DE102009023550A1

DE102009023550A1 - Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102009023550A1
Application number: DE102009023550A
Authority: DE
Inventors: Rolf Miebach; Stephan Dr. Schraml; Peter Dr. Broll
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 2009-05-30
Filing date: 2009-05-30
Publication date: 2010-12-09
Also published as: CN102449278B; US8984866B2; RU2011153012A; US20120117949A1; JP2012528974A; BRPI1011727A2; CN102449278A; RU2567331C2; EP2435672A1; JP5882201B2; EP2435672B1; WO2010139429A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, beinhaltend eine Vorrichtung zur Einbringung von Kohlenwasserstoffen in ein das Prozessabgas der Brennkraftmaschine führendes Abgasrohr und eine stromabwärts des Einbringungsortes von Prozessgas durchströmte und durch Oxidation der eingebrachten Kohlenwasserstoffe die Prozessabgastemperatur erhöhenden Behandlungseinrichtung. Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abgasnachbehandlungssystems angegeben, das kostengünstig realisierbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Behandlungsvorrichtung katalytisch beschichtete Bauteile aufweist, dass die Kohlenwasserstoffe in der Vorrichtung zumindest teilweise verdampft sowie durch Crackreaktionen und/oder durch partielle Oxidation chemisch verändert werden und dass der Platinanteil zumindest in einem Teilbereich der katalytischen Beschichtung der Bauteile weniger als 20% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen in diesem Teilbereich der Beschichtung beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, beinhaltend eine Vorrichtung zur Einbringung von Kohlenwasserstoffen in ein das Prozessabgas der Brennkraftmaschine führendes Abgasrohr und eine stromabwärts des Einbringungsortes von Prozessabgas durchströmte und durch Oxidation der eingebrachten Kohlenwasserstoffe die Prozessabgastemperatur erhöhende Behandlungsvorrichtung.
Eine derartiges Abgasnachbehandlungssystem ist aus der DE 603 12 175 T2 bekannt. Dieses Abgasnachbehandlungssystem ist zur Anwendung an Kompressionszündungsmotoren, wie Dieselmotoren, ausgelegt. Dabei beschäftigt sich der Gegenstand dieses Dokuments damit, die Gesamtemissionen eines solchen Kompressionszündungsmotors zu verringern. Dazu wird vorgeschlagen, den Kompressionszündungsmotor in verschiedenen Betriebsarten zu betreiben und eine katalytische Komponente aus einer vorgegebenen Auswahl in dem Abgassystem vorzusehen, die zumindest einen Platinkatalysator aufweist. Es ist allgemein bekannt, dass zur Erzeugung bestimmter vorgegebener katalytischer Reaktionen Platinkatalysatoren eingesetzt werden.
Allgemein ist bekannt, dass übliche thermische Regenerationssysteme für Partikelfilter zum Beispiel katalytische Brenner nutzen. Dabei wird meist eine flüssige HC-Dosierung in das Abgas zusammen mit einem Dieseloxidationskatalysator, der diese Kohlenwasserstoffe umsetzt und thermische Energie zur Abgastemperaturanhebung auf zirka 600° liefert, eingesetzt. Dazu wird beispielsweise Kraftstoff in die Abgasleitung zwischen Brennkraftmaschine und Dieseloxidationskatalysator eingespritzt. Bei PKW-Anwendungen werden die Kohlenwasserstoffe üblicherweise über eine späte, nicht mehr thermisch umgesetzte Nacheinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine bereitgestellt. All diese Systeme nutzen Katalysatoren, die in erheblichem Maße Platin beinhalten. Darüber hinaus kommt auch das wesentlich preisgünstigere Palladium zum Einsatz – vorwiegend zur thermischen Stabilisierung des Katalysators – jedoch mit einem Massenanteil von maximal zirka 50% am Gesamtedelmetall.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abgasnachbehandlungssystems anzugeben, das kostengünstig realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Behandlungsvorrichtung katalytisch beschichtete Bauteile aufweist, dass die Kohlenwasserstoffe in der Vorrichtung zumindest teilweise verdampft sowie durch Crackreaktionen und/oder durch partielle Oxidation chemisch verändert werden und dass der Platinanteil zumindest in einem Teilbereich der katalytischen Beschichtung der Bauteile weniger als 20% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen in diesem Teilbereich der Beschichtung beträgt. Dieser Ausgestaltung liegt die erfindungsgemäße Erkenntnis zugrunde, dass ein thermisches Regenerationssystem, welches unter Einsatz einer geeigneten Vorrichtung die Kohlenwasserstoffe bereits in verdampfter sowie durch Crackreaktionen und/oder durch partielle Oxidation chemisch veränderter Form bereitstellt, mit erheblich geringerem Platingehalt des Katalysators arbeiten kann als dies bei herkömmlichen katalytischen Brennern möglich ist. Das Regenerationssystem wird bekanntermaßen eingesetzt, um die in einem Partikelfilter aus dem Prozessabgas der Brennkraftmaschine ausgefilterten Rußpartikel kontinuierlich oder diskontinuierlich zu verbrennen.
In Weiterbildung des Abgasnachbehandlungssystems enthält der Teilbereich mindestens 30% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen der die Abgastemperatur erhöhenden Bauteile. Dadurch ist eine zuverlässige Funktion des Systems sichergestellt.
In weiterer Ausgestaltung enthält die katalytische Beschichtung des Teilbereichs (weitere) Edelmetalle. Hierbei ist davon auszugehen, dass der Platingehalt – wie später ausgeführt wird – weniger als 1%, also im Grenzfall 0%, betragen kann. Für diese Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass dann andere Edelmetalle bei der katalytischen Beschichtung vorhanden sind.
In weiterer Ausgestaltung kann beim Vorhandensein anderer Edelmetalle insbesondere Palladium vorhanden sein. In diesem Fall beträgt der Palladiumanteil der katalytischen Beschichtung des Teilbereichs mindestens 50% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen des Teilbereichs. Dabei kann der Palladiumgehalt weiter erhöht werden, wobei aber auch noch weitere Edelmetalle zur Unterstützung bestimmter Reaktionen vorhanden sein können.
Insbesondere, wenn Palladium bei der katalytischen Beschichtung des Teilbereichs zum Einsatz kommt, kann der Platingehalt weniger als 1%, im Grenzfall 0%, betragen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen und möglich, dass der Edelmetallanteil der katalytischen Beschichtung des Teilbereichs weniger als 1% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen des Teilbereichs beträgt. Im Grenzfall bedeutet dies, dass überhaupt kein Edelmetall vorhanden ist. In diesem Fall sind bevorzugt sogenannte base metals vorhanden, die die katalytischen Funktionen ausüben.
Vorteile einer platinfreien Beschichtung sind:
Eine Palladiumbeschichtung ist wesentlich kostengünstiger herstellbar als eine Platinbeschichtung.
Es wird ein komplett NO₂-freies System realisiert (NO₂ ist giftig und immissionsseitig limitiert, im Untertagebetrieb und in Innenräumen sind NO₂-bildende Systeme häufig nicht zulässig).
Es wird eine erhöhte Schwefeltoleranz erreicht. Palladium hat im Vergleich zu Platin eine deutlich geringere Wirkung auf die Oxidation von SO₂ zu SO₃, dementsprechend werden die für die Schwefel-Vergiftung von Katalysatoren relevanten Sulfate in deutlich geringerer Menge gebildet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die die Prozessabgastemperatur erhöhenden katalytisch beschichteten Bauteile Katalysatorsubstrate oder Partikelfilter, die jeweils einheitlich oder zonal unterschiedlich beschichtet sein können. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator oder einen sonstigen Katalysator, der auch andere Aufgaben übernehmen kann, mit der katalytischen Beschichtung als eigenständiges Bauteil auszugestalten und zu verbauen, oder aber den Dieseloxidationskatalysator mit der katalytischen Beschichtung letztendlich in den Partikelfilter zu integrieren. Selbstverständlich sind auch Kombinationslösungen der beiden beschriebenen Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung möglich und vorgesehen.
In Weiterbildung der Erfindung umfasst der Teilbereich ein ganzes die Prozessabgastemperatur erhöhendes katalytisch beschichtetes Bauteil oder einen Teil eines solchen Bauteils oder Teile mehrerer solcher Bauteile. Jedes Bauteil kann also mehrere Teilbereiche aufweisen, die unterschiedliche Eigenschaften haben, von denen ein Teilbereich die zuvor angegebenen Eigenschaften besitzt. Dieser Teilbereich muss nicht zwingend der erste Teil des jeweiligen Bauteils sein, muss aber zumindest in Strömungsrichtung im vorderen Teil einer zonalen Beschichtung eines solchen Bauteils angeordnet sein.
Die Vorrichtung zur zumindest teilweisen Verdampfung sowie zur durch Crackreaktionen und/oder durch partielle Oxidation bewirkten chemischen Veränderungen der Kohlenwasserstoffe ist in weiterer Ausgestaltung eine Anordnung, die einen Brenner mit einer Versorgungsvorrichtung für Brennstoff und Luft sowie eine Brennkammer und eine mit einer Eindüsvorrichtung für Kohlenwasserstoffe versehene Abgasleitung aufweist, die an dem Einbringungsort in das Abgasrohr einmündet. Die eingedüsten Kohlenwasserstoffe liegen in Form von flüssigem Brennstoff vor, der bevorzugt der gleiche Brennstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, ist, der auch mit der Versorgungsvorrichtung des Brenners eingespritzt wird. Grundsätzlich ist es aber möglich, zum Betreiben des Brenners auch einen gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zu verwenden. Die getrennte Einbringung des zusätzlichen Brennstoffs über die Eindüsvorrichtung bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zum Stand der Technik eine für einen Prozess beispielsweise benötigte Brennstoffmenge nicht mehr insgesamt durch die Versorgungsvorrichtung des Brenners zugeführt werden muss, sondern stromabwärts des Brenners eine Teilmenge des insgesamt benötigten Brennstoffs als ”Sekundärbrennstoffmenge” zugeführt wird. Diese Sekundärbrennstoffmenge wird dann letztendlich ganz kontrolliert aufbereitet und/oder verbrannt. Das entsprechende Betreibungsverfahren zeichnet sich vom Grundsatz her dadurch aus, dass der Brenner eine thermische Grundleistung zur Verfügung stellt, deren Untergrenze durch die Bereitstellung einer ausreichenden Energiemenge zur Verdampfung der in die Abgasleitung eingedüsten Brennstoffmenge vorgegeben ist. Diese Ausgestaltung beziehungsweise dieses Verfahren zum Betreiben eines Abgasnachbehandlungssystems ist im Ergebnis deutlich kostengünstiger realisierbar als ein herkömmliches Abgasnachbehandlungssystem.
In Weiterbildung der Erfindung weist eine Mündung der Eindüsvorrichtung in der Abgasleitung eine Zerstäuberdüse, insbesondere eine Druckzerstäuberdüse oder eine Luftstromzerstäuberdüse, auf. Mit der Druckzerstäuberdüse wird der flüssige Brennstoff allein durch den Druck des Brennstoffs zerstäubt. Alternativ kann die Einbringvorrichtung aber auch als Luftstromzerstäuberdüse ausgestaltet sein. Dabei wird die Luftstromzerstäuberdüse so betrieben, dass der Brennstoff mit einer geringen Luftmenge in die Abgasleitung eingebracht wird. Bei normalem Betrieb einer Luftstromzerstäuberdüse würde beispielsweise 20 l/min. Luft und 2 cm³/min. Brennstoff zur Bereitstellung eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisches gefördert werden, während mit der erfindungsgemäß betriebenen Luftstromzerstäuber düse mit 20 l/min. Luft bis zu 100 cm³/min. Brennstoff zerstäubt werden. Ein derartig fettes Brennstoff-Luft-Gemisch ist primär nicht zündfähig.
In weiterer Ausgestaltung ist in der Abgasleitung im Bereich einer Mündung der Eindüsvorrichtung eine Venturieinrichtung angeordnet. Diese bewirkt eine schnelle Vermischung der aufeinandertreffenden Teilströme von Abgas und verdampftem Brennstoff.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Brenner mit der Brennkammer, die Abgasleitung und die Eindüsvorrichtung in ein Gehäuse integriert und das Gehäuse ist an das Abgasrohr adaptiert. Es wird somit eine Baueinheit bereitgestellt, die an verschiedene Abgasrohre angebaut werden kann. Dabei kann das Gehäuse im Idealfall so ausgestaltet sein, dass dieses bei Anwendung an einer Brennkraftmaschine bevorzugt brennkraftmaschinennah, beispielsweise direkt hinter der Abgassammelleitung oder einem Abgasturbolader der Brennkraftmaschine, an das Abgassystem angebaut werden kann.
In weiterer Ausgestaltung ragt die Abgasleitung mit zumindest einem Austritt in das Abgasrohr hinein. Dadurch wird eine gute Vermischung der zusammentreffenden Gasströme gewährleistet. Dazu ist die Abgasleitung bevorzugt konzentrisch in das Abgasrohr so eingeführt, dass der Austritt aus der Abgasleitung in Strömungsrichtung des Prozessabgasstroms, also beispielsweise des Brennkraftmaschinenabgasstroms, angeordnet ist. Dadurch wird eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Prozessabgases erreicht, was für eine schnelle Durchmischung des Gasgemischs aus Brennerabgas und verdampften Brennstoff mit dem Prozessabgas sorgt. Dadurch kann eine Entzündung des Gasgemischs auch dann verhindert werden, wenn das Prozessabgas Sauerstoff enthält. Um das Auftreten chemischer Reaktionen im Bereich der Einleitung weiter zu unterbinden, können entsprechende Hilfsmittel, die dies unterstützen, vorgesehen sein. Solche mögliche Hilfsmittel sind beispielsweise eine Platte oder ein Kegel, die vor dem Austritt der Abgasleitung angeordnet sind, wobei die Kegelspitze zu dem Austritt der Abgasleitung hin ausgerichtet ist. Auch ist es vorgesehen, zusätzlich oder alternativ zur weiteren Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Austritts eine Strömungsverengung in dem Abgasrohr beispielsweise in Form einer Venturieinrichtung oder Venturidüse vorzusehen. Mit anderen Worten soll eine mögliche Reaktion des mit verdampften Brennstoff aufbereiteten Brennerabgases mit dem Prozessabgas gequencht werden.
In Weiterbildung der Erfindung mündet in die Abgasleitung eine Prozessabgas führende Gasleitvorrichtung ein. Dadurch wird dem Brennerabgas und dem verdampfenden Brennstoff Prozessabgas zugeführt. Dadurch wird das Brennerabgas (bei einer Zuführung in Strömungsrichtung Eindüsvorrichtung) kontrolliert abgekühlt, und zwar in der Form, dass noch genügend Leistung zum Verdampfen des eingedüsten Brennstoffs bereitgestellt wird, aber dessen Entzündung verhindert wird. Die Zuführung kann aber auch im Bereich der Eindüsvorrichtung oder in Strömungsrichtung dahinter erfolgen. Durch geeignete Wahl der beschriebenen Hilfsmittel können die chemischen Reaktionen des Brennstoffs mit dem Brennerabgas und/oder dem Prozessabgas je nach Bedarf gefördert oder verhindert werden. Insbesondere durch Beeinflussung der Temperatur im Bereich der Eindüsvorrichtung ist es möglich, durch Reaktionen des eingedüsten Brennstoffs mit dem Brennerabgas gezielt Stoffe zu erzeugen, die in dem nachfolgenden Dieseloxidationskatalysator gewünschte Reaktionen unterstützen.
Die zuvor beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen werden zur Umsetzung der nachfolgend beschriebenen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betreibungsverfahrens sinnvoll eingesetzt. So wird der Brenner in einem Lambda-Bereich von 0,75 bis 1,75, bevorzugt von 1, betrieben. Weiterhin ist der Brenner so ausgelegt, dass er in einem Leistungsbereich bis 20 kW, bevorzugt bis 15 kW und ganz bevorzugt bis 5 kW, betreibbar ist. Es ist ein Ziel der Erfindung, den Brenner mit einer möglichst geringen Leistung zu betreiben, weil dann insbesondere die erforderliche Luftfördereinrichtung für die Zufuhr von (Verbrennungs-)Luft relativ einfach ausgestaltet sein kann.
Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in einer allgemeinen Form der eingedüste Brennstoff (gegebenenfalls unter direkter Hinzufügung einer Teilmenge von Prozessabgas) durch das Brennerabgas verdampft und zusammen mit dem Brennerabgas und der Gesamtmenge des Prozessabgases in die Abgasnachbehandlungseinrichtung geleitet, um die dort vorgesehenen Reaktionen hervorzurufen. Dabei wird der eingedüste Brennstoff zusammen mit dem Brennerabgas und dem Prozessabgas über das Abgasrohr dem Katalysator, insbesondere einem Dieseloxidationskatalysator und einem nachfolgenden Partikelfilter zugeführt und in dem Katalysator (Dieseloxidationskatalysator) und/oder in dem gegebenenfalls zusätzlich noch katalytisch beschichteten Partikelfilter oxidiert. Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung ist es, dass die Oxidationsreaktion also erst in dem Katalysator (Dieseloxidationskatalysator) erfolgt und demzufolge erst hier die zur Regeneration des Partikelfilters notwendigen Temperaturen erzeugt werden. Würde der eingespritzte Brennstoff bereits am Ort der Einbringung in die Abgasleitung entzündet, wäre dies mit einer höheren thermischen Belastung des gesamten Abgassystems verbunden und es müssten beträchtliche Wärmeverluste durch größere Kraftstoffmengen ausgeglichen werden.
Der entscheidende Vorteil des vorgeschlagenen Systems ist es, dass die durch Verdampfung und/oder chemische Modifikation veränderten Kohlenwasserstoffe im Katalysator (Dieseloxidationskatalysator) beziehungsweise in dem beschichteten Partikelfilter oder deren Kombination chemische Reaktionen eingehen, die sich von denen herkömmlicher Systeme zumindest teilweise unterscheiden. Das ist der Grund für den erfindungsgemäß möglichen Ersatz von Platin durch Palladium.
In dem Katalysator (Dieseloxidationskatalysator) beziehungsweise in dem beschichteten Partikelfilter oder deren Kombination wird durch die Oxidation des eingedüsten Brennstoffs beispielsweise eine Temperatur von bis zu 650°C erzeugt, die zur Regeneration von Partikelfiltern benötigt wird.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Teilmenge der eingedüsten Brennstoffmenge unter Freisetzung von Wärme innerhalb der Abgasleitung und/oder dem Ort der Zusammenführung mit dem Prozessabgas oxidiert. Dadurch kann die thermische Gesamtleistung bei minimal eingestellter Brennerleistung so weit erhöht werden, dass eine sichere Inbetriebsetzung des Katalysators (Dieseloxidationskatalysators) beziehungsweise des beschichteten Partikelfilters oder deren Kombination erfolgt. Um seine Aktivität zu starten, also um eine katalytische Reaktion des eingebrachten verdampften Brennstoffs zu starten, muss der Katalysator (Dieseloxidationskatalysator) beziehungsweise der beschichtete Partikelfilter oder deren Kombination eine vorgegebene Mindesttemperatur, beispielsweise 300°C, erreichen. Diese Temperatur wird durch die Summation der Brennerleistung und der Leistung, die durch die verbrannte Teilmenge erzeugt wird, erreicht.
In weiterer Ausgestaltung wird die oxidierte Teilmenge der eingedüsten Brennstoffmenge unabhängig von der gesamten eingedüsten Brennstoffmenge zumindest angenähert konstant gehalten. Dabei ist es weiterhin vorgesehen, nach Überschreitung einer Grenzmenge der teilumgesetzten Brennstoffmenge die Teilumsetzung zu beenden und den Brennstoff insgesamt zu verdampfen. Diese unterschiedlichen Wirkungen werden durch eine strikte Kontrolle des Verbrennungsluftverhältnisses in dem Brenner und/oder eine strikte Kontrolle der Menge der im Fall der Verwendung einer Luftstromzerstäuberdüse zugeführten Zerstäubungsluft für die Luftstromzerstäuberdüse erreicht. Weitere Einflussgrößen sind der Ort der Anbringung der Mündung der Einbringvorrichtung und die Zufuhr einer Teilmenge von Prozessabgas (zur Kühlung des Brennerabgases und folglich der Verdampfflüssigkeit), ebenfalls unter Berücksichtigung des Zufuhrortes.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine Gesamtdarstellung des Abgasnachbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine,
2 eine erste Ausführung der mit einem Abgasrohr zusammenwirkenden Verdampfereinrichtung,
3 eine zweite Ausführung der mit einem Abgasrohr zusammenwirkenden Verdampfereinrichtung und
4 eine dritte Ausführung der mit einem Abgasrohr zusammenwirkenden Verdampfereinrichtung.
Das in 1 dargestellte System weist eine Brennkraftmaschine 17 auf, die insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine ist. Der Brennkraftmaschine 17 wird Dieselkraftstoff und Luft zugeführt, die in den dargestellten vier Zylindern 18 verbrannt werden und über die vor die in den Zylindern beweglichen Kolben und Pleuel die Kurbelwelle in Drehbewegung setzen. Die in den Zylindern 18 verbrannten Abgase werden über ein Sammelrohr 19 in ein Abgasrohr 6 geleitet. In das Abgasrohr 6 ragt eine Abgasleitung 4 eines Brenners 2 hinein, wobei in die Abgasleitung 4 eine Eindüsvorrichtung 5 hineinragt. Dem Brenner 2 wird – wie nachfolgend noch insgesamt erläutert wird – Brennstoff und Luft zugeführt, während über die Eindüsvorrichtung 5 flüssiger Brennstoff in die Abgasleitung 4 eingedüst wird. Das System, bestehend aus dem Brenner 2, der Eindüsvorrichtung 5 und der Abgasleitung 4, wird nachfolgend Verdampfereinrichtung genannt. In das Abgasrohr 6 sind stromabwärts der Einmündung der Abgasleitung 4 ein Dieseloxidationskatalysator 15 und ein Partikelfilter 16 eingebaut. Die in dem Partikelfilter 16 insbesondere aus dem Prozessabgas der Brennkraftmaschine 17 ausgefilterten Rußpartikel werden mit Hilfe der in dem Abgasnachbehandlungssystem erzeugten Wärme verbrannt.
Die Verdampfereinrichtung gemäß 2 bis 4 weist bei allen Ausführungen ein Gehäuse 1 auf, in das der Brenner 2, eine Brennkammer 3, die Abgasleitung 4 und die Eindüsvorrichtung 5 für einen flüssigen Brennstoff integriert sind. Dabei ist das Gehäuse 1 ebenfalls bei allen Ausführungen so mit dem Abgasrohr 6 verbunden, dass die Abgasleitung 4 mit einem Austritt 7 konzentrisch in das Abgasrohr 6 eingeführt ist und der Austritt 7 in Strömungsrichtung des durch das Abgasrohr 6 strömenden Prozessabgases angeordnet ist.
Der Brenner 2 weist eine Versorgungsvorrichtung 8a für einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff sowie eine Versorgungsvorrichtung 8b für Luft auf. Der Brennstoff und die Luft werden in geeigneter Weise miteinander gemischt und beispielsweise über eine Luftstromzerstäuberdüse 9 in die Brennkammer 3 eingebracht und das Gemisch wird in der Brennkammer 3 verbrannt. Dazu wird das Gemisch in dem Brenner 2 und/oder der Brennkammer 3 in geeigneter Weise entzündet. Um die Wärmeverluste gering zu halten, ist die Brennkammer 3 möglichst weitgehend isoliert in das Gehäuse 1 eingesetzt. Die Brennkammer 3 weist eine Austrittsöffnung 10 auf, durch die das Brennerabgas in die Abgasleitung 4 eintritt und entlang der Abgasleitung 4 bis zu dem Austritt 7 strömt, um sich dort mit dem in dem Abgasrohr 6 strömenden Prozessabgas, das Brennkraftmaschinenabgas ist, zu vermischen. Das Gemisch aus Brennstoff und Luft ist so eingestellt, dass im Bereich der Austrittsöffnung 10 aus der Brennkammer 3 die Oxidationsreaktionen weitgehend abgeschlossen sind und demzufolge ein erhitzter Abgasstrom in die Abgasleitung 4 einströmt. in die Abgasleitung 4 mündet die Eindüsvorrichtung 5 mit einer Mündung 11 vorzugsweise konzentrisch zu der Abgasleitung 4 ein. Am Ort der Mündung 11 ist eine Zerstäuberdüse angeordnet, mit der der über die Eindüsvorrichtung 5 zugeführte flüssige Brennstoff fein zerstäubt wird. Der so eingebrachte Brennstoff wird folglich erhitzt und verdampft. Im Bereich der Mündung 11 ist eine Venturieinrichtung 12a in die Abgasleitung 4 eingesetzt. Die Venturieinrichtung 12a bewirkt eine zusätzliche Vermischung der Verdampfflüssigkeit mit dem Abgas. Im Bereich des Austritts 7 ist eine Quencheinrichtung 13 angeordnet, die in dem Ausführungsbeispiel als Prallplatte ausgebildet ist und eine Durchmischung des aus dem Austritt 7 ausströmenden, mit der verdampften Verdampfflüssigkeit vermischten Abgases mit dem Prozessabgas bewirkt. Gleichzeitig kann die Quencheinrichtung 13 zur Vermeidung einer Entzündung des hier entstehenden Gesamtgemisches eingesetzt werden. Zu einer Strömungsgeschwindigkeitserhöhung des Prozessgasstroms ist im Bereich des Austritts 7 beziehungsweise der Quencheinrichtung 13 eine Venturieinrichtung 12b in das Abgasrohr 6 eingebaut.
Das auf die beschriebene Weise gebildete Gesamtgemisch wird dann einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt, die einen Stickstoffoxide selektiv katalytisch reduzierenden Katalysator und/oder NO_x-Speicherkatalysator und/oder einen Dieseloxidationskatalysator 15 und einen Partikelfilter 16 aufweist.
Die Ausführung gemäß 3 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß 1 dadurch, dass hier zusätzlich im Bereich der Venturieinrichtung 12a eine Gasleitvorrichtung 14 in Form von auf den Umfang der Abgasleitung 4 angeordneten und etwa im Zentrum der Venturieinrichtung 12a mündenden Bohrungen angeordnet ist. Durch diese Gasleitvorrichtung 14 wird in die Abgasleitung 4 eine Teilmenge Prozessabgas eingeführt. Im Übrigen ist bei dieser Ausführung im Bereich der Mündung 11 keine Venturieinrichtung 12b eingebaut.
Die Ausführung gemäß 4 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß 2 dadurch, dass die Gasleitvorrichtung 14 hier im Bereich stromabwärts der Venturieinrichtung 12a in die Abgasleitung 4 eingearbeitet ist.

1: Gehäuse
2: Brenner
3: Brennkammer
4: Abgasleitung
5: Eindüsvorrichtung
6: Abgasrohr
7: Austritt
8a, 8b: Versorgungsvorrichtung
9: Luftstromzerstäuberdüse
10: Austrittsöffnung
11: Mündung
12a, 12b: Venturieinrichtung
13: Quencheinrichtung
14: Gasleitvorrichtung
15: Dieseloxidationskatalysator
16: Partikelfilter
17: Brennkraftmaschine
18: Zylinder
19: Sammelrohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 60312175 T2 [0002]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, beinhaltend eine Vorrichtung zur Einbringung von Kohlenwasserstoffen in ein das Prozessabgas der Brennkraftmaschine führendes Abgasrohr und eine stromabwärts des Einbringungsortes von Prozessabgas durchströmte und durch Oxidation der eingebrachten Kohlenwasserstoffe die Prozessabgastemperatur erhöhende Behandlungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsvorrichtung katalytisch beschichtete Bauteile aufweist, dass die Kohlenwasserstoffe in der Vorrichtung zumindest teilweise verdampft sowie durch Crackreaktionen und/oder durch partielle Oxidation chemisch verändert werden und dass der Platinanteil zumindest in einem Teilbereich der katalytischen Beschichtung der Bauteile weniger als 20% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen in diesem Teilbereich der Beschichtung beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich mindestens 30% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen der die Abgastemperatur erhöhenden Bauteile enthält.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung des Teilbereichs Edelmetalle enthält.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Palladiumanteil der katalytischen Beschichtung des Teilbereichs mindestens 50% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen des Teilbereichs beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Platingehalt der katalytischen Beschichtung des Teilbereichs weniger als 1% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen des Teilbereichs beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Edelmetallanteil der katalytischen Beschichtung des Teilbereichs weniger als 1% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen des Teilbereichs beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Prozessabgastemperatur erhöhenden katalytisch beschichteten Bauteile Katalysatorsubstrate oder Partikelfilter sind, die jeweils einheitlich oder zonal unterschiedlich beschichtet sein können.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich ein ganzes die Prozessabgastemperatur erhöhendes katalytisch beschichtetes Bauteil oder einen Teil eines solchen Bauteils oder Teile mehrerer solcher Bauteile umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich den in Strömungsrichtung vorderen Teil einer zonalen Beschichtung eines solchen Bauteils darstellt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur zumindest teilweisen Verdampfung sowie zur durch Crackreaktionen und/oder durch partielle Oxidation bewirkten chemischen Veränderung der Kohlenwasserstoffe eine Anordnung ist, die einen Brenner (2) mit einer Versorgungsvorrichtung für Brennstoff und Luft sowie eine Brennkammer (3) und eine mit einer Eindüsvorrichtung (5) für Kohlenwasserstoffe versehene Abgasleitung (4) aufweist, die an dem Einbringungsort in das Abgasrohr (6) einmündet.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff ist und die Kohlenwasserstoffe aus einem flüssigen Brennstoff bestehen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere die Mündung (11) der Eindüsvorrichtung (5) in der Abgasleitung (4) eine Zerstäuberdüse, insbesondere eine Druckzerstäuberdüse oder eine Luftstromzerstäuberdüse, aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (4) im Bereich der Mündung (11) der Eindüsvorrichtung (5) eine Venturieinrichtung (12a, 12b) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (2), die Abgasleitung (4) und die Eindüsvorrichtung (5) in ein Gehäuse (1) integriert sind und das Gehäuse (1) an das Abgasrohr (6) adaptiert ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (4) mit einem Austritt (7) in das Abgasrohr (6) hineinragt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (4) konzentrisch in das Abgasrohr (6) so eingeführt ist, dass der Austritt (7) aus der Abgasleitung (4) in Strömungsrichtung des Prozessabgasstroms angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Austritts (7) eine Quenchvorrichtung (13) und/oder eine Venturieinrichtung vorhanden ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasleitung (4) eine Prozessabgas führende Gasleitvorrichtung (14) vorzugsweise stromaufwärts der Mündung (11) der Einbringvorrichtung einmündet.
Verfahren zum Betreiben eines Abgasnachbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine, beinhaltend eine Vorrichtung zur Einbringung von Kohlenwasserstoffen in ein das Prozessabgas der Brennkraftmaschine führendes Abgasrohr und eine stromabwärts des Einbringungsortes von Prozessabgas durchströmte und durch Oxidation der eingebrachten Kohlenwasserstoffe die Prozessabgastemperatur erhöhenden Behandlungsvorrichtung mit katalytisch beschichteten Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoffe in der Vorrichtung zumindest teilweise verdampft sowie durch Crackreaktionen und/oder durch partielle Oxidation chemisch verändert werden und dass ein Brenner (2) als Bestandteil der Vorrichtung eine thermische Grundleistung zur Verfügung stellt, deren Untergrenze durch die Bereitstellung einer ausreichenden Energiemenge zur Verdampfung einer über eine Eindüsvorrichtung (5) in eine Abgasleitung (4) des Brenners (2) eingebrachten Kohlenwasserstoffmenge vorgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine katalytisch wirkende Beschichtung zumindest in einem Teilbereich der oxidierend wirkenden Behandlungsvorrichtung angeordnet ist und dass der Platinanteil zumindest in einem Teilbereich der katalytischen Beschichtung der Bauteile weniger als 20% der Gesamtmasse aller katalytisch wirksamen Substanzen in diesem Teilbereich der Beschichtung beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (2) eine zusätzlich das Prozessabgas auf eine vorgegebene Temperatur aufheizende thermische Leistung erbringt.