DE102007034314A1

DE102007034314A1 - Baugruppe sowie Verfahren zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung

Info

Publication number: DE102007034314A1
Application number: DE102007034314A
Authority: DE
Inventors: Klaus Rusch; Stefan Schmidt
Original assignee: Emcon Technologies Germany Augsburg GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2027-07-25
Also published as: DE102007034314B4

Abstract

Eine Baugruppe (10) zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (12), insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, hat einen Druckraum (20), in dem das Reduktionsmittel auf einen oberhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck gebracht wird, einen dem Druckraum (20) nachgeschalteten Expansionsraum (24) für das unter Druck stehende Reduktionsmittel, der mit der Abgasleitung (12) in Strömungsverbindung steht, und eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Reduktionsmittels, die mit dem Druckraum (20) in Verbindung steht. Außerdem wird ein Verfahren zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (12), insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung, insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung, insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine.
Zur Einhaltung umweltgesetzlicher Vorgaben müssen die Abgase z. B. von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen einer Reinigung unterzogen werden. Insbesondere kommen zur Stickoxidminderung zunehmend sogenannte SCR-Katalysatoren (auch als Denitrierungskatalysatoren bezeichnet) zum Einsatz, die bei der Verbrennung im Motor erzeugte Stickoxide (NO_x) unter Zuhilfenahme von im SCR-Katalysator zwischengespeichertem Ammoniak (NH₃) selektiv zu Wasser und Stickstoff reduzieren. Das gleiche gilt auch für Prozeßgase, die z. B. in Chemieanlagen entstehen. Auch hier werden SCR-Katalysatoren zur Stickoxidminderung eingesetzt. Zur Anreicherung des Abgases mit Ammoniak werden z. B. Niederdruckventile eingesetzt, mit deren Hilfe wäßrige Harnstofflösung in die Abgasleitung eingespritzt wird, die im heißen Abgas in Ammoniak umgesetzt wird. Mit bekannten Vorrichtungen wird jedoch oftmals nur eine unzureichende Verteilung erreicht, und es können unerwünschte Effekte wie Harnstoffablagerungen, Polymerisationsreaktionen oder sogar eine Verstopfung der Abgasleitung auftreten.
Ein weiterer Anwendungsfall einer Reduktionsmittelzufuhr zu einem Abgasstrom ist bei einem NO_x-Speicherkatalysator oder einem Partikelfilter in der Abgasanlage eines Diesel- oder Magergemischbenzinmotors gegeben. Zur Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators bzw. Partikelfilters ist bei derartigen Motoren von Zeit zu Zeit eine Anfettung des Abgases nötig, weshalb Kraftstoff oder eine andere geeignete Flüssigkeit, gegebenenfalls in Dampfform, in den Abgasstrom stromaufwärts der entsprechenden Abgasreinigungsvorrichtung eingebracht wird. Auch zur Ammoniakerzeugung kann Kraftstoff in die Abgasleitung eingebracht werden. Die bei der Kraftstoffeinbringung üblicherweise verwendeten Vorrichtungen können ebenfalls gewisse Nachteile aufweisen. Vorteilhaft wird das Reduktionsmittel zunächst verdampft und in Dampfform in die Abgasleitung eingebracht, wobei allerdings die für die Verdampfung verfügbare elektrische Energie durch die Energieversorgung durch den Motor begrenzt ist. Zudem sind die Reaktionszeiten relativ hoch, es wird unter Umständen eine nur unzureichende Verteilung erreicht und es können ebenfalls unerwünschte Reduktionsmittelablagerungen auftreten.
Die Erfindung schafft eine Baugruppe bzw. ein Verfahren zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung, mittels der bzw. dem eine verbesserte Verteilung mit weniger Ablagerungen erreicht wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird dies durch eine Baugruppe der eingangs genannten Art erreicht, mit einem Druckraum, in dem das Reduktionsmittel auf einen oberhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck gebracht wird, einem dem Druckraum nachgeschalteten Expansionsraum für das unter Druck stehende Reduktionsmittel, der mit der Abgasleitung in Strömungsverbindung steht, und einer Heizeinrichtung zum Erhitzen des Reduktionsmittels, die mit dem Druckraum in Verbindung steht. Dabei wird der Druck im Druckraum insbesondere dadurch erhöht, daß das Reduktionsmittel im abgeschlossenen, vorzugsweise vollständig gefüllten Druckraum erhitzt wird. Aufgrund des erhöhten Drucks im Druckraum kommt es dabei zu einer Siedepunkterhöhung beim Reduktionsmittel, so daß dieses im Druckraum (noch) nicht verdampft wird. Sobald das erhitzte Reduktionsmittel in den Expansionsraum eingeleitet wird, fällt der Druck schlagartig ab, weshalb das Reduktionsmittel abrupt verdampft. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung erreicht, und unerwünschte Ablagerungen und Verschmutzungen der Abgasleitung werden vermieden. Auch zeichnet sich diese Art der Einbringung des Reduktionsmittels durch eine hohe Dynamik und eine sehr gute Dampfqualität aus. Natürlich kann das Reduktionsmittel auch bereits vor dem Erhitzen unter einem gewissen Überdruck stehen. Die erfindungsgemäße Baugruppe eignet sich dabei sowohl zur Einbringung von Ammoniak bzw. wäßriger Harnstofflösung als auch zur Einbringung von Kraftstoff in eine Abgasleitung.
Vorzugsweise ist zwischen dem Druckraum und dem Expansionsraum ein Dosierventil angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, eine genau bestimmte Menge an Reduktionsmittel aus dem Druckraum zu entnehmen. Das Dosierventil kann dabei in einem gewissen Abstand von der Abgasleitung angeordnet sein, da das Reduktionsmittel bei der Entnahme sehr stark expandiert.
Insbesondere ist der Druckraum eine Kammer, die vollständig mit dem Reduktionsmittel gefüllt wird. Anschließend wird der Druck in der Kammer erhöht, beispielsweise durch Erhitzen des Reduktionsmittels oder Verringerung des Kammervolumens.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform führt die Heizeinrichtung dem Reduktionsmittel im Druckraum mindestens soviel Energie zu, daß das Reduktionsmittel bei einer anschließenden Expansion schlagartig verdampft. Hier genügt es unter Umständen nicht, das Reduktionsmittel nur knapp über seinen Siedepunkt bei Atmosphärendruck zu erhitzen, da auch ein bei der Entnahme aus dem Druckraum bzw. der Expansion auftretender gewisser Energieverlust kompensiert werden muß.
Eine besonders effiziente Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß die Heizeinrichtung einen Wärmetauscher aufweist, der beispielsweise die Wärme des Abgases oder von z. B. in einem Fahrzeug vorhandenen Kühlwasser nutzt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Heizeinrichtung ein elektrisches Heizelement aufweisen.
Wie bereits eingangs erwähnt, kann es sich bei dem Reduktionsmittel um Kraftstoff handeln, der beispielsweise zur Regeneration eines Partikelfilters oder NO_x-Speicherkatalysators oder zur Ammoniakerzeugung genutzt wird. Gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten Verdampfungseinrichtung, in der der Kraftstoff im Durchströmen erhitzt wird, zeichnet sich die erfindungsgemäße Baugruppe durch eine längere Erwärmungszeit aus, weshalb die Temperatur der verwendeten Heizeinrichtung und damit deren Leistung geringer sein kann. Die Verdampfung des bevorzugt im Druckraum überhitzten Kraftstoffs findet erst im nachgeschalteten Expansionsraum statt und erfolgt rasch und vollständig, weshalb keine Ablagerungen auftreten. Zudem werden so, wie bereits erwähnt, eine verbesserte Dampfqualität und eine höhere Dynamik erreicht.
Alternativ handelt es sich bei dem Reduktionsmittel um wäßrige Harnstofflösung. Auch diese wird vorzugsweise im Druckraum zunächst erhitzt, wobei aufgrund des erhöhten Drucks der Siedepunkt im Druckraum nicht erreicht wird. Natürlich kommen daneben auch andere Lösungen ammoniakfreisetzender Substanzen in Frage.
Insbesondere wird die wäßrige Harnstofflösung im Druckraum in Ammoniaklösung umgesetzt, was bei Temperaturen oberhalb von etwa 130°C geschieht. Dabei entspricht die Harnstoffkonzentration von 32,5% der als AdBlue^® bezeichneten Lösung einer Ammoniakkonzentration von 18%. Der Dampfdruck der Lösung bei 130°C beträgt etwa 12 bar. Sobald die Lösung aus dem Druckraum entnommen wird, fällt der Druck schlagartig ab und die Lösung verdampft abrupt. Auf diese Weise wird also anstelle von Harnstofflösung direkt ein Gemisch von Wasserdampf und Ammoniak in den Abgasstrom eingebracht, das stabil ist und daher keine Ablagerungen in der Abgasleitung bildet.
In einer Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Expansionsraum um die Abgasleitung, d. h. das Reduktionsmittel wird aus dem Druckraum direkt in die Abgasleitung dosiert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung, insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist: Das Reduktionsmittel wird in einen Druckraum eingeleitet, und der Druckraum wird geschlossen. Dann wird im Druckraum ein oberhalb des Atmosphärendrucks liegender erhöhter Druck erzeugt, indem das Reduktionsmittel im Druckraum erhitzt wird. Anschließend wird der Druckraum kurzzeitig geöffnet, so daß zumindest ein Teil des unter erhöhtem Druck stehenden Reduktionsmittels aus dem Druckraum entweichen kann. Aufgrund des durch Erhitzen erzeugten erhöhten Drucks bzw. des plötzlichen Druckabfalls wird eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels in der nachgeschalteten Abgasleitung erreicht.
Insbesondere wird das Reduktionsmittel über seinen Siedepunkt bei Atmosphärendruck erhitzt. Aufgrund dieser Überhitzung kommt es bei Öffnung des Druckraums zu einer abrupten Verdampfung des Reduktionsmittels.
Vorzugsweise wird der Druck im Druckraum während des Erhitzens und/oder der Entnahme des Reduktionsmittels in etwa konstant gehalten. Dadurch wird zum einen eine mögliche Beschädigung der Bauteile durch zu hohen Druck vermieden, zum anderen wird ein starker Druckabfall im Druckraum während der Entnahme des Reduktionsmittels verhindert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 eine schematische Ansicht einer Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Baugruppe 10, mittels der ein Reduktionsmittel in eine Abgasleitung 12, beispielsweise einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, eingebracht wird. Die Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasleitung 12 ist durch den Pfeil P angedeutet. Die Baugruppe 10 weist einen Tank 14 für das Reduktionsmittel auf, wobei es sich bei letzterem um Kraftstoff oder um wäßrige Harnstofflösung, z. B. sogenanntes AdBlue^®, handeln kann. Im Falle von Kraftstoff als Reduktionsmittel ist der Tank 14 bevorzugt der Kraftstofftank des Fahrzeugs.
Der Tank 14 steht über eine Flüssigkeitsleitung 16, in der eine Pumpe 18 angeordnet ist, mit einem Druckraum 20 in Verbindung, der wiederum über ein Dosierventil 22, hier ein elektrisch betätigtes Absperrventil, mit einem Expansionsraum 24 verbunden ist. Der Expansionsraum 24 steht mit der Abgasleitung 12 in Strömungsverbindung, indem bei der gezeigten Ausgestaltung ein Auslaßrohr 26 in die Abgasleitung 12 hineinragt. Alternativ könnte auch das Dosierventil 22 direkt an der Abgasleitung 12 angeordnet sein und somit die Abgasleitung selbst als Expansionsraum dienen.
Dem Druckraum 20 ist eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Reduktionsmittels zugeordnet, hier ein in der 1 nur angedeutetes elektrisches Heizelement 28.
Im Betrieb der Baugruppe 10 wird zunächst Reduktionsmittel aus dem Tank 14 in den Druckraum 20 eingeleitet, wobei der als Kammer ausgebildete Druckraum 20 vollständig mit dem Reduktionsmittel gefüllt wird. Anschließend wird der Druckraum 20 geschlossen, und im Druckraum 20 wird ein oberhalb des Atmosphärendrucks liegender erhöhter Druck erzeugt, insbesondere indem das Reduktionsmittel im gefüllten Druckraum 20 mittels des elektrischen Heizelements 28 erhitzt wird. Das Reduktionsmittel wird dabei vorzugsweise deutlich über seinen Siedepunkt bei Atmosphärendruck erhitzt, was aufgrund der Siedepunkterhöhung durch den erhöhten Druck möglich ist. Insbesondere wird dem Reduktionsmittel durch die Heizeinrichtung soviel (oder sogar mehr) Energie zugeführt, daß das Reduktionsmittel bei einer anschließenden Expansion schlagartig verdampft.
Im Falle, daß es sich bei dem Reduktionsmittel um wäßrige Harnstofflösung handelt, wird diese im Druckraum 20 bei einer Temperatur von über 130°C in Ammoniaklösung umgesetzt. Der Dampfdruck beträgt dabei etwa 12 bar. Dieser Druck wird im Druckraum während des Erhitzens gehalten, um etwa eine Beschädigung der Bauteile durch zu hohen Druck zu vermeiden. Auch im Falle von Kraftstoff als Reduktionsmittel wird der Druck bevorzugt während des Erhitzens gehalten.
Wenn Reduktionsmittel in der Abgasleitung 12 benötigt wird, wird der Druckraum 20 kurzzeitig über das Dosierventil 22 geöffnet, so daß ein Teil des unter erhöhtem Druck stehenden Reduktionsmittels aus dem Druckraum 20 entweichen und in den Expansionsraum 24 gelangen kann. Da hier der Druck stark abfällt, verdampft das überhitzte Reduktionsmittel abrupt und gelangt so in Dampfform in die Abgasleitung 12. Aufgrund der Expansion des Reduktionsmittels bei der Verdampfung im Expansionsraum 24 ist es möglich, das Dosierventil 22 in einem gewissen Abstand von der Abgasleitung 12 anzuordnen. Zusätzlich können Maßnahmen getroffen sein, um den Druck im Druckraum 20 während der Entnahme des Reduktionsmittels in etwa konstant zu halten, beispielsweise in Form einer Einrichtung, die durch sofortiges Nachfüllen von Reduktionsmittel einen Druckabfall während der Entnahme verhindert. Denkbar ist hier z. B. auch eine elastisch ausgebildete Begrenzung des Druckraums, die sich bei der Entnahme zusammenzieht, etwa in Form einer Membran. Ebenso ist es möglich, daß das Reduktionsmittel bereits vor dem Erhitzen unter Druck gesetzt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Baugruppe 10 läßt sich eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels erreichen, wobei unerwünschte Ablagerungen und Verschmutzungen weitgehend vermieden werden. Außerdem zeichnet sich die Baugruppe 10 durch eine besonders hohe Dynamik und eine geringe Reaktionszeit aus.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe 10, die sich von der Ausführungsform der 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß als Heizeinrichtung ein Wärmetauscher 30 vorgesehen ist, der es ermöglicht, die Wärme des Abgases oder von im Fahrzeug vorhandenem Kühlwasser zu nutzen. Dadurch läßt sich der elektrische Energieverbrauch der Baugruppe 10 nochmals verringern. Natürlich ist auch eine Kombination eines Wärmetauschers mit einem elektrischen Heizelement denkbar.

10: Baugruppe
12: Abgasleitung
14: Tank
16: Flüssigkeitsleitung
18: Pumpe
20: Druckraum
22: Dosierventil
24: Expansionsraum
26: Auslaßrohr
28: elektrisches Heizelement
30: Wärmetauscher
P: Strömungsrichtung des Abgases

Claims

Baugruppe zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (12), insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Druckraum (20), in dem das Reduktionsmittel auf einen oberhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck gebracht wird, einem dem Druckraum (20) nachgeschalteten Expansionsraum (24) für das unter Druck stehende Reduktionsmittel, der mit der Abgasleitung (12) in Strömungsverbindung steht, und einer Heizeinrichtung zum Erhitzen des Reduktionsmittels, die mit dem Druckraum (20) in Verbindung steht.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckraum (20) und dem Expansionsraum (24) ein Dosierventil (22) angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (20) eine Kammer ist, die vollständig mit dem Reduktionsmittel gefüllt wird.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung dem Reduktionsmittel im Druckraum (20) mindestens soviel Energie zuführt, daß das Reduktionsmittel bei einer anschließenden Expansion schlagartig verdampft.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung einen Wärmetauscher (30) aufweist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung ein elektrisches Heizelement (28) aufweist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Reduktionsmittel um Kraftstoff handelt.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Reduktionsmittel um wäßrige Harnstofflösung handelt.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Harnstofflösung im Druckraum (20) in Ammoniaklösung umgesetzt wird.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Expansionsraum um die Abgasleitung (12) handelt.
Verfahren zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (12), insbesondere einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – das Reduktionsmittel wird in einen Druckraum (20) eingeleitet, – der Druckraum (20) wird geschlossen, – im Druckraum (20) wird ein oberhalb des Atmosphärendrucks liegender erhöhter Druck erzeugt, indem das Reduktionsmittel im Druckraum (20) erhitzt wird, – der Druckraum (20) wird kurzzeitig geöffnet, so daß zumindest ein Teil des unter erhöhtem Druck stehenden Reduktionsmittels aus dem Druckraum (20) entweichen kann.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel über seinen Siedepunkt bei Atmosphärendruck erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Druckraum (20) während des Erhitzens und/oder der Entnahme des Reduktionsmittels in etwa konstant gehalten wird.