DE102011114097A1

DE102011114097A1 - Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102011114097A1
Application number: DE102011114097A
Authority: DE
Inventors: Simon Bräutigam; Thorsten Blume; Stefan Fröhlich
Original assignee: Alantum Europe GmbH
Current assignee: Alantum Europe GmbH
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors, umfassend einen Partikelfilter mit einem Filtergehäuse und einem darin angeordneten Filtersubstrat, einen Katalysator für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden (SCR) mit einem Katalysatorsubstrat, wobei der Katalysator dem Partikelfilter in Strömungsrichtung des Abgases gesehen nachgeordnet ist, und eine Vorrichtung zum Einbringen einer Ammoniakquelle in den Abgasstrom, welche in Strömungsrichtung des Abgases gesehen zwischen dem Partikelfilter und dem Katalysator angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors.
Einrichtungen zur Senkung des Schadstoffausstoßes von Verbrennungsmotoren sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen beispielsweise Fahrzeugkatalysatoren, welche eine Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen sowie die Reduktion von Stickstoffoxiden ermöglichen.
Weiterhin ist zur Senkung der Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren die Nachbehandlung der Abgase mit Partikelfiltern bekannt, welche eine Senkung der Konzentrationen von Rußpartikeln und Feinstaub ermöglichen.
Trotz derartiger Maßnahmen besteht aus Gründen des Immissionsschutzes die Notwendigkeit, die Konzentration von durch den Betrieb von Verbrennungsmotoren erzeugten Schadstoffen in der Umgebungsluft weiter abzusenken und somit dem Gesundheitsschutz aber auch verschärften gesetzlichen Rahmenbedingungen Rechnung zu tragen.
Es werden folglich immer höhere Anforderungen an Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung gestellt, wobei insbesondere im Kraftfahrzeugbereich das Problem besteht, dass nur ein beschränkter Bauraum für die Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorhanden ist und die Einrichtungen möglichst leicht sein sollten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welche eine Senkung der Schadstoffemissionen bei einem einfachen und kompakten Aufbau ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen Partikelfilter mit einem Filtergehäuse und einem darin angeordneten Filtersubstrat, einen Katalysator für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden (SCR) mit einem Katalysatorsubstrat, wobei der Katalysator dem Partikelfilter in Strömungsrichtung des Abgases gesehen nachgeordnet ist, und eine Vorrichtung zum Einbringen einer Ammoniakquelle in den Abgasstrom, welche in Strömungsrichtung des Abgases gesehen zwischen dem Partikelfilter und dem Katalysator angeordnet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zunächst die Partikelkonzentration, insbesondere die Konzentration von Rußpartikeln, mittels eines Partikelfilters zu vermindern und anschließend durch eine selektive katalytische Reduktion die Emission von Stickstoffoxiden zu senken. Als Reduktionsmittel in der selektiven katalytischen Reduktion fungiert Ammoniak, das während des Betriebs aus einer Ammoniakquelle erhalten wird, welche in den Abgasstrom nach dem Durchgang durch den Partikelfilter und vor dem Katalysator für die selektive katalytische Reduktion (SCR) eingebracht wird.
Die Emission von sowohl Partikeln als auch Stickstoffoxiden wird folglich innerhalb einer Anordnung gesenkt, welche aufgrund ihres einfachen und kompakten Aufbaus einen geringeren Platzbedarf sowie ein geringeres Gewicht aufweist und welche sich somit besonders gut für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einem Lastkraftwagen, eignet.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
Das Filtersubstrat erstreckt sich gemäß einer Ausführungsform in einer axialen Richtung und ist in einer radialen Richtung von Abgas durchströmbar ausgebildet. Aufgrund der radialen Durchströmung des Filtersubstrats wird eine gegenüber axialer Durchströmung größere Eintrittsfläche für das Abgas in das Filtersubstrat und somit eine größere Filterfläche bereitgestellt, wodurch bei kompakter Baugröße eine verbesserte Filterwirkung erreicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Filtersubstrat in Form eines Hohlkörpers ausgebildet. Dabei kann der Hohlkörper einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweisen und insbesondere hohlzylinderartig ausgebildet sein. Durch eine Ausführung als Hohlkörper wird ein von dem Filtersubstrat umgebener Innenbereich des Hohlkörpers definiert, der zur Aufnahme von weiteren Komponenten geeignet ist, so dass eine besonders kompakte und platzsparende Bauform der Anordnung realisiert werden kann.
Als Materialien für das Filtersubstrat kommen beispielsweise poröse Sintermetalle in Frage. Auch kann das Filtersubstrat eine keramische Wabenstruktur mit geschlossenen Kanälen oder eine keramische Schaumstruktur oder ein metallisches, sintermetallisches oder keramisches Vlies umfassen. Weiterhin können Maßnahmen zur Vergrößerung der Oberfläche des Filtersubstrats vorgesehen sein, z. B. in Form der Ausbildung gefalteter Taschenstrukturen.
Besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der das Filtersubstrat einen Metallschaum umfasst, da sich dieser durch eine besonders geringe Dichte, d. h. insbesondere eine geringe Masse bei großer Oberfläche, auszeichnet und somit eine besonders gewichtssparende Bauform bei hoher Filterwirkung realisiert werden kann. Insbesondere kann der Metallschaum auch einen Schaum einer Metalllegierung umfassen oder als Schaum einer Metalllegierung ausgebildet sein.
Weiterhin kann das Filtersubstrat gemäß einer Ausführungsform einen Oxidationskatalysator, insbesondere einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC), umfassen, wobei insbesondere ein Metallschaum des Filtersubstrats mit einer als Oxidationskatalysator wirkenden Substanz versehen sein kann. Derartige Substanzen können beispielsweise Edelmetalle, wie z. B. wenigstens eines der Elemente Platin, Palladium, Rhodium, oder auch Bariumoxid (BaO) und/oder Vanadium-(V)-oxid (V₂O₅) sowie Lanthanoide umfassen, auch können zusätzlich Zeolithe im Filtersubstrat enthalten sein. Auf diese Weise können sowohl CO und Kohlenwasserstoffe zu CO₂ als auch NO zu NO₂ oxidiert werden. NO₂ erlaubt eine Oxidation von im Partikelfilter angesammeltem Ruß und somit eine kontinuierliche Regeneration des des Filtersubstrats über den CRT-Effekt.
Das Katalysatorsubstrat des dem Partikelfilter nachgeordneten Katalysators für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden (SCR) kann sich ähnlich wie der Partikelfilter in einer axialen Richtung erstrecken und in einer radialen Richtung von Abgas durchströmbar ausgebildet sein. Ein Vorteil einer radialen Durchströmung des Filtersubstrats liegt auch hier darin, dass eine gegenüber axialer Durchströmung größere Eintrittsfläche für das Abgas in das Katalysatorsubstrat und somit eine größere katalytisch wirksame Oberfläche bereitgestellt wird, wodurch eine verbesserte Abgasreinigung erreicht wird.
Das Katalysatorsubstrat kann ebenfalls in Form eines Hohlkörpers, welcher insbesondere einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist, und insbesondere als Hohlzylinder ausgebildet sein. Auch hier ermöglicht eine Ausführung des Katalysatorsubstrats als Hohlkörper eine Aufnahme von weiteren Komponenten in einem Innenbereich des Hohlkörpers und somit eine besonders kompakte und platzsparende Bauform der Anordnung.
Weiterhin kann das Katalysatorsubstrat einen Metallschaum aufweisen, welcher mit einer Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden versehen ist. Die Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden kann beispielsweise Metalle wie z. B. wenigstens eines der Elemente Eisen, Kobalt, Kupfer, Vanadium, oder auch Vanadium-(V)-oxid (V₂O₅) und/oder Wolfram-(VI)-oxid (WO₃) enthalten. Weiterhin kann die Substanz Zeolithe umfassen. Wie bereits erwähnt ist die Verwendung eines Metallschaums vorteilhaft, da sich dieser durch eine besonders geringe Dichte, d. h. insbesondere eine geringe Masse bei gleichzeitig großer Oberfläche für eine Aufbringung einer Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden, auszeichnet und somit eine besonders gewichtssparende Bauform bei hoher katalytischer Aktivität realisiert werden kann. Außerdem kann der Metallschaum einen Schaum einer Metalllegierung enthalten oder als Schaum einer Metalllegierung ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Katalysatorsubstrat innerhalb des Filtergehäuses angeordnet. Dabei kann das Katalysatorsubstrat insbesondere von dem Filtersubstrat umgeben sein oder dieses umgeben. Auf diese Weise wird eine besonders kompakte Bauform der Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors realisierbar.
Besonders bevorzugt sind das Filtersubstrat und das Katalysatorsubstrat ineinander geschobene Hohlkörper. Dabei kann entweder das Katalysatorsubstrat in dem Filtersubstrat angeordnet sein oder umgekehrt das Filtersubstrat in dem Katalysatorsubstrat angeordnet sein.
Weiterhin weisen das Filtersubstrat und das Katalysatorsubstrat bevorzugt im Wesentlichen gleiche axiale Abmessungen auf, wodurch eine besonders effektive Reinigung des Abgasstroms von sowohl Partikeln als auch Stickstoffoxiden erreicht werden kann.
Insbesondere wenn das Filtersubstrat und das Katalysatorsubstrat in Form von ineinander geschobenen Hohlkörpern ausgebildet sind, weist die Vorrichtung zum Einbringen einer Ammoniakquelle vorteilhafterweise wenigstens eine Leiste mit einer Vielzahl von über die Länge der Leiste verteilten Austrittsöffnungen auf, welche zwischen dem Filtersubstrat und dem Katalysatorsubstrat angeordnet ist. Dadurch wird ein gleichmäßiges Einbringen der Ammoniakquelle über die Länge der Substrate realisiert und somit eine gleichmäßige Verteilung der Ammoniakquelle im Abgasstrom erreicht. Auf diese Weise können die Mischzeit und insbesondere das für die Vermischung der Ammoniakquelle mit dem Abgas benötigte Volumen reduziert werden, was eine noch kompaktere Bauform der Anordnung ermöglicht.
Die Leiste kann unmittelbar auf dem Filtersubstrat oder dem Katalysatorsubstrat angebracht sein, und die Austrittsöffnungen können beispielsweise als Düsen ausgebildet sein. Außerdem können mehrere Leisten in Umfangsrichtung der Substrate gesehen verteilt angeordnet sein.
Bevorzugt ist die Länge der Leiste an die axiale Abmessung des Filtersubstrats und/oder des Katalysatorsubstrats angepasst, wodurch eine Einbringung der Ammoniakquelle über die gesamte Länge der Substrate und somit besonders gleichmäßige Verteilung der Ammoniakquelle im Abgasstrom erreicht werden kann.
Die Vorrichtung zum Einbringen der Ammoniakquelle in den Abgasstrom kann für ein Einbringen der Ammoniakquelle mit der Strömung und/oder entgegen der Strömung des Abgases ausgebildet sein. Insbesondere kann als Vorrichtung zum Einbringen einer Ammoniakquelle eine Einspritzvorrichtung für Flüssigkeiten oder eine Gaseinleitungsvorrichtung vorgesehen sein.
Die Ammoniakquelle umfasst wenigstens eine Verbindung, aus der unter Betriebsbedingungen Ammoniak freigesetzt werden kann, wie z. B. wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe Harnstoff, Ammoniumcarbamat, Ammoniumformiat. Besonders bevorzugt enthält die Ammoniakquelle Harnstoff. Auch Mischungen, welche wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe Harnstoff, Ammoniumcarbamat, Ammoniumformiat enthalten, können verwendet werden. Die Ammoniakquelle kann auch Ammoniak enthalten.
Bevorzugt kann die Ammoniakquelle in Form einer Lösung, insbesondere einer wässrigen Lösung, in den Abgasstrom eingespritzt werden. Es kann eine Lösung verwendet werden, welche wenigstens eine Verbindung aus der Gruppe Harnstoff, Ammoniumcarbamat, Ammoniumformiat enthält. Auch kann eine Lösung verwendet werden, die Ammoniak enthält.
Besonders bevorzugt wird eine Lösung von Harnstoff in Wasser verwendet. Beispielsweise kann eine kommerziell unter dem Handelsnamen AdBlue^® erhältliche Lösung von Harnstoff in demineralisiertem Wasser mit einem Harnstoffanteil von etwa 32,5 Gewichts-% benutzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand möglicher Ausführungsformen rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors;
2 schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors;
3 schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors;
4A und 4B schematisch eine erste und eine zweite Ausführungsform eines Katalysators für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden (SCR) für eine erfindungsgemäße Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors;
5 schematisch eine dritte Ausführungsform eines Katalysators für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden (SCR) für eine erfindungsgemäße Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors eines Lastkraftwagens, welche einen Partikelfilter mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden Filtergehäuse 12 und einem in dem Filtergehäuse 12 angeordneten Filtersubstrat 14 umfasst. Das Filtersubstrat 14 ist als zylinderartiger Hohlkörper ausgebildet, der sich, in radialer Richtung zu dem Filtergehäuse 12 beabstandet, in seiner axialen Richtung über einen Großteil der Längserstreckung des Filtergehäuses 12 erstreckt. Das Filtersubstrat 14 ist radial durchströmbar ausgebildet und weist einen Metallschaum auf, welcher als Schaum einer Metalllegierung ausgebildet und zusätzlich mit einer als Diesel-Oxidationskatalysator wirkenden Substanz versehen sein kann.
Das Filtersubstrat 14 definiert aufgrund seiner Form als Hohlkörper einen Innenbereich 15, in dem ein Katalysator für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden (SCR) mit einem Katalysatorsubstrat 16 angeordnet ist, welches seinerseits als Hohlkörper ausgebildet ist. Dabei erstreckt sich das Katalysatorsubstrat 16 in der axialen Richtung des Filtersubstrats 14 über dessen gesamte Länge und ist zu diesem beabstandet angeordnet. Insbesondere können das Filtersubstrat 14 und das Katalysatorsubstrat 16 eine gemeinsame Längsmittelachse besitzen.
Das Katalysatorsubstrat 16 ist ebenfalls in radialer Richtung durchströmbar ausgebildet und umfasst eine Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden, welche auf einem Metallschaum aufgebracht ist, der als Schaum einer Metalllegierung ausgebildet sein kann. Ferner kann die Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden z. B. Eisen und/oder Kupfer sowie Zeolithe enthalten.
Aufgrund der beabstandeten Anordnung von Katalysatorsubstrat 16 und Filtersubstrat 14 definieren das Filtersubstrat 14 und das Katalysatorsubstrat 16 einen ringförmigen Zwischenraum 18.
In dem Zwischenraum 18 ist eine Einspritzvorrichtung 20 mit Leisten 22 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zueinander und beabstandet sowohl zu dem Filtersubstrat 14 als auch dem Katalysatorsubstrat 16 angeordnet sind. Dabei sind die Langen der Leisten 22 an die axialen Abmessungen des Filtersubstrats 14 und des Katalysatorsubstrats 16 angepasst, so dass sie sich in axialer Richtung nahezu über deren gesamte Länge erstrecken. Die Leisten 22 weisen eine Vielzahl von in radialer Richtung nach innen auf das Katalysatorsubstrat 16 gerichteten Austrittsdüsen 24 auf, die für ein Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung ausgebildet sind und die im Wesentlichen über die gesamte Länge der Leisten 22 verteilt angeordnet sind. Für die Zufuhr der Harnstofflösung zu den Leisten 22 ist eine Zufuhrleitung 26 vorgesehen.
Aufgrund seiner Hohlkörpereigenschaft definiert das Katalysatorsubstrat 16 einen Innenraum 28, an welchen sich ein zentraler axialer Leitungsabschnitt 30 anschließt, der durch das Filtergehäuse 12 hindurchfährt. Um ein direktes Ausströmen von unbehandeltem Abgas durch den zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 ohne vorheriges Durchströmen des Filtersubstrats 14 und des Katalysatorsubstrats 16 sowie eine Rückvermischung von nachbehandeltem Abgas mit unbehandeltem Abgas innerhalb des Filtergehäuses 12 zu verhindern, ist eine Stirnwand 32 vorgesehen, die sich senkrecht zu dem zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 erstreckt und die Stirnseiten des Filtersubstrats 14 sowie des Katalysatorsubstrats 16, den Zwischenraum 18 und den Innenraum 28 abschließt. Somit wird durch das Filtergehäuse 12, das Filtersubstrat 14, die Stirnwand 32 und den zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 ein Außenraum 34 begrenzt.
Das Filtergehäuse 12 weist stirnseitige Gehäuseöffnungen 36 auf, welche in der ersten Ausführungsform für ein Einströmen des zu behandelnden Abgases in den Außenraum ausgebildet sind.
Im Betrieb wird nachzubehandelndes Abgas 38 durch die Gehäuseöffnungen 36 in den Außenraum 34 des Filtergehäuses 12 eingeleitet. Von dort strömt das Abgas radial durch das Filtersubstrat 14, wobei es von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, gereinigt wird. Für den Fall, dass das Filtersubstrat 14 eine als Diesel-Oxidationskatalysator wirkende Substanz umfasst, findet beim Durchgang durch das Filtersubstrat 14 zudem eine Oxidation von CO und Kohlenwasserstoffen zu CO₂ statt.
Nach Durchströmen des Filtersubstrats 14 erreicht der Abgasstrom den Zwischenraum 18, welcher ebenfalls in radialer Richtung durchströmt wird. Dabei wird aus den Austrittsdüsen 24 der Leisten 22 eine wässrige Harnstofflösung in radialer Richtung und mit der Strömung in den Abgasstrom eingespritzt. In dem Zwischenraum 18 erfolgen eine Freisetzung von Ammoniak aus dem Harnstoff und eine Vermischung mit dem Abgas.
Das Abgas durchströmt nachfolgend das Katalysatorsubstrat 16 in radialer Richtung, wobei in dem Katalysatorsubstrat 16 durch Reaktion mit Ammoniak die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden erfolgt, bevor der Abgasstrom den Innenraum 28 erreicht, welchen das nachbehandelte Abgas 40 durch den zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 verlässt.
Von der ersten Ausführungsform unterscheidet sich eine in 2 gezeigte zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch, dass die Positionen des Filtersubstrats 14 und des Katalysatorsubstrats 16 vertauscht sind, d. h., dass an der Position des Filtersubstrats 14 das Katalysatorsubstrat 16 vorgesehen ist, während sich das Katalysatorsubstrat 16 an der Position des Filtersubstrats 14 befindet. Somit ist in der zweiten Ausführungsform das Filtersubstrat 14 in einem Innenbereich 15 des Katalysatorsubstrats 16 angeordnet. Weiterhin sind die Austrittsdüsen 24 der Leisten 22 in radialer Richtung nach außen auf das Katalysatorsubstrat 16 gerichtet.
Die Durchführung des Abgasstroms durch die Anordnung 10 gemäß der zweiten Ausführungsform erfolgt in der im Vergleich zur ersten Ausführungsform entgegengesetzten Richtung. Demnach erfolgt der Eintritt von nachzubehandelndem Abgas 38 durch den zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 in den Innenraum 28. Anschließend erfolgen, in analoger Reihenfolge zur ersten Ausführungsform, die radiale Durchströmung des Filtersubstrats 14, das Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung in radialer Richtung mit dem Abgasstrom und die radiale Durchströmung des Katalysatorsubstrats 16, bevor der Abgasstrom den Außenraum 34 erreicht und diesen als nachbehandeltes Abgas 40 durch die Gehäuseöffnungen 36 verlässt.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche sich von der ersten und der zweiten Ausführungsform darin unterscheidet, dass das Filtergehäuse 12 nur ein Filtersubstrat 14 umfasst. Es ist in dem Filtergehäuse 12 also kein Katalysatorsubstrat 16 angeordnet.
Somit definiert das Filtersubstrat 14 einen Innenbereich 15, in dem eine in 3 schematisch angedeutete Einspritzvorrichtung 20 mit einer Zufuhrleitung 26 zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung vorgesehen ist. Dem zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 ist stromabwärts nachgeschaltet außerhalb des Filtergehäuses 12 ein Katalysator für die selektive katalytische Reduktion, d. h. ein SCR-Katalysator 42, vorgesehen. Der SCR-Katalysator 42 kann einen Metallschaum, der als Schaum einer Metalllegierung ausgebildet sein kann, umfassen. Alternativ kann ein konventioneller SCR-Katalysator vorgesehen sein, welcher z. B. eine Wabenstruktur aufweist. Der SCR-Katalysator 42 kann ein Katalysatorsubstrat auf der Basis von Keramik, Metallfolie und/oder Extrudat enthalten.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird nachzubehandelndes Abgas 38 analog zur ersten Ausführungsform zunächst in den Außenraum 34 des Filtergehäuses 12 geführt. Nach Durchströmen des Filtersubstrats 14 in radialer Richtung wird der Innenbereich 15 erreicht, in welchem eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrom eingespritzt wird. Nachfolgend wird der Abgasstrom über den zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 dem SCR-Katalysator 42 zugeführt, in welchem die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden erfolgt, bevor nachbehandeltes Abgas 40 den SCR-Katalysator 42 verlässt.
4A zeigt eine erste Ausführungsform eines SCR-Katalysators 42, welcher z. B. in der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung verwendet werden kann. Gemäß 4A umfasst der SCR-Katalysator 42 ein Katalysatorgehäuse 44, das sich in einer Längsrichtung erstreckt.
In dem Katalysatorgehäuse 44 ist ein als Hohlkörper ausgebildetes Katalysatorsubstrat 16 vorgesehen, welches zu dem Katalysatorgehäuse 44 parallel beabstandet ist und sich in axialer Richtung über einen Abschnitt desselben erstreckt. Das Katalysatorsubstrat 16 ist in radialer Richtung durchströmbar ausgebildet und umfasst eine Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden, welche auf einem Metallschaum aufgebracht ist, der als Schaum einer Metalllegierung ausgebildet sein kann. Die Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden kann z. B. Eisen und/oder Kupfer sowie Zeolithe enthalten.
Aufgrund seiner Ausbildung als Hohlkörper weist das Katalysatorsubstrat 16 einen Innenraum 28 auf, an den sich ein zentraler axialer Leitungsabschnitt 30 anschließt, der durch das Filtergehäuse 12 hindurchgeführt ist. Um ein direktes Ausströmen von zu behandelndem Abgas aus dem Innenraum 28 ohne vorheriges Durchströmen des Katalysatorsubstrats 16 und eine Rückvermischung von zu behandelndem und bereits nachbehandeltem Abgas zu verhindern, sind eine Stirnseite des Katalysatorsubstrats 16 und der Innenraum 28 durch eine für Abgas undurchlässige Stirnwand 32 begrenzt, welche senkrecht zur axialen Erstreckung des Katalysatorsubstrats 16 angeordnet ist und an den zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 anschließt. Somit wird durch das Katalysatorgehäuse 44, das Katalysatorsubstrat 16 und die Stirnwand 32 ein Außenraum 34 definiert, welcher in dem Katalysatorgehäuse 44 eine Gasaustrittsöffnung 46 aufweist.
In dem zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 ist, wie schematisch angedeutet, eine Einspritzvorrichtung 20 mit einer Zufuhrleitung 26 vorgesehen, welche zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung entgegen dem Abgasstrom ausgebildet ist.
Beim Betrieb des SCR-Katalysators 42 gemäß 4A wird nachzubehandelndes Abgas 38 durch den zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 zugeführt, wobei mittels der Einspritzvorrichtung 20 eine wässrige Harnstofflösung entgegen der Richtung des Abgasstroms eingespritzt wird. Nach Erreichen des Innenraums 28 wird das Katalysatorsubstrat 16 in radialer Richtung durchströmt, wobei eine selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden zu Stickstoff und Wasser erfolgt. Anschließend erreicht der Abgasstrom den Außenraum 34, welchen das behandelte Abgas 40 durch die Gasaustrittsöffnung 46 verlässt.
4B zeigt eine zweite Ausführungsform eines SCR-Katalysators 42, welche z. B. in der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung verwendet werden kann. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 4A darin, dass der zentrale axiale Leitungsabschnitt 30, welcher ebenfalls eine Vorrichtung 20 zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung entgegen der Strömungsrichtung aufweist, anstelle der Gasaustrittsöffnung 46 an dem Katalysatorgehäuse 44 vorgesehen und somit als Zuleitung von Abgas in den Außenraum 34 ausgebildet ist. Weiterhin ist gemäß der Ausführungsform nach 4B im Katalysatorgehäuse 44 anstelle des zentralen axialen Leitungsabschnitts 30 eine Gasaustrittsöffnung 46 vorgesehen.
Gemäß 4B wird beim Betrieb des SCR-Katalysators 42 nachzubehandelndes Abgas 38 durch den zentralen axialen Leitungsabschnitt 30 zugeführt, wobei mittels der Einspritzvorrichtung 20 eine wässrige Harnstofflösung entgegen der Richtung des Abgasstroms eingespritzt wird. Nach Erreichen des Außenraums 34 wird das Katalysatorsubstrat 16 in radialer Richtung von außen nach innen durchströmt, wobei eine selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden zu Stickstoff und Wasser erfolgt. Anschließend erreicht der Abgasstrom den Innenraum 28 und verlässt diesen als nachbehandeltes Abgas 40 durch die in dem Katalysatorgehäuse 44 vorgesehene Gasaustrittsöffnung 46.
In 5 ist eine weitere Ausführungsform eines SCR-Katalysators 42 gezeigt, welche z. B. in der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt werden kann. Der SCR-Katalysator 42 umfasst ein Katalysatorgehäuse 44, welches sich in einer axialen Richtung erstreckt und zwei Stirnflächen 48 aufweist. An jeder Stirnfläche 48 ist jeweils ein zentraler axialer Leitungsabschnitt 30a, 30b vorgesehen, welcher eine Verbindung zu einem von dem Katalysatorgehäuse 44 umgebenen Katalysatorinnenraum 50 herstellt.
In einem als Zuleitung ausgebildeten ersten zentralen axialen Leitungsabschnitt 30a ist eine Einspritzvorrichtung 20 vorgesehen, welche zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung entgegen dem Abgasstrom ausgebildet ist.
Der Katalysatorinnenraum 50 enthält ein Katalysatorsubstrat 16, welches Schnitzel 52 umfasst, die mit einer Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden versehen sind. Dabei können Schnitzel 52 aus einem Metallschaum, der als Schaum einer Metalllegierung ausgebildet sein kann, vorgesehen sein. Ferner kann die Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden z. B. Eisen, Kupfer und/oder Vanadium sowie Zeolithe enthalten.
Beim Betrieb des SCR-Katalysators 42 gemäß 5 wird in einem ersten Leitungsabschnitt 30a mittels der Einspritzvorrichtung 20 eine wässrige Harnstofflösung gegen den Strom eines nachzubehandelnden Abgases 38 eingespritzt. Das Abgas wird in den Katalysatorinnenraum 50 geführt, in welchem an dem dort angeordneten Katalysatorsubstrat 16 eine selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden erfolgt, bevor nachbehandeltes Abgas 40 durch einen zweiten zentralen axialen Leitungsabschnitt 30b den SCR-Katalysator 42 verlässt.
Bezugszeichenliste

10: Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors
12: Filtergehäuse
14: Filtersubstrat
15: Innenbereich
16: Katalysatorsubstrat
18: Zwischenraum
20: Einspritzvorrichtung
22: Leiste
24: Austrittsdüse
26: Zufuhrleitung
28: Innenraum
30, 30a, 30b: Zentraler axialer Leitungsabschnitt
32: Stirnwand
34: Außenraum
36: Gehäuseöffnung
38: nachzubehandelndes Abgas
40: nachbehandeltes Abgas
42: SCR-Katalysator
44: Katalysatorgehäuse
46: Gasaustrittsöffnung
48: Stirnfläche
50: Katalysatorinnenraum
52: Schnitzel

Claims

Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors, umfassend: – einen Partikelfilter mit einem Filtergehäuse (12) und einem darin angeordneten Filtersubstrat (14), – einen Katalysator für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden (SCR) mit einem Katalysatorsubstrat (16), wobei der Katalysator dem Partikelfilter in Strömungsrichtung des Abgases gesehen nachgeordnet ist, und – eine Vorrichtung (20) zum Einbringen einer Ammoniakquelle in den Abgasstrom, welche in Strömungsrichtung des Abgases gesehen zwischen dem Partikelfilter und dem Katalysator angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Filtersubstrat (14) in einer axialen Richtung erstreckt und in einer radialen Richtung von Abgas durchströmbar ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat (14) in Form eines Hohlkörpers, insbesondere mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt, ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat (14) einen Metallschaum umfasst.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat (14) zusätzlich einen Oxidationskatalysator, insbesondere einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC), umfasst, und insbesondere dass ein Metallschaum des Filtersubstrats (14) mit einer als Diesel-Oxidationskatalysator wirkenden Substanz versehen ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Katalysatorsubstrat (16) in einer axialen Richtung erstreckt und in einer radialen Richtung von Abgas durchströmbar ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsubstrat (16) in Form eines Hohlkörpers, insbesondere mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt, ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsubstrat (16) einen Metallschaum umfasst, welcher mit einer Substanz für die selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden versehen ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsubstrat (16) innerhalb des Filtergehäuses (12) angeordnet ist und insbesondere von dem Filtersubstrat (14) umgeben ist oder dieses umgibt.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat (14) und das Katalysatorsubstrat (16) ineinander geschobene Hohlkörper sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersubstrat (14) und das Katalysatorsubstrat (16) im Wesentlichen gleiche axiale Abmessungen aufweisen.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) zum Einbringen einer Ammoniakquelle wenigstens eine Leiste (22) mit einer Vielzahl über die Länge der Leiste verteilten Austrittsöffnungen (24) aufweist, welche zwischen dem Filtersubstrat (14) und dem Katalysatorsubstrat (16) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Leiste (22) an die axiale Abmessung des Filtersubstrats (14) und/oder des Katalysatorsubstrats (16) angepasst ist.
Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) zum Einbringen einer Ammoniakquelle für ein Einbringen der Ammoniakquelle in den Abgasstrom mit der Strömung und/oder entgegen der Strömung des Abgases ausgebildet ist.