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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen
einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des
Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Die
gesetzlichen Anforderungen an die Emissionswerte von Verbrennungsmotoren
steigen stetig, so dass eine aktive Abgasnachbehandlung erforderlich
ist, um die gesetzlich festgelegten Grenzwerte einzuhalten. Zur
Reduzierung des Stickoxidausstosses, insbesondere bei Dieselmotoren,
finden beispielsweise Reduktionskatalysatoren Einsatz, mittels derer
die Stickoxid-Emissionen (NOx) um bis zu 85%
abgesenkt werden können. Hierzu werden den Abgasen, bevor
sie in den Katalysator gelangen, Reduktionsmittel zugeführt,
wie beispielsweise Harnstoff, das die Bildung von Ammoniak bewirkt,
der mit den Stickoxiden im nachgeschalteten Katalysator zu harmlosem
Stickstoff und Wasser reagiert. Derartige Katalysatoren sind auch
unter der Bezeichnung SCR(= Selective Catalytic Reduction)-Katalysator bekannt.
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Um
eine gute Durchmischung des Reduktionsmittels mit den Abgasen zu
erzielen, wird das Reduktionsmittel vorzugsweise über eine
Sprühvorrichtung zugeführt. Die Sprühvorrichtung
bezieht das Reduktionsmittel aus einem Vorratstank, der über
eine Nebenleitung mit der Sprühvorrichtung verbunden ist.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der
WO 2000/32913 A1 bekannt.
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Da
eine geringe Tröpfchengröße sowie eine hohe
Gleichverteilung des Reduktionsmittels in den Abgasen den Wirkungsgrad
des Reduktionskatalysators erhöhen, erweisen sich insbesondere
Sprühvorrichtungen als Reduktionsmittel-Zuführeinrichtungen als
vorteilhaft, die druckluftunterstützt arbeiten. Derartige
Vorrichtungen setzen jedoch den Anschluss an eine Druckluftquelle
voraus. Bei Nutzfahrzeugen, die ein Druckluftbordnetz aufweisen,
stellt dies kein Problem dar, da die erforderliche Druckluft dem
Bordnetz entnommen werden kann. Fehlt jedoch ein solches Bordnetz
zur Versorgung der Sprühvorrichtung mit Druckluft, wie
beispielsweise bei Personenkraftfahrzeugen und einigen Nutzfahrzeugen
der Fall, gilt es das System an eine Luftverdichtereinheit, beispielsweise
an einen separaten mechanischen Verdichter, anzuschließen.
Dies erfordert in der Regel jedoch einen erhöhten konstruktiven
Aufwand und zugleich einen größeren Bauraum.
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Aus
der Druckschrift
DE
10 2007 000 333 A1 geht eine Abgasreinigungsvorrichtung
mit einer Zusatzmittelzuführeinheit hervor, die über
eine Drucklufteinführvorrichtung mit einer Luftverdichtereinheit, vorzugsweise
einem Turbolader, verbunden ist. Der Turbolader weist eine in dem
Abgassystem angeordnete Turbine sowie einen in dem Einlasssystem
der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter auf, die drehfest über
eine Welle verbunden sind. Die Abgase, die in dem Abgassystem strömen,
werden zum Antrieb des Turboladers genutzt. Die über den
Verdichter vorverdichtete Luft wird dem Einlasssystem entnommen
und über eine als Drucklufteinführvorrichtung
vorgesehene Bypass-Leitung der Zusatzmittelzuführeinheit
zugeführt.
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Ausgehend
von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen
einer Brennkraftmaschine mit einer Reduktionsmittel-Zuführeinheit
bereitzustellen, die eine verbesserte Zuführung des Reduktionmittels
ermöglicht. Insbesondere sollen die Sprühqualität
und damit der Wirkungsgrad des Reduktionskatalysators verbessert
werden.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Nachbehandeln
von Abgasen einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs
1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden
in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorgeschlagene Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine umfasst
einen der Reduktion von NOx-Bestandteilen der
Abgase dienenden Reduktionskatalysator und eine Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung.
Sowohl der Reduktionskatalysator, als auch die Zuführeinrichtung
sind mit dem Abgasrohr der Brennkraftmaschine verbunden. Die Zuführeinrichtung
ist zudem an eine Druckluftversorgungsleitung angeschlossen, so dass
das Reduktionsmittel mit Hilfe von Druckluft den Abgasen im Abgasrohr
vor dem Reduktionskatalysator zugeführt werden kann. Das
heißt, dass die Zugabe des Reduktionsmittels druckluftunterstützt
erfolgt, und zwar bevor die Abgase den Reduktionskatalysator erreichen.
Erfindungsgemäß ist in der Druckluftversorgungsleitung
ein Druckübersetzer zur Einstellung eines gewünschten
Druckniveaus angeordnet.
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Durch
die Anordnung eines Druckübersetzers in der Druckluftversorgungleitung
kann das Druckniveau verändert und damit an die vorhandenen
Gegebenheiten angepasst werden. Insbesondere kann eine Druckverstärkung
vorgenommen werden, um beispielsweise die mittels einer Luftverdichtereinheit
vorverdichtete Luft auf das Druckniveau eines Druckluftbordnetzes
zu bringen. Dadurch ist nicht nur eine Verbesserung der Sprühqualität
aufgrund der in der Druckluft gespeicherten höheren Energie
gewährleistet, sondern es wird auch der Einsatz von Sprühvorrichtungen
ermöglicht, die für das Druckniveau eines Druckluftbordnetzes
ausgelegt sind. Dieses liegt üblicherweise oberhalb der
Verdichterdrücke von Turboladern oder mechanischen Ladern.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Druckluftversorgungsleitung
an eine Verdichtereinheit, weiterhin bevorzugt an einen Turbolader
als Verdichtereinheit angeschlossen. Darüber hinaus ist die
Verdichtereinheit vorzugsweise über die Abgase der Brennkraftmaschine
antreibbar. Alternativ kann zur Vorverdichtung der Luft auch ein
mechanischer Lader vorgesehen sein. Die Erfindung setzt jedoch das
Vorhandensein einer Verdichtereinheit nicht notwendigerweise voraus.
Die Druckluft kann – wie eingangs erwähnt – auch über
ein Bordnetz oder eine andere Druckluftquelle mit einem Druckniveau
bereit gestellt werden, das es zu verändern und/oder zu stabilisieren
gilt.
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Vorzugsweise
ermöglicht der in der Druckluftversorgungsleitung angeordnete
Druckübersetzer ein Anheben des Druckniveaus auf einen
Wert im Bereich von 3 bis 6 bar. Das angestrebte Druckniveau liegt
somit oberhalb der üblichen Verdichterdrücke von
Turboladern für Verbrennungsmotoren und entspricht den
Betriebsdrücken heute in Serie befindlicher Sprühvorrichtungen
als Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung. Durch Nutzung der
in der Druckluft gespeicherten Energie kann eine gute Gleichverteilung
des Reduktionsmittels in den Abgasen bewirkt werden.
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Der
Druckübersetzer vertilgt vorzugsweise über einen
Frischluftanschluss, über welchen saubere Umgebungsluft
angesaugt wird. Die über den Frischluftanschluss angesaugte
Frischluft verhindert eine vorzeitige Verschmutzung der Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung,
vorzugsweise der Sprühvorrichtung. Die Funktionsfähigkeit
der Zuführeinrichtung bleibt somit länger gewährleistet.
Reinigung, Reparatur oder Austausch der Sprühvorrichtung
werden demzufolge hinausgezögert oder sind gänzlich entbehrlich.
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Bevorzugt
ist in der Druckluftversorgungsleitung, vorzugsweise in Strömungsrichtung
vor dem Druckübersetzer, ein Rückschlagventil
angeordnet. Das Rückschlagventil stellt ein stabiles Druckluftniveau
in der Druckluftversorgungsleitung sicher. Der Bereich zwischen
Rückschlagventil und Druckübersetzer dient zugleich
als Druckspeicher, dessen Volumen durch die Entfernung des Rückschlagventils zum
Druckübersetzer bestimmt wird.
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Weiterhin
bevorzugt ist das Rückschlagventil elektrisch ansteuerbar.
Die hierzu vorgesehene Steuerung ermöglicht beispielsweise
die Durchflussrate der vorverdichteten Luft und damit das Druckniveau der
Druckversorgungsleitung vor dem Druckübersetzter bzw. Druckverstärker
zu bestimmen.
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Um
die Versorgung der Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung mit
Reduktionsmittel zu gewährleisten, ist diese vorzugsweise über
eine Versorgungsleitung an einen Vorratsbehälter anschließbar,
in dem das Reduktionsmittel bevorratbar ist. Als Reduktionsmittel
findet bevorzugt Harnstoff bzw. eine wässrige Harnstofflösung
Einsatz, da diese in einem Hydrolyse-Prozess Ammoniak bildet, der
wiederum die Reduktion der Stickoxide im Katalysator bewirkt.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung eine Sprühvorrichtung,
mittels derer das Reduktionsmittel den Abgasen im Abgasrohr dosiert
zuführbar ist. Vorzugsweise ist zudem die mengenmäßige
Zugabe des Reduktionsmittels steuer- bzw. regelbar. Als Sprühvorrichtung
eigenen sich daher insbesondere Injektoren oder Dosierpumpen, mittels
derer das Reduktionsmittel präzise dosiert zuführbar
ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher
erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines
Abgassystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Nachbehandeln der durch dieses System strömenden Abgase.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Der
einzigen Figur ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem
Abgasrohr 3 und einem Lufteinlassrohr 13 sowie
einer hierin integrierten Verdichtereinheit 7 zu entnehmen.
Die Verdichtereinheit 7 ist vorliegend als Turbolader ausgeführt
und umfasst eine im Abgasrohr 3 angeordnete Turbine 15 und
einen im Einlassrohr 13 angeordneten Verdichter 14, die über
eine Welle 16 verbunden sind. Die im Abgasrohr 3 strömenden
Abgase treiben somit nicht nur die Turbine 15, sondern
auch den Verdichter 14 zur Vorverdichtung der Einlassluft
an, die über das Einlassrohr 13 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt
wird.
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Die
bei der Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkraftmaschine 1 entstehenden
Abgase werden über das Abgasrohr 3 an die Umgebungsluft
abgeführt. Zuvor jedoch werden zur Begrenzung der Schadstoffemissionen
die Abgase einer Nachbehandlung unterzogen. Im Rahmen dieser Nachbehandlung
werden die Abgase einem Reduktionskatalysator 2, vorliegend
einem SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion der
in den Abgasen enthaltenen Stickoxiden, zugeführt. Die
Reduktion der Stickoxide wird im SCR-Katalysator mit Hilfe von Ammoniak
bewirkt, der mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagiert.
Die Bildung von Ammoniak wiederum wird durch die Beimischung einer
wässrigen Harnstofflösung als Reduktionsmittel
bewirkt, das den Abgasen vor Erreichen des Reduktionskatalysators 2 beigemischt
wird. Um eine gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels
in den Abgasen zu bewirken, umfasst die Vorrichtung eine Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung 4 mit
einer Sprühvorrichtung 12, mittels welcher das
Reduktionsmittel präzise dosiert den Abgasen im Abgasrohr 3 zugegeben
werden kann.
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Um
die Sprühqualität weiter zu verbessern, erfolgt
die Zuführung des Reduktionsmittels unter Zuhilfenahme
von Druckluft. Die in der Druckluft gespeicherte Energie unterstützt
die Bildung feinster Tröpfchen und trägt zur gleichmäßigen
Verteilung der Tröpfchen im Abgas bei. Als Drucklufterzeuger
dient die bereits erwähnte Verdichtereinheit 7 der
Brennkraftmaschine 1, die vorliegend als Turbolader ausgeführt
ist. Hierzu wird die über die Verdichtereinheit 7 vorverdichtete
Luft dem Einlassrohr 13 entnommen und über eine
Druckluftversorgungsleitung 5 der Sprühvorrichtung 12 der
Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung 4 zugeführt.
Um eine ausreichende Sprühqualität zu gewährleisten,
müssen Betriebsdrücke im Bereich von 3 bis 6 bar
garantiert werden können. Der Ladedruck der Verdichtereinheit
liegt in der Regel jedoch darunter. Somit gilt es das Druckniveau anzuheben.
Zur Druckverstärkung ist daher in der Druckluftversorgungsleitung 5 ein
Druckübersetzer 6 vorgesehen. Zur Stabilisierung
des Druckniveaus in der Druckluftversorgungsleitung 5 ist
ferner ein elektrisch ansteuerbares und als Rückschlagventil 9 ausgebildetes
Druckventil in der Druckluftversorgungsleitung 5 vorgesehen,
das dem Druckübersetzer 6 vorgeschaltet ist.
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Im
Druckübersetzer 6 wird der über die Druckluftversorgungsleitung 5 zugeführten
vorverdichteten Luft saubere Umgebungsluft beigemischt, so dass über
die Versorgung der Hochdruckstufe mit Frischluft zugleich einer
Verschmutzung der Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung 4 bzw.
der Sprühvorrichtung 12 entgegen gewirkt werden
kann.
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In
der Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung 4 wird
die Druckluft mit dem Reduktionsmittel gemischt, das über
eine Versorgungsleitung 10 aus einem Vorratstank 11 der
Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung 4 zugeführt
wird. Die Mischung wird dann über die Sprühvorrichtung 12 der
Reduktionsmittel-Zuführeinrichtung 4 in das Abgasrohr 3 eingespritzt.
Dabei bewirkt die in der Druckluft gespeicherte Energie die Bildung
feinster Tröpfchen und eine gleichmäßige
Verteilung der Tröpfchen in den Abgasen. Dies hat wiederum
zur Folge, dass sich aufgrund der Sprühqualität
der Wirkungsgrad des Reduktionskatalysators erhöht.
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Ergänzend
zur selektiven katalytischen Reduktion kann die Nachbehandlung der
Abgase auch eine Reinigung bzw. Filterung der Abgase, beispielsweise
durch Vorschalten eines Partikelfilters, und/oder die Entfernung überschüssigen
Ammoniaks durch Nachschalten eines Oxidationskatalysators umfassen.
Weitere Nachbehandlungsstufen sind ergänzend oder alternativ
ebenfalls möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2000/32913
A1 [0003]
- - DE 102007000333 A1 [0005]
