DE102008042735A1 - Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak sowie Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak sowie Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Speichern und Abgeben von Ammoniak, inbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit Einbringung von Ammoniak in einen Abgastrakt (2) des Kraftfahrzeugs für eine selektive katalytische Reaktion von Abgas, mit einem in einem Behälter (4) angeordneten Ammoniak speichernden Material (5), aus dem Ammoniak aufweisendes Gas durch Wärmeeintrag ausbringbar ist. Dabei ist mindestens eine erste Wasseraufnahmeeinheit (13), welche bei der Ausbringung des Gases von dem Gas durchströmbar ist und Wasser aufnehmen und Ammoniak abgeben kann und/oder mindestens eine zweite Wasseraufnahmeeinheit (21), welche das Einbringen von Wasser in das Ammoniak speichernde Material (5) verhindert, vorgesehen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine (16).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit Einbringung von Ammoniak in einen Abgastrakt des Kraftfahrzeugs für eine selektive katalytische Reaktion von Abgas, mit einem in einem Behälter angeordneten Ammoniak speichernden Material, aus dem Ammoniak aufweisendes Gas durch Wärmeeintrag ausbringbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine.
  • Stand der Technik
  • Vorrichtungen zum Speichern und Abgeben von Ammoniak der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden häufig eingesetzt, um gasförmiges Ammoniak in den Abgastrakt des Kraftfahrzeugs einzubringen, um dort eine selektive katalytische Reaktion von Abgas durchzuführen. Auf diese Weise können Stickoxide (NOx) zu harmlosen Produkten wie Stickstoff und Wasser reduziert werden. Beispielsweise ist in der EP 0 932 440 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion beschrieben. Dort ist ein Verfahren zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion in sauerstoffhaltigen Abgasen eines Verbrennungsmotors unter Verwendung von Ammoniak und einem Reduktionskatalysator beschrieben. Dabei wird gasförmiges Ammoniak durch Aufheizung eines in einen Behälter eingebrachten festen Speichermediums, also dem Ammoniak speichernden Material, zur Verfügung gestellt. Das Speichermedium ist ein regenerierbares festes Speichermedium, sodass der entleerte Behälter mit dem festen Speichermedium wieder mit Ammoniak befüllt werden kann. Diese Vorgehensweise hat gegenüber alternativen Verfahren, bei welchen beispielsweise das Ammoniak in Form einer flüssigen Lösung (beispielsweise bekannt unter der Bezeichnung „AdBlue”) bereitgestellt wird, den Vorteil, dass das Ammoniak präzise dosierbar ist, keine Probleme im Winterbetrieb verursacht und daher keine zusätzlichen Gefrierschutzmaßnahmen erforderlich werden. Unter den Ammoniak zumindest teilweise reversibel speichernden Materialien haben sich sogenannte Metallsalzspeicher als besonders geeignet erwiesen. Dabei sind Amminkomplexe bildende Metalle beziehungsweise deren Salze, insbesondere die Chloride oder Sulfate der Erdalkalimetalle Magnesium, Kalzium und Strontium besonders geeignet. Darüber hinaus sind auch Salze der 3d-Nebengruppenelemente Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink oder Salze des 4d-Elementes Silber zur Speicherung des Ammoniaks verwendbar. Im Zuge der Herstellung beziehungsweise Verarbeitung des Speichermediums ziehen diese, üblicherweise stark hygroskopischen Substanzen, in unterschiedlichem Ausmaß Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit an. In Gegenwart von Wasser bildet sich bei entsprechenden Temperaturen jedoch HCl, also Chlorwasserstoff, der in der Vorrichtung und/oder im Abgastrakt des Kraftfahrzeugs zu Korrosionsschäden führt. Zudem kann unter bestimmten Bedingungen HCl beziehungsweise dessen wässrige Lösung, die Salzsäure, in Anwesenheit des Ammoniaks zu NH4Cl reagieren und dieses sich durch Dissoziation und Resublimation in den kälteren Bereichen des Systems niederschlagen. Dies kann Querschnittsverengungen von Zuführungsleitungen oder ein Verschließen von Dosierventilen zur Folge haben. Neben dem Eintrag von Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit im Zuge der Herstellung beziehungsweise Verarbeitung besteht auch die Gefahr, dass Wasser in das Ammoniak speichernde Material während eines Betriebs beziehungsweise nach einem Betrieb der Vorrichtung eingeschleppt wird. Dies ist insbesondere durch den Umstand bedingt, dass sich im kalten Zustand ein Unterdruck in dem Behälter, in welchem das Ammoniak speichernde Material angeordnet ist, durch nahezu vollständige Aufnahme des gasförmigen Ammoniaks einstellt. Aus diesem Grund kann, besonders nach einem Betriebsende der Vorrichtung beziehungsweise des Kraftfahrzeugs, Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit aus dem Abgastrakt in das Ammoniak speichernde Material gelangen. Neben dem Ammoniak ist dann auch Wasser in dem Ammoniak speichernden Material gebunden. Beim Aufwärmen des Materials, um das Ammoniak aufweisende Gas auszubringen, wird dann neben Ammoniak auch Wasser freigesetzt, was letztlich zu einem undefinierten Ammoniak-Wasser-Gasgemisch führt. Damit ist die Ammoniakkonzentration nicht mehr eindeutig und somit keine genaue Dosierung des in den Abgastrakt des Kraftfahrzeugs eingebrachten Ammoniaks möglich. Wird als Ammoniak speicherndes Material beispielsweise MgCl2 als Speichermaterial verwendet, so ist nach der Einschleppung von Wasser wie erwähnt die Bildung von Chlorwasserstoff beziehungsweise – in Gegenwart von NH3 – die Bildung von NH4Cl möglich. Dies erfolgt in ersterem Fall gemäß der Reaktionsgleichung Mg(H2O)Cl2 + Wärme ↔ Mg(OH)Cl + HCl und in letzterem Fall nach der Reaktionsgleichung HCl + NH3 ↔ NH4Cl.
  • Beide Stoffe weisen ein erhebliches Korrosionspotential auf, sodass sowohl die Vorrichtung als auch der Abgastrakt des Kraftfahrzeugs angegriffen werden können. Dabei kann NH4Cl zusätzlich, wie vorstehend beschrieben, zu Ablagerungen in der Vorrichtung und/oder dem Abgastrakt führen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Demgegenüber weist die Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass sowohl ein Ammoniakgehalt des aus der Vorrichtung abgegebenen Gases im Wesentlichen hoch gehalten werden kann, als auch das Einbringen von Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit während beziehungsweise nach einem Betrieb der Vorrichtung verhindert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem mindestens eine erste Wasseraufnahmeeinheit, welche bei der Ausbringung des Gases von dem Gas durchströmbar ist und Wasser aufnehmen und Ammoniak abgeben kann und/oder eine zweite Wasseraufnahmeeinheit, welche das Einbringen von Wasser in das Ammoniak speichernde Material verhindert, vorgesehen ist/sind. Mittels der ersten Wasseraufnahmeeinheit wird verhindert, dass im Zuge der Herstellung beziehungsweise Verarbeitung des Ammoniak speichernden Materials in dieses eingebrachtes Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit aus der Vorrichtung gelangen kann und beispielsweise in den Abgastrakt des Kraftfahrzeugs eingebracht wird. Dies wird erreicht, indem die erste Wasseraufnahmeeinheit Wasser aus dem Ammoniak aufweisenden Gas aufnimmt und gleichzeitig Ammoniak abgibt. Zu diesem Zweck ist in der ersten Wasseraufnahmeeinheit beispielsweise eine Vorstufe eines NH3-Lieferanten vorgesehen. Bei der Ausbringung des Gases aus dem Behälter durchströmt das Gas die erste Wasseraufnahmeeinheit. Eventuell in dem Gas vorhandenes Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit reagiert mit der Vorstufe des NH3-Lieferanten, womit das Wasser gebunden und gleichzeitig Ammoniak abgegeben wird. Auf diese Weise kann der Ammoniakgehalt des ausgebrachten Gases erhöht und idealerweise im Wesentlichen konstant gehalten werden. Zusätzlich oder alternativ ist die zweite Wasseraufnahmeeinheit vorgesehen. Diese verhindert das Einbringen von Wasser in das Ammoniak speichernde Material. Wie vorstehend beschrieben, wird das Ammoniak aufweisende Gas durch Wärmeeintrag aus dem Behälter ausgebracht. Entfällt der Wärmeeintrag, beispielsweise nach einem Betriebsende der Vorrichtung beziehungsweise des Kraftfahrzeugs, so kühlt der Behälter beziehungsweise das darin angeordnete Ammoniak speichernde Material ab, wobei gasförmiges Ammoniak wieder in das Ammoniak speichernde Material aufgenommen wird. Daher bildet sich nach dem Entfallen des Wärmeeintrags ein Unterdruck in dem Behälter aus, sodass sich eine Strömungsrichtung des Ammoniak aufweisenden Gases umkehren kann. Dabei kann Gas aus der Umgebung, beispielsweise Umgebungsluft oder Abgase aus dem Abgastrakt des Kraftfahrzeugs, in die Vorrichtung und damit den Behälter gelangen. Das darin enthaltene Wasser beziehungsweise die Feuchtigkeit wird daraufhin ebenfalls in dem Ammoniak speichernden Material gebunden. Dies wird durch die zweite Wasseraufnahmeeinheit verhindert. Zu diesem Zweck kann in der zweiten Wasseraufnahmeeinheit ein Trockenmittel angeordnet sein, das eine hohe Selektivität hinsichtlich der Aufnahme von Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit in Gegenwart von Ammoniak besitzt. Auf diese Weise wird eine Verunreinigung des Ammoniak speichernden Materials mit Wasser verhindert. Der Ammoniakgehalt des Ammoniak aufweisenden Gases kann also durch das Verhindern des Eindringens von Wasser in das Ammoniak speichernde Material im Wesentlichen konstant gehalten werden. In der Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak kann sowohl die mindestens eine erste Wasseraufnahmeeinheit als auch die mindestens eine zweite Wasseraufnahmeeinheit vorgesehen sein.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ein an den Behälter angeschlossenes Ventil, insbesondere gasdichtes Rückschlagventil, zum gesteuerten Abgeben des Gases vor. Das Ausbringen des Gases aus der Vorrichtung wird also nicht lediglich mittels des Wärmeeintrags kontrolliert beziehungsweise dosiert. Zusätzlich ist ein Ventil vorgesehen, welches an den Behälter angeschlossen ist. Mit diesem Ventil ist eine gezielte Dosierung des Ammoniak aufweisenden Gases möglich. Insbesondere ist auch eine Steuerung beziehungsweise Regelung des Ventils in Abhängigkeit des Ammoniakgehaltes des Ammoniak aufweisenden Gases vorgesehen. Mit Vorteil ist das Ventil als gasdichtes Rückschlagventil ausgebildet, sodass ein Eintrag von Umgebungsluft und/oder Abgas bei Entfallen des Wärmeeintrags aufgrund des sich folglich aufbauenden Unterdrucks verhindert ist. Es ist allerdings trotz des gasdichten Rückschlagventils vorteilhaft, die zweite Wasseraufnahmeeinheit vorzusehen, da schon bei kleinen Undichtigkeiten des Rückschlagventils (beispielsweise durch Verschmutzung) Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit aus der Umgebung beziehungsweise dem Abgastrakt in das Ammoniak speichernde Material gelangen kann.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ammoniak speichernde Material ein Metallsalz ist. Metallsalze haben sich als besonders geeignet zum Speichern von Ammoniak aufweisendem Gas erwiesen. Verwendbar sind beispielsweise Amminkomplexe bildende Metalle beziehungsweise deren Salze, insbesondere Dichloride oder Sulfate der Erdalkalimetalle Magnesium, Kalzium und Strontium. Weiterhin sind auch Salze der 3d-Nebengruppenelemente Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer und Zink und/oder Salze des 4d-Elementes Silber zur Speicherung des Ammoniak aufweisenden Gases verwendbar.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeeinheit zwischen dem Behälter und dem Ventil und/oder einem Auslass der Vorrichtung angeordnet sind und/oder der Behälter die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeneinheit aufweist und/oder ausbildet. Sowohl die erste als auch die zweite Wasseraufnahmeeinheit können in dem Strömungsweg des ausgebrachten Ammoniak aufweisenden Gases angeordnet sein. Das bedeutet, dass sie zwischen dem Behälter und dem Auslass der Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak positioniert sind. Ist das Ventil vorgesehen, so sind die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeeinheit mit Vorteil zwischen dem Behälter und dem Ventil angeordnet, weil das Ventil bereits das Eindringen von Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit zumindest teilweise verhindert. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Behälter die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeeinheit aufweist. Die erste und/oder zweite Wasseraufnahmeeinheit sind/ist also dem Behälter zugeordnet. Beispielsweise kann im Inneren des Behälters ein Gemisch aus dem Ammoniak speichernden Material sowie dem für die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeeinheit vorgesehenen Material angeordnet sein. Alternativ kann der Behälter die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeeinheit ausbilden. Beispielsweise können in dem Behälter mehrere Abschnitte vorgesehen sein, welche jeweils Ammoniak speicherndes Material enthalten und der ersten und/oder der zweiten Wasseraufnahmeeinheit zugeordnet sind.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Behälter und/oder die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeeinheit, insbesondere steuer- und/oder regelbar, beheizbar sind. Behälter, erste und/oder zweite Wasseraufnahmeeinheit können eine Heizvorrichtung aufweisen, mittels welcher sie jeweils beheizbar sind. Im Falle des Behälters dient die Heizung dem Ausbringen des Ammoniak aufweisenden Gases aus dem Ammoniak speichernden Material. Die Heizung der ersten und/oder zweiten Wasseraufnahmeeinheit kann zum Regenerieren, das heißt Austreiben des aufgenommenen Wassers, verwendet werden. Dabei können die Heizungen steuer- und/oder regelbar sein. Dies bedeutet insbesondere, dass sie auf eine bestimmte Temperatur einstellbar sind oder der Behälter und/oder die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeeinheit auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden können.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Wasseraufnahmeeinheit mindestens ein weiteres Ammoniak speicherndes Material, insbesondere eine Ammoniakvorstufe, bevorzugt ein anorganisches Amid, Imid oder Nitrid, weiter bevorzugt ein anorganisches Amid, Imid oder Nitrid der Hauptgruppenelemente, noch weiter bevorzugt ein anorganisches Amid, Imid oder Nitrid der Elemente Lithium, Natrium, Magnesium, Kalzium, Bor, Aluminium, Silicium, aufweist. Diese Substanzen reagieren mit Feuchtigkeit des ausgebrachten Ammoniak aufweisenden Gases und geben dabei Ammoniak frei. Beispielsweise können Magnesiumnitrid (Mg3N2), polymeres Siliciumdiimid ([Si(NH)2]x) oder Lithiumamid (LiNH2) verwendet werden. Diese Verbindungen ergeben nach den nachstehenden Gleichungen NH3. In Klammern ist jeweils die NH3-Effizienz, also NH3 pro NH3-Vorläuferverbindung in Gewichtsprozent angegeben. 1/x[Si(NH)2]x + 2H2O → SiO2 + 2NH3 (59%) Mg3N2 + 6H2O → 3Mg(OH)2 + 2NH3 (34%) 2LiNH2 + 2H2O → 2LiOH + 2NH3 (74%) beziehungsweise LiNH2 + H2O → NH3 + LiOH
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das weitere Ammoniak speichernde Material der ersten Wasseraufnahmeeinheit in einer Schüttung und/oder in poröser Form vorliegt. Um ein rasches und gezieltes Abfangen des Wassers beziehungsweise der Feuchtigkeit zu gewährleisten, liegt die NH3-Vorstufe beziehungsweise das weitere Ammoniak speichernde Material in einer feinen, lockeren Schüttung und/oder in einer porösen Form vor. Durch das Vorliegen als Schüttung und/oder in poröser Form ist die Oberfläche des weiteren Ammoniak speichernden Materials stark vergrößert, sodass ein höherer Anteil des Ammoniak aufweisenden Gases mit dem weiteren Ammoniak speichernden Material der ersten Wasseraufnahmeeinheit in Verbindung treten kann. Auf diese Weise wird die Effizienz der Umwandlung des Wassers beziehungsweise der Feuchtigkeit in Ammoniak deutlich verbessert.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Menge des weiteren Ammoniak speichernden Materials der ersten Wasseraufnahmeeinheit auf die in dem Behälter gespeicherte Ammoniakmenge und/oder einen Wassergehalt des Gases abgestimmt ist. Die Menge des weiteren Ammoniak speichernden Materials ist also auch auf den maximalen Inhalt des Behälters und die aus den (Herstell-)Prozessen bekannte Restfeuchte des Ammoniak speichernden Materials ausgerichtet. Diese Abstimmung erfolgt, um nicht eine zu große Menge des weiteren Ammoniak speichernden Materials und damit unnötiges Gewicht beziehungsweise unnötiges Volumen in der Vorrichtung vorsehen zu müssen. Ebenso sollte selbstredend die Menge des weiteren Ammoniak speichernden Materials ausreichend sein, um während des gesamten Ausbringens des Ammoniak aufweisenden Gases aus der Vorrichtung die Funktion der ersten Wasseraufnahmeeinheit sicherzustellen.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Wasseraufnahmeeinheit mindestens ein Wasser absorbierendes Trockenmittel enthält. Dabei wird ein Trockenmittel verwendet, welches eine hohe Selektivität hinsichtlich der Aufnahme von Wasser in Gegenwart von Ammoniak besitzt. Das Trockenmittel dient dazu, in die Vorrichtung eindringendes Gas, beispielsweise Umgebungsluft und/oder Abgas aus dem Abgastrakt des Kraftfahrzeugs, zu trocknen, das heißt, das in ihm befindliche Wasser aufzunehmen. Gelangt das getrocknete Gas weiter in den Behälter, in welchem das Ammoniak speichernde Material angeordnet ist, so führt dies nicht zur Aufnahme von Wasser in diesem. Der Ammoniakgehalt des Ammoniak aufweisenden Gases, welches durch Wärmeeintrag aus dem Ammoniak speichernden Material ausbringbar ist, kann durch diese Maßnahme also im Wesentlichen konstant gehalten werden.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Trockenmittel ein basisches Material, insbesondere ein Hydroxid oder Oxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, bevorzugt Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid, Bariumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, oder ein Amid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, bevorzugt NaNH2 oder LiNH2, ist. Geeignete Trockenmittel für Gase, die Wasser neben Ammoniak enthalten, sind üblicherweise stark basische Materialien. Beispiele für diese Materialien wurden vorstehend bereits aufgeführt.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Wasseraufnahmeeinheit mittels Wärmeeintrag regenerierbar ist. Es ist optional möglich, dass das Trockenmittel ab einem bestimmten Wasseraufnahmegrad durch Wärmeeintrag regeneriert wird. Durch Wärmeeintrag beziehungsweise Aufheizen der zweiten Wasseraufnahmeeinheit beziehungsweise des darin befindlichen Trockenmittels, kann das in dem Trockenmittel gebundene Wasser freigesetzt werden und somit das Trockenmittel für eine erneute Wasseraufnahme vorbereitet werden.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Regenerierung der zweiten Wasseraufnahmeeinheit der Behälter und die zweite Wasseraufnahmeeinheit auf eine jeweilige Wasserabgabetemperatur beheizbar sind. Abhängig von der chemischen Natur des in der zweiten Wasseraufnahmeeinheit vorgesehenen Trockenmittels ist es vorteilhaft, wenn die das Trockenmittel enthaltenden Bereiche und die Bereiche, welche das Ammoniak speichernde Material enthalten, im Wesentlichen unabhängig voneinander beheizbar sind. Auf diese Weise kann das Trockenmittel nahezu unabhängig von der Temperatur des Ammoniak speichernden Materials temperiert werden: Die Wasserabgabetemperatur des Trockenmittels muss daher nicht zwangsweise höher sein als die des Ammoniak speichernden Materials. Dies gilt insbesondere, wenn sowohl der Behälter als auch die zweite Wasseraufnahmeeinheit auf oder etwas über ihre jeweilige thermodynamisch vorgegebene Wasserabgabetemperatur gebracht werden. Mit dieser unabhängigen Temperierung kann verhindert werden, dass aus dem Trockenmittel freigesetztes Wasser in dem Ammoniak speichernden Material eingelagert wird. Es wird also durch das Beheizen der zweiten Wasseraufnahmeeinheit das darin gespeicherte Wasser freigesetzt. Um zu verhindern, dass sich dieses in dem Behälter beziehungsweise dem darin befindlichen Ammoniak speichernden Material niedersetzt, wird der Behälter ebenfalls beheizt.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit Einbringung von Ammoniak in einen Abgastrakt für eine selektive katalytische Reaktion von Abgas, mit einer Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak, insbesondere nach den vorstehenden Ausführungen, wobei die Vorrichtung ein in einem Behälter angeordnetes Ammoniak speicherndes Material aufweist, aus dem Ammoniak aufweisendes Gas durch Wärmeeintrag ausbringbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung mindestens eine erste Wasseraufnahmeeinheit, welche bei der Ausbringung des Gases von dem Gas durchströmbar ist und Wasser aufnehmen und Ammoniak abgeben kann und/oder eine zweite Wasseraufnahmeeinheit aufweist, welche das Einbringen von Wasser in das Ammoniak speichernde Material verhindert. Es ist also vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak der Brennkraftmaschine zugeordnet wird. Das Ammoniak aus der Vorrichtung soll in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine eingebracht werden, um, wie vorstehend ausgeführt, die selektive katalytische Reinigung des Abgases vorzunehmen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak mit einem Behälter, in welchem Ammoniak speicherndes Material angeordnet ist und der eine erste Wasseraufnahmeeinheit aufweist,
  • 2 die aus 1 bekannte Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak, wobei die erste Wasseraufnahmeeinheit separat von dem Behälter ausgebildet ist und zwischen dem Behälter und einem Ventil angeordnet ist,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgastrakt, welcher ein Abgasnachbehandlungssystem aufweist, welches über die Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak verfügt,
  • 4 die aus 3 bekannte Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung zum Speichern und Abgeben von Ammoniak vorgesehen ist und eine zweite Wasseraufnahmeeinheit aufweist, welche zwischen dem Behälter und dem Ventil ausgebildet ist,
  • 5 die aus 4 bekannte Brennkraftmaschine, wobei der Behälter die zweite Wasseraufnahmeeinheit aufweist, und
  • 6 die aus 4 bekannte Brennkraftmaschine, wobei der Behälter die zweite Wasseraufnahmeeinheit ausbildet.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Speichern und Abgeben von Ammoniak, welche an einen Abgastrakt 2 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Mittels der Vorrichtung 1 wird gasförmiges Ammoniak in einen Katalysator 3 des Abgastrakts 2 eingebracht. Dieser reduziert Stickoxide (NOx) zu unschädlichen Komponenten wie Stickstoff und Wasser. Durch den Abgastrakt 2 strömen Abgase einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs. Das Ammoniak ist in einem Behälter 4 gespeichert. In diesem befindet sich ein Ammoniak speicherndes Material 5, aus welchem Ammoniak aufweisendes Gas durch Wärmeeintrag ausbringbar ist. Der Wärmeeintrag wird durch eine Heizung 6 bewirkt, welche dem Behälter 4 zugeordnet ist. In dem dargestellten Beispiel ist die Heizung 6 als elektrische Heizung ausgebildet, weist also eine Heizwendel 7 auf. Das durch Wärmeeintrag ausgebrachte Ammoniak aufweisende Gas gelangt in eine Leitung 8, an welche eine Druckmesseinrichtung 9 sowie ein Ventil 10 angeschlossen ist. Das Ventil 10 kann als gasdichtes Rückschlagventil 11 ausgebildet sein. Mittels des Ventils 10 kann eine Menge des in den Abgastrakt 2 abgegebenen Ammoniak aufweisenden Gases gesteuert und/oder geregelt werden. Die Vorrichtung 1 weist außerdem ein Steuermodul 12 auf, welches sowohl an die Druckmesseinrichtung 9 als auch an die Heizung 6 angeschlossen ist. Die Druckmesseinrichtung 9 bestimmt folglich den Druck des Ammoniak aufweisenden Gases in der Leitung 8. Das Steuermodul kann basierend auf dieser Information die Heizung 6 steuern und/oder regeln, sodass ein im Wesentlichen konstanter Druck in der Leitung 8 erzielt werden kann beziehungsweise die Menge des ausgebrachten Ammoniak aufweisenden Gases an einen Bedarf der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs angepasst ist. Herstellungs- beziehungsweise verarbeitungsbedingt enthält das Ammoniak speichernde Material 5 in unterschiedlichem Ausmaß Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit. Um zu verhindern, dass Wasser zusammen mit dem Ammoniak aufweisenden Gas in den Abgastrakt 2 gelangt, weist der Behälter 4 eine erste Wasseraufnahmeeinheit 13 auf. Diese besteht in dem in 1 gezeigten Beispiel aus einem weiteren Ammoniak speichernden Material 14, welches Feuchtigkeit aus dem Ammoniak aufweisenden Gas aufnehmen kann, sobald dieses mit dem Material 14 in Berührung kommt. Das weitere Ammoniak speichernde Material 14 ist unmittelbar in dem Behälter 4 angeordnet und ist mit dem Ammoniak speichernden Material 5 vermischt.
  • Die 2 zeigt die aus 1 bekannte Vorrichtung 1 zum Speichern und Abgeben von Ammoniak. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Beispiel ist das weitere Ammoniak speichernde Material 14 beziehungsweise die erste Wasseraufnahmeeinheit 13 nicht mehr in dem Behälter 4 angeordnet, sondern bildet eine eigenständige Baueinheit. Die erste Wasseraufnahmeeinheit 13 ist dabei zwischen dem Behälter 4 und dem Ventil 10 beziehungsweise einem Auslass 15 der Vorrichtung 1 angeordnet. Auf diese Weise durchströmt aus dem Behälter 4 ausgebrachtes, Ammoniak aufweisendes Gas stets die erste Wasseraufnahmeeinheit 13, bevor es in den Abgastrakt 2 beziehungsweise den Katalysator 3 gelangt.
  • Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 16 mit einem Abgastrakt 2. In diesem sind ein Oxidationskatalysator 17, ein Dieselpartikelfilter 18 mit katalytischer Beschichtung, ein optional vorzusehender Mischer 19 sowie der Katalysator 3 zur Durchführung der selektiven katalytischen NOx-Reduktion vorgesehen. Anschließend dem Katalysator 3 führt der Abgastrakt 2 in eine Umgebung 20, in die die gesäuberten Abgase austreten können. In dem Abgastrakt 2 ist in Strömungsrichtung vor dem Mischer 19 der Auslass 15 der Vorrichtung 1 vorgesehen, welcher hier nur schematisch dargestellt ist. Die Vorrichtung 1 gibt durch die Leitung 8 Ammoniak aufweisendes Gas durch den Auslass 15 in den Abgastrakt 2 ab. In dem Mischer 19 wird dieses mit dem Abgas vermengt und tritt anschließend zusammen mit diesem in den Katalysator 3 ein. In diesem findet schließlich die selektive katalytische Reaktion statt.
  • Die 4 zeigt die aus der 3 bekannte Brennkraftmaschine 16 mit dem Abgastrakt 2, wobei die Vorrichtung 1 in einer ersten Ausführungsform detaillierter dargestellt ist. Diese weist, wie bereits vorstehend erläutert, den Behälter 4 auf, in welchem Ammoniak speicherndes Material 5 sowie die Heizung 6 mit einer Heizwendel 7 vorgesehen ist. Aus dem Behälter 4 kann Ammoniak aufweisendes Gas durch Wärmeeintrag, also mittels der Heizung 6, ausgebracht werden. Dieses durchströmt zunächst die Leitung 8 in Richtung des Ventils 10 beziehungsweise des Auslasses 15. Dabei durchläuft es eine zweite Wasseraufnahmeeinheit 21. Diese weist ein Trockenmittel 22 und eine weitere Heizung 23 auf. Beim Durchlaufen der zweiten Wasseraufnahmeeinheit 21 wird eventuell in dem Ammoniak aufweisenden Gas enthaltenes Wasser aus diesem entzogen. Es wird also getrocknet. Der eigentliche Vorteil der zweiten Wasseraufnahmeeinheit 21 zeigt sich jedoch nach einem Betriebsende der Brennkraftmaschine 16 und damit einem Deaktivieren der Heizung 6 des Behälters 4. Durch das Abkühlen des Behälters 4 und damit auch des Ammoniak speichernden Materials 5 nimmt letzteres gasförmiges Ammoniak auf. Daher bildet sich in dem Behälter 4 ein Unterdruck aus, was dazu führen kann, dass Umgebungsluft beziehungsweise Abgase durch den Auslass 15 in die Leitung 8 eintreten. Dies wird zwar zumindest teilweise durch das als Rückschlagventil 11 ausgebildete Ventil 10 verhindert, jedoch reichen bereits kleine Undichtigkeiten des Rückschlagventils 11 aus, damit Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit in die Leitung 8 gelangen kann. Das in Richtung des Behälters 4 zurückströmende Gas durchläuft die zweite Wasseraufnahmeeinheit 21, wobei ihr das Wasser beziehungsweise die Feuchtigkeit entzogen wird. Auf diese Weise enthält das in den Behälter 4 gelangende Gas keine beziehungsweise nur eine geringe Menge Feuchtigkeit. Es wird also keine Feuchtigkeit in das Ammoniak speichernde Material 5 eingebracht. Mittels der Heizung 23 kann die zweite Wasseraufnahmeeinheit 21 regeneriert werden. Das bedeutet, dass das in ihr gespeicherte Wasser freigegeben und in den Abgastrakt 2 befördert werden kann. Dazu wird vorteilhafterweise sowohl der Behälter 4 mittels der Heizung 6 als auch die zweite Wasseraufnahmeeinheit 21 mittels der Heizung 23 auf eine jeweilige Wasserabgabetemperatur aufgeheizt. Das bedeutet, dass der Behälter 4 soweit aufgeheizt wird, dass das Ammoniak speichernde Material 5 Wasser abgibt und die zweite Wasseraufnahmeeinheit 21 so, dass das Trockenmittel 22 Wasser abgibt. Auf diese Weise kann das aus dem Trockenmittel 22 beziehungsweise der zweiten Wasseraufnahmeeinheit 21 ausgebrachte Wasser nicht von dem Ammoniak speicherndem Material 5 in dem Behälter 4 aufgenommen werden.
  • Die 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung der aus der 4 bekannten Brennkraftmaschine 16 mit dem Abgastrakt 2 und der Vorrichtung 1. In diesem Fall weist der Behälter 4 die zweite Wasseraufnahmeeinheit 21 auf. Dabei ist das Trockenmittel 22 mit dem Ammoniak speichernden Material 5 vermischt. Die Heizung 23 der zweiten Wasseraufnahmeeinheit 21 dient daher ebenso als Heizung 6 des Behälters 4.
  • Die 6 zeigt ebenfalls eine weitere Ausgestaltung der aus der 4 bekannten Brennkraftmaschine 16. Dabei bildet der Behälter 4 der Vorrichtung 1 die zweite Wasseraufnahmeeinheit 21 aus. Dabei ist vorgesehen, dass der Behälter 4 mehrere Abschnitte 24 und 25 aufweist, die in dem dargestellten Beispiel abwechselnd mit Ammoniak speicherndem Material 5 gefüllt sind (Abschnitte 24) beziehungsweise die zweite Wasseraufnahmeeinheit 21 mit wasseraufnehmendem Material aufweisen (Abschnitte 25). Dabei ist jedem Abschnitt 24/25 eine Heizung 6 beziehungsweise 23 zugeordnet, die als Heizung 26a beziehungsweise 26b bezeichnet ist. Die Abschnitte 24, die Ammoniak speicherndes Material 5 enthalten, als auch die Abschnitte 25, die die zweite Wasseraufnahmeeinheit 21 ausbilden, sind somit getrennt voneinander beheizbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0932440 B1 [0002]

Claims (13)

  1. Vorrichtung (1) zum Speichern und Abgeben von Ammoniak, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit Einbringung von Ammoniak in einen Abgastrakt (2) des Kraftfahrzeugs für eine selektive katalytische Reaktion von Abgas, mit einem in einem Behälter (4) angeordneten Ammoniak speichernden Material (5), aus dem Ammoniak aufweisendes Gas durch Wärmeeintrag ausbringbar ist, gekennzeichnet durch mindestens eine erste Wasseraufnahmeeinheit (13), welche bei der Ausbringung des Gases von dem Gas durchströmbar ist und Wasser aufnehmen und Ammoniak abgeben kann und/oder mindestens eine zweite Wasseraufnahmeeinheit (21), welche das Einbringen von Wasser in das Ammoniak speichernde Material (5) verhindert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein an den Behälter (4) angeschlossenes Ventil (10), insbesondere gasdichtes Rückschlagventil (11), zum gesteuerten Abgeben des Gases.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ammoniak speichernde Material (5) ein Metallsalz ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Wasseraufnahmeeinheit (13, 21) zwischen dem Behälter (4) und dem Ventil (10) und/oder einem Auslass (15) der Vorrichtung (1) angeordnet sind und/oder der Behälter (4) die erste und/oder zweite Wasseraufnahmeeinheit (13, 21) aufweist und/oder ausbildet.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (4) und/oder die erste und/oder die zweite Wasseraufnahmeeinheit (13, 21) insbesondere steuer- und/oder regelbar beheizbar sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wasseraufnahmeeinheit (13) mindestens ein weiteres Ammoniak speicherndes Material (14), insbesondere eine Ammoniakvorstufe, bevorzugt ein anorganisches Amid, Imid oder Nitrid, weiter bevorzugt ein anorganisches Amid, Imid oder Nitrid der Hauptgruppenelemente, noch weiter bevorzugt ein anorganisches Amid, Imid oder Nitrid der Elemente Lithium, Natrium, Magnesium, Kalzium, Bor, Aluminium, Silicium, aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Ammoniak speichernde Material (14) der ersten Wasseraufnahmeeinheit (13) in einer Schüttung und/oder in poröser Form vorliegt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des weiteren Ammoniak speichernden Materials (14) der ersten Wasseraufnahmeeinheit (13) auf die in dem Behälter (4) gespeicherte Ammoniakmenge und/oder einen Wassergehalt des Gases abgestimmt ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wasseraufnahmeeinheit (21) mindestens ein Wasser absorbierendes Trockenmittel (22) enthält.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockenmittel (22) ein basisches Material, insbesondere ein Hydroxid oder Oxid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, bevorzugt Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid, Bariumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, oder ein Amid eines Alkali- oder Erdalkalimetalls, bevorzugt NaNH2 oder LiNH2, ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wasseraufnahmeeinheit (21) mittels Wärmeeintrag regenerierbar ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regenerierung der zweiten Wasseraufnahmeeinheit (21) der Behälter (4) und die zweite Wasseraufnahmeeinheit (21) auf eine jeweilige Wasserabgabetemperatur beheizbar sind.
  13. Brennkraftmaschine (16), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit Einbringung von Ammoniak in einen Abgastrakt (2) für eine selektive katalytische Reaktion von Abgas, mit einer Vorrichtung (1) zum Speichern und Abgeben von Ammoniak, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ein in einem Behälter (4) angeordnetes Ammoniak speicherndes Material (5) aufweist, aus dem Ammoniak aufweisendes Gas durch Wärmeeintrag ausbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens eine erste Wasseraufnahmeeinheit (13), welche bei der Ausbringung des Gases von dem Gas durchströmbar ist und Wasser aufnehmen und Ammoniak abgeben kann und/oder eine zweite Wasseraufnahmeeinheit (21) aufweist, welche das Einbringen von Wasser in das Ammoniak speichernde Material (5) verhindert.
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