DE102007042836A1 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Abgasbehandlung eines Abgasstroms (7) eines Kraftfahrzeuges (3) mittels einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit (19), mit einem Vorratsbehälter (35) zur Speicherung der Flüssigkeit (19). Diese weist eine Temperiervorrichtung zum Temperieren der Flüssigkeit (19) auf, wobei diese zur Erwärmung der Flüssigkeit (19) einem Kühlkreislauf (31) des Kraftfahrzeuges (3) zugeordnet ist. Um eine verbesserte Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung zu schaffen, ist die Temperiervorrichtung zur Kühlung der Flüssigkeit (19) einem Klimaanlagenkreislauf (47) des Kraftfahrzeuges (3) zugeordnet.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges mittels einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit, mit einem Vorratsbehälter zur Speicherung der Flüssigkeit.
- Zur Minderung von NOx-Emissionen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, von Kraftfahrzeugen ist es bekannt, in einen von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstrom einen sogenannten SCR-Katalysator (selective catalytic reduction beziehungsweise selektive katalytische Reduktion) einzusetzen. SCR-Katalysatoren setzen bei Anwesenheit von Ammoniak in dem Abgasstrom vorhandene NOx-Emissionen um. Um den notwendigen Ammoniak in dem Abgasstrom bereitzustellen, ist es bekannt, diesem eine Ammoniak freisetzende Flüssigkeit, beispielsweise ein wässrige Harnstofflösung, beizumengen. Um beispielsweise ein Einfrieren dieser Lösung zu verhindern ist es bekannt, diese zu beheizen. Einen Überblick gibt die Veröffentlichung „Perspektiven der mobilen SCR-Technik" von Dr. Eberhard Jacob, 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, abrufbar unter: http://www.emitec.com/download/library/de/061030_Aachen_SCR_deutsch final.pdf. Ferner ist aus der Veröffentlichung „Heizkonzepte für AdBlue-Tanks: Problematik und Simulation" von Dr.-Ing. habil. Stefan aus der Wiesche, VDI-Berichte Nr. 1967, 2006, Seiten 895–906 sowie aus er
EP 1 698 769 A2 bekannt, eine mit einem Rücklauf eines Motorkühlwassers betriebene Heizschlange vorzusehen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bereitzustellen, insbesondere eine verbesserte Temperierung der Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit zu ermöglichen.
- Die Aufgabe ist mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges mittels einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit, mit einem Vorratsbehälter zur Speicherung der Flüssigkeit, wobei eine Temperiervorrichtung zum Temperieren der Flüssigkeit vorgesehen ist, dadurch gelöst, dass die Temperiervorrichtung zur Kühlung der Flüssigkeit einem Klimaanlagenkreislauf des Kraftfahrzeuges zugeordnet ist. Die Ammoniak freisetzende Flüssigkeit kann beispielsweise eine eutektische Lösung von 32,5% Harnstoff in Wasser aufweisen, deren Gefrierpunkt bei –11°C liegt.
- Vorteilhaft kann mittels einer Zuordnung zum Kühlkreislauf die Flüssigkeit erwärmt werden, so dass beispielsweise ein Einfrieren verhinderbar ist. Vorteilhaft kann die Erwärmung der Flüssigkeit auch auf ein erwünschtes Temperaturniveau, bei dem sich eine besonders gute Abgasreinigung ergibt, gebracht werden. Dies ist auch vorteilhaft mit anderen Ammoniak freisetzenden Flüssigkeiten, beispielsweise Ammoniumformiat, Denoxium-30, Methanamid und/oder Ammoniumcarbamat möglich. Mittels der Temperierung beziehungsweise Erwärmung der Flüssigkeit kann eine optimale Freisetzung des Ammoniaks für den reaktanten- und produktselektiven Katalysator beziehungsweise SCR-Katalysator ermöglicht werden. Ferner kann durch die optimale Temperierung eine Bildung fester Rückstände, beispielsweise verursacht durch eine verzögerte Verdampfung, bestmöglich verhindert werden. Vorteilhaft ist es möglich, falls eine zusätzlich elektrische Heizung zur Temperierung der Flüssigkeit vorgesehen ist, dafür benötigte elektrische Energie einzusparen. Vorteilhaft kann mittels der Zuordnung von einem Kältemittel des Klimaanlagenkreislaufs Wärme und/oder Kälte auf die Flüssigkeit übertragen werden. Vorteilhaft kann dadurch beispielsweise ein Überhitzen der Flüssigkeit vermieden werden.
- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Vorratsbehälter dem Kühlkreislauf zugeordnet ist. Vorteilhaft kann der gesamte Vorratsbehälter und damit die gesamte sich darin befindliche Flüssigkeit temperiert werden.
- Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Vorratsbehälter einem in den Kühlkreislauf geschalteten ersten Wärmetauscher zugeordnet ist. Vorteilhaft kann über den ersten Wärmetauscher Wärme von einer Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs auf den Vorratsbehälter und damit auf die Flüssigkeit übertragen werden.
- Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Temperiervorrichtung einen in den Klimaanlagenkreislauf geschalteten zweiten Wärmetauscher aufweist. Vorteilhaft kann mittels des zweiten Wärmetauschers Wärme und/oder Kälte auf die Flüssigkeit übertragen werden.
- Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher dem Vorratsbehälter nachgeschaltet und einer Dosiervorrichtung zum Eindosieren der Flüssigkeit in den Abgasstrom vorgeschaltet ist. Mittels des zweiten Wärmetauschers kann von dem erwärmten Vorratsbehälter zu der Dosiervorrichtung strömende Flüssigkeit gekühlt werden.
- Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher einem Expansionsventil des Klimaanlagenkreislaufs nachgeschaltet ist.
- Durch die Entspannung des in dem Klimaanlagenkreislauf geführten Kältemittels kann der nachgeschaltete zweite Wärmetauscher und damit die darin strömende Flüssigkeit gekühlt werden.
- Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Kühlkreislauf eine dem ersten Wärmetauscher vorgeschaltete Zusatzheizung aufweist. Mittels der Zusatzheizung kann zusätzlich die in Richtung des ersten Wärmetauschers, in dem Kühlkreislauf geführte Kühlflüssigkeit zusätzlich erwärmt werden.
- Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass dem Vorratsbehälter eine elektrische Zusatzheizung nachgeschaltet ist. Vorteilhaft kann die von dem Vorratsbehälter in Richtung der Dosiervorrichtung strömende Flüssigkeit zusätzlich elektrisch erwärmt werden.
- Die Aufgabe ist außerdem mit einem Kraftfahrzeug mit einer vorab beschriebenen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung gelöst.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- Es zeigen:
-
1 eine schematisierte Ansicht einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines in der Abgasanlage geführten Abgasstroms; und -
2 eine Detailansicht der in1 gezeigten Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, gekoppelt mit einem Kühlkreislauf und einem Klimaanlagenkreislauf des Kraftfahrzeuges. -
1 zeigt eine Vorrichtung1 eines Kraftfahrzeuges3 mit einer Abgasanlage5 . In der Abgasanlage5 ist ein mittels der Vorrichtung1 nachbehandelbarer Abgasstrom7 geführt. Die Flussrichtung des Abgasstroms7 ist mittels eines Pfeiles9 angedeutet. - Die Abgasanlage
5 ist einem Verbrennungsmotor11 nachgeschaltet, der den Abgasstrom7 erzeugt. Mittels eines dem Verbrennungsmotor11 nachgeschalteten Diesel-Partikelfilters13 , der vorteilhaft eine Beschichtung aufweisen kann, können in dem Abgasstrom7 vorhandene Partikel, beispielsweise Rußpartikel, ausgefiltert werden. Dem Diesel-Partikelfilter13 ist ein Temperatursensor15 zur Messung einer Temperatur des in der Abgasanlage5 geführten Abgasstroms7 nachgeschaltet. Stromabwärts des Temperatursensors15 ist ein in die Abgasanlage5 beziehungsweise in den Abgasstrom7 mündendes Dosierventil17 zum Eindosieren einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit19 angeordnet. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um eine wässrige, Harnstoff enthaltende Lösung, beispielsweise eine eutektische Lösung von 32,5% Harnstoff in Wasser, handeln. Nach einer Eindosierung der Flüssigkeit19 kann diese, eine entsprechende mittels des Temperatursensors15 ermittelte Temperatur vorausgesetzt, Ammoniak freisetzen. Um eine möglichst gleichmäßige Verdampfung und/oder Verteilung der Flüssigkeit beziehungsweise Vermengung der Flüssigkeit mit dem Abgasstrom7 zu ermöglichen, ist dem Dosierventil17 ein Mischer21 , beispielsweise ein statischer Mischer, nachgeschaltet. Das mittels des Dosierventils17 und des Mischers21 erzeugte Gemisch kann einem nachgeschalteten SCR-Katalysator23 zugeführt werden, beispielsweise ein SCR-Katalysator auf Eisenzeolit-Basis und/oder mit anderen katalytisch wirksamen Stoffen. Mittels der Umsetzung der Flüssigkeit19 können dem Abgasstrom7 H2O-, NH3- und HNCO-Moleküle beigefügt werden, dazu ist es möglich, dass der SCR-Katalysator23 für eine zweistufige Ammoniakbildung ausgelegt ist, wobei zunächst das Wasser verdampft, eine Harnstoff-Thermolyse und eine isozyansäure-Hydrolyse erfolgen. Mittels des so in den Abgasstrom7 eingebrachten Ammoniaks können in dem Abgasstrom7 enthaltene NOx-Emissionen reduziert beziehungsweise zu Stickstoff komproportioniert werden. - Der mittels des SCR-Katalysators
23 nachbehandelte Abgasstrom7 wird stromabwärts an einem Sensor25 zur Messung einer NOx- und/oder NH3-Konzentration des Abgasstroms7 vorbeigeführt. Stromabwärts des SCR-Katalysators23 weist die Abgasanlage5 einen nachgeschalteten Sperrkatalysator27 auf. Der Sperrkatalysator27 dient dazu, möglicherweise überschüssige Ammoniakmengen umzusetzen und so einen unerwünschten Ammoniakschlupf zu verhindern, wobei in Kauf genommen werden kann, dass dabei wieder in geringen Mengen NOx-Emissionen entstehen. Ferner ist es denkbar, dass der Sperrkatalysator27 eine gewisse Speicherfähigkeit für Ammoniak aufweist. Dem Sperrkatalysator27 ist ein herkömmlicher Schalldämpfer29 nachgeschaltet. Stromabwärts des Schalldämpfers29 öffnet sich die Abgasanlage5 zur Umwelt hin. - Der Verbrennungsmotor
11 kann mittels eines Kühlkreislaufs31 gekühlt werden. Der Kühlkreislauf31 ist über einen ersten Wärmetauscher einem Vorratsbehälter35 zur Speicherung der Flüssigkeit19 zugeordnet. Vorteilhaft kann der Vorratsbehälter35 mittels von dem Verbrennungsmotor11 des Kraftfahrzeuges3 erzeugter Abwärme temperiert beziehungsweise erwärmt werden. - Der Vorratsbehälter
35 kann einen Förderer zum Fördern der Flüssigkeit19 aufweisen oder diesem vorgeschaltet sein und ist über eine Vorlaufleitung37 und eine Rücklaufleitung39 dem Dosierventil17 zugeordnet. Stromabwärts des Vorratsbehälters35 kann die Vorlaufleitung37 eine zusätzliche elektrische Heizung41 zur zusätzlichen Erwärmung der Flüssigkeit19 aufweisen. Dies kann beispielsweise während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors11 sinnvoll sein. - Mittels Steuerleitungen
43 ist die Vorrichtung1 zur Nachbehandlung des in der Abgasanlage5 geführten Abgasstroms7 einer zentralen Steuereinheit45 , beispielsweise einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors11 , zugeordnet. Die Steuereinheit45 kann geeignete Steuer- und Regelalgorithmen aufweisen, beispielsweise um ein so genanntes Feedverhältnis einzuregeln. Unter Feedverhältnis kann die im Verhältnis zu einer NOx-Rohemission des Abgasstroms7 im Verhältnis stehende beziehungsweise notwendige Einspritzmenge der Flüssigkeit19 verstanden werden. Von einem optimalen Feedverhältnis kann bei einer möglichst hohen Umsetzungsrate der in dem Abgasstrom7 enthaltenen NOx-Emissionen und einer minimalen, den SCR-Katalysator23 verlassenden nicht umgesetzten Restmenge an Ammoniak (minimaler Ammoniakschlupf) ausgegangen werden. -
2 zeigt eine Detailansicht der in1 gezeigten Vorrichtung1 zur Nachbehandlung eines Abgasstroms7 eines Kraftfahrzeuges3 . Im Unterschied ist die Vorrichtung1 zusätzlich einem Klimaanlagenkreislauf47 des Kraftfahrzeuges3 zugeordnet. Der Klimaanlagenkreislauf47 weist einen zweiten Wärmetauscher49 auf, wobei die Zuordnung des Klimaanlagenkreislaufs47 mittels des zweiten Wärmetauschers49 erfolgt. Dazu ist der zweite Wärmetauscher49 in die Vorlaufleitung37 geschaltet. Der zweite Wärmetauscher49 kann zur Kühlung der in der Vorlaufleitung37 geführten Flüssigkeit19 dienen. Dazu ist der zweite Wärmetauscher49 einem Expansionsventil51 des Klimaanlagenkreislaufs47 nachgeschaltet. Der zweite Wärmetauscher49 kann also als zusätzlicher Verdampfer des Klimaanlagenkreislaufes47 wirken. Gegebenenfalls kann das Expansionsventil51 steuerbar sein, sodass die Kühlung unabhängig vom Betrieb des übrigen Klimaanlagenkreislaufs47 erfolgen kann. - Der übrige Klimaanlagenkreislauf
47 weist die üblicherweise vorhandenen Komponenten, einen Kompressor53 , einen Kondensator55 , ein weiteres, gegebenenfalls ebenfalls ansteuerbares Expansionsventil57 sowie einen diesem nachgeschalteten Verdampfer59 auf. Das Expansionsventil51 und der nachgeschaltete zweite Wärmetauscher49 sind parallel geschaltet zu dem weiteren Expansionsventil57 und dem Verdampfer59 . Vorteilhaft kann mittels des Klimaanlagenkreislaufs47 beziehungsweise des zweiten Wärmetauschers49 des Klimaanlagenkreislaufs47 eine möglicherweise mittels des ersten Wärmetauschers33 übertragene zu hohe Temperatur der Flüssigkeit19 in der Vorlaufleitung37 , also vor Erreichen des Dosierventils17 , wieder abgekühlt werden. - Der erste Wärmetauscher
33 kann in einen kleinen Kühlkreislauf61 des Kühlkreislaufes31 des Verbrennungsmotors3 geschaltet sein. Hierzu ist es denkbar, den kleinen Kühlkreislauf61 um einen den ersten Wärmetauscher33 aufweisenden Parallelzweig63 zu ergänzen. Der Parallelzweig63 kann ein mittels eines Reglers65 angesteuertes Regelventil67 aufweisen. Zur Regelung einer dem Vorratsbehälter35 mittels des ersten Wärmetauschers33 zugeführten Wärmemenge beziehungsweise zum Einregeln einer Temperatur des Vorratsbehälters35 kann der Regler65 einem Temperatursensor69 zugeordnet sein. Es ist beispielsweise möglich, mittels des Reglers65 und des Regelventils67 bei Erreichen einer Grenztemperatur den Parallelzweig63 des kleinen Kühlkreislaufs61 des Kühlkreislaufs31 des Verbrennungsmotors11 abzusperren, so dass keine weitere Wärmeübertragung mehr erfolgt. - Zusammenfassend kann über den zweiten Wärmetauscher
49 , der in der Vorlaufleitung37 angeordnet ist, eine Kühlung der Flüssigkeit19 erfolgen. Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, zur Kühlung des Vorratsbehälters35 den zweiten Wärmetauscher49 diesem direkt zuzuordnen. Die zur Kühlung erforderliche Kühlleistung kann vorteilhaft mittels einer ohnehin vorhandenen Klimaanlage beziehungsweise eines Klimaanlagenkreislaufes47 des Kraftfahrzeuges3 erfolgen. - Eine Beheizung des Vorratsbehälters
35 kann über den in den Kühlerkreislauf31 geschalteten ersten Wärmetauscher33 erfolgen, wobei mittels des Verbrennungsmotors11 erwärmte Kühlflüssigkeit und/oder mittels einer Zusatzheizung71 des kleinen Kühlkreislaufs61 erwärmter Kühlflüssigkeit erfolgen. Vorteilhaft kann die Erwärmung mittels des ersten Wärmetauschers33 zusätzlich zu einer möglicherweise vorhandenen elektrischen Heizung41 erfolgen. - Vorteilhaft ist so, beispielsweise mittels der Steuereinheit
45 , eine Regelung der Kühlung und Beheizung beziehungsweise Temperierung der Flüssigkeit19 in einem gewünschten Temperaturfenster möglich. -
- 1
- Vorrichtung
- 3
- Kraftfahrzeug
- 5
- Abgasanlage
- 7
- Abgasstrom
- 9
- Pfeil
- 11
- Verbrennungsmotor
- 13
- Diesel-Partikelfilter
- 15
- Temperatursensor
- 17
- Dosierventil
- 19
- Ammoniak freisetzende Flüssigkeit
- 21
- Mischer
- 23
- SCR-Katalysator
- 25
- Sensor
- 27
- Sperrkatalysator
- 29
- Schalldämpfer
- 31
- Kühlkreislauf
- 33
- erster Wärmetauscher
- 35
- Vorratsbehälter
- 37
- Vorlaufleitung
- 39
- Rücklaufleitung
- 41
- Heizung
- 43
- Steuerleitungen
- 45
- zentrale Steuereinheit
- 47
- Klimaanlagenkreislauf
- 49
- zweiter Wärmetauscher
- 51
- Expansionsventil
- 53
- Kompressor
- 55
- Kondensator
- 57
- Expansionsventil
- 59
- Verdampfer
- 61
- kleiner Kühlkreislauf
- 63
- Parallelzweig
- 65
- Regler
- 67
- Regelventil
- 69
- Temperatursensor
- 71
- Zusatzheizung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1698769 A2 [0002]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - http://www.emitec.com/download/library/de/061030_Aachen_SCR_deutsch final.pdf. [0002]
- - „Heizkonzepte für AdBlue-Tanks: Problematik und Simulation" von Dr.-Ing. habil. Stefan aus der Wiesche, VDI-Berichte Nr. 1967, 2006, Seiten 895–906 [0002]
Claims (10)
- Vorrichtung (
1 ) zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms (7 ) eines Kraftfahrzeuges (3 ) mittels einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit (19 ), mit einem Vorratsbehälter (35 ) zur Speicherung der Flüssigkeit (19 ), wobei eine Temperiervorrichtung zum Temperieren der Flüssigkeit (19 ) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung zur Kühlung der Flüssigkeit (19 ) einem Klimaanlagenkreislauf (47 ) des Kraftfahrzeuges (3 ) zugeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (
35 ) dem Kühlkreislauf (31 ) zugeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (
35 ) einem in den Kühlkreislauf (31 ) geschalteten ersten Wärmetauscher (33 ) zugeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung einen in den Klimaanlagenkreislauf (
47 ) geschalteten zweiten Wärmetauscher (49 ) aufweist. - Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (
49 ) dem Vorratsbehälter (35 ) nachgeschaltet und einer Dosiervorrichtung (17 ) zum Eindosieren der Flüssigkeit (19 ) in den Abgasstrom (7 ) vorgeschaltet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (
49 ) einem Expansionsventil (51 ) des Klimaanlagenkreislaufs (47 ) nachgeschaltet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (
31 ) eine dem ersten Wärmetauscher (33 ) vorgeschaltete Zusatzheizung (71 ) aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vorratsbehälter (
35 ) eine elektrische Heizung (41 ) nachgeschaltet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung zur Erwärmung der Flüssigkeit (
19 ) einem Kühlkreislauf (31 ) des Kraftfahrzeuges (3 ) zugeordnet ist. - Kraftfahrzeug (
3 ) mit einer Vorrichtung (1 ) zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms (7 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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DE102007042836.9A DE102007042836B4 (de) | 2007-09-10 | 2007-09-10 | Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges |
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DE (1) | DE102007042836B4 (de) |
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