DE102009041592A1

DE102009041592A1 - Einrichtung zur hydrolytischen Erzeugung von Ammoniak in einer für einen Verbrennungsmotor bestimmten SCR-Abgasanlage

Info

Publication number: DE102009041592A1
Application number: DE102009041592A
Authority: DE
Inventors: Martin Huber
Original assignee: Huber Automotive AG
Current assignee: Huber Automotive AG
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-04-14

Abstract

Beschrieben ist eine Einrichtung (10) zur hydrolytischen Erzeugung von Ammoniak in einer für einen Verbrennungsmotor bestimmten SCR-Abgasanlage, mit einem Abgasrohr (12) zum Leiten eines Abgasstroms zu einem SCR-Katalysator, und einer Einspritzvorrichtung (20) zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung in einen Hydrolyseabschnitt des Abgasrohrs (12), in dem aus der wässrigen Harnstofflösung durch Hydrolyse Ammoniak entsteht. Der Hydrolyseabschnitt des Abgasrohrs (12) ist wenigstens zum Teil als doppelwandiges Rohr (36) mit einer inneren Wand und einer äußeren Wand ausgebildet, wobei der durch die beiden Wände gebildete Zwischenraum (32) zur thermischen Isolierung des Hydrolyseabschnitts luftdicht evakuiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur hydrolytischen Erzeugung von Ammoniak in einer für einen Verbrennungsmotor bestimmten SCR-Abgasanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Als SCR bezeichnet man ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NO_x) in Abgasen, wie sie in Verbrennungsmotoren entstehen. Bei diesem Verfahren wird eine wässrige Harnstofflösung in einen Hydrolyseabschnitt des Abgasrohrs eingespritzt. In dem Hydrolyseabschnitt wird aus dem in der Lösung enthalten Harnstoff und dem Abgas Ammoniak (NH₃) erzeugt. Der so erzeugte Ammoniak wird dann einem nachgeordneten SCR-Katalysator zugeführt, in dem er mit den Stickoxiden im Abgas zu Stickstoff und Sauerstoff reagiert.
Nun ist die Hydrolyse, durch die in dem Hydrolyseabschnitt des Abgasrohrs aus der wässrigen Harnstofflösung Ammoniak entsteht, im Hinblick auf die gewünschte Reaktionsausbeute eine durchaus diffizile Reaktion, die empfindlich von den gerade vorherstehenden Reaktionsbedingungen wie den vorliegenden Masseströmen, dem Verhältnis von NO zu NO₂ oder auch der Reaktionstemperatur abhängt. Insbesondere die Reaktionstemperatur erweist sich hierbei als kritischer Parameter, der die Ammoniakausbeute empfindlich beeinflusst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Hydrolyseabschnitt des Abgasrohrs in einer SCR-Abgasanlage so auszubilden, dass eine möglichst hohe Ammoniakausbeute durch die Hydrolyse erzielt wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
Die Erfindung sieht vor, die Hydrolyseabschnitt des Abgasrohrs wenigstens zum Teil, vorzugsweise jedoch über seine gesamte Länge, als doppelwandiges Rohr mit einer inneren Wand und einer äußeren Wand auszubilden und den Zwischenraum, der durch diese beiden Wände gebildet ist, zu evakuieren, um den Hydrolyseabschnitt thermisch zu isolieren. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Hydrolyseabschnittes als doppelwandiges Rohr, das zwischen seinen beiden Wänden einen luftdicht evakuierten Zwischenraum begrenzt, ermöglicht es auf einfache Weise, den Verlust an thermischer Energie in Form von Wärmeleitung und Wärmestrahlung gering zu halten. So kann die Reaktionstemperatur, die einen großen Einfluss auf die durch die Hydrolyse erzielte Ammoniakausbeute hat, über den gesamten Hydrolyseabschnitt hoch gehalten werden.
Vorzugsweise ist die innere Wand des doppelwandigen Rohrs durch einen Wandabschnitt des Abgasrohrs selbst gebildet, während die äußere Wand des doppelwandigen Rohrs durch eine längliche Schale gebildet ist, die den vorstehend genannten Wandabschnitt in einem Abstand umgibt und an ihren beiden Längsenden mit dem Wandabschnitt luftdicht verbunden, beispielsweise mit diesem verschweißt ist. Die vorteilhafte Doppelwandstruktur wird also bei dieser bevorzugten Ausgestaltung durch das Abgasrohr selbst sowie die Schale realisiert, die beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, an dem Abgasrohr angebracht wird.
Optional weist das doppelwandige Rohr einen Unterdruckanschluss auf, an den eine Vorrichtung zum Evakuieren des thermisch isolierenden Zwischenraums anschließbar ist. Sollten geringfügige Undichtigkeiten auftreten, so kann bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung die Leckage über den Unterdruckanschluss ausgeglichen werden.
Vorzugsweise besteht das doppelwandige Rohr aus einem Stahlblech, insbesondere einem Edelstahlblech. In diesem Fall ist es auch möglich, zumindest die Außenfläche der inneren Wand und die Innenfläche der äußeren Wand des doppelwandigen Rohrs beispielsweise durch Polieren spiegelnd auszubilden. Dadurch können thermische Verluste durch Wärmestrahlung weiter verringert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur hydrolytischen Erzeugung von Ammoniak in einer SCR-Abgasanlage;
2 eine Schnittansicht der in 1 gezeigten Einrichtung;
3 einen Teil der in 2 gezeigten Einrichtung in vergrößerter Ansicht; und
4 einen weiteren Teil der in 2 dargestellten Einrichtung in vergrößerter Ansicht.
In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur hydrolytischen Erzeugung von Ammoniak dargestellt. Die allgemein mit 10 bezeichnete Einrichtung ist Teil einer SCR-Abgasanlage, die mit einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor gekoppelt ist. In der Darstellung nach 1 ist der Abgasstrom von rechts nach links gerichtet. An das in 1 gezeigte linke Ende schließt ein ebenfalls nicht gezeigter SCR-Katalysator an, der mit dem in der Einrichtung 10 erzeugten Ammoniak beaufschlagt wird.
Die Einrichtung 10 umfasst ein Abgasrohr 12, dessen in 1 gezeigtes rechtes Ende mittels eines Montageflansches 14 in der SCR-Abgasanlage montiert ist. Das Abgasrohr 12 weist an den Montageflansch 14 anschließend einen gekrümmten Rohrabschnitt 16 auf, an den wiederum ein gerader Rohrabschnitt 18 (vgl. 2) anschließt, der zu dem SCR-Katalysator führt. Der gebogene Rohrabschnitt 16 hat den Zweck, eine allgemein mit 20 bezeichnete Einspritzvorrichtung relativ zu dem geraden Rohrabschnitt 18 so anordnen zu können, dass diese eine axiale Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung in den geraden Rohrabschnitt 18 ermöglicht.
Die Einspritzvorrichtung 20 umfasst einen Anschlussstutzen 22 , eine an dem Anschlussstutzen 22 montierte Einspritzdüse 24 sowie eine Zuleitung 26, durch die der Einspritzdüse 20 die Harnstofflösung zugeführt wird. Der Anschlussstutzen 22 ist so an dem gekrümmten Rohrabschnitt 16 angebracht, dass seine Längsmittelachse auf die Längsmittelachse des geraden Rohrabschnitts 18 ausgerichtet ist und so die vorstehend erwähnte axiale Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung in das Abgasrohr 12 möglich ist.
Der Anschlussstutzen 22 ist, wie am besten in der Detailschnittansicht nach 3 zu erkennen ist, in seinem Inneren so geformt, dass die wässrige Harnstofflösung in einem kegelförmig aufgeweiteten Strahl in das Abgasrohr 12 eingespritzt werden kann.
Die Einspritzdüse 24 wird elektromagnetisch gesteuert, um die Harnstofflösung nach Bedarf in das Abgasrohr 12 einzuspritzen. Über ein in den Figuren nicht dargestelltes Ventil, das über eine elektrische Zuleitung 28 angesteuert wird, kann die an der Einspritzdüse 24 anstehende Harnstofflösung zur Einspritzung freigegeben und gesperrt werden.
Der in den 1 und 2 gezeigte, gerade Rohrabschnitt 18 ist von einer zylindrischen Schale 30 umgeben. Dieser von der Schale 30 umgebene Rohrabschnitt 18 bildet einen Hydrolyseabschnitt, in dem aus der eingespritzten wässrigen Harnstofflösung durch eine Hydrolysereaktion mit dem in dem Abgasrohr 12 geführten Abgas Ammoniak entsteht. Die Schale 30 dient dazu, den Hydrolyseabschnitt thermisch zu isolieren, damit die Hydrolysereaktion bei konstant hoher Temperatur erfolgen kann.
Wie den Schnittdarstellungen nach den 2 bis 4 zu entnehmen ist, wird die thermische Isolierung durch einen luftdicht evakuierten Zwischenraum 32 bewirkt, den die Schale 30 zusammen mit einem Wandabschnitt 34 des Abgasrohrs 12 einschließt, an dem die Schale 30 angebracht ist (und der sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen über den gesamten geraden Rohrabschnitt 18 erstreckt). Die Schale 30 und das Abgasrohr 12 bilden so ein doppelwandiges Rohr, das in den Figuren mit 36 bezeichnet ist. Dabei ist die innere Wand dieses doppelwandigen Rohrs 36 durch den Wandabschnitt 34 des Abgasrohrs 12 und die äußere Wand durch die Wand der Schale 30 gebildet. Um den Zwischenraum 32 luftdicht evakuiert zu halten, ist die Schale 30 ist an ihren beiden Längsenden 38 und 40 mit dem Abgasrohr 12 verschweißt.
Der evakuierte Zwischenraum 32 ist dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein langgestreckter, im Querschnitt ringförmiger Raum. Die radiale Abmessung des Zwischenraums 32, d. h. der radiale Abstand der Außenfläche des die innere Wand bildenden Rohrabschnitts 18 von der Innenfläche der die äußere Wand bildenden Schale 30 ist über die Länge des Zwischenraums 32 konstant. Dabei sind die Abmessungen des Zwischenraums 32 in radialer und axialer Richtung so gewählt, dass eine möglichst wirksame thermische Isolierung erzielt wird. So liegt die radiale Abmessung beispielsweise in einem Bereich von einigen, z. B. 4 bis 8 mm, während die axiale Abmessung vorzugsweise gleich der Länge des Hydrolyseabschnitts ist und somit in einem Bereich von einigen hundert mm liegen kann.
Es versteht sich von selbst, dass die vorstehenden Angaben lediglich beispielhaft zu verstehen sind.
Das Abgasrohr 12 und die Schale 30 bestehen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Stahlblech, vorzugsweise einem Edelstahlblech. Dies bietet insbesondere auch die Möglichkeit, zumindest die Innenfläche der äußeren Wand und die Außenfläche der inneren Wand des doppelwandigen Rohrs 36 z. B. durch Polieren spiegelnd auszubilden, wodurch ein Wärmeverlust in folge unerwünschter, nach außen gerichteter Wärmestrahlung weiter verringert wird.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist an der Schale 30 ferner ein Unterdruckanschluss 42 ausgebildet. Dieser dient dazu, geringfügige Luftundichtigkeiten auszugleichen, die in dem durch die Schale 30 und dem Abgasrohr 12 gebildeten doppelwandigen Rohr 36 auftreten. So kann an den Unterdruckanschluss 42 eine Vorrichtung angeschlossen werden, um das doppelwandige Rohr 36 zu evakuieren.
Der Unterdruckanschluss 42 ist jedoch nur optional vorgesehen und kann auch weggelassen werden, sofern sichergestellt ist, dass das doppelwandige Rohr 36 hinreichend luftdicht ist.
Bezugszeichenliste

10: Einrichtung
12: Abgasrohr
14: Montageflansch
16: gekrümmter Rohrabschnitt
18: gerader Rohrabschnitt
20: Einspritzvorrichtung
22: Anschlussstutzen
24: Einspritzdüse
26: Zuleitung für wässrige Harnstofflösung
28: elektrische Zuleitung
30: Schale
32: Zwischenraum
34: Wandabschnitt
36: doppelwandiges Rohr
38, 40: Längsenden der Schale 30
42: Unterdruckanschluss

Claims

Einrichtung (10) zur hydrolytischen Erzeugung von Ammoniak in einer für einen Verbrennungsmotor bestimmten SCR-Abgasanlage, mit einem Abgasrohr (12) zum Leiten eines Abgasstroms zu einem SCR-Katalysator, und einer Einspritzvorrichtung (20) zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung in einen Hydrolyseabschnitt des Abgasrohrs (12), in dem aus der wässrigen Harnstofflösung durch Hydrolyse Ammoniak entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolyseabschnitt des Abgasrohrs (12) wenigstens zum Teil als doppelwandiges Rohr (36) mit einer inneren Wand und einer äußeren Wand ausgebildet ist, wobei der durch die beiden Wände gebildete Zwischenraum (32) zur thermischen Isolierung des Hydrolyseabschnitts luftdicht evakuiert ist.
Einrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der luftdicht evakuierte Zwischenraum (32) einen langgestreckten, im Querschnitt ringförmigen Raum bildet.
Einrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wand des doppelwandigen Rohrs (36) durch einen Wandabschnitt (34) des Abgasrohrs (12) selbst gebildet ist, während die äußere Wand des doppelwandigen Rohrs (36) durch eine längliche Schale (30) gebildet ist, die den genannten Wandabschnitt (34) in einem Abstand umgibt und an ihren beiden Längsenden (38, 40) mit dem Wandabschnitt (34) luftdicht verbunden ist.
Einrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Längsenden (38, 40) der Schale (30) luftdicht mit dem die innere Wand bildenden Wandabschnitt (34) des Abgasrohrs (12) verschweißt sind.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelwandige Rohr (36) einen Unterdruckanschluss (42) aufweist, an den eine Vorrichtung zum Evakuieren des thermisch isolierenden Zwischenraums (32) anschließbar ist.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Außenfläche der inneren Wand zur Innenfläche der äußeren Wand in einem Bereich von 4 bis 8 mm liegt.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelwandige Rohr (36) aus einem Stahlblech besteht
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Außenfläche der inneren Wand und die Innenfläche der äußeren Wand des doppelwandigen Rohrs (36) spiegelnd ausgebildet sind.