DE102007049850B4

DE102007049850B4 - Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102007049850B4
Application number: DE102007049850A
Authority: DE
Inventors: Andres Dr. Tönnesmann; Andreas Köster; Heinrich Dismon
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2027-10-19
Also published as: DE102007049850A1; WO2009053135A1

Abstract

Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine
mit einem Abgasstrang
mit einem SCR-Katalysator, der im Abgasstrang angeordnet ist,
mit einem Abgasteilkanal, über den ein Teilstrom aus dem Abgasstrang abzweigbar ist,
mit einer Aufbereitungsvorrichtung für einen Ammoniak abgebenden Stoff, insbesondere Harnstoff, welche einen Thermolysereaktor und einen Hydrolysekatalysator aufweist und
mit einer Fördereinrichtung für den Ammoniak abgebenden Stoff, welche eine Dosiereinrichtung und einen Förderkanal aufweist,
wobei der Förderkanal (9) in Strömungsrichtung vor dem Thermolysereaktor (16) in die Aufbereitungsvorrichtung (8) mündet,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abgasteilkanal (4) hinter dem Thermolysereaktor (16) und vor dem Hydrolysekatalysator (17) in die Aufbereitungsvorrichtung (8) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasstrang, mit einem SCR-Katalysator, der im Abgasstrang angeordnet ist, mit einem Abgasteilkanal, über den ein Teilstrom aus dem Abgasstrang abzweigbar ist, mit einer Aufbereitungsvorrichtung für einen Ammoniak abgebenden Stoff, insbesondere Harnstoff, welche einen Thermolysereaktor und einen Hydrolysekatalysator aufweist und mit einer Fördereinrichtung für den Ammoniak abgebenden Stoff, welche eine Dosiereinrichtung und einen Förderkanal aufweist, wobei der Förderkanal in Strömungsrichtung vor dem Thermolysereaktor in die Aufbereitungsvorrichtung mündet.
Abgasnachbehandlungssysteme, welche nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion arbeiten, sind allgemein bekannt und in den letzten Jahren auch zur Abgasnachbehandlung in Verbrennungskraftmaschinen in Automobilen eingeführt worden. Sie dienen zur Verminderung der Stickoxidanteile in Abgasen, welche insbesondere bei mager betriebenen Motoren einen erheblichen Anteil einnehmen. Die Aufbereitung mittels selektiver katalytischer Reduktion erfolgt üblicherweise in zwei Stufen, wobei in einer ersten Stufe aus einer Ammoniak abspalteten Substanz, wie beispielsweise Harnstoff, Ammoniak und weitere Produkte gebildet werden und in einer zweiten Stufe mit dem Ammoniak die Stickoxide des Abgases zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Die Umwandlung des Harnstoffs in Ammoniak erfolgt üblicherweise über einen Thermolysereaktor, in dem durch Wärmeeintrag der Harnstoff in Ammoniak und Isocyansäure zerfällt und einen nach geschalteten Hydrolysekatalysator mittels dessen unter Zugabe von Wasser die Isocyansäure in Ammoniak und Kohlendioxid zersetzt wird.
Harnstoff kann dabei sowohl in flüssiger als auch in fester Form vorliegen, wobei zur Dosierung von Festharnstoff meist pneumatische Systeme benutzt werden. Des Weiteren ist es sowohl bekannt die Ammoniakaufbereitung inline, also im Abgasstrom stattfinden zu lassen als auch in einem separaten Abgasteilstrom.
So wird in der DE 10 2005 017 402 A1 ein Abgassystem offenbart, bei dem ein Festharnstoff als Reduktionsmittel dient. Der Festharnstoff wird pneumatisch gefördert und dosiert und mit dem Luftstrom in einer besonderen Ausführungsform einem Thermolysereaktor zugeführt, in dem der Harnstoff aufgespalten wird. Anschließend gelangt das Ammoniak mit der Isocyansäure in den Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine und wird mit dem Abgas vermischt. Im Abgasstrang ist hinter dem Einlass für das Ammoniak der Hydrolysekatalysator angeordnet.
Nachteilig an einem derartigen System ist, dass zwischen dem Thermolysereaktor und dem Hydrolysekatalysator üblicherweise ein größerer Abstand vorhanden ist, der dazu führen kann, dass sich die Isocyansäure, die zur Polymerisation neigt am Abgasrohr ablagert. Entsprechend ist es mit einer derartigen Vorrichtung nicht möglich, das externe Reaktormodul an einer von der Abgasanlage weiter entfernten Position anzuordnen.
Des Weiteren ist es aus der DE 10 2005 039 630 B4 bekannt, sowohl den Thermolysereaktor als auch den Hydrolysekatalysator extern zum Abgasstrang anzuordnen. Die notwendige Wärme zur Thermolyse wird durch einen katalytischen Brenner zur Verfügung gestellt. Dieser stellt auch die notwendige Temperatur für die Hydrolyse zur Verfügung. Um diese durchführen zu können ist es jedoch notwendig, zusätzlich Wasser zur Reaktion mit der Isocyansäure einzubringen. Dies erfolgt hier durch das im Abgas des katalytischen Brenners vorhandene Wasser. Nachteilig an einer derartigen Anordnung ist es jedoch, dass zusätzlich Kraftstoff und Sauerstoff in das System eingebracht werden müssen. Es müssen somit im Vergleich zu elektrischen Heizungen sowohl zusätzliche Bauteile eingebracht werden als auch zusätzliche Steuerungen vorgenommen werden, was ein derartiges System deutlich teurer macht.
Zusätzlich ist aus der DE 10 2004 042 225 A1 eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reaktion und Aufbereitung und Erzeugung von Ammoniak aus festem Harnstoff bekannt, bei der ein Abgasteilstrom von dem Abgasstrang abgezweigt wird und die vollständige Aufbereitung des festen Harnstoffs in diesem Abgasteilstrom stattfindet. Sowohl der Thermolysereaktor als auch der Hydrolysekatalysator sind im Abgasteilkanal angeordnet. Eine derartige Anordnung ist auch aus der DE 102 06 028 A1 bekannt, wobei der Förderkanal vor dem Thermolysereaktor in die Aufbereitungsvorrichtung mündet.
Nachteilig an einer derartigen Ausführung ist es jedoch, dass die Leistungsaufnahme zur Beheizung des Thermolysereaktors durch das hindurch strömende Abgas deutlich erhöht wird, da der gesamte Abgasteilstrom auf die für die Thermolyse notwendige Temperatur von ca. 300°C aufgewärmt werden muss.
Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Abgasnachbehandlungssystem bereit zu stellen, welches die vorgenannten Nachteile bekannter Systeme vermeidet, so dass die Anordnung des Reaktormoduls weitestgehend frei im Fahrzeug wählbar ist, eine Ablagerung von Isocyansäure vermieden wird und die Leistungsaufnahme des Thermolysereaktors möglichst gering bleibt.
Diese Aufgaben werden durch ein Abgasnachbehandlungssystem gelöst, bei dem der Abgasteilkanal hinter dem Thermolysereaktor und vor dem Hydrolysekatalysator in die Aufbereitungsvorrichtung mündet. Durch eine derartige Anordnung wird der Thermolysereaktor lediglich mit der Förderluft beaufschlagt, wodurch auch nur diese Förderluft aufgeheizt werden muss. Der Abgasteilstrom wird erst vor dem Hydrolysekatalysator zugeführt, so dass hier ausreichend Wasser zur Reaktion der Isocyansäure vorliegt. Ein Ablagern der Isocyansäure am Rohr wird aufgrund der unmittelbaren Nähe des Thermolysereaktors zum Hydrolysekatalysator weitestgehend vermieden. Dennoch bleibt die Anordnung der gesamten Aufbereitung im Fahrzeug frei wählbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Abgasstrang eine Venturi-Düse ausgebildet, in deren kleinsten Querschnitt ein Auslass der Aufbereitungsvorrichtung mündet. Diese Venturi-Düse wirkt als Saugstrahlpumpe, so dass das Ammoniak aus der Harnstoffaufbereitungsvorrichtung in den Abgasstrang eingesaugt wird, ohne zusätzliche Fördermittel verwenden zu müssen.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Ammoniak abgebende Stoff in fester Form vor und ein Luftstrom im Förderkanal dient zur Förderung des Feststoffs zur Aufbereitungsvorrichtung. Feststoffe haben insbesondere deutliche Vorteile im Vergleich zu flüssigen Ammoniak abgebenden Substanzen in ihrer Lagerung, da sie sowohl ein geringeres Volumen einnehmen als auch bei Minustemperaturen nicht einfrieren. Eine Förderung mittels eines Luftstromes ist besonders einfach und zuverlässig zu verwirklichen.
In einer besonderen Ausführungsform ist ein Teilstrom der Förderluft über einen Bypass am Thermolysereaktor vorbei führbar. Dies verringert zusätzlich den Energiebedarf zum Aufheizen des Thermolysereaktors, da die zum Thermolysereaktor gelangende Luftmenge, welche aufgeheizt werden muss, noch einmal deutlich verringert wird.
In einer hierzu weiter führenden Ausführungsform ist die Aufbereitungsvorrichtung in einem Raum angeordnet, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Thermolysereaktors, so dass ein freier Raum über die Länge des Thermolysereaktors als Bypass für den Teilstrom der Förderluft dient. Insbesondere kann hier eine konzentrische Anordnung des Thermolysereaktors im Raum vorgenommen werden, so dass eine äußere Umströmung des Reaktors mit der bypassierten Förderluft erfolgt. Somit findet die Bypassierung auf besonders einfache Weise statt, ohne dass zusätzliche Bauteile verwendet werden müssen.
Vorteilhafterweise mündet der Förderkanal in den Thermolysereaktor und weist vor dem Thermolysereaktor Öffnungen auf, die kleiner sind als die Feststoffpartikel und durch die der Teilstrom der Förderluft in den Bypass strömt. Da der Widerstand im Bereich des Thermolysereaktors üblicherweise höher sein wird als in den außen liegenden Bereichen wird somit der Hauptteilstrom der Förderluft außen um den Thermolysereaktor herum geführt und nur ein geringer Anteil erreicht den Thermolysereaktor, während sicher gestellt ist, dass die Feststoffpellets, nicht zuletzt aufgrund ihrer Massenträgheit vollständig zum Thermolysereaktor gelangen. Auch hier wird die Bypassierung auf besonders einfache Art und Weise ermöglicht.
Es wird deutlich, dass ein derartiges System eine deutliche Energieersparnis im Vergleich zu bekannten Systemen aufweist und gleichzeitig flexibel im Fahrzeug anzuordnen ist. Eine Steuerung der benötigten Energie-, Wasser- und Feststoffmengen wird möglich.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschreiben.
Die Figur zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem am Beispiel eines Festharnstoffsystems.
Das in der Figur dargestellte Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine besteht aus einem von einem Zylinderblock des Verbrennungsmotors kommenden Abgasstrang 1, in dem eine Venturi-Düse 2 sowie ein nachgeschalteter SCR-Katalysator 3 angeordnet sind. Vor der Venturi-Düse 2 geht vom Abgasstrang 1 ein Abgasteilkanal 4 ab, dessen Einlass 5 in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor der Venturi-Düse angeordnet ist. Der abgezweigte Abgasstrom gelangt in eine Aufbereitungsvorrichtung 8, hier eine Harnstoffaufbereitungsvorrichtung, deren Auslass 6 im Bereich des engsten Querschnittes der Venturi-Düse 2 angeordnet ist.
Des Weiteren besteht das Abgasnachbehandlungssystem aus einer Fördervorrichtung 7. Die Fördervorrichtung 7 besteht aus einem Förderkanal 9 über den Feststoffpellets 10, in vorliegendem Beispiel Harnstoffpellets, aus einem Vorratsbehälter 11 in Richtung zur Harnstoffaufbereitungsvorrichtung 8 gefördert werden. Auch andere Ammoniak abgebende Substanzen wären denkbar. Zur Förderung dient ein Luftstrom, welcher die über eine Dosiereinrichtung 12 in den Förderkanal 9 dosierten Harnstoffpellets 10 im Förderkanal 9 mit sich reißt, so dass diese in die Harnstoffaufbereitungsvorrichtung 8 gelangen. Am Ende des Förderkanals 9 sind Öffnungen 13 an einer Außenwand 14 des Förderkanals 9 ausgebildet, durch die der Luftstrom aus dem Förderkanal 9 in einen Raum 15 der Harnstoffaufbereitungsvorrichtung 8 entweichen kann.
Die Harnstoffaufbereitungsvorrichtung 8 ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel vollständig in dem Raum 15 angeordnet und besteht aus einem Thermolysereaktor 16 sowie einem Hydrolysekatalysator 17.
Der Thermolysereaktor 16 weist eine beheizte Prallplatte 18 auf, gegen die die Harnstoffpellets 10 durch den Luftstrom geschleudert werden. Über die Öffnungen 13 gelangt ein großer Teil der Förderluft in einen freien Raum 19, der sich zwischen einer Außenwand 20 des Raumes 15 und Außenwänden 21 des Thermolysereaktors 16 befindet, so dass dieser freie Raum 19 etwa ringförmig ausgebildet ist.
Unmittelbar hinter dem Thermolysereaktor 16 und somit hinter dem freien Raum 19 mündet der Abgasteilkanal 4 in den Raum 15 der Harnstoffaufbereitungsvorrichtung 8, so dass sich die Förderluft und der Abgasteilstrom an dieser Stelle mischen. In Strömungsrichtung des Mischgases hinter diesem Mischpunkt 22 ist der Hydrolysekatalysator 17 angeordnet. Der Auslass 6 der Harnstoffaufbereitungsvorrichtung 8 ist hinter dem Hydrolysekatalysator 17 zum Abgasstrang 1 hin angeordnet.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems beschrieben.
Die Harnstoffpellets werden über die Dosiereinrichtung 12 beispielsweise entsprechend der Werte eines Stickoxidsensors in den Förderkanal 9 dosiert. Im Förderkanal 9 strömt vorzugsweise trockene Luft, welche über eine Pumpe gefördert wird. Dieser Luftstrom reißt die Harnstoffpellets 10 durch den Förderkanal 9 mit und schleudert sie gegen die elektrisch beheizte Prallplatte 18. Zu dieser Prallplatte 18 gelangt lediglich ein geringer Anteil des Luftstromes, da der übrige Luftstrom über die Öffnungen 13 um den Thermolysereaktor 16 herum geführt wird, da in diesem äußeren freien Raum 19 ein geringerer Strömungswiderstand zu erwarten ist als im Thermolysereaktor 16.
Da die Öffnungen 13 kleiner sind als die Harnstoffpellets 10 und diese Harnstoffpellets 10 ihrer Trägheit folgen, gelangen diese nicht durch die Öffnungen sondern werden gegen die elektrisch beheizte Prallplatte 18 geschleudert, thermisch in Ammoniak und Isocyansäure zersetzt und zuvor gegebenenfalls durch den Aufprall auf die Prallplatte 18 zerkleinert. Die Prallplatte 18 wird hierzu auf ca. 300°C aufgeheizt, wobei bei hohem Zersetzungsgrad durch den Aufprall auf die Prallplatte 18 auch geringere Temperaturen ausreichen. Die in den Thermolysereaktor 16 einströmende oder dort befindliche Luft wird durch die Aufheizung der Prallplatte 18 ebenfalls erwärmt, wodurch eine weitere Zersetzung des Harnstoffs möglich wird.
Das Ammoniak, die Isocyansäure sowie die Förderluft gelangen von hier aus in den Bereich hinter dem Thermolysereaktor 16 und vermischen sich mit dem Abgasstrom, der durch den Abgasteilkanal 4 in den Raum 15 eingebracht wird. Dieser Abgasstrom kommt, wie bereits erwähnt, aus dem Abgasstrang 1. Durch den Abgasstrom wird nun Wasser in das System eingebracht, so dass im nun folgenden Hydrolysekatalysator 17 mit Hilfe des Wassers die Isocyansäure in Ammoniak und Kohlendioxid zersetzt werden kann. Hierzu sind Temperaturen von etwa 150°C erforderlich, welche bereits durch die einströmenden Abgase sowie die aufgewärmte Förderluft erreicht werden.
Durch das erst unmittelbar vor dem Hydrolysekatalysator 17 eingebrachte Wasser und die räumliche Nähe zwischen dem Thermolysereaktor 16 und dem Hydrolysekatalysator 17 wird eine Ablagerung der reaktiven und zur Polymerisation neigenden Isocyansäure an den Außenwänden des Raumes 15 verhindert. Entsprechend wird diese unmittelbar nach dem Thermolysereaktor durch den zur Verfügung stehenden Wasserdampf im Hydrolysekatalysator 17 in Ammoniak und Kohlendioxid umgewandelt.
Das nunmehr vollständig aufbereitete Reduktionsmittel wird durch den vorhandenen Abgasstrom im Abgasstrang 1 im Bereich der Venturi-Düse 2 in den Abgasstrom nach dem Prinzip einer Saugstrahlpumpe gesaugt und gelangt in den SCR-Katalysator 3, in dem das Ammoniak mit den Stickoxiden unter Bildung von Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser reduziert wird. Vor oder hinter dem SCR-Katalysator 3 können weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, wie beispielsweise Partikelfilter oder ähnliches vorgesehen werden.
Ein derartiges System verbindet somit die Vorteile verschiedener bekannter Systeme miteinander, in dem Energie zur Aufheizung des thermischen Reaktors eingespart wird, da dieser lediglich mit einem Teilstrom der Förderluft beaufschlagt und andererseits auf einfache Art und Weise das Wasser dem Hydrolysekatalysator über den Abgasteilstrom zur Verfügung gestellt wird, wobei gleichzeitig eine ausreichende Temperatur im Hydrolysekatalysator erreichbar ist. Dennoch ist dieses System und insbesondere die Fördervorrichtung sowie die Harnstoffaufbereitungsvorrichtung frei im Fahrzeug anzuordnen.
Es sollte deutlich sein, dass sich der Schutzbereich der Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführung beschränkt, sondern konstruktive Änderungen möglich sind ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So könnte beispielsweise der Hydrolysekatalysator im Abgasteilkanal angeordnet werden und das Ammoniak mit der Isocyansäure unmittelbar vor dem Hydrolysekatalysator in den Abgasteilkanal eingespeist werden, so dass Hydrolysekatalysator und Thermolysereaktor zwar in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, jedoch die Harnstoffaufbereitungsanlage nicht in einem Raum untergebracht ist.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasstrang mit einem SCR-Katalysator, der im Abgasstrang angeordnet ist, mit einem Abgasteilkanal, über den ein Teilstrom aus dem Abgasstrang abzweigbar ist, mit einer Aufbereitungsvorrichtung für einen Ammoniak abgebenden Stoff, insbesondere Harnstoff, welche einen Thermolysereaktor und einen Hydrolysekatalysator aufweist und mit einer Fördereinrichtung für den Ammoniak abgebenden Stoff, welche eine Dosiereinrichtung und einen Förderkanal aufweist, wobei der Förderkanal (9) in Strömungsrichtung vor dem Thermolysereaktor (16) in die Aufbereitungsvorrichtung (8) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasteilkanal (4) hinter dem Thermolysereaktor (16) und vor dem Hydrolysekatalysator (17) in die Aufbereitungsvorrichtung (8) mündet.
Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (1) eine Venturi-Düse (2) ausgebildet ist, in deren kleinsten Querschnitt ein Auslass (6) der Aufbereitungsvorrichtung (8) mündet.
Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniak abgebende Stoff in fester Form vorliegt und ein Luftstrom im Förderkanal (9) zur Förderung des Feststoffs zur Aufbereitungsvorrichtung (8) dient.
Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom der Förderluft über einen Bypass am Thermolysereaktor (16) vorbei führbar ist.
Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungsvorrichtung (8) in einem Raum (15) angeordnet ist, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Thermolysereaktors (16), so dass ein freier Raum (19) über die Länge des Thermolysereaktors (16) als Bypass für den Teilstrom der Förderluft dient.
Abgasnachbehandlungssystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderkanal (9) in den Thermolysereaktor (16) mündet und vor dem Thermolysereaktor (16) Öffnungen (13) aufweist, durch die der Teilstrom der Förderluft in den Bypass (19) strömt und die kleiner sind als die Feststoffpartikel.