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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für
eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
bei Diesel- oder Magermotor-betriebenen Fahrzeugen immer schärfer
werdenden Stickoxide(NOx)-Emissionsgrenzwerte erfordern ab einem
bestimmten Fahrzeuggewicht eine die Stickoxide mindernde Abgasnachbehandlung,
die bspw. über eine sogenannte selektive katalytische Reaktion
(SCR) realisiert werden kann.
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Eine
zum Beispiel aus der
EP
0 932 440 B1 bekannte Variante des SCR-Verfahrens sieht
vor, dass bei Bedarf gasförmiges Ammoniak in die Abgasnachbehandlungseinrichtung
der Brennkraftmaschine einströmt. Dort reagiert das Ammoniak
in einem speziellen SCR-Katalysator zusammen mit den Stickoxiden
der Abgase und wird dabei zu ungefährlichem Stickstoff
und Wasser umgewandelt.
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Das
Ammoniak wird bekanntermaßen in einem Speicherbehälter
gespeichert. In dem Speicherbehälter befindet sich ein
Speichermaterial, das Ammoniak durch Temperaturerhöhung
freisetzt. Bei einem reversiblen Speicherprozess besteht das Speichermaterial
bspw. aus Amminkomplexen bildenden Metallsalzen, insbesondere Chloriden
und/oder Sulfaten der Erdalkalielemente wie Mg, Ca, Sr. Bei einem
alternativen, irreversiblen Speicherprozess wird Ammoniak bei höheren
Temperaturen aus einer Ammoniak-tragenden Vorläufersubstanz
rückstandsfrei freigesetzt. Geeignete Medien hierzu sind
z. B. Ammoniumcarbamat oder Ammoniumhydrogencarbonat.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung so weiterzuentwickeln,
dass sie besonders sicher betrieben werden kann. Außerdem
soll die Lösung kostengünstig sein.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird eine Abgasnachbehandlungseinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Für die
Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden
Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in
Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für
die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils
explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich
in den Unteransprüchen.
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Bekanntermaßen
erfolgt die Regelung der Ammoniakfreisetzung über die Temperatur
beziehungsweise den Wärmeeintrag in den Speicherbehälter.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass dann, wenn
bspw. aufgrund eines Fehlers der Speicherbehälter unkontrolliert
aufgeheizt wird, mehr Ammoniak als erforderlich entsteht und der
Druck im Speicherbehälter ansteigt. Außerdem kann
bei und/oder nach einem Abstellen der Brennkraftmaschine – also
ohne Abgasdurchsatz im Abgasrohr – ein zu hoher Druck des
im Speicherbehälter befindlichen freien Ammoniaks bis zum
Ablauf einer Abkühlphase schneller abgebaut werden, so
dass Ammoniak unnötigerweise ins Abgasrohr abgeleitet werden
muss.
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Das
zweite Speichervolumen stellt erfindungsgemäß einen Überlaufbereich
für das erste Speichervolumen dar, in den bei Bedarf der
Wirkstoff zur Abgasnachbearbeitung gezielt abgeleitet werden kann.
Für den Fall, dass der Wirkstoff gasförmig ausgebildet
ist, würde das zweite Speichervolumen einen Drucküberlaufbereich
repräsentieren, der den Wirkstoff bei einem Überdruck
im ersten Speichervolumen aufnimmt. Dieser Zustand kann im laufenden
Betrieb der Brennkraftmaschine oder z. B. beim Abstellen der Brennkraftmaschine oder
nach einer bereits abgestellten Brennkraftmaschine auftreten. Die
Brennkraftmaschine ist vorzugsweise ein Dieselmotor oder ein Magermotor.
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung
verhindert, dass der Wirkstoff in das Abgasrohr einströmt,
wenn kein Abgasdurchsatz im Abgasrohr vorliegt. Außerdem werden
auch bei noch nicht systemkritischen Druckniveaus mit der Erfindung
Druckspitzen geglättet und somit die Dosierkonstanz des
Wirkstoffs verbessert.
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Besonders
vorteilhaft dabei ist, wenn der Wirkstoff zur Abgasnachbehandlung
Ammoniak oder eine Vorläufersubstanz umfasst. Ammoniak
ist ein seit langem bewährter Wirkstoff zur Reduktion von
Stickoxiden und ist ein Wirkstoff, der preiswert herzustellen ist.
Außerdem ist Ammoniak gasförmig, was eine Abgasnachbehandlung
unter Anwendung von preiswerten Ventilen zu einer Gassteuerung möglich
macht. Es stehen darüber hinaus genügend, preiswert
herstellbare Speichermedien für Ammoniak, wie z. B. aus
Amminkomplexen bildende Metallsalze, insbesondere Chloride und/oder
Sulfate der Erdalkalielemente wie Mg, Ca oder Sr zur Verfügung
oder es kann alternativ leicht durch eine chemische Zersetzung einer
Vorläufersubstanz (z. B. Ammoniumcarbamat, Ammoniumhydrogencarbonat)
hergestellt werden. Weiterhin kann gasförmiges Ammoniak gut
mit dem Abgas im Abgasrohr vermischt und so dem SCR-Katalysator
zugeführt werden, der Stickoxide und das Ammoniak zu Stickstoff
und Wasser umwandelt. Der Druck des gasförmigen Ammoniaks
in dem Speichervolumen oder den Speichervolumina ist zu einer eventuell
nötigen Steuerung außerdem leicht und preiswert mit
Hilfe eines Drucksensors zu ermitteln.
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Deshalb
wird weiter vorgeschlagen, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung
eine Ventileinrichtung umfasst, die zwischen dem ersten und dem
zweiten Speichervolumen angeordnet ist. Mit Hilfe eines handelsüblichen
Ventils kann der Strom des Ammoniaks zwischen den beiden Speichervolumen
gesteuert werden. Dazu wird bspw. der Druck des Ammoniaks im ersten
Speichervolumen über einen Drucksensor ermittelt. Die Messwerte
können dann über eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung
ausgewertet und mit Hilfe eines in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung
vordefinierten Grenzdrucks Maßnahmen zur Druckglättung
und einem dadurch bedingtem Druckausgleich vom ersten Speichervolumen
zum zweiten Speichervolumen getroffen werden. Die Ventileinrichtung
arbeitet hier beispielsweise in der Funktion als Überdruckventil.
Die Ventileinrichtung kann dabei durch Steuerimpulse der Steuer-
und/oder Regeleinrichtung den Strom des Ammoniaks durch den regelbaren
Zugang zum zweiten Speichervolumen regeln.
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Noch
effektiver ist die Steuerung bzw. Regelung, wenn die Ventileinrichtung
einen Kreuzungspunkt zwischen dem ersten Speichervolumen, dem zweiten
Speichervolumen und dem Abgasrohr darstellt. Somit ergibt sich die
Möglichkeit, dass die Ventileinrichtung neben der Druckglättung
im ersten Speichervolumen gleichzeitig auch die Ammoniakmenge zum
Abgasrohr dosieren kann. Es ist also möglich, entweder
bei laufender Brennkraftmaschine eine im Wesentlichen konstant angepasste
Ammoniakmenge in das Abgasrohr einströmen zu lassen oder
die Ammoniakmenge von einer zuvor gemessenen Abgasmenge, von der
Last der Brennkraftmaschine oder von einem zuvor gemessenen Stickoxidgehalt
im Abgas abhängig zu machen. Dies ist bspw. durch die Steuerung
eines einfachen und damit preiswerten Zweiwegeventil möglich.
Bei einer gerade abgeschalteten Brennkraftmaschine ist das erste
Speichervolumen noch aufgeheizt und erzeugt unnötigerweise
noch Ammoniak, obwohl kein Abgasdurchfluss im Abgasrohr mehr stattfindet
und damit keine Reduktion von Stickoxiden möglich ist bzw.
benötigt wird. Das basisch wirkende nicht verarbeitbare
Ammoniak könnte bei einer Leckage Korrosionsschäden
an der Abgasanlage hervorrufen. Auch dieser Effekt kann durch die
Erfindung verhindert werden, da in diesem Zustand das noch vom ersten
Speichervolumen gegebenenfalls ausströmende Ammoniak komplett
in das zweite Speichervolumen umgeleitet werden kann.
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In
einer abgewandelten Ausführungsform ist eine erste Ventileinrichtung
zwischen dem ersten Speichervolumen und dem zweiten Speichervolumen
und eine zweite Ventileinrichtung zwischen den ersten Speichervolumen
und dem Abgasrohr angeordnet. Es werden hier also zwei Ventilelemente
verwendet, wobei die Funktionen des Druckausgleichs vom ersten Speichervolumen
zum zweiten Speichervolumen und der Dosierung des Ammoniakstroms
in das Abgasrohr physikalisch getrennt sind. Dies ermöglicht
eine noch effektiver arbeitende Steuerung bzw. Regelung der beiden
Funktionen.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass das zweite Speichervolumen ein Speichermaterial
für den Wirkstoff umfasst. Das zweite Speichermaterial
ist bevorzugt das gleiche oder zumindest ein ähnliches
chemisches Material, das zur reversiblen Ammoniakerzeugung verwendet
wird. So bietet sich bei Verwendung von bspw. CaCl2 als
Hauptspeichermaterial an, MgCl2 als zweites Sicherheitsspeichermaterial
einzusetzen, da es das Ammoniak fester bindet. Dies ist sehr preiswert
und effektiv.
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Wenn
das zweite Speichervolumen das gleiche Speichermaterial wie das
erste Speichervolumen aufweist, können beide Speicher ähnlich
oder sogar identisch aufgebaut sein. Diese Standardisierung wirkt
sich kostensenkend aus. Das Speichermaterial des zweiten Speichervolumens
kann dabei stets auf einem geringeren Temperaturniveau im Vergleich
zu dem Niveau des ersten Speichervolumens betrieben werden, um die Speicherkapazität
des zweiten Speichervolumens zu vergrößern.
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Weiter
wird vorgeschlagen, dass das zweite Speichervolumen einen mindestens
teilweise entleerten Bereich des ersten Speichervolumens umfasst.
Dabei sollte das zweite Speichervolumen ein abgetrennter Bereich
des ersten Speichervolumens sein. Diese Lösung ist besonders
einfach. Wegen des einstellbaren Druckausgleichs vom ersten Speichervolumen
zum zweiten Speichervolumen ist es natürlich nötig,
dass eine ausreichend große freie Ammoniakspeicherkapazität
im Absorber des zweiten Speichervolumens vorgehalten ist.
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Außerdem
vorteilhaft ist, wenn das zweite Speichervolumen beheizbar ist.
Dies ermöglicht eine Steuerung der Speichermenge bzw. der
Wiederfreisetzung des Wirkstoffs. Bevorzugt ist eine elektrische
Heizung; denkbar ist jedoch auch das Speichervolumen mit einem flüssigen
Wärmeträger, z. B. Kühlwasser der Brennkraftmaschine,
zu beheizen, das je nach Bedarf um das Speichervolumen zirkuliert.
Bei einer Wartung des Kraftfahrzeugs oder einem Betriebszustand
des Motors, bei dem das zweite Speichervolumen gerade nicht benötigt
wird, kann das Speichermaterial des zweiten Speichervolumens kräftig
aufgeheizt werden, um das zweite Speichervolumen von Ammoniak wieder
zu entleeren.
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Die
Beschaffenheit des Speichermaterials ist für die Erfindung,
insbesondere für das zweite Speichervolumen von großer
Bedeutung. So wird vorgeschlagen, dass das Speichermaterial in gepresster
Form verwendet wird, so dass das zweite Speichervolumen klein baut.
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Besser
ist es jedoch, wenn das Speichermaterial ein mikrokristallines Pulver
ist. Das mikrokristalline Pulver ist bevorzugt fein verteilt. Damit
erreicht man eine sehr große, schnell zugängliche
Oberfläche. Zwar ist dann das vorzuhaltende Volumen (Menge)
größer, jedoch ist die Wirkstoffaufnahmegeschwindigkeit
um ein Vielfaches höher. Dadurch wird die Zeit zur Wirkstoffaufnahme
entsprechend verkürzt. Gleiches gilt bei Verwendung einer
Flüssigkeit als zweites Speichermaterial.
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Die
Wirkstoffaufnahme wird auch durch die Verwendung von Stoffen erhöht,
die eine besonders hohe Affinität zu Ammoniak aufweisen.
Deshalb wird weiter vorgeschlagen, dass das Speichermaterial eine
Lewis-saure, insbesondere Brönsted-saure Eigenschaft aufweist.
Solche Stoffe ermöglichen in der Regel ein schnelles Einspeichern
von Ammoniak, was im zweiten Speichervolumen gefordert ist. Zur Übersicht
finden sich in der nachstehenden Tabelle geeignete Stoffklassen:
| Carbonsäuren
und alle sonstigen nichtflüchtigen, thermisch bis mind.
100°C stabilen organischen Säuren (pKs: 1–15)
als Reissubstanz, geträgert oder in Lösung bspw.
Bernsteinsäure, Oxalsäure, Citronensäure, Tricarballylsäure,
Butantetracarbonsäure, Mellitsäure, fluorierte
Alkohole |
| Polymere
Carbonsäuren, z. B. Polyacryl-Maleinsäure Copolymerisat
1:1 |
| Mikro-
oder mesoporöses Silica: z. B. Aerogele, Zeolithe, MCM-n,
SBA-n, MSU-n, usw. |
| Funktionalisiertes
mikro- oder mesoporöses Silica oder Komposite, welche bevorzugt
mit org. Säuren imprägniert wurden |
| Sonstige
anorganische Oxide mit Brönsted- oder Lewis-sauren Eigenschaften
und hoher Oberfläche |
| Aktivkohlen
im weiteren Sinne, entsprechend vorbehandelt oder mit Säuren
imprägniert, inkl. sonstiger poröser Kohlenstoffe |
| Ammin-Komplexbildner
gelöst oder als oberflächenreiche Festkörper,
z. B. mikro- oder mesoporöse, oder entspechend oberflächenderivatisierte/imprägnierte
Festkörper |
| Alle
sonstigen nichtflüchtigen und thermisch bis mind. 100°C
stabilen Mineralsäuren: monomer; polymer; als Reinsubstanz;
geträgert oder in Lösung. Bspw. Borsäure,
Phosphorsäure, Jodsäure, sulfatisiertes ZrO2, Heteropolysäuren |
| Nichtflüchtige
und thermisch bis mind. 100°C stabile anorganische und
organische Lösungsmittel, welche NH3 absorbieren
und thermisch wieder freisetzen |
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In
Ergänzung zu diesen Stoffklassen lassen sich auch stark
oder super saure Verbindungen einsetzen, die Ammoniak unter Bildung
eines Ammoniumsalzes bei Temperaturen > 100°C fest binden. Beispiele
hierfür sind starke Mineralsäuren, wie Schwefelsäure,
die H-Formen von Zeolithen sowie geträgert, in reiner Form oder
gelöst vorliegende (Poly-)Sulfonsäuren – einschließlich
deren perfluorierter Derivate, wie z. B. Trifluormethansulfonsäure.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn das Speichermaterial bei einer Ammoniak-Aufnahme
seinen Aggregatzustand ändert, insbesondere wenn das Speichermaterial
dabei schmilzt und z. B. eine Salzschmelze ausbildet. Da bei der
Ammoniak-Einspeicherung Wärme freigesetzt wird, kann durch
Schmelzen des Speichermaterials die entstehende Wärme gut
abgepuffert werden, da sie eine hohe Wärmekapazität
besitzen. Unter den Stoffen mit hoher Wärmekapazität
sind geträgerte Säuren oder auch Lösungen
von Säuren in einem die Wärme aufnehmenden Lösungsmittel
inkl. Wasser besonders vorteilhaft.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgaseinrichtung
und einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung
gemäß einer ersten Ausführungsform; und
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2 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgaseinrichtung
und einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung
gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 10, bspw. ein Dieselmotor, mit
einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 stark vereinfacht
und schematisch dargestellt. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 umfasst ein
Abgasrohr 14, in das in Strömungsrichtung gesehen
hintereinander ein Oxidationskatalysator 16, ein Dieselpartikelfilter 18 mit
einer katalytischen Beschichtung, ein Mischer 20 und ein
SCR- Katalysator 22 (selektive katalytische Reaktion) eingebaut
sind. Der SCR-Katalysator 22 ist derart ausgestaltet, dass
im SCR-Katalysator 22 mit Hilfe von gasförmigem
Ammoniak im Abgas vorhandenes Stickoxid zu ungefährlichem
Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Das notwendige Ammoniak
ist in einer externen Ammoniakerzeugungseinheit 24 gespeichert
und kann durch Zuführung von elektrischer Energie (vgl.
Bezugszeichen 26) durch Wärmeerzeugung freigesetzt
werden. In einer nicht dargestellten Ausführungsform wird
es durch chemische Zersetzung einer Vorläufersubstanz erzeugt.
Zur Speicherung des Ammoniaks umfasst die Ammoniakerzeugungseinheit 24 ein
Speichermaterial (nicht dargestellt), das durch einen reversiblen
oder auch alternativ durch einen irreversiblen Prozess Ammoniak
freisetzt.
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Mit
der Ammoniakerzeugungseinheit 24 ist ein Sicherheitsabsorber 28 über
ein Ventil 30 fluidisch verbindbar. Der Sicherheitsabsorber 28 enthält
ebenfalls ein Speichermaterial für Ammoniak (nicht dargestellt). Das
Speichermaterial der Ammoniakerzeugungseinheit 24 und des
Sicherheitsabsorbers 28 ist identisch. Das Speichermaterial
der Ammoniakerzeugungseinheit 24 kann aber bei einer hier
nicht gezeigten Ausführungsform von dem des Sicherheitsabsorbers 28 verschieden
sein. Der Unterschied zwischen der Ammoniakerzeugungseinheit 24 und
dem Sicherheitsabsorber 28 besteht darin, dass das Volumen
des Speichermaterials des Sicherheitsabsorbers 28 im Gegensatz
zum Volumen des Speichermaterials der Ammoniakerzeugungseinheit 24 zunächst
keinen Ammoniak enthält. Zusätzlich wird die Temperatur
des Sicherheitsabsorbers 28 im Vergleich zur Temperatur
der Ammoniakerzeugungseinheit 24 auf einem niedrigeren
Niveau gehalten. Dem Sicherheitsabsorber 28 kann optional
elektrische Heizenergie (vgl. Bezugszeichen 32) zugeführt
werden. Das Ventil 30 verbindet die Ammoniakerzeugungseinheit 24 entweder
mit dem Sicherheitsabsorber 28 oder mit dem Abgasrohr 14.
Auch Zwischenstellungen des Ventils 30, in denen die Ammoniakerzeugungseinheit 24 sowohl
mit dem Sicherheitsabsorber 28 als auch mit dem Abgasrohr 14 verbunden
ist, sind möglich.
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Die
Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 funktioniert folgendermaßen:
Das
Abgas wird aus der Brennkraftmaschine 10 ausgestoßen
und passiert den Oxidationskatalysator 16 und den Dieselpartikelfilter 18,
die ihre bekannten Funktionen ausführen. Zwischen dem Dieselpartikelfilter 18 und dem
SCR-Katalyator 20 befindet sich eine Einlassstelle 34 (bspw.
ein Dosierventil) für das Ammoniak. Der Mischer 20 ist
optional, da eine Gasdosierung – je nach Art und Ort einer
Ammoniak-Einbringung – einen Mischer erforderlich machen
kann. In die Ammoniakerzeugungseinheit 24 wird durch Zuführung
von elektrischer Energie Wärme eingebracht (vgl. Bezugszeichen 26)
und so Ammoniak freigesetzt bzw. erzeugt. Zur Realisierung eines
konstanten Ammoniakflusses in das Abgasrohr 14 wird der
Ammoniakdruck in der Ammoniakerzeugungseinheit 24 überprüft.
Dies kann bspw. durch einen in der Ammoniakerzeugungseinheit 24 angeordneten
Drucksensor (nicht dargestellt) geschehen, dessen Signale in einer
Steuereinrichtung (nicht dargestellt) ausgewertet werden. Beim Überschreiten
eines vordefinierten, kritischen Grenzdrucks steuert die Steuereinrichtung
das Ventil 30 in der Weise, dass der Zugang zum Sicherheitsabsorber 28 geöffnet
wird. Damit wird ein Teil des freigesetzten bzw. erzeugten Ammoniaks
in den Sicherheitsabsorber 28 geleitet, und ein ”druckgeglätteter” Anteil
des Ammoniaks strömt weiter in das Abgasrohr 14.
Dadurch, dass die Temperatur des Sicherheitsabsorbers 28 auf
niedrigen Niveau gehalten wird, wird die Speicherkapazität
des Speichermaterials des Sicherheitsabsorbers 28 vergrößert.
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2 zeigt
eine leicht geänderte Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12.
Gleiche Einrichtungen zu 1 haben die gleichen Bezugszeichen
und werden nicht noch einmal näher erläutert. In 2 sind
die Funktionen des Zweiwegeventils 30 aus 1 auf
zwei separate Ventile 36, 38 verteilt. Das bedeutet,
dass das Ventil 36 die Funktion eines Überdruckventils übernimmt
und das Ventil 38 als Dosierventil arbeitet. Dabei öffnet
das Überdruckventil 36 nur dann, wenn der vordefinierte,
kritische Grenzdruck in der Ammoniakerzeugungseinheit 24 überschritten
wird und ein Teil des erzeugten Ammoniaks in den Sicherheitsabsorber
abgeleitet werden soll. Das Überdruckventil 36 glättet
darüber hinaus eventuelle Druckschwankungen des Ammoniaks
im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine und sorgt für
einen konstanten Ammoniaksfluss ins Abgasrohr 14. Es sei
dabei erwähnt, dass die ins Abgasrohr 14 strömende
Ammoniakmenge auch variabel sein kann und bspw. von einer zuvor
gemessenen Abgasmenge, von der Last der Brennkraftmaschine 10 oder von
einem zuvor gemessenen Stickoxidgehalt im Abgas abhängig
gemacht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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