DE102006027499A1

DE102006027499A1 - Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006027499A1
Application number: DE102006027499A
Authority: DE
Inventors: Tillmann Dipl.-Ing. Braun; Ralf Dipl.-Ing. Brünemann; Christoph Dr. Espey; Andreas Dipl.-Ing. Gorbach; Volker Dr. Schwarz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) umfasst eine Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3), mit einer Abgaseintrittsseite und einer Abgasaustrittsseite. Die Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) kann beispielsweise als SCR-Katalysator ausgebildet sein. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) umfasst ferner einen Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5) zur Zuleitung von Abgas zur Abgaseintrittsseite der Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) und einer Abgabeeinheit (9; 10) zur Abgabe eines Zuschlagstoffes wie beispielsweise Harnstofflösung in den Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5).
Erfindungsgemäß verläuft der Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5) mit geringem Abstand zur Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) oder anliegend an der Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3).
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) ist insbesondere zur Reinigung von Abgas von Kraftfahrzeugdieselmotoren geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der DE 198 55 384 A1 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der mittels einer Abgabeeinheit ein Zuschlagstoff in einen Abgasleitungsrohrabschnitt abgegeben wird. Der Abgasleitungsrohrabschnitt zweigt von einem Abgassammler ab und mündet stromauf einer Abgasnachbehandlungseinheit in eine Hauptabgasleitung ein. Eine Druckdifferenz zwischen Abzweige- und Einmündestelle sorgt für einen Transport des Zuschlagstoffes zur Abgaseintrittseite der Abgasnachbehandlungseinheit. Diese Anordnung bedingt jedoch eine relativ große Länge des Abgasleitungsrohrabschnitts insbesondere bei einer motorfern angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit sowie eine von der Abgasnachbehandlungseinheit räumlich getrennte Leitungsführung mit entsprechenden Wärmeverlusten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakt gestaltete Abgasnachbehandlungseinrichtung anzugeben, welche eine gute Aufbereitung eines dem Abgas zugegebenen Zuschlagstoffes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung weist einen Abgasleitungsrohrabschnitt zur Zuleitung von Abgas zur Abgaseintrittseite der Abgasnachbehandlungseinheit auf, der mit geringem Abstand zur Abgasnachbehandlungseinheit oder anliegend an der Abgasnachbehandlungseinheit entlang der Abgasnachbehandlungseinheit verläuft. Auf diese Weise wird ein kompakter Aufbau erreicht. Infolge der räumlichen Nähe beider Bauteile ist eine Wärmeübertragung von der Abgasnachbehandlungseinheit auf den Abgasleitungsrohrabschnitt ermöglicht. Dies verbessert wiederum die Aufbereitung des in den Abgasleitungsrohrabschnitt abgegebenen Zuschlagstoffes entlang seines Transportweges im Abgasleitungsrohrabschnitt.
Die Abgasnachbehandlungseinheit ist vorzugsweise als langgestreckter zylindrischer Wabenkörper ausgebildet und weist eine Vielzahl von Strömungskanälen für das Abgas auf, welche die Abgasnachbehandlungseinheit in axialer Richtung von der Abgaseintrittsseite zur Abgasaustrittseite durchziehen. Dabei sind die Strömungskanäle vorzugsweise über den gesamten Querschnitt gleichmäßig verteilt, wobei der Querschnitt vorzugsweise eine ovale oder runde Form aufweist. Die Abgasnachbehandlungseinheit weist zum Schutz vor Wärmeverlusten bzw. mechanischen Beschädigungen vorzugsweise eine eng anliegende Umhüllung auf, welche im Sinne der Erfindung als zur Abgasnachbehandlungseinheit gehörend betrachtet wird. Es kann eine einzelne monolithische Abgasnachbehandlungseinheit oder eine in zwei oder mehrere, vorzugsweise gleichartige Teileinheiten aufgeteilte Abgasnachbehandlungseinheit vorgesehen sein, die strömungsmäßig parallel geschaltet sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Abgasleitungsrohrabschnitt eng benachbart zu den zwei oder mehreren Abgasnachbehandlungseinheiten anzuord nen. Auf diese Weise kann eine besonders Platz sparende dichte Packung von Bauteilen erreicht werden.
Als Zuschlagstoff ist insbesondere ein flüssiges Reagenz vorgesehen. Dabei kann es sich um einen Kraftstoff, wie beispielsweise einen Kohlenwasserstoff oder einen Alkohol oder um ein zur katalytischen Stickoxidverminderung vorgesehenes Reduktionsmittel wie eine wässrige Harnstofflösung oder einen gleich wirkenden Stoff handeln.
Die Abgabeeinheit ist vorzugsweise so angeordnet, dass der Zuschlagstoff möglichst direkt in den Abgasleitungsrohrabschnitt abgegeben werden kann. Hierfür umfasst die Abgabeeinheit eine Düse oder einen Injektor, welche oder welcher eine übliche Bauweise aufweisen kann. Vorzugsweise erfolgt die Abgabe des Zuschlagstoffes durch Versprühen oder Abspritzen durch eine oder mehrere kleine Öffnungen der Düse oder des Injektors. Die Abgabe des flüssigen Zuschlagstoffes kann einphasig, vorzugsweise unter Druck oder zweiphasig mittels Druckluftunterstützung, beispielsweise durch eine Zweistoffdüse erfolgen. Auf diese Weise ergibt sich eine bevorzugte feine und gleichmäßige Verteilung über den Querschnitt des Abgasleitungsrohrabschnitts.
Der Abgasleitungsrohrabschnitt ist vorzugsweise als gewöhnliches Rohrleitungsteil ausgebildet und nimmt den gesamten Abgasstrom der Brennkraftmaschine auf. Vorzugsweise ist er gerade mit einem runden oder ovalen Gas führenden Querschnitt ausgeführt. An den Enden ist vorzugsweise jeweils ein weiteres Abgas führendes Leitungselement angeschlossen. Die Länge des Abgasleitungsrohrabschnitts entspricht vorzugsweise etwa der der Abgasnachbehandlungseinheit. In Bezug auf die Längserstreckung der Abgasnachbehandlungseinheit verläuft der Abgasleitungsrohrabschnitt vorzugsweise gleich bleibend anliegend an der Abgasnachbehandlungseinheit oder in einem Abstand von wenigen Zentimetern. Besonders bevorzugt ist ein parallel zur Abgasnachbehandlungseinheit orientierter Verlauf. Durch die räumliche Nähe von Abgasleitungsrohrabschnitt und Abgasnachbehandlungseinheit ist eine wirksame Wärmeübertragung durch Strahlung und/oder Konvektion ermöglicht. Zunächst tröpfchenförmig vorliegender Zuschlagstoff kann daher längs seines Transportweges im Abgasleitungsrohrabschnitt größtenteils verdampfen und sich homogen mit dem Abgas vermischen. Eine Ausführung in der Art eines Wellschlauchs mit einer strukturierten Wand zur Unterstützung der Vermischung kann vorgesehen sein. In dem Abgasleitungsrohrabschnitt kann zudem ein Bauteil zur weiteren Verbesserung der Aufbereitung des Zuschlagstoffs wie beispielsweise ein Hydrolysekatalysator oder ein Gasmischer angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Abgasleitungsrohrabschnitt jedoch über seine gesamte Länge frei durchströmbar und hohl ausgeführt.
In Ausgestaltung der Erfindung kann die Abgabeeinheit den Zuschlagstoff im Bereich des stromaufwärtigen Endes des Abgasleitungsrohrabschnitts abgeben. Auf diese Weise steht der Großteil der Gaslaufstrecke im Abgasleitungsrohrabschnitt zur Aufbereitung bzw. Verdampfung und Vermischung des Zuschlagstoffs zur Verfügung. Vorzugsweise ragt eine Düse oder ein Injektor der Abgabeeinheit endseitig in den Abgasleitungsrohrabschnitt hinein oder endet in geringem Abstand stirnseitig zu diesem.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden der Abgasleitungsrohrabschnitt und die Abgasnachbehandlungseinheit in entgegengesetzter Richtung von Abgas durchströmt. Auf diese Weise kann die Strömungspfadlänge für das Abgas für eine verbesserte Aufbereitung des Zuschlagstoffs vergrößert werden ohne die Längsausdehnung der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu vergrößern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Abgasleitungsrohrabschnitt und die Abgasnachbehandlungseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise. Durch die Gehäusewand kann zudem ein mechanischer Schutz erzielt werden. Außerdem können in vorteilhafter Weise Dämmstoffe zur Wärmeisolation der Abgasnachbehandlungseinheit und des Abgasleitungsrohrabschnitts vorgesehen werden. Ein weiterer Vorteil ist eine auf diese Weise erhaltene Modularität der Abgasnachbehandlungseinrichtung, da ein einzeln handhabbares Bauteil erhalten wird. Schnittstellen bzw. Anschlussstellen eines derart gebildeten Moduls zum übrigen Teil des Abgassystems der Brennkraftmaschine bilden damit im Wesentlichen lediglich ein Abgaseinlassanschluss, ein Abgasauslassanschluss sowie ein Anschluss zur Zugabeeinheit des Zuschlagstoffes, gegebenenfalls ergänzt durch Anschlüsse zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeordneten Sensoren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein insbesondere erster Umlenkbereich für das Abgas derart vorgesehen, dass aus dem Abgasleitungsrohrabschnitt austretendes Abgas in seiner Strömungsrichtung umgelenkt wird, bevor es der Abgasnachbehandlungseinheit zugeführt wird. Der Umlenkbereich kann als ein sich an den Abgasleitungsrohrabschnitt anschließender Leitungsbogen ausgeführt sein. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung als Hohlraum oder Kammer. Vorzugsweise erfolgt eine Umlenkung um etwa 180°. Die Umlenkung vermindert den Platzbedarf der Abgasnachbehandlungseinrichtung und verbessert die Aufbereitung des dem Abgas zugegebenen Zuschlagstoffs. In analoger Weise ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein insbesondere zweiter Umlenkbereich für das Abgas derart vorgesehen, dass aus der Abgasnachbehandlungseinheit austretendes Abgas in seiner Strömungsrichtung umgelenkt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Abgasnachbehandlungseinheit als katalytische und/oder filterwirksame Abgasnachbehandlungseinheit ausgebildet. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung als Katalysator zur Stickoxidverminderung bzw. als Partikelfilter.
Eine besonders wirksame und umfassende Abgasreinigung kann erzielt werden, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Abgasnachbehandlungseinheit wenigstens zwei in Abgasströmungsrichtung gesehen hintereinander angeordnete Untereinheiten umfasst. Die Untereinheiten sind dabei vorzugsweise in axialer Richtung unmittelbar hintereinander angeordnet. Vorzugsweise sind die Untereinheiten hinsichtlich ihrer Reinigungswirkung unterschiedlich ausgeführt. Es können zwei Katalysatoreinheiten mit unterschiedlicher katalytischer Wirkung wie beispielsweise ein Stickoxidspeicherkatalysator und ein SCR-Katalysator hintereinander angeordnet sein. Es kann auch eine Serienschaltung eines Oxidationskatalysators und eines Partikelfilters vorgesehen sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind eine erste Abgasnachbehandlungseinheit und eine der ersten Abgasnachbehandlungseinheit nachgeschaltete zweite Abgasnachbehandlungseinheit und ein erster Abgasleitungsrohrabschnitt zur Zuleitung von Abgas zur Abgaseintrittseite der ersten Abgasnachbehandlungseinheit und ein zweiter Abgasleitungsrohrabschnitt zur Zuleitung von Abgas zur Abgaseintrittseite der zweiten Abgasnachbehandlungseinheit vorgesehen. Dabei verlaufen der erste Abgasleitungsrohrabschnitt und/oder der zweite Abgasleitungsrohrabschnitt jeweils mit geringem Abstand zur ersten und/oder zur zweiten Abgasnachbehandlungs einheit oder anliegend an der ersten und/oder der zweiten Abgasnachbehandlungseinheit entlang der ersten und/oder der zweiten Abgasnachbehandlungseinheit. Die erste und die zweite Abgasnachbehandlungseinheit sind vorzugsweise unterschiedlich hinsichtlich ihrer Reinigungswirkung ausgeführt. Mit dieser Ausführungsform wird eine besonders kompakt gebaute multifunktionale Abgasnachbehandlungseinrichtung erhalten.
Die Gesamtreinigungswirkung insbesondere hinsichtlich unterschiedlicher Schadstoffkomponenten wird weiter verbessert, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine erste Abgabeeinheit zur Abgabe eines ersten Zuschlagstoffes in den ersten Abgasleitungsrohrabschnitt und eine zweite Abgabeeinheit zur Abgabe eines vom ersten Zuschlagstoffes verschiedenen zweiten Zuschlagstoffes in den zweiten Abgasleitungsrohrabschnitt vorgesehen sind. Eine Abgabe von gleichartigen Zuschlagstoffen durch die Abgabeeinheiten kann jedoch auch vorgesehen sein.
In weiterer Ausgestaltung ist die Abgabeeinheit derart ausgelegt, dass sie einen in flüssiger Form vorliegenden Zuschlagstoff in kleinen Tröpfchen derart abgeben kann, dass die Mehrzahl der Tröpfchen einen Durchmesser von weniger als 50 Mikrometer aufweist. Auf diese Weise sind für gebräuchliche Flüssigkeiten ein rasches Verdampfen und damit ein Erhalt homogener Mischungen auf kurzen Laufstrecken bzw. bei geringen Laufzeiten ermöglicht. Verluste durch Wandablagerungen mit den dadurch verbundenen Nachteilen wie Dosierungsungenauigkeiten und Nachverdampfen können ebenfalls weitgehend vermieden werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Abgasleitungsrohrabschnitt eine Querschnittsfläche derart auf, dass sich im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraft maschine eine Abgasströmungsgeschwindigkeit von weniger als 50 Meter je Sekunde im Abgasleitungsrohrabschnitt ergibt. Dadurch ist für einen üblichen Längenbereich für die Abgasleitungsrohrabschnitte eine Abgaslaufzeit gegeben, bei welcher eine zufriedenstellende Aufbereitung von zugegebenem Zuschlagstoff, insbesondere von Harnstoff in einem weiten Betriebsbereich ermöglicht ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines Ausschnittsbereichs einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung,
5 eine schematische Querschnittsdarstellung für eine erste vorteilhafte modulförmige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung und
6 eine schematische Querschnittsdarstellung für eine zweite vorteilhafte modulförmige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung.
1 zeigt schematisch eine vorteilhafte Anordnung von Komponenten einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 ist an einen nicht dargestellten Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs angeschlossen und dient der Entfernung von Schadstoffen des vom Dieselmotor ausgestoßenen Abgases, wobei die Strömungsrichtung der Abgase durch Pfeile 12 gekennzeichnet ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 weist eine erste Abgasnachbehandlungseinheit 2 und eine dieser nachgeschaltete zweite Abgasnachbehandlungseinheit 3 auf. Die zweite Abgasnachbehandlungseinheit 3 ist in Abgasströmungsrichtung hinter der ersten Abgasnachbehandlungseinheit 2 angeordnet. In der in 1 dargestellten ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung der beiden Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3 fluchtend, so dass deren Längsachsenlinien teilweise zumindest annähernd aufeinander fallen.
Zur Unterstützung der Wirkung der ersten Abgasnachbehandlungseinheit 2 und/oder der zweiten Abgasnachbehandlungseinheit 3 bzw. zur Unterstützung eines Regenerationsvorgangs für die Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3 ist eine Zugabe von insbesondere in flüssiger Form vorliegenden Zuschlagstoffen ins Abgas stromauf bzw. eingangsseitig der jeweiligen Abgasnachbehandlungseinheit 2, 3 mittels Abgabeeinheiten 9, 10 vorgesehen. Hierfür sind die Abgabeeinheiten 9, 10 in nicht näher dargestellter Weise an Versorgungssysteme für den jeweiligen Zuschlagstoff angeschlossen.
Zur Zuleitung des von der ersten Abgabeeinheit 9 ins Abgas abgegebenen ersten Zuschlagstoffs zur Abgaseintrittsseite der ersten Abgasnachbehandlungseinheit 2 ist ein erster Abgasleitungsrohrabschnitt 4 vorgesehen. In analoger Weise ist zur Zuleitung des mit dem zweiten Zuschlagstoff beladenen Abgases zur zweiten Abgasnachbehandlungseinheit 3 ein zweiter Abgasleitungsrohrabschnitt 5 vorgesehen. Vorzugsweise erstreckt sich die Länge des ersten Abgasleitungsrohrabschnitts 4 und/oder des zweiten Abgasleitungsrohrabschnitts 5 annähernd über die Länge der ersten Abgasnachbehandlungseinheit 2.
Um die Länge der jeweiligen Abgasleitungsrohrabschnitte 4, 5 möglichst vollständig zur Aufbereitung der Zuschlagstoffe nutzen zu können, ist es vorgesehen, dass die Zugabeeinheiten 9, 10 jeweils im Bereich des stromaufwärtigen Endes der Abgasleitungsrohrabschnitte 4, 5 angeordnet sind.
Erfindungsgemäß verläuft der erste Abgasleitungsrohrabschnitt 4 und/oder der zweite Abgasleitungsrohrabschnitt 5 anliegend oder eng benachbart zur ersten Abgasnachbehandlungseinheit 2. Dadurch können Wärmeverluste vermieden bzw. eine Wärmeübertragung von der ersten Abgasnachbehandlungseinheit 2 auf das im ersten und/oder zweiten Abgasleitungsrohrabschnitt strömende Abgas erreicht werden. Dies kommt der Aufbereitung des mit Abgas transportierten jeweiligen Zuschlagstoffs zugute.
Erfindungsgemäß sind die Abgasleitungsrohrabschnitte 4, 5 so angeordnet, dass sich in diesen eine Abgasströmungsrichtung ergibt, welche entgegengesetzt zur Abgasströmungsrichtung in der ersten Abgasreinigungseinheit 2 verläuft. Ein Umlenkung der Abgasströmungsrichtung erfolgt in Umlenkbereichen 6, 7. Die Umlenkung der Abgasströmungsrichtung im ersten Umlenkbereich 6 bewirkt dabei eine weitere Verbesserung der Aufbereitung bzw. Vermischung des zugegebenen ersten Zuschlagstoffs. Um diesen Vorteil ebenfalls für die Aufbereitung des zweiten Zuschlagstoffs zu nutzen, ist im Anschluss an den zweiten Abgasleitungsrohrabschnitt 5 ein dritter Umlenkbereich 8 vorgesehen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bauteile der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 zu einer modulförmigen Baueinheit zusammengefasst sind, wie durch die gestrichelt dargestellte Hüllform 14 veranschaulicht. Am einfachsten erfolgt dies durch ein entsprechendes gemeinsames Gehäuse. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, vorgegebene, insbesondere genormte Anschlüsse für die Abgaszufuhr und die Abgasableitung sowie für die Abgabeeinheiten 9, 10 und gegebenenfalls vorhandene Temperatur- und Abgassensoren vorzusehen. Dies ermöglicht auf einfache Weise einen Einbau der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in das Abgassystem der zugehörigen Brennkraftmaschine. In einem solchen Gehäuse können zudem Wärmeisolierungen für die Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3 und die Abgas führenden Leitungsteile, beispielsweise durch Ausfüllen der sich ergebenden Hohlräume vorgesehen sein. Insbesondere bei einer motorfernen Anordnung, beispielsweise im Unterbodenbereich des entsprechenden Kraftfahrzeugs ist eine damit erreichte Vermeidung von Wärmeverlusten vorteilhaft. Gleichzeitig kann ein mechanischer Schutz für die im Gehäuse liegenden Bauteile erreicht werden.
Zur weiteren Erläuterung wird nachfolgend davon ausgegangen, dass die erste Abgasnachbehandlungseinheit 2 als Partikelfilter ausgebildet ist oder einen solchen umfasst und die zweite Abgasnachbehandlungseinheit 3 als so genannter SCR-Katalysator zur Stickoxidverminderung ausgebildet ist oder einen solchen Katalysator umfasst. Eine umgekehrte Anordnung bzw. eine Ausführung mit anderen Abgasreinigungskomponenten kann selbstverständlich ebenfalls vorgesehen sein.
Als Partikelfilter kommen prinzipiell alle zur Ausfilterung von partikelförmigen Bestandteilen aus heißem Brennkraftmaschinenabgas geeignete Abgasreinigungskomponenten in Frage. vorzugsweise ist der Partikelfilter jedoch als wanddurchströmter Partikelfilter in Wabenkörperbauform ausgeführt und aus Siliziumcarbid, Kordierit oder Aluminiumtitanat gebildet. Weitere, ebenfalls vorteilhafte Ausführungsformen sind Sintermetallfilter oder Tiefenfilter, beispielsweise aus schaumförmigem Werkstoff. Vorzugsweise ist eine katalytische Beschichtung zur Förderung des Abbrands von ausgefilterten Rußpartikeln vorgesehen.
Als SCR-Katalysator werden vorzugsweise ein edelmetallhaltiger und/oder ein vanadiumpentoxidhaltiger Katalysator eingesetzt, welcher in der Lage sind, mittels eines geeigneten Reduktionsmittels Stickoxide auch bei Vorliegen eines Sauerstoffüberschusses zu Stickstoff zu reduzieren.
Vorzugsweise wird mittels der ersten Abgabeeinheit 9 ein flüssiger Brennstoff, insbesondere Dieselkraftstoff als erster Zuschlagstoff abgegeben, welcher der Unterstützung einer thermischen Regeneration des Partikelfilters 2 durch Rußabbrand dient. Mittels der zweiten Abgabeeinheit 10 wird vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung als zweiter Zuschlagstoff abgegeben. Der Harnstoff bzw. daraus freigesetzter Ammoniak dient als selektives Reduktionsmittel zur Reduzierung von Stickoxiden am SCR-Katalysator 3. Anstelle von Harnstoff kann selbstverständlich auch ein ähnlich wirkendes Reduktionsmittel wie Carbamat, ein Amin, ein anorganisches oder organisches Ammoniumsalz oder dergleichen eingesetzt werden.
Generell ist es zur Erzielung einer guten Wirksamkeit wünschenswert, den jeweiligen Zuschlagstoff möglichst homogen und fein verteilt, insbesondere weitgehend verdampft bzw. gasförmig dem Partikelfilter 2 bzw. dem SCR-Katalysator 3 zuzuführen. Obschon hierfür spezielle Ausführungsformen für die Abgabeeinheiten 9, 10, wie beispielsweise Verdampfer, Zerstäuber- oder Zweistoffdüsen und dergleichen mit Vorteil angewendet werden können, hat sich eine Mindestlaufstrecke bzw. Mindestlaufzeit für das mit dem jeweiligen Zuschlagstoff angereicherte Abgas als vorteilhaft in Bezug auf eine gute Vermischung bzw. Aufbereitung erwiesen. Erfindungsgemäß wird dies für den von der ersten Abgabeeinheit 9 abgegebenen Brennstoff dadurch erreicht, dass der erste Abgasleitungsrohrabschnitt 4 bei vorgegebener Länge hinsichtlich seines Durchmessers für eine vorgegebene Mindestlaufzeit bzw. Aufenthaltsdauer des Abgases dimensioniert ist.
Vorzugsweise ist der Querschnitt des ersten Abgasleitungsrohrabschnitts 4 so bemessen, dass sich innerhalb des Betriebsbereichs, in welchem eine Abgabe von Brennstoff zur Unterstützung einer thermischen Partikelfilterregeneration durch Rußabbrand vorgesehen ist, eine Mindestaufenthaltsdauer des Brennstoffs im ersten Abgasleitungsrohrabschnitt 4 ergibt. Diese Mindestaufenthaltsdauer wird vorzugsweise derart vorgegeben, dass in dem in Betracht kommenden Betriebsbereich ein vorgebbarer Mindestanteil von beispielsweise 80% des abgegebenen Brennstoffs längs seines Transportweges im ersten Abgasleitungsrohrabschnitt 4 vor Erreichen des ersten Umlenkbereichs 6 verdampft. Die Querschnittsdimensionierung und damit die Festlegung der Mindestabgaslaufzeit lässt sich aus Simulationsrechnungen oder Experimenten beispielsweise in Abhängigkeit von Abgasvolumenstrom, Abgastemperatur, Siedeverhalten des Brennstoffs und Tröpfchengröße des durch die erste Abgabeeinheit 9 abgegebenen Brennstoffs ermitteln.
Analog ist der Querschnitt des zweiten Abgasleitungsrohrabschnitts 5 vorzugsweise so bemessen, dass sich innerhalb des Betriebsbereichs, in welchem eine Abgabe von Harnstofflösung vorgesehen ist, eine Mindestaufenthaltsdauer des Harnstoffs bzw. seiner Zersetzungsprodukte im ersten Abgasleitungsrohrabschnitt 4 ergibt. Auf diese Weise kann eine optimale Aufbereitung der Harnstofflösung längs des jeweiligen Transportwegs erreicht werden. Insbesondere kann für den zweiten Abgasleitungsrohrabschnitt 5 eine Dimensionierung derart vorgesehen sein, dass sich im Betriebsbereich für Harnstoffdosierung über die Transportstrecke im zweiten Abgasleitungsrohrabschnitt 5 bis zum dritten Umlenkbereich 8 ein vorgegebener Mindestgrad von beispielsweise 80% für eine Verdampfung der Harnstofflösung und/oder für eine thermolytische bzw. hydrolytische Zersetzung ergibt.
Analog lässt sich die Dimensionierung der Abgasleitungsrohrabschnitte 4, 5 aus einer vorgebbaren maximalen Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im jeweils in Betracht kommenden Betriebsbereich herleiten. Vorzugsweise wird der Leitungsquerschnitt so gewählt, dass sich eine Abgasströmungsgeschwindigkeit von höchsten 50 m/s, insbesondere von höchstens 30 m/s und besonders bevorzugt von höchstens 10 m/s in den für eine Dosierung des ersten und/oder des zweiten Zuschlagstoffes vorgesehenen Betriebsbereichen ergibt.
Eine vorteilhafte Querschnittsdimensionierung der Abgasleitungsrohrabschnitte 4, 5, mit welcher der angestrebte Aufbereitungsgrad in Bezug auf Verdampfung bzw. Hydrolyse und/oder Thermolyse bei gleichzeitig geringem apparativem Aufwand erreicht werden kann, ist insbesondere bei einer bestimmten Mindesttröpfchengröße für die von den Abgabeeinheiten 9, 10 abgegebenen Zuschlagstoffe ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abgabeeinheit 9 und/oder die Abgabeeinheit 10 so ausgelegt sind, dass die Mehrzahl der Tröpfchen des jeweils abgegebenen flüssigen Zuschlagstoffs weniger als 50 Mikrometer, bevorzugt weniger als 30 Mikrometer und besonders bevorzugt weniger als 20 Mikrometer beträgt.
Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen für Abgasnachbehandlungseinrichtungen gemäß der Erfindung erläutert.
In 2 ist schematisch eine zweite vorteilhafte Anordnung von Komponenten einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Dabei sind die entsprechenden Baueinheiten, soweit sie mit denen der in 1 dargestellten Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 übereinstimmen, mit denselben Bezugszeichen versehen. Nachfolgend wird zur Vermeidung von Wiederholungen lediglich auf wesentliche Unterschiede eingegangen. Hierzu gehört in erster Linie die parallel orientierte Anordnung der Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3. Daraus resultiert eine weniger langgestreckte Bauform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1, was je nach Bauraumverhältnissen Vorteile bieten kann. Weiterhin ist es dadurch ermöglicht, zumindest den zweiten Abgasleitungsrohrabschnitt 5 zwischen den Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3 anzuordnen. Vorteilhaft ist es, die Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3 eng benachbart oder in Berührkontakt zueinander anzuordnen. Bei einem runden oder ovalen Querschnitt der Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3 ergibt sich dabei eine besonders kompakte Bauweise, wenn zumindest der zweite Abgasleitungsrohrabschnitt 5 anliegend oder eng benachbart zu den beiden Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3 angeordnet ist.
3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung 1, ähnlich der in 1 dargestellten. Im Unterschied zu dieser sind gemäß der Ausführungsform nach 3 die erste Abgasnachbehandlungseinheit 2 und die zweite Abgasnachbehandlungseinheit 3 jeweils in Untereinheiten aufgeteilt. Dabei schließen die Untereinheiten einer jeweiligen Abgasnachbehandlungseinheit 2, 3 vorzugsweise unmittelbar oder mit geringem Abstand aneinander an.
Vorzugsweise ist für die erste Abgasnachbehandlungseinheit 2 eine erste Untereinheit 2a als Oxidationskatalysator, eine zweite Untereinheit 2b als Partikelfilter und eine dritte Untereinheit 2c ebenfalls als Oxidationskatalysator ausgelegt. Mit dieser Anordnung ist in der ersten Untereinheit 2a eine Oxidation von in den Partikelfilterteil 2b eintretenden Abgasbestandteilen ermöglicht. Insbesondere ist einerseits damit eine Aufheizung des Partikelfilterteils 2b durch Wärme liefernde Oxidation von über die erste Abgabeeinheit 9 ins Abgas abgegebenem Brennstoff ermöglicht. Auf diese Weise kann eine Regeneration des Partikelfilterteils 2b durch thermischen Rußabbrand initiiert bzw. unterstützt werden. Andererseits ist eine Erhöhung des Stickstoffdioxidanteils im Abgas durch Oxidation von Stickstoffmonoxid ermöglicht, wobei durch Stickstoffdioxid eine kontinuierliche Rußoxidation und damit eine kontinuierliche Partikelfilterregeneration bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von etwa 300°C ermöglicht ist. Dabei wieder rückgebildetes Stickstoffmonoxid kann in der nachfolgenden dritten, als Oxidationskatalysator ausgelegten Untereinheit 2c abermals zu Stickstoffdioxid oxidiert werden, was dessen endgültige Beseitigung in der nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinheit 3 unterstützt. Ferner kann ein Schlupf von anderen oxidierbaren Schadstoffen, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffen oder Kohlen monoxid durch die stromauf angeordneten Untereinheiten 2a, 2b hindurch abgebaut werden.
In ähnlicher Weise ist die zweite Abgasnachbehandlungseinheit 3 in eine vierte Untereinheit 3a und eine fünfte Untereinheit 3b unterteilt. Vorzugsweise ist die vierte Untereinheit 3a als Stickoxidverminderungskatalysator, insbesondere als SCR-Katalysator ausgeführt. Die fünfte Untereinheit 3b ist vorzugsweise als Sperr- oder Oxidationskatalysator für überschüssiges Reduktionsmittel, insbesondere für überschüssiges Ammoniak ausgebildet. Mit einer solchen Unterteilung von Abgasnachbehandlungseinheiten ist eine besonders wirksame Abgasreinigung ermöglicht. Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 ist jedoch nicht auf diese Kombination beschränkt. Es können vielmehr auch andere Anordnungen bzw. Unterteilungen vorgesehen sein. Beispielsweise können zusätzlich oder ersatzweise eine andere oder weitere Katalysator- oder Partikelfiltereinheit, wie beispielsweise ein Hydrolysekatalysator stromauf eines SCR-Katalysators oder ein weiteres Partikelfilterelement, beispielsweise in Form eines so genannten offenen Filtersystems vorgesehen sein.
Für eine kompakte Ausführung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1, eine einfache Montage der Abgabeeinheiten 9, 10, und der Abgasnachbehandlungseinheiten 2, 3 sowie eine gute Aufbereitung von ins Abgas abgegebenen Zuschlagstoffen ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Teil oder alle der Umlenkbereiche 6, 7, 8 als Kammern ausgebildet sind. In 3 ist dies speziell für den zweiten Umlenkbereich 7 skizziert. Ferner ist im Bereich des Abgaseintritts eine entsprechende Abgaseintrittskammer 11 vorgesehen. Vorzugsweise weisen diese Kammern 7, 11 zumindest abschnittsweise ebenen Begrenzungswände auf. Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn eine oder zwei dieser Begrenzungswände einen stirn- bzw. endseitigen Abschluss für ein Gehäuse für die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 bilden.
In 4 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 mit einem kammerförmig gestalteten Umlenkbereich ausschnittsweise schematisch skizziert. Gemäß 4 ist für einen Abgaseintritt eine Abgaseintrittskammer 11 vorgesehen, deren Begrenzungswand 13a gleichzeitig als stirnseitige Gehäusevorderwand der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 dient. Der erste Abgasleitungsrohrabschnitt 4 verbindet die Abgaseintrittskammer 11 mit dem als Umlenkkammer ausgebildetem ersten Umlenkbereich 6. Eine endseitige Wand 13b dient dabei in vorteilhafter Weise als Gehäuserückwand der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1. Gleichfalls in vorteilhafter Weise kann die Begrenzungswand 13a zur Aufnahme und Befestigung der ersten Abgabeeinheit 9 genutzt werden. Durch deren Anordnung mit geringem Abstand zum einströmseitigen Ende des ersten Abgasleitungsrohrabschnitts 4 ist eine direkte Abgabe des ersten Zuschlagstoffs in den ersten Abgasleitungsrohrabschnitt 4 ermöglicht.
In 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 im Querschnitt dargestellt. Zumindest die erste Abgasnachbehandlungseinheit 2 ist dabei zusammen mit dem ersten Abgasleitungsrohrabschnitt 4 und dem zweiten Abgasleitungsrohrabschnitt 5 in einem gemeinsamen Gehäuse 13 untergebracht. Vorzugsweise liegen die Längsachsen der Bauteile 2, 4, 5 und die längere Achse des ovalen Gehäusequerschnitts in einer Ebene. Wie dargestellt, sind die Abgasleitungsrohrabschnitte 4, 5 jeweils eng benachbart zur ersten Abgasnachbehandlungseinheit 2 angeordnet.
In 6 ist eine Ausführungsform für die erfindungsgemäße Abgasreinigungseinrichtung 1 dargestellt, bei welcher im Vergleich zur Ausführungsform der 5 die Kompaktheit weiter erhöht und damit der Materialverbrauch für das Gehäuse 13 und somit die Wärmeverluste weiter verringert sind. Wie dargestellt, ist wird dies durch enges Anschmiegen der Abgasleitungsrohrabschnitte 4, 5 an die Abgasnachbehandlungseinheit 1 erreicht. Dabei sind an der jeweiligen Berührstelle die Konturen der Abgasleitungsrohrabschnitte 4, 5 an die der Abgasnachbehandlungseinheit 1 angepasst. Dadurch ergibt sich eine vergrößerte Kontaktfläche und eine verbesserte mechanische Stabilität.

Claims

Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit – einer reinigungswirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) mit einer Abgaseintrittseite und einer Abgasaustrittseite, – einem Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5) zur Zuleitung von Abgas zur Abgaseintrittseite der Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) und – einer Abgabeeinheit (9; 10) zur Abgabe eines Zuschlagstoffes in den Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5), dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5) mit geringem Abstand zur Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) oder anliegend an der Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) entlang der Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) verläuft.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabeeinheit (9; 10) den Zuschlagstoff im Bereich des stromaufwärtigen Endes des Abgasleitungsrohrabschnitts (4; 5) abgeben kann.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5) und die Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) in entgegengesetzter Richtung von Abgas durchströmt werden.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5) und die Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) in einem gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere erster Umlenkbereich (6) für das Abgas derart vorgesehen ist, dass aus dem Abgasleitungsrohrabschnitt (4) austretendes Abgas in seiner Strömungsrichtung umgelenkt wird, bevor es der Abgasnachbehandlungseinheit (2) zugeführt wird.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere zweiter Umlenkbereich (7) für das Abgas derart vorgesehen ist, dass aus der Abgasnachbehandlungseinheit (2) austretendes Abgas in seiner Strömungsrichtung umgelenkt wird.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) als katalytische und/oder filterwirksame Abgasnachbehandlungseinheit ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (2; 3) wenigstens zwei in Abgasströmungsrichtung gesehen hintereinander angeordnete Untereinheiten umfasst.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste Abgasnachbehandlungseinheit (2) und eine der ersten Abgasnachbehandlungseinheit (2) nachgeschaltete zweite Abgasnachbehandlungseinheit (3) und – ein erster Abgasleitungsrohrabschnitt (4) zur Zuleitung von Abgas zur Abgaseintrittseite der ersten Abgasnachbehandlungseinheit (2) und ein zweiter Abgasleitungsrohrabschnitt (5) zur Zuleitung von Abgas zur Abgaseintrittseite der zweiten Abgasnachbehandlungseinheit (3) vorgesehen sind, wobei der erste Abgasleitungsrohrabschnitt (4) und/oder der zweite Abgasleitungsrohrabschnitt (5) jeweils mit geringem Abstand zur ersten und/oder zur zweiten Abgasnachbehandlungseinheit (2, 3) oder anliegend an der ersten und/oder der zweiten Abgasnachbehandlungseinheit (2, 3) entlang der ersten und/oder der zweiten Abgasnachbehandlungseinheit (2, 3) verlaufen.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Abgabeeinheit (9) zur Abgabe eines ersten Zuschlagstoffes in den ersten Abgasleitungsrohrabschnitt (4) und eine zweite Abgabeeinheit (10) zur Abgabe eines vom ersten Zuschlagstoff verschiedenen zweiten Zuschlagstoffes in den zweiten Abgasleitungsrohrabschnitt (5) vorgesehen sind.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabeeinheit (9; 10) derart ausgelegt ist, dass sie einen in flüssiger Form vorliegenden Zuschlagstoff in kleinen Tröpfchen derart abgeben kann, dass die Mehrzahl der Tröpfchen einen Durchmesser von weniger als 50 Mikrometer aufweist.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5) eine Querschnittsfläche derart aufweist, dass sich im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine Abgasströmungsgeschwindigkeit von weniger als 50 Meter je Sekunde im Abgasleitungsrohrabschnitt (4; 5) ergibt.