet ist, dass das Feedgas für den Plasmagenerator, beispielsweise Luft, in den ersten Strömungsbereich einströmen kann und das Abgas das Feedgas durch den Kontakt mit der gemeinsamen Wand aufheizt.
  • Es ist vorteilhaft, das Betriebsgas des Reformers/Reaktors und/oder des Plasmagenerators vorzuwärmen. Dies kann durch eine elektrische Widerstandsheizung oder auch durch einen Wärmeeintrag vom Abgas erfolgen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, das Gas, welches in das mindestens eine Speicherelement einströmt, bei Überschreiten der Desorptionstemperatur bei Chemi- oder Physisorption durch Luftzugabe zu kühlen.
  • Das Mischen von Gasströmen, beispielsweise des Ammoniak haltigen Gasstroms mit dem Hauptabgasstrom, kann bevorzugt durch einen aktiven Mischer, beispielsweise einen Turbolader, erfolgen. Weiterhin ist es möglich, die zu mischenden Gasströme tangential zu mischen. Weiterhin kann ein Mischer ausgebildet sein, der beispielsweise einen Wabenkörper mit Kanälen einer ersten Wiederholungslänge und Löcher oder Kavernen aufweist, die eine Abmessung aufweisen, die größer als die Wiederholungslänge ist. Weiterhin können die Kanalwandungen Durchbrechungen mit Abmessungen im wesentlichen kleiner als die Wiederho lungslänge der Strukturen und Leitstrukturen aufweisen, die einen Gasstrom in einen benachbarten Kanal lenken.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, den Ammoniak haltigen Gasstrom auch durch den Partikelabscheider zu führen. Insbesondere kann sich der Ammoniak haltige Gasstrom positiv auf die Regeneration des Partikelfilters auswirken. Der Partikelabscheider kann in einem solchen Falle auch in vorteilhafter Weise der Durchmischung des Ammoniak haltigen Gasstroms mit dem Hauptabgasstrom dienen. IN einem solchen Falle kann ein Aufbau der Vorrichtung gewählt werden, bei dem der Nebenstrang stromaufwärts des Partikelabscheiders und des SCR-Katalysators in den Hauptabgasstrang mündet.
  • Stromabwärts des SCR-Katalysators und des Partikelabscheiders kann ein Oxidationskatalysator ausgebildet sein, an welchem eventuell vorhandenes Ammoniak oxidiert wird. Dieser Oxidationskatalysator dient als Sperrkat gegen Ammoniak.
  • In vorteilhafter Weise erfolgt die Anreicherung von Stickstoffmonoxid in der Kaltstartphase erst dann, wenn das mindestens eine stromabwärts des Plasmagenerators ausgebildete Speicherelement in einem Betriebszustand ist, der eine Sorption von Stickoxiden erlaubt. Insbesondere ist dies bei chemisorbierenden Speicherelementen bei Temperaturen ab etwa 200°C der Fall.
  • Grundsätzlich können mehrere Speicherelemente in Reihe ausgebildet sein, zusätzlich kann stromabwärts eine Reduktionsvorrichtung ausgebildet sein, auf der eine Reduktion von Stickoxiden, bevorzugt Stickstoffmonoxid, zu Ammoniak katalysiert wird. Die Ausbildung von beispielsweise zwei Speicherelementen, von denen eines auf Physisorption und eines auf Chemisorption basiert ist möglich und erfindungsgemäß.
  • Bevorzugt wird erst dann Ammoniak bereitgestellt, wenn der SCR-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Dieser weist bevorzugt eine Beschichtung auf, in der Ammoniak speicherbar ist. Das gespeicherte Ammoniak kann als Puffer zur Reduktion von auftretenden Stickoxidspitzen im Abgas eingesetzt werden.
  • Bevorzugt kann das Verfahren so gestaltet werden, dass im Betrieb ein positiver Wärmeübergang vor oder in ein auf Chemisorption basierendes Speicherelement erfolgt, um dieses über der Grenztemperatur zu halten, ab der die entsprechende Reaktion im nennenswerten Umfang abläuft. Bevorzugt kann das Verfahren so gestaltet werden, dass im Betrieb ein negativer Wärmeübergang vor oder in ein auf Physisorption basierendes Speicherelement erfolgt, um dieses unter der Desorptionstemperatur zu halten.
  • Bevorzugt kann ein Luftzufuhrmittel wie ein Gebläse oder Kompressor ausgebildet sein, welches den Plasmagenerator mit Luft als zumindest ein Teil des Betriebsgases versorgt.
  • Bevorzugt erfolgt eine Temperatur- und/oder Konzentrationsüberwachung der Gasströme mit einem Rechner-gestützten Modell, bei dem über Eingangsdaten, beispielsweise mindestens eines Messfühlers oder auch aus dem Motormanagement, Daten an anderen Punkten des Systems berechnet werden.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren erläutert, ohne dass diese auf die dort gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt wäre. Es zeigen:
  • 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Abgasbehandlungseinheit als Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt;
  • 2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abgasbehandlungseinheit als Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt;
  • 3 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Abgassystems;
  • 4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Abgassystems; und
  • 5 schematisch einen Querschnitt durch eine Abgasbehandlungseinheit als Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Abgasbehandlungseinheit 1 im Längsschnitt, die Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sein kann, die jedoch auch ohne die übrigen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Weise verwirklicht werden kann. Die Abgasbehandlungseinheit 1 umfasst einen ersten Strömungsbereich 2 und einen zweiten Strömungsbereich 3, die im wesentlichen parallel zueinander durchströmbar sind und durch eine Trennwand 4 voneinander getrennt sind. Im ersten Strömungsbereich 2 ist ein Plasmagenerator 5 ausgebildet. Beispielsweise kann der Plasmagenerator 5 nach einer der in der DE 102 58 185 A1 gezeigten Arten ausgebildet sein. Der Plasmagenerator umfasst eine erste Elektrode 6 und eine zweite Elektrode 7. Die zweite Elektrode 7 ist trichterförmig um den Plasmakanal 8 ausgebildet. Im Plasmakanal 8 wird bei Beaufschlagung der Elektroden 6, 7 mit einer Hochspannung, die als Gleich- oder Wechselspannung ausgebildet sein kann, ein Plasma erzeugt. Mittels dieses Plasmas, welches kurzzeitig Gastemperaturen von mehr als 2500 Kelvin bewirkt, erfolgt eine vermehrte Umsetzung von Stickstoff und Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid. Die elektrische Stromversorgung erfolgt über die Anschlüsse 9.
  • 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abgasbehandlungseinheit 1 mit einem ersten Strömungsbereich 2 und einem zweiten Strömungsbereich 3. Beim Einsatz der Abgasbehandlungseinheit 1 im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine wird die Abgasbehandlungseinheit von einem Abgasstrom 10 in einer Strömungsrichtung 11 durchströmt. Durch die die Strömungsbereiche 2, 3 trennende Trennwand 4 erfolgt eine Aufteilung des Abgasstromes 10 in einen ersten Abgasteilstrom 12 und einen zweiten Abgasteilstrom 13. Im ersten Abgasteilstrom 12, welcher durch den ersten Strömungsbereich 2 strömt, erfolgt mittels des Plasmagenerators 5 eine Anreicherung von Stickstoffmonoxid. Vor der Anreicherung im Plasmagenerator 5 kann mittels Gaszuführmitteln 14 ein sauerstoff- und gegebenenfalls stickstoffhaltiges Gas zugeführt werden. Hierbei kann es sich insbesondere um Luft handeln. Durch den Kontakt des sauerstoffhaltigen Gases mit der gemeinsamen Wand 4 erfolgt eine Vorheizung des sauerstoffhaltigen Gases durch das auf der anderen Seite der gemeinsamen Wand 4 strömende Abgas. Sowohl Abgas als auch Luft enthalten genügend Stickstoff (N2), der zur Oxidation zu Stickoxiden (NOx), bevorzugt zu Stickstoffmonoxid (NO), zur Verfügung steht. Nach Anreicherung des ersten Abgasteilstroms 12 mit Stickstoffmonoxid erfolgt im zweiten Ausführungsbeispiel einer Abgasbehandlungseinheit 1 in einer ersten Wabenstruktur 15, welche eine erste Reduktionskatalysatorbeschichtung aufweist, die Reduktion von noch im ersten Abgasteilstrom 12 enthaltenem Sauerstoff. Die erste Wabenstruktur 15 ist in Strömungsrichtung 11 für ein Abgas durchströmbar und weist insbesondere entsprechende durch die erste Wabenstruktur 15 durchgehende Hohlräume oder Kanäle auf. Die erste Wabenstruktur 15 genau wie alle anderen hier offenbarten Wabenstrukturen kann insbesondere als keramischer Monolith oder aus zumindest teilweise strukturierten metallischen Lagen aufgebaut sein. In Strömungsrichtung 11 stromabwärts der ersten Wabenstruktur 15 ist eine zweite Wabenstruktur 16 ausgebildet. Die zweite Wabenstruktur 16 weist eine zweite Reduktionskatalysatorbeschichtung zur Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Ammoniak auf. Somit liegt in Strömungsrichtung 11 stromabwärts der zweiten Wabenstruktur 16 ein Ammoniak haltiger erster Abgasstrom 12 vor.
  • Durch das in Strömungsrichtung 11 stromabwärts liegende Ende der Trennwand 4 bildet sich stromabwärts dieses Endes ein gemeinsamer dritter Strömungsbereich 17, in welchem der erste Abgasteilstrom 12 und der zweite Abgasteilstrom 13 wieder zusammengeführt werden. In Strömungsrichtung 11 stromaufwärts der zweiten Wabenstruktur 16 ist ein Reduktionsmittelzufuhr 18 ausgebildet. Durch diese Reduktionsmittelzufuhr 18 kann Reduktionsmittel, welches zur Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Ammoniak in der zweiten Wabenstruktur 16 benötigt wird, zugeführt werden. Insbesondere können als Reduktionsmittel hier Kohlenwasserstoffe, beispielsweise der Treibstoff der Verbrennungskraftmaschine, zugeführt werden.
  • 3 zeigt schematisch ein Abgassystem 19. Der Abgasstrom 10 einer Verbrennungskraftmaschine 20 durchströmt das Abgassystem 19. Die Trennwand 4 trennt einen ersten Strömungsbereich 2 von einem zweiten Strömungsbereich 3. Hier erfolgt eine Aufteilung des Abgasstroms 10 in einen ersten Abgasteilstrom 12 und einen zweiten Abgasteilstrom 13, die den ersten Strömungsbereich 2 und den zweiten Strömungsbereich 3 durchströmen. Der erste Abgasteilstrom 12 passiert einen Plasmagenerator 5, in dem Stickstoffmonoxid im ersten Abgasteilstrom 12 angereichert wird. Nach Verlassen des Plasmagenerators 5 durchströmt der erste Abgasteilstrom 12 eine zweite Wabenstruktur 16, in der eine Reduktion des Stickstoffmonoxids zu Ammoniak erfolgt. Hierzu wird über eine Reduktionsmittelzufuhr 18 ein Kohlenwasserstoff- oder Wasserstoffhaltiges Reduktionsmittel, insbesondere Kraftstoff der Verbrennungskraftmaschine, zugegeben. Nach Ver lassen des ersten Strömungsbereichs vermischt sich der nun Ammoniak haltige erste Abgasteilstrom 12 im gemeinsamen dritten Strömungsbereich 17 mit dem zweiten Abgasteilstrom 13, welcher den zweiten Strömungsbereich passiert hat. Die Mischung der beiden Abgasteilströme 12, 13 wird durch eine Mischerstruktur 21 begünstigt, in der es zu einer Durchmischung der beiden Abgasteilströme 12, 13 kommt. Die Mischerstruktur 21 kann aus entsprechenden Metallfolien so aufgebaut werden, dass einerseits eine Querströmung im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 11 erfolgen kann und dass weiterhin Leitstrukturen ausgebildet sind, die eine Querströmung erzwingen bzw. befördern. Nach Verlassen der Mischerstruktur 21 strömt der Abgasstrom dann in eine dritte Wabenstruktur 22. Diese dritte Wabenstruktur 22 ist mit einer dritten Reduktionskatalysatorbeschichtung versehen, welche eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden mit dem Reduktionsmittel Ammoniak katalysiert. Die dritte Wabenstruktur 22 verlässt somit einen gereinigter Abgasstrom 23, dessen Stickoxidgehalt im Vergleich zum Stickoxidgehalt des Abgasstroms 10 wesentlich reduziert ist.
  • 4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Abgassystems im Längsschnitt. Im Abgassystem 19 ist in einem erster Strömungsbereich 2 zunächst ein Plasmagenerator 5 ausgebildet, der stromabwärts in Strömungsrichtung 11 ist hinter dem Plasmagenerator 5 eine erste Wabenstruktur 15 zur Reduktion von gegebenenfalls noch vorhandenem Restsauerstoff im Teilabgasstrom ausgebildet. Weiterhin stromabwärts ist eine zweite Wabenstruktur 16 ausgebildet, in der eine Reduktion des im Plasmagenerator 5 erzeugten Stickstoffmonoxids zu Ammoniak erfolgt. Weiterhin stromabwärts sind Mittel 24 zur temporären Speicherung eines Reduktionsmittels ausgebildet. Dies kann insbesondere Ammoniak sein, der in der zweiten Wabenstruktur 16 gebildet wird. Die Mittel 24 zur temporären Speicherung eines Reduktionsmittels erlauben es, in Zeiten eines Reduktionsmittelüberschusses einen Teil des Reduktionsmittels einzulagern und diesen bei Bedarf später wieder frei zu setzen. Das kann beispielsweise durch einen auf Chemi- oder Physisorption basierenden Prozess erfolgen, welcher durch Wärmezufuhr im Bedarfsfall wieder umgekehrt werden kann.
  • Der Plasmagenerator 5 ist mit Steuermitteln 25 verbunden, über welche der Plasmagenerator mit Strom versorgt wird. Weiterhin weist das Abgassystem 19 Strömungsleitmittel 26 auf, die in Strömungsrichtung 11 vor der Trennwand 4 zwischen dem ersten 2 und dem zweiten Strömungsbereich 3 ausgebildet sind. Diese Strömungsleitmittel 26 können beispielsweise als Leitungsblech ausgebildet sein oder auch als verschwenkbare Klappe, die auch während des Betriebes eine Variation der Aufteilung der Abgasteilströme auf den ersten 2 und den zweiten Strömungsbereich 3 erlaubt. Die Beweglichkeit der Strömungsleitmittel 26 ist durch den Pfeil angedeutet worden.
  • 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Abgasbehandlungseinheit 1 in einem Bereich, in dem bereits der erste Strömungsbereich 2 und der zweite Strömungsbereich 3 ausgebildet sind. Diese sind durch die Trennwand 4 getrennt. Insbesondere kann so ein Aufheizen eines den ersten Strömungsbereich 2 durchströmenden relativ kalten Gases durch ein den zweiten Strömungsbereich 3 durchströmendes relativ warmes Gas erfolgen. Bevorzugt ist hierbei die Aufheizung eines Feedgases für den Plasmagenerator 5 im ersten Strömungsbereich 2 durch das den zweiten Strömungsbereich 3 durchströmende Abgas der Verbrennungskraftmaschine 20. Eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungseinheit 1 kann insbesondere auch ein so genanntes „Doppel-D-Rohr" umfassen, welches beispielsweise aus zwei D-förmig verformten Rohren besteht, die gegebenenfalls in einem gemeinsamen rohrförmigen Außenrohr gehalten sind.
  • Die Abgasbehandlungseinheit 1 erlaubt in vorteilhafter Weise den kompakten Aufbau eines Plasmagenerators, welcher in nur einem Teilstrom des das Abgasbehandlungseinheit durchströmenden Gases arbeitet. Insbesondere vorteilhaft ist eine Abgasbehandlungseinheit 1 mit einem Plasmagenerator 5 zum Einsatz in einem Abgassystem 19 im Rahmen eines Systems oder eines Verfahrens zur Reduktion der Stickoxidemissionen einer Verbrennungskraftmaschine 20. Aufgrund des kompakten Aufbaus des Plasmagenerators 5 eignet sich dieser insbesondere zum Einsatz in Abgassystemen 19 von mobilen Systemen wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen und Lastkraftwagen.
  • 1
    Abgasbehandlungseinheit
    2
    erster Strömungsbereich
    3
    zweiter Strömungsbereich
    4
    gemeinsame Wand
    5
    Plasmagenerator
    6
    erste Elektrode
    7
    zweite Elektrode
    8
    Plasmakanal
    9
    Anschluss
    10
    Abgasstrom
    11
    Strömungsrichtung
    12
    erster Abgasteilstrom
    13
    zweiter Abgasteilstrom
    14
    Gaszuführmittel
    15
    erste Wabenstruktur
    16
    zweite Wabenstruktur
    17
    dritter Strömungsbereich
    18
    Reduktionszufuhrmittel
    19
    Abgassystem
    20
    Verbrennungskraftmaschine
    21
    Mischerstruktur
    22
    dritte Wabenstruktur
    23
    gereinigter Abgasstrom
    24
    Mittel zur temporären Speicherung eines Reduktionsmittels
    25
    Steuermittel
    26
    Strömungsleitmittel

Claims (90)

  1. Vorrichtung zur Abgasaufbereitung, umfassend – einen Partikelabscheider, – einen SCR-Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden und – einen Ammoniakgenerator zur Erzeugung von Ammoniak als selektivem Redukionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden, bei der der Partikelabscheider in einem Hauptabgasstrang und der Ammoniakgenerator in einem ersten Nebenstrang ausgebildet ist, wobei der erste Nebenstrang in einer Einmündung in den Hauptabgasstrang mündet, die so ausgebildet ist, dass der im Ammoniakgenerator erzeugte Ammoniak haltige Gasstrom den SCR-Katalysator durchströmen kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Nebenstrang in einer ersten Einmündung in den Hauptabgasstrang mündet, die so ausgebildet ist, dass der im Ammoniakgenerator erzeugte Ammoniak haltige Gasstrom auch den Partikelabscheider durchströmen kann.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Partikelabscheider wechselweise verschlossene Kanäle umfasst, die durch zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare Wandungen voneinander getrennt sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche, bei der der Partikelabscheider einen zumindest teilweise metallischen Träger umfasst.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der metallische Träger mindestens eine metallische Lage umfasst.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Partikelabscheider ein keramisches Filterelement umfasst, welches metallische Einlagerungen aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Partikelabscheider für ein Fluid zumindest beströmbare Hohlräume aufweist, die durch Wandungen zumindest teilweise voneinander getrennt sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei dem die Wandungen mindestens eine der folgenden Eigenschaften umfassen: 8.1) die Wandungen weisen zumindest teilweise eine Beschichtung auf; oder 8.2) die Wandungen umfassen zumindest eine katalytisch aktive Komponente.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Partikelscheider eine Regenerationsmöglichkeit zur Regeneration des Partikelabscheiders aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Partikelabscheider so ausgebildet ist und/oder solche Mittel vorgesehen sind, dass die Regenerationsmöglichkeit durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen erzeugt wird: 10.1) Bereitstellen von Stickstoffdioxid stromaufwärts zumindest eines Teils des Partikelabscheiders; 10.2) Erhöhung der Temperatur des Partikelabscheiders über eine Grenztemperatur; 10.3) Bereitstellen eines Oxidationsmittels stromaufwärts zumindest eines Teils des Partikelabscheiders; oder 10.4) Regeneration durch eine elektrische Entladung.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der Mittel zur Regeneration durch eine Oberflächengleitentladung vorgesehen sind.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Partikelabscheider Mittel zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes im Partikelabscheider umfasst, durch welches mindestens eine der folgenden Funktionen erfüllt wird: 12.1) Agglomeration von Partikeln; oder 12.2) Abscheidung von Partikeln.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Partikelabscheider Mittel zum erzeugen eines zweiten elektrischen Feldes im Partikelabscheider umfasst, durch welches eine Oberflächengleitentladung zur Regeneration erzeugt wird.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ammoniakgenerator einen Plasmagenerator umfasst.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Ammoniakgenerator mindestens ein Speicherelement zur temporären Speicherung mindestens einer der folgenden Komponenten umfasst: 15.1) Ammoniak oder 15.2) einen Ammoniakprecursor.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Komponente 15.2) Stickstoffmonoxid umfasst.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der das mindestens eine Speicherelement die mindestens eine Komponente durch Chemi- und/oder Physisorption temporär speichert.
  18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ammoniakgenerator Mittel zur Zufuhr eines Reduktionsmittels zur Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Ammoniak umfasst, die mit einem entsprechenden Vorratsbehälter verbindbar sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei dem das Reduktionsmittel mindestens eine der folgenden Substanzen umfasst: 19.1) Kohlenwasserstoffe oder 19.2) Wasserstoff.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Ammoniakgenerator erste Reduktionsvorrichtungen umfasst, die so ausgebildet sind, dass an oder in ihnen eine Reduktion von Stickstoffmonoxid mit dem Reduktionsmittel 19.1) und/oder 19.2) erfolgen kann.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei der Mittel zur Bereitstellung und/oder Erzeugung des Reduktionsmittels ausgebildet sind.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Mittel zur Bereitstellung und/oder Erzeugung einen Reformer und/oder einen Reaktor zur partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen umfassen.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei der die Mittel zur Zufuhr des Reduktionsmittels einen Mischer umfassen, der geeignet ist, das Reduktionsmittel mit einem anderen Gas zu mischen.
  24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Nebenstrang von mindestens einem der folgenden Gase durchströmt wird: 24.1) Abgas; 24.2) einem zumindest Sauerstoff und Stickstoff umfassenden Gas; oder 24.3) Luft.
  25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Partikelabscheider Mittel zum Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes und/oder eines zweiten elektrischen Feldes im Partikelabscheider und der Ammoniakgenerator einen Plasmagenerator umfasst, wobei mindestens eine Steuerungseinrichtung zur Erzeugung und Regelung des ersten und/oder zweiten elektrischen Feldes des Partikelabscheiders und zur Ansteuerung des Plasmagenerators ausgebildet ist.
  26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an mindestens einer der folgenden Stellen ein Oxidationskatalysator ausgebildet ist: 26.1) stromaufwärts des Partikelabscheiders; 26.2) stromabwärts des Ammoniakgenerators und stromaufwärts des SCR-Katalysators; oder 26.3) stromabwärts des SCR-Katalysators.
  27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen ersten Strömungsbereich und mindestens einen zweiten Strömungsbereich, die im wesentlichen parallel zueinander durchströmbar sind, wobei der erste Strömungsbereich zumindest ein Teil des Hauptabgasstrangs ist, wobei der erste und der zweite Strömungsbereich so ausgebildet sind, dass ein Wär meeintrag vom ersten Strömungsbereich in den mindestens einen zweiten Strömungsbereich erfolgen kann.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der der erste und der zweite Strömungsbereich koaxial zueinander ausgebildet sind.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, bei der der erste und der zweite Strömungsbereich konzentrisch angeordnet sind.
  30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, bei der der mindestens eine erste und der zweite Strömungsbereich durch mindestens eine Trennwand voneinander getrennt sind
  31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei der im ersten Strömungsbereich (2) ein Plasmagenerator (5) oder ein Reformer oder Reaktor ausgebildet ist.
  32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, bei der der mindestens eine erste Strömungsbereich an mindestens einer der folgenden Stellen ausgebildet ist: 32.1) Stromaufwärts eines Speicherelementes; oder 32.2) Stromaufwärts eines Reformers oder Reaktors.
  33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 32, bei dem in einer axialen bevorzugten Strömungsrichtung (11) stromaufwärts des Plasmagenerators (5) Gaszuführmittel (14) ausgebildet sind, insbesondere zum Zuführen eines Sauerstoff umfassenden Gases.
  34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 33, bei dem zumindest in einer axialen bevorzugten Strömungsrichtung (11) stromabwärts des ersten (2) und des zweiten Strömungsbereichs (3) ein gemeinsamer dritter Strömungsbereich (17) ausgebildet ist.
  35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 34, bei dem in einer axialen bevorzugten Strömungsrichtung (11) stromabwärts des Plasmagenerators (5) eine erste Wabenstruktur (15) mit einer ersten Reduktionskatalysatorbeschichtung zur Reduktion von Sauerstoff ausgebildet ist.
  36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 35, bei dem in einer axialen bevorzugten Strömungsrichtung (11) stromabwärts des Plasmagenerators (5) eine zweite Wabenstruktur (16) mit einer zweiten Reduktionskatalysatorbeschichtung zur Reduktion von Stickoxid zu Ammoniak ausgebildet ist.
  37. Vorrichtung nach Anspruch 36, bei dem in Strömungsrichtung zwischen dem Plasmagenerator (5) und der zweiten Wabenstruktur (16) Reduktionszufuhrmittel (18) zur Zuführung eines Reduktionsmittels ausgebildet sind.
  38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 37, bei dem im gemeinsamen dritten Strömungsbereich (17) ein Mischer ausgebildet ist.
  39. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest an einer der folgenden Stellen ein Mischer ausgebildet ist: 39.1) an der Einmündung des Nebenstrangs in den Hauptstrang; oder 39.2) stromaufwärts des Partikelabscheiders.
  40. Vorrichtung nach Anspruch 38 oder 39, bei der ein mindestens ein aktiver Mischer ausgebildet ist.
  41. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Partikelabscheider eine Durchmischung des ihn durchströmenden Gasstroms bewirkt.
  42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 41, bei der ein Drallmischer ausgebildet ist.
  43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 42, bei dem in Strömungsrichtung (11) stromabwärts der zweiten Wabenstruktur (16) eine dritte Wabenstruktur (22) mit einer SCR-Katalysatorbeschichtung ausgebildet ist.
  44. Vorrichtung nach Anspruch 43, bei dem zwischen zweiter Wabenstruktur und dritter Wabenstruktur (22) oder in der dritten Wabenstruktur (22) Mittel (24) zur temporären Speicherung eines Reduktionsmittels ausgebildet sind.
  45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 44, bei dem in Strömungsrichtung (11) vor einer Trennwand (4) zwischen dem ersten (2) und zweiten Strömungsbereich (3) Strömungsleitungsmittel (26) ausgebildet sind, die es erlauben, den Abgasstromanteil, welcher in den ersten Strömungsbereich (2) strömt, festzulegen.
  46. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Strömungsleitungsmittel ausgebildet sind, die es erlauben, einen Abgasstromanteil, welcher in den Nebenstrang strömt, festzulegen.
  47. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei der der SCR-Katalysator und der Partikelabscheider eine Einheit bilden.
  48. Vorrichtung nach Anspruch 47, bei der die gleichen Oberflächen sowohl zur Partikelabscheidung und/oder -agglomeration, als auch zur Katalysierung des SCR-Prozesses dienen.
  49. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der SCR-Katalysator so ausgebildet ist, dass eine erste Menge Reduktionsmittel in ihm speicherbar ist.
  50. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine Turbine im Hauptabgasstrang ausgebildet ist und der Nebenstrang vor der Turbine vom Hauptabgasstrang abzweigt.
  51. Vorrichtung nach Anspruch 50, bei der der Nebenstrang nach einer Turbine in den Hauptabgasstrang mündet.
  52. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Mittel zur Regulierung der in den Nebenstrang strömenden Gasmenge ausgebildet sind.
  53. Vorrichtung nach Anspruch 52, bei der die Mittel zur Regulierung der Gasmenge ein Flatterventil und/oder eine bewegliche Klappe umfassen.
  54. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 53, bei der der Reformer und/oder Reaktor mit einem Betriebsgas versehen wird, welches einer Abgasrückführleitung entnehmbar ist.
  55. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Komponenten ein gemeinsames Gehäuse aufweisen.
  56. Verfahren zur Abgasaufbereitung, bei dem durch einen Partikelabscheider im Abgas befindliche Partikel zumindest teilweise abgeschieden werden und bei dem Stickoxide im Abgas in einem SCR-Katalysator zumindest teilweise reduziert werden, wobei die Abscheidung der Partikel in einem Hauptabgasstrang erfolgt und in einem ersten Nebenstrang Ammoniak erzeugt wird, welches dem SCR-Katalysator als Reduktionsmittel zugeführt wird.
  57. Verfahren nach Anspruch 56, bei dem der erste Nebenstrang und der Hauptabgasstrang so zusammengeführt werden, dass der im Nebenstrang erzeugte Ammoniak haltige Gasstrom den Partikelabscheider durchströmen kann.
  58. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 oder 57, bei dem im Partikelabscheider mindestens ein elektrisches Feld ausgebildet ist, welches mindestens eine der folgenden Funktionen erfüllt: 58.1) Agglomeration oder 58.2) Abscheidung der Partikel.
  59. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 58, bei dem der Partikelabscheider eine Regenerationsmöglichkeit zur Regeneration des Partikelabscheiders aufweist.
  60. Verfahren nach Anspruch 59, bei dem die Regenerationsmöglichkeit auf mindestens einem der folgenden Mechanismen beruht: 60.1) Bereitstellen von Stickstoffdioxid stromaufwärts zumindest eines Teils des Partikelabscheiders; 60.2) Erhöhung der Temperatur des Partikelabscheiders über eine Grenztemperatur; 60.3) Bereitstellen eines Oxidationsmittels stromaufwärts zumindest eines Teils des Partikelabscheiders; oder 60.4) Regeneration durch eine elektrische Entladung.
  61. Verfahren nach Anspruch 60, bei dem die Regenerationsmöglichkeit gemäß 60.4) eine Oberflächengleitentladung umfasst.
  62. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 61, bei dem Ammoniak durch eine plasmagestützte Erzeugung von Stickstoffmonoxid und anschließende Reduktion zu Ammoniak erzeugt wird.
  63. Verfahren nach Anspruch 62, bei dem ein Plasmagenerator mit einem Stickstoff- und Sauerstoff enthaltenden ersten Betriebsgas betrieben wird.
  64. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 63, bei dem der Ammoniakgenerator bevorzugt mindestens ein Speicherelement umfasst, in welchem Stickoxide reversibel speicherbar sind.
  65. Verfahren nach Anspruch 64, bei dem mindestens zwei Speicherelemente ausgebildet sind, wobei in mindestens einem Speicherelement Stickoxide eingelagert werden, während aus mindestens einem Speicherelement gespeicherte Stickoxide herausgelöst werden.
  66. Verfahren nach Anspruch 65, bei dem in jedes Speicherelement wechselweise Stickoxide eingelagert und herausgelöst werden.
  67. Verfahren nach einem der Ansprüche 64 bis 66, bei dem die Speicherung von Stickoxiden auf einer Physi- und/oder Chemisorption beruht.
  68. Verfahren nach einem der Ansprüche 64 bis 67, bei dem die Einlagerung und die Herauslösung der Stickoxide in Abhängigkeit von zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Verfahrensgröße erfolgt.
  69. Verfahren nach Anspruch 68, bei dem die mindestens eine Verfahrensgöße zumindest eine der folgenden Größen umfasst: 69.1) Temperatur des Abgases; 69.2) Temperatur des Speicherelements; oder 69.3) Konzentration einer Komponente des das Speicherelement durchströmenden Gases.
  70. Verfahren nach Anspruch 69, bei dem die Verfahrensgröße gemäß 68.3) die Konzentration mindestens eines der folgenden Stoffe umfasst: 70.1) Wasserstoff oder 70.2) Kohlenwasserstoffe.
  71. Verfahren nach Anspruch 70, bei dem der Stoff 70.1) durch einen Reformer und/oder Reaktor zur Verfügung gestellt wird.
  72. Verfahren nach Anspruch 71, bei dem der Reformer und/oder Reaktor den Stoff 70.1) durch partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen erzeugt.
  73. Verfahren nach einem der Ansprüche 70 bis 72, bei dem der Reformer und/oder Reaktor in einem weiteren Nebenstrang ausgebildet ist.
  74. Verfahren nach einem der Ansprüche 64 bis 73, bei dem die Speicherung der Stickoxide bei Temperaturen im wesentlichen unterhalb einer ersten Grenztemperatur aufgrund einer Physisorption erfolgt.
  75. Verfahren nach einem der Ansprüche 64 bis 74, bei dem die Speicherung der Stickoxide bei Temperaturen im wesentlichen oberhalb einer zweiten Grenztemperatur aufgrund einer Chemisorption erfolgt.
  76. Verfahren nach Anspruch 74 oder 75, bei dem a) ein Speicherelement ausgebildet ist, an oder in welchem eine reversible Speicherung der Stickoxide im wesentlichen durch Physi- und Chemisorption erfolgt oder b) mindestens zwei Speicherelemente ausgebildet sind, wobei an oder in zumindest einem dieser Speicherelemente eine reversible Speicherung der Stickoxide im wesentlichen durch Physisorption und an oder in zumindest einem anderen Speicherelement eine reversible Speicherung der Stickoxide im wesentlichen durch Chemisorption erfolgt, wobei das mindestens eine Speicherelement so ausgelegt ist, dass die erste Grenztemperatur im wesentlichen größer als die zweite Grenztemperatur.
  77. Verfahren nach einem der Ansprüche 64 bis 76, bei dem an dem mindestens einen Speicherelement (8) eine Speichertemperatur, an mindestens einen Reformer (10) eine Reformertemperatur, im Abgas eine Abgastemperatur vorliegt, wobei ein positiver Wärmeübertrag vom Abgas zu oder ein negativer Wärmeübertrag von mindestens einer der folgenden Komponenten erfolgen kann: 77.1) mindestens einem Speicherelement oder 77.2) mindestens einem Reformer oder Reaktor, wobei der Wärmeübertrag mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt: 77.1.a) der Wärmeübertrag zu oder von einem Speicherelement, an welchem überwiegend eine Physisorption erfolgt, so geregelt und/oder gesteuert wird, dass die Speichertemperatur im wesentlichen unterhalb der ersten Grenztemperatur verbleibt, 77.1.b) der Wärmeübertrag zu oder von einem Speicherelement, an welchem überwiegend eine Chemisorption erfolgt, so geregelt und/oder gesteuert wird, dass die Speichertemperatur im wesentlichen oberhalb der zweiten Grenztemperatur und unterhalb einer dritten Grenztemperatur, oberhalb derer eine Desorption der Stickoxide erfolgt, oder 77.2.a) der Wärmeübertrag zu oder von einem Reaktor so geregelt und/oder gesteuert wird, dass die Reaktortemperatur in einem Bereich liegt, in dem der Reaktor Wasserstoffhaltige Gase erzeugt.
  78. Verfahren nach einem der Ansprüche 64 bis 77, bei dem eine Anreicherung von Stickstoffmonoxid durch einen Plasmagenerator dann erfolgt, wenn eine Speichertemperatur zumindest eines zumindest teilweise auf Chemisorption basierenden Speicherelements oberhalb der zweiten Grenztemperatur liegt.
  79. Verfahren nach einem der Ansprüche 64 bis 78, bei dem der Massenstrom an erstem Betriebsgas für den Plasmagenerator im wesentlichen einem ersten vorgebbaren Wert entspricht, wenn die Speichertemperatur eines teilweise auf Chemisorption beruhenden Speicherelements unterhalb der zweiten Grenztemperatur liegt und oberhalb eines zweiten vorgebbaren Wertes, welcher größer als der erste vorgebbare Wert ist, liegt, wenn die Speichertemperatur oberhalb der zweiten Grenztemperatur liegt.
  80. Verfahren nach einem der Ansprüche 64 bis 79, bei dem die Temperaturen zumindest teilweise über ein Rechner-gestütztes Modell bestimmt werden.
  81. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 80, bei dem zumindest eine Temperatur über einen Messfühler erfasst wird.
  82. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 81, bei dem die Ammoniakproduktion in Abhängigkeit von der NOx- und/oder der Ammoniakkonzentration im Abgas geregelt und/oder gesteuert wird.
  83. Verfahren nach Anspruch 82, bei dem ein NOx- und/oder ein Ammoniakgehalt des Abgases über einen Messfühler erfasst wird.
  84. Verfahren nach Anspruch 82 oder 83, bei dem die NOx-Konzentration aus den Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird.
  85. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 84, bei dem mindestens eine Turbine im Hauptabgasstrang ausgebildet ist und der Nebenstrang vor der Turbine vom Hauptabgasstrang abzweigt.
  86. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 56 bis 85, bei dem der Nebenstrang nach einer Turbine in den Hauptabgasstrang mündet.
  87. Verfahren nach einem der Ansprüche 56 bis 86, bei dem die in den Nebenstrang strömenden Gasmenge geregelt und/oder gesteuert wird.
  88. Verfahren nach Anspruch 87, bei dem die Regulierung der Gasmenge durch ein Flatterventil und/oder eine bewegliche Klappe erfolgt.
  89. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 bis 88, bei dem der Reformer und/oder Reaktor mit einem Betriebsgas beschickt wird, welches einer Abgasrückführleitung entnehmbar ist.
  90. Verfahren nach einem der Ansprüche 71 bis 89, bei dem der Reformer und/oder Reaktor und/oder der Plasmagenerator mit einem Betriebsgas beschickt wird, welches vorgeheizt wird.
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