DE102008001101A1

DE102008001101A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008001101A1
Application number: DE102008001101A
Authority: DE
Inventors: Max Leonhard; Christoph Saffe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas in einem Abgastrakt (2) einer Brennkraftmaschine (4), mit einer Einrichtung (14), mit der ein Reduktionsmittel in den Abgastrakt (2) zudosiert wird, sowie mit einem nachgeschalteten SCR-Katalysator (10), in dem im Abgas enthaltene Stickoxide durch Reaktion mit dem Reduktionsmittel oder mit Zersetzungs- oder Folgeprodukten des Reduktionsmittels selektiv katalytisch reduziert werden. Es ist vorgesehen, dass für Ablagerungen von Reduktionsmittel bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte anfällige Oberflächen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (24) versehen sind, die eine Umsetzung des Reduktionsmittels bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte mit mindestens einem im Abgas enthaltenen Reaktanten in flüchtige Reaktionsprodukte katalysiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 11 angegebenen Merkmalen.
Stand der Technik
Bei modernen Diesel-Nutzfahrzeugen wird das Abgas des Dieselmotors zur Verminderung des Stickoxidanteils häufig einer selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduction (SCR)) unterzogen. Dazu wird gewöhnlich ein Harnstoff enthaltendes Reduktionsmittel verwendet, das zumeist in Form einer Harnstoff-Wasser-Lösung oder in Form von Harnstoff-Staub im Fahrzeug mitgeführt und während des Betriebs der Brennkraftmaschine in den Abgastrakt zudosiert wird.
Der Harnstoff des Reduktionsmittels wird im Abgastrakt selbst oder in einem im Abgastrakt angeordneten Hydrolysekatalysator zu Ammoniak (NH₃) umgesetzt, das die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NO_x) in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator unter Bildung von Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduziert. Da die Stickoxide (NO_x) auf diese Weise nahezu vollständig aus dem Abgas entfernt werden können, lassen sich die Dieselmotoren der mit der SCR-Technologie ausgerüsteten Nutzfahrzeuge mit einem relativ mageren Gemisch betreiben. Dies wiederum ermöglicht einen kraftstoffsparenden und emissionsarmen Betrieb, der einen Einsatz dieser Technologie auch bei Personenkraftfahrzeugen erwarten lässt.
Um beim Zudosieren des Reduktionsmittels eine gute Durchmischung mit dem durch den Abgastrakt strömenden Abgas zu gewährleisten, werden flüssige oder pulverförmige Reduktionsmittel, wie eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder Harnstoff-Staub, zumeist in Form eines Sprühnebels dosiert in ein vom Abgas durchströmtes Abgasrohr eingedüst. Das Eindüsen des Reduktionsmittels erfolgt in der Regel mit Hilfe eines den Sprühnebel erzeugenden Dosiermoduls, das zum Schutz vor der Hitzeeinwirkung des heißen Abgases und des heißen Abgasrohrs häufig in einem gewissen Abstand von dem letzteren am Ende eines in das Abgasrohr mündenden Rohrstutzens angeordnet ist. Infolge von unkontrollierbaren Verwirbelungen des Abgases im Abgasrohr und im Rohrstutzen gelangt jedoch nicht immer der gesamte Sprühnebel vom Dosiermodul durch den Rohrstutzen bis in das Abgasrohr. Statt dessen kann sich ein mehr oder weniger großer Teil des Sprühnebels auf der Innenwand des Rohrstutzens niederschlagen oder absetzen, wodurch es dort mit der Zeit zu einer unerwünschten Bildung von Ablagerungen des Reduktionsmittels bzw. Zersetzungs- oder Folgeprodukten des Reduktionsmittels kommt. Dies wiederum kann entweder dazu führen, dass sich der Öffnungsquerschnitts des Rohrstutzens verengt und dadurch ein noch größerer Teil des Sprühnebels vor Erreichen des Abgasrohrs im Rohrstutzen zurückgehalten wird, oder dass sich Bruchstücke der gebildeten Ablagerungen ablösen und in den Abgasstrom eingetragen werden, was wiederum zu Schäden an Komponenten der Abgasnachbehandlungsvorrichtung stromabwärts vom Dosiermodul führen kann.
Zur Bildung von Ablagerungen kann es auch dann kommen, wenn der Sprühnebel infolge einer niedrigen Abgasgeschwindigkeit und/oder Abgastemperatur (und damit einer geringeren Verdampfungsgeschwindigkeit) bis zu einer dem Dosiermodul gegenüberliegenden Wand des Abgasrohrs gelangt, während diese noch eine relativ niedrige Wandtemperatur besitzt, oder wenn das Reduktionsmittel auf ein innerhalb des Abgasrohrs angeordnetes Prallblech oder dergleichen gespritzt wird, um das Reduktionsmittel durch den Aufprall zu vernebeln und mit dem Abgas zu vermischen.
Die zuletzt genannten Ablagerungen auf der Wand des Abgasrohrs oder auf dem Prallblech können zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes im Abgasrohr und/oder im Falle der zuvor genannten Ablösung von Bruchstücken ebenfalls zu Schäden an nachgeschalteten Komponenten führen. Zudem kann das in den Ablagerungen gespeicherte Reduktionsmittel im Falle einer späteren Freisetzung den Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung beeinträchtigen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Bildung von Ablagerungen des Reduktionsmittels bzw. von Zersetzungs- oder Folgeprodukten des Reduktionsmittels zu verhindern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für Ablagerungen von Reduktionsmittel bzw. seinen Zersetzungs- oder Folgeprodukten anfällige Oberflächen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen werden, die eine Umsetzung des Reduktionsmittels bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte mit mindestens einem im Abgas enthaltenen Reaktanten in flüchtige Reaktionsprodukte katalysiert, welche vom Abgasstrom mitgeführt werden können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Umsetzung des Reduktionsmittels bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukten mit mindestens einem im Abgas enthaltenen Reaktanten eine durch die Beschichtung katalysierte Oxidation des Reduktionsmittels bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte ist, bei der das Reduktionsmittel bzw. seine Zersetzungs- oder Folgeprodukte unter den im Abgastrakt herrschenden Bedingungen mit einem im Abgas enthaltenen Oxidationsmittel, wie Sauerstoff (O₂), Stickoxiden (NO_x), Schwefeloxiden (SO_x) usw., katalytisch in flüchtige, d. h. gas- oder dampfförmige Oxidationsprodukte, wie Kohlendioxid (CO₂), Stickoxide (NO_x) oder Wasserdampf (H₂O), umgesetzt wird.
Zu diesem Zweck kann die katalytisch aktive Beschichtung mindestens ein Metall oder eine Verbindung eines Metalls enthalten, das vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Edelmetallen oder Übergangsmetallen ausgewählt ist, wie Platin (Pt), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Silber (Ag), Gold (Au), Chrom (Cr), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Vanadium (V), Ruthenium (RU, Rhenium (Re), Osmium (Os), Iridium (Ir), Scandium (Sc), Neodym (Nd), Strontium (Sr), Barium (Ba) oder Calcium (Ca).
Alternativ oder zusätzlich kann die katalytisch aktive Beschichtung mindestens ein Lanthanoid oder Actinoid oder mindestens eine Verbindung eines Lanthanoids oder Actinoids enthalten, wie ein Oxid eines Lanthanoids oder Actinoids, wobei das Lanthanoid oder Actinoid vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Samarium (Sm), Gadolinium (Gd) oder Europium (Eu) ausgewählt ist.
Um die wirksame Oberfläche der aktiven Beschichtung zu vergrößern, kann die katalytisch aktive Beschichtung auf einem offenporigen Trägersubstrat angeordnet sein, das vorzugsweise von einem Oxid gebildet wird, zweckmäßig einem Oxid aus der Gruppe bestehend aus Zinnoxiden (SnO, SnO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titandioxid (TiO₂) Siliziumoxid (SiO₂) oder Mischungen bzw. Mischoxiden davon.
Dort, wo das Zudosieren und/oder Eindüsen des Reduktionsmittels mit einem Dosiermodul vorgenommen wird, das im Abstand von einem Abgasrohr am Ende eines in das Abgasrohr mündenden Rohrstutzens angeordnet ist, bedeckt die katalytische Beschichtung vorzugsweise mindestens einen Teil der Innenwand und zweckmäßig die gesamte Innenwand des Rohrstutzens zwischen dem Dosiermodul und dem Abgasrohr.
Dort, wo das Reduktionsmittel, wie in der DE 10 2004 004 738 A1 der Anmelderin beschrieben, vom Dosiermodul auf ein innerhalb des Abgasrohrs angeordnetes Prallblech oder auf einen dem Dosiermodul gegenüberliegenden Wandabschnitt des Abgasrohrs gespritzt wird, um es durch den Kontakt mit dem heißen Prallblech oder Wandabschnitt schneller zu verdampfen, ist zweckmäßig mindestens ein Teil des Prallblechs bzw. des gegenüberliegenden Wandabschnitts des Abgasrohrs mit der katalytisch aktiven Beschichtung versehen.
Dort, wo stromabwärts vom Dosiermodul ein Verdampfermodul und/oder ein statischer Mischer im Abgasrohr angeordnet ist, um die Verdampfung des Reduktionsmittels und dessen homogene Verteilung im Abgasstrom zu verbessern, wie zum Beispiel in der DE 10 2006 019 052 A1 der Anmelderin beschrieben, ist das Verdampfermodul und/oder der Mischer zweckmäßig ganz oder mindestens auf den zu Ablagerungen neigenden Oberflächenbereichen mit der katalytisch aktiven Beschichtung versehen.
Grundsätzlich kann die katalytisch aktive Beschichtung auf jeder in Frage kommenden Oberfläche vorgesehen sein, die einerseits dem Reduktionsmittel ausgesetzt ist, so dass es auf der Oberfläche zur Bildung von Ablagerungen des Reduktionsmittels bzw. von Zersetzungs- oder Folgeprodukten des Reduktionsmittels kommen kann, und die andererseits dem durch den Abgastrakt strömenden Abgas ausgesetzt ist, so dass dieses in Verbindung mit der katalytischen Beschichtung der Oberfläche für eine katalytische Umsetzung des Reduktionsmittels bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte in flüchtige Reaktionsprodukte sorgen kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Abgastraktes einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs;
2 eine vergrößerte Längsschnittansicht des Ausschnitts II aus 1.
Ausführungsform der Erfindung
Der in der Zeichnung dargestellte Abgastrakt 2 eines von einem Dieselmotor 4 angetriebenen Kraftfahrzeugs umfasst ein vom Dieselmotor 4 zu einem Auspuff 6 führendes Abgasrohr 8, einen entlang des Abgasrohrs 8 angeordneten SCR-Katalysator 10 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NO_x) im Abgas mit Hilfe eines zuvor in das Abgasrohr 8 zudosierten Reduktionsmittels, einen in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysator 10 entlang des Abgasrohrs 8 angeordneten Hydrolysekatalysator 12, sowie ein zwischen dem Dieselmotor 4 und dem Hydrolysekatalysator 12 entlang des Abgasrohrs 8 angeordnetes Dosiermodul 14 zur Zudosierung des Reduktionsmittels in das Abgas.
Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich um ein unter der Bezeichnung AdBlue^® bekanntes flüssiges Harnstoff-Wasser-Gemisch, das dem Dosiermodul mit Hilfe einer Förderpumpe 16 aus einem im Kraftfahrzeug mitgeführten Reduktionsmitteltank 18 zugeführt wird.
Das Dosiermodul 14 ist zum Schutz vor der Wärme des durch das Abgasrohr 8 strömenden Abgases und der Strahlungswärme des Abgasrohrs 8 in einem gewissen Abstand vom Abgasrohr 8 am Ende eines Rohrstutzens 20 angebracht, der unter einem spitzen Winkel zur Strömungsrichtung (Pfeil A) in das Abgasrohr 8 mündet.
Wie am besten in 2 dargestellt, wird das flüssige Harnstoff-Wasser-Gemisch vom Dosiermodul 14 in Form eines divergierenden Sprühkegels 22 aus fein verteilten Flüssigkeitströpfchen entlang der Längsachse des Rohrstutzens 20 durch diesen hindurch ins Innere des Abgasrohrs 8 eingedüst, wie in 2 durch unterbrochene Linien angezeigt. Die Zufuhr des Reduktionsmittels in Form eines Sprühkegels 22 oder Sprühnebels gewährleistet zum einen eine schnelle Verdunstung des im Harnstoff-Wasser-Gemisch enthaltenen Wassers und zum anderen eine homogene Verteilung des Harnstoffs (NH₂·CO·NH₂) im Abgasstrom, so dass dieser im Hydrolysekatalysator 12 mit Wasser (H₂O) vollständig zu Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂) umgesetzt wird. Mit dem Ammoniak (NH₃) werden anschließend die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NO_x) im SCR-Katalysator 10 unter Bildung von Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduziert.
Bei der Zudosierung des Harnstoff-Wasser-Gemischs in Form eines Sprühnebels 22 durch einen Rohrstutzen 20 aus einem zurückgesetzten Dosiermodul 14 lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass ein Teil der sich in Richtung des Abgasrohrs 9 bewegenden Flüssigkeitströpfchen infolge von Verwirbelungen des Abgases auf die Innenwand des Rohrstutzens 20 gelangt und sich dort niederschlägt oder absetzt.
Um zu vermeiden, dass dieser Vorgang infolge einer Verdunstung des Wassers in den sich absetzenden Flüssigkeitströpfchen zu einer unerwünschten Bildung von Harnstoffablagerungen auf der Innenwand des Rohrstutzens 20 führt, ist die gesamte Innenwand des Rohrstutzens 20 mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 24 versehen. Zur Vergrößerung der wirksamen Oberfläche wird zuvor ein poröses offenporiges Trägersubstrat auf die Innenwand des metallischen Rohrstutzens 20 aufgebracht, auf dem anschließend die Beschichtung 24 aufgedampft oder in anderer Weise abgeschieden wird.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das poröse Trägersubstrat aus porösen Metall- oder Halbleiteroxiden, zum Beispiel aus Zinnoxiden, Aluminiumoxiden, Titandioxid oder Siliziumoxiden bzw. aus Mischungen derselben oder Mischoxiden von Zinn, Aluminium, Titan und Silizium, während die katalytisch aktive Beschichtung aus einer dünnen Schicht aus einem oder mehreren Edelmetallen, Übergangsmetallen, Actinoiden oder Lanthanoiden oder Verbindungen derselben, wie zum Beispiel Oxiden, besteht, welche die Oberfläche des Trägersubstrats bedeckt.
Die Zusammensetzung der katalytisch aktiven Beschichtung 24 ist so gewählt, dass sie unter den im Abgasrohr 8 und im Rohrstutzen 20 herrschenden Bedingungen einerseits den üblichen Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit genügt und andererseits eine Oxidation des Harnstoffs (NH₂·CO·NH₂) und von dessen Zersetzungsprodukten, insbesondere von Ammoniak (NH₃) mit einem oder mehreren der im Abgas enthaltenen Oxidationsmittel, wie Sauerstoff (O₂), Stickoxiden (NO_x) oder Schwefeloxiden (SO_x) in flüchtige Reaktionsprodukte, wie Kohlendioxid (CO₂), Stickoxide (NO_x) und Wasser (H₂O) katalysiert, die dann vom Abgasstrom mitgeführt werden können, so dass sich auf der Innenwand des Rohrstutzens 20 keine Ablagerungen bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004004738 A1 [0014]
- DE 102006019052 A1 [0015]

Claims

Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgas in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, mit einer Einrichtung zum Zudosieren eines Reduktionsmittels in den Abgastrakt sowie mit einem SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas mit dem Reduktionsmittel oder mit Zersetzungs- oder Folgeprodukten des Reduktionsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass für Ablagerungen von Reduktionsmittel bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte anfällige Oberflächen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (24) versehen sind, die eine Umsetzung des Reduktionsmittels bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte mit mindestens einem im Abgas enthaltenen Reaktanten in flüchtige Reaktionsprodukte katalysiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung (24) eine Oxidation des Reduktionsmittels bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte mit mindestens einem im Abgas enthaltenen Oxidationsmittel in flüchtige Oxidationsprodukte katalysiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung (24) auf ein poröses Trägersubstrat aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat mindestens ein Metall- oder Halbleiteroxid enthält,
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall- oder Halbleiteroxid aus der Gruppe bestehend aus Zinnoxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumoxid oder Mischungen bzw. Mischoxiden davon ausgewählt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung mindestens ein Metall oder eine Verbindung eines Metalls enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall aus der Gruppe bestehend aus Platin, Rhodium, Palladium, Kupfer, Zink, Silber, Gold, Chrom, Nickel, Eisen, Vanadium, Ruthenium, Rhenium, Osmium, Iridium, Scandium, Neodym, Strontium, Barium und Calcium ausgewählt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung (24) mindestens ein Lanthanoid oder Actinoid oder mindestens eine Verbindung eines Lanthanoids oder Actinoids enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lanthanoid oder Actinoid aus der Gruppe bestehend aus Lanthan, Cer, Praseodym, Samarium Gadolinium oder Europium ausgewählt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung (24) auf der Innenwand eines Rohrstutzens (20) zwischen einem Dosiermodul (14) und einem Abgasrohr (8) vorgesehen ist.
Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Reduktionsmittel in den Abgastrakt zudosiert wird und bei dem im Abgas enthaltene Stickoxide durch Reaktion mit dem Reduktionsmittel oder mit Zersetzungs- oder Folgeprodukten des Reduktionsmittels reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass für Ablagerungen von Reduktionsmittel bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte anfällige Oberflächen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen werden, die eine Umsetzung des Reduktionsmittels bzw. seiner Zersetzungs- oder Folgeprodukte mit mindestens einem im Abgas enthaltenen Reaktanten in flüchtige Reaktionsprodukte katalysiert.