DE102011116227A1

DE102011116227A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen

Info

Publication number: DE102011116227A1
Application number: DE102011116227A
Authority: DE
Inventors: Peter Loman; Ola Hall; Daniel Ryrfeldt
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2013-04-18

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) für ein Fahrzeug (4), die dazu dient, die in den Abgasen (20) eines Fahrzeugs (4) enthaltenen Stickoxide zu reduzieren, indem den Abgasen (20) in einer Abgasleitung (32) ein flüssiges Reduktionsmittel (18) zugeführt wird, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) eingesetzt wird, um eine Fläche (31) in der Abgasleitung (32) lokal zu erwärmen, indem Wärmeenergie der Abgase (20) genutzt wird, um das flüssige Reduktionsmittel (18), das mit der Fläche (31) in Kontakt kommt, zu verdampfen und dadurch die Bildung von Reduktionsmittelablagerungen in der Abgasleitung (32) zu vermeiden. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Nachbehandlung von Fahrzeugabgasen mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2).

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Gegenstand der Erfindung ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND BEKANNTE TECHNIK
Bei Dieselmotorfahrzeugen, insbesondere bei schweren Fahrzeugen wie beispielsweise schwere Lastkraftwagen, wird das SCR-Verfahren (SCR = Selective Catalytic Reduction = selektive katalytische Reduktion), d. h. ein Verfahren zur selektiven Reduktion von Stickoxiden, zur Reinigung der Abgase des Fahrzeugs eingesetzt, um dafür zu sorgen, dass die Abgase, die in die Umgebung abgeführt werden, keinen hohen Gehalt an Stickoxiden aufweisen.
Beim SCR-Verfahren kann als NO_x-Reduktionsmittel (NO_x = Stickoxide) eine flüssige Harnstofflösung verwendet werden, die in die Abgasleitung eingespritzt wird.
Bei Einsatz einer flüssigen Harnstofflösung kann bei geringen Abgastemperaturen das Problem auftreten, dass das eingespritzte Reduktionsmittel nicht ausreichend verdampft, so dass sich im Abgassystem Ablagerungen bilden, die zu einem Druckabfall führen. Dieses Problem wird gelöst, indem die Abgastemperatur so hoch gehalten wird, dass das eingespritzte Reduktionsmittel in der Abgasleitung verdampft.
EP 2 078 834 A zeigt ein Verfahren und ein System zur Reinigung von Abgasen bei einer so hohen Abgastemperatur, dass ein Zusatz vergast wird, indem die Abgase erwärmt werden, um die Zeit zu verkürzen, die erforderlich ist, bis die Einspritzung eines flüssigen Zusatzes von einer Steuereinheit gestartet werden kann. Dazu wird viel Energie benötigt.
Beim SCR-Verfahren kann als Reduktionsmittel auch gasförmiges Ammoniak verwendet werden, das in die Abgasleitung eingespritzt wird. Durch die Verwendung eines gasförmigen Reduktionsmittels wird das Problem der Reduktionsmittelablagerungen in der Abgasleitung gelindert, da Ablagerungen dabei nur dann entstehen, wenn die Abgastemperatur auf ein so niedriges Niveau absinkt, dass das Reduktionsmittel von seinem gasförmigen Aggregatzustand in eine flüssige oder feste Materie umgewandelt wird, bevor die Abgase den Katalysator erreichen.
DE 10 2007 058 768 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen, bei der/dem ein gasförmiges Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak, in die Abgasleitung gespritzt wird und die in den Abgasen enthaltene Energie genutzt wird, um das Reduktionsmittel zu verdampfen, bevor es in die Abgasleitung gespritzt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung dient dazu, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die auch betrieben werden kann, wenn die Abgastemperatur gering ist, für ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Nachbehandlung von Fahrzeugabgasen bereitzustellen.
Der oben angegebene Zweck wird gemäß der Erfindung durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Nachbehandlung von Fahrzeugabgasen gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 12 erfüllt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß der Erfindung, die dazu dient, die in den Fahrzeugabgasen enthaltenen Stickoxide zu reduzieren, indem ein flüssiges Reduktionsmittel in die Abgase in einer Abgasleitung gemäß dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 geleitet wird, weist das Merkmal auf, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung eine Fläche in der Abgasleitung unter Nutzung der Wärmeenergie der Abgase lokal erwärmt, um das flüssige Reduktionsmittel, das mit dieser Fläche in Kontakt kommt, zu verdampfen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Nachbehandlung von Fahrzeugabgasen durch Zuführung eines flüssigen Reduktionsmittels in die Abgase in einem Abgasrohr, um dadurch die in den Fahrzeugabgasen enthaltenen Stickoxide gemäß dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 12 zu reduzieren, weist das Kennzeichen auf, dass es eine Fläche in der Abgasleitung mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung unter Nutzung der Wärmeenergie der Abgase lokal erwärmt, um das flüssige Reduktionsmittel, das mit dieser Fläche in Kontakt kommt, zu verdampfen. Mit diesem Merkmal wird jeweils der Vorteil erzielt, dass die Bildung von Reduktionsmittelablagerungen in der Abgasleitung auch bei geringer Abgastemperatur vermieden wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzt die Abgasnachbehandlungsvorrichtung eine Wärmeenergieübertragungseinheit, einen Kompressor, eine Erwärmungseinheit und ein Expansionsventil, wobei diese Komponenten über Kanäle für ein Wärmeträgermedium verbunden in Serie angeordnet sind und die Wärmeenergieübertragungseinheit dazu dient, Wärmeenergie aus den Abgasen auf das Wärmeträgermedium zu übertragen, und die Erwärmungseinheit dazu dient, eine Fläche in der Abgasleitung durch Übertragung von Wärmeenergie aus dem Wärmeträgermedium auf diese Fläche lokal zu erwärmen, wodurch der Vorteil erzielt wird, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung für ihren Betrieb nur eine relativ geringe Energiemenge benötigt.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeenergieübertragungseinheit zumindest teilweise in der Abgasleitung oder auf der Außenseite der Abgasleitung, im Strömungsverlauf der Abgase hinter oder vor der Zuführungsvorrichtung zur Zuführung von flüssigem Reduktionsmittel in die Abgase in der Abgasleitung angeordnet sein. Die Erwärmungseinheit kann auf der Außenseite der Abgasleitung oder zumindest teilweise in der Abgasleitung angeordnet sein. Die lokal erwärmte Fläche in der Abgasleitung kann eine Fläche der in der Abgasleitung angeordneten Erwärmungseinheit oder eine Fläche auf der Innenseite der Abgasleitung selbst sein. Es kann ein Katalysator in der Abgasleitung im Strömungsverlauf der Abgase hinter der Zuführungsvorrichtung für das flüssige Reduktionsmittel angeordnet werden. Es kann eine Steuereinheit zur Steuerung des Kompressors und der Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels vorhanden sein, wodurch der Vorteil erzielt wird, dass die Ausführung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung darauf abgestimmt werden kann, ob beispielsweise entweder ein hoher Wirkungsgrad oder eine einfache Konstruktion und eine einfache Montage erzielt werden soll.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Wärmeträgermedium in einer Wärmeenergieübertragungseinheit mit Abgasen erwärmt werden, einem Kompressor zugeführt werden, komprimiert werden und im Kompressor dadurch zusätzlich erwärmt werden. Das auf diese Weise zusätzlich erwärmte Wärmeträgermedium kann einer Erwärmungseinheit zugeführt werden, die Wärmeenergie an eine Fläche in der Abgasleitung abgibt. Das dadurch abgekühlte Wärmeträgermedium kann einem Expansionsventil zugeführt wird, wo es sich ausdehnt und dadurch weiter abgekühlt wird, und danach zur Wärmeenergieübertragungseinheit zurückgeleitet wird, so dass der Kreislauf geschlossen wird. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass zum Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung nur eine relativ geringe Energiemenge erforderlich ist.
Kurze Auflistung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der folgenden beigefügten Zeichnungen näher erklärt:
zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 für ein Fahrzeug 4 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 besitzt eine Wärmeenergieübertragungseinheit 6, einen Kompressor 8, eine Erwärmungseinheit 10 und ein Expansionsventil 12. Diese Komponenten sind über Kanäle für ein Wärmeträgermedium 14 verbunden in Serie angeordnet. Zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 gehört auch eine Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung eines flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20. Dieses Flüssige Reduktionsmittel 18 dient zur Reduktion der in den Abgasen 20 enthaltenen Stickoxide.
Das Wärmeträgermedium 14 wird vom Kompressor 8 in einem im Wesentlichen geschlossenen Wärmeträgermediumsystem 22 in Umlauf gehalten, das in der Wärmeenergieübertragungseinheit 6, im Kompressor 8, in der Erwärmungseinheit 10 und im Expansionsventil 12 und in den dazwischen verlaufenden Kanälen 24, 26, 28 und 30 Platz für das Wärmeträgermedium 14 bietet. Die Wärmeenergieübertragungseinheit 6 dient dabei zur Übertragung von Wärmeenergie aus den Abgasen 20 auf das Wärmeträgermedium 14 und die Erwärmungseinheit 10 dient dabei zur lokalen Erwärmung einer Fläche 31, die gemäß dieser Ausführungsform ein Teil der Innenwand der Abgasleitung 32 ist, durch Übertragung von Wärmeenergie aus dem Wärmeträgermedium 14 auf die Fläche 31 in der Abgasleitung 32. Mit einem im Wesentlichen geschlossenen Wärmeträgermediumsystem 22 ist gemeint, dass das System während des Betriebes geschlossen ist, aber zur Befüllung mit Wärmeträgermedium 14 oder zur Entnahme von Wärmeträgermedium 14 bei Bedarf geöffnet werden kann.
Folglich dient die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 dazu, die in den Abgasen 20 des Fahrzeugs 4 enthaltenen Stickoxide zu reduzieren, indem den Abgasen 20 in einer Abgasleitung 32 ein flüssiges Reduktionsmittel 18 zugeführt wird, und eine Fläche 31 in der Abgasleitung 32 lokal zu erwärmen, indem Wärmeenergie der Abgase 20 genutzt wird, um das flüssige Reduktionsmittel 18, das mit der Fläche 31 in Kontakt kommt, zu verdampfen und dadurch die Bildung von Reduktionsmittelablagerungen in der Abgasleitung zu vermeiden.
Durch den Einsatz einer Wärmepumpe in der oben beschriebenen Weise kann die Temperatur der Fläche 31 in der Abgasleitung 32, mit der das flüssige Reduktionsmittel 18 in Kontakt kommt, lokal erhöht werden, beispielsweise in dem Teil der Abgasleitung 32, in dem das flüssige Reduktionsmittel 18 beispielsweise durch Einspritzung zugeführt wird, so dass die Verdampfung des Reduktionsmittels 18 erfolgen kann.
Das flüssige Reduktionsmittel 18 ist ein NO_x-Reduktionsmittel, d. h. ein flüssiges NO_x-Reduktionsmittel wie beispielsweise eine flüssige Harnstofflösung, beispielsweise das unter dem Markennamen „Ad Blue” im Handel zum Verkauf angebotene Additiv, das 32,5 Gewichtsprozent Harnstoff in destilliertem/entionisiertem Wasser enthält.
Bei Einsatz einer flüssigen Harnstofflösung muss die Fläche 31 in der Abgasleitung 32 auf einer Temperatur von mindestens etwa 200°C gehalten werden, damit die Verdampfung sichergestellt werden kann.
Bei der Zuführung einer flüssigen Harnstofflösung in die Abgasleitung, in der die Abgase eine Temperatur über 180°C aufweisen, verdampft das Wasser, woraufhin der Harnstoff schmilzt und bei der so genannten Thermolyse von Harnstoff verdampft. Dabei entsteht unter anderem Ammoniak gemäß der folgenden Reaktion: (NH₂)₂CO => NH3 + HNCO.
Nach der Thermolyse von Harnstoff erfolgt eine Hydrolyse in einem nachgelagerten Katalysator oder bei einer Temperatur über 400°C gemäß der folgenden Reaktion: HNCO + H₂O => NH3 + CO2.
NH3 reduziert NO_x gemäß der folgenden Reaktion:
NH3 + NO_x => N2 + H2O (nicht ausgeglichene Formel, da X unterschiedliche Werte haben kann).
Die Rückkondensation von Ammoniak erfolgt bei etwa –30°C, so dass dies kein größeres Problem bei Fahrzeugabgasleitungen während des Fahrzeugbetriebs ist.
Mindestens eine Steuereinheit 34 dient vorzugsweise dazu, den Kompressor 8 und die Zufuhr des flüssigen Reduktionsmittels 18 zu steuern, und zwar in Abhängigkeit davon, welches Reduktionsmittel verwendet wird und welche Temperatur die Abgase in der Abgasleitung 32 haben, so dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung nur in Betrieb ist, wenn dies erforderlich ist. Falls der Kompressor 8 und die Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels 18 von separaten Steuereinheiten gesteuert werden, müssen diese Steuereinheiten synchronisiert werden, wobei vorzugsweise die Steuereinheit für die Steuerung des Kompressors 8 als „Nebeneinheit” der Steuereinheit für die Steuerung der Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels 18 eingesetzt wird. Falls die Abgase 20 sehr kalt sind, beispielsweise unmittelbar nach einem Kaltstart bei sehr niedrigen Außentemperaturen, kann das Reduktionsmittel trotz lokaler Erwärmung einer Fläche 31 in der Abgasleitung 32 mit der Erwärmungseinheit 10 nicht vergast werden, so dass die Steuereinheit 34 die Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgasleitung 32 blockiert. Wenn dagegen die Abgase 20 sehr heiß sind, d. h. heißer als 400°C, verdampft das flüssige Reduktionsmittel 18, ohne dass eine Fläche 31 in der Abgasleitung 32, wie oben beschrieben, lokal erwärmt werden muss, so dass die Steuereinheit 34 in diesem Fall den Betrieb des Kompressors 8 blockiert. Die Steuereinheit 34 sorgt dafür, dass das Reduktionsmittel 18 den Abgasen 20 zugeführt wird und der Kompressor 8 in Betrieb ist, wenn die Abgastemperatur so hoch ist, dass das Reduktionsmittel 18, das nicht mit einer Fläche 31 in der Abgasleitung 32 in Kontakt kommt, vergast werden kann, aber wenn die Abgastemperatur nicht so hoch ist, dass auch das Reduktionsmittel 18, das mit einer Fläche 31 in der Abgasleitung 32 in Kontakt kommt und diese Fläche 31 kühlt, vergast wird. Das Temperaturintervall kann mit der Steuereinheit 34 in Abhängigkeit vom verwendeten Reduktionsmittel eingestellt werden. Die Abgastemperatur muss ausreichend hoch sein, damit das Reduktionsmittel 18, das nicht mit einer Fläche 31 in der Abgasleitung 32 in Kontakt kommt, vergast wird. Diese Temperatur ist je nach dem verwendeten Reduktionsmittel 18 unterschiedlich. Die Abgastemperatur, die erforderlich ist, damit das Flüssige NO_x-Reduktionsmittel, das mit einer Fläche 31 in der Abgasleitung 32 in Kontakt kommt und diese Fläche dadurch kühlt, in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht, ist von mehreren Faktoren abhängig, beispielsweise von der Temperatur des flüssigen NO_x-Reduktionsmittels zum Zeitpunkt der Zuführung, von der Bemessung der Abgasleitung, von der Strömungsgeschwindigkeit der Abgase, von der Kontaktfläche des flüssigen Reduktionsmittels usw. Die Abgase können während des Betriebes normalerweise eine Temperatur zwischen etwa 200°C und etwa 700°C haben.
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann ohne Steuereinheit eingesetzt werden, aber in diesem Fall bilden sich Ablagerungen auf der Innenfläche der Abgasleitung, die verbrennen, wenn die Temperatur ansteigt. Der Kompressor ist dann auch in Betrieb, wenn dies nicht zur Vergasung von Harnstoff erforderlich ist. Deshalb kann eine Vorrichtung ohne Steuereinheit nicht empfohlen werden.
Gemäß dieser Ausführungsform ist die Wärmeenergieübertragungseinheit 6 in einer Abgasleitung 32 angeordnet, so dass warme Abgase 20 an der Fläche 36 der Wärmeübertragungseinheit 6 vorbeiströmen, was zur Folge hat, dass das in der Wärmeenergieübertragungseinheit 6 strömende Wärmeträgermedium 14 sich erwärmt.
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 gemäß dieser Ausführungsform funktioniert gemäß dem im Folgenden beschriebenen Prinzip bei Betrieb des Kompressors 8.
Dieses Prinzip wird am Beispiel einer flüssigen Harnstofflösung als Reduktionsmittel erklärt:
Wie oben beschrieben wird von den Abgasen 20 in der Wärmeenergieübertragungseinheit 6 das Wärmeträgermedium 14 auf eine Temperatur T₁ erwärmt und flüssiges Wärmeträgermedium zur Verdampfung gebracht. Danach wird das Wärmeträgermedium 14 dem Kompressor 8 zugeführt, wo es komprimiert wird und dadurch werter auf eine Temperatur T₂ erwärmt wird. Das dadurch weiter erwärmte Wärmeträgermedium 14 wird dann der Erwärmungseinheit 10 zugeführt, die an der Wand der Abgasleitung 32 angeordnet ist, wo die Gefahr der Bildung von Ablagerungen besteht, d. h. vorzugsweise in dem Bereich, in dem das flüssige Reduktionsmittel 18 aus der Zuführungsvorrichtung 16 mit der Innenfläche der Abgasleitung in Berührung kommt, wie beispielsweise genau gegenüber der Zuführungsvorrichtung 16 für das flüssige Reduktionsmittel, wo die Erwärmungseinheit 10 Wärmeenergie an eine Fläche 31 in der Abgasleitung 32 abgibt, in diesem Fall an die Wand der Abgasleitung, und dadurch die Innenfläche der Abgasleitung lokal erwärmt, indem die Erwärmungseinheit 10 in thermischem Kontakt mit der Abgasleitung 32 ist. Das dadurch abgekühlte und völlig oder teilweise kondensierte Wärmeträgermedium 14 wird danach mit einer Temperatur T₃ dem Expansionsventil 12 zugeführt, wo es sich ausdehnt und auf eine Temperatur T₄ abgekühlt wird und danach zur Wärmeenergieübertragungseinheit 6 zurückgeleitet wird, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.
Durch das oben genannte Verfahren kann, obwohl die Abgastemperatur mit beispielsweise etwa 100–300°C relativ gering ist, die Wärmeenergie der Abgase genutzt werden, um das Reduktionsmittel 18 im Wesentlichen vollständig zu vergasen. Dem Kompressor 8 muss nur relativ wenig Energie zugeführt werden, damit die Wärmepumpe funktioniert. Ohne die oben beschriebene lokale Erwärmung einer Fläche 31 in der Abgasleitung 32 könnten bei relativ geringen Abgastemperaturen Teile des Reduktionsmittels, die mit der Fläche 31 in Kontakt kommen, in den festen Aggregatzustand übergehen, was zu Ablagerungen und dadurch zu einem Druckabfall im Abgassystem führen könnte. Die Zunahme des Druckabfalls kann vorzugsweise angewendet werden, um die Bildung von Ablagerungen festzustellen. Zwar werden diese Ablagerungen verbrannt, wenn die Abgastemperatur später hoch genug ist. Bei langen Fahrstrecken mit geringer Belastung und konstanter Geschwindigkeit, beispielsweise beim Fahren mit einem unbeladenen Lastzug auf ebener Fahrbahn, liegt die Abgastemperatur aber lange auf niedrigem Niveau, so dass sich Ablagerungen bilden können. Wenn die gesamte Abgasströmung erwärmt wird, beispielsweise mithilfe von elektrischem Strom oder Dieselöl oder einer Wärmepumpe, ist wesentlich mehr Energie erforderlich als bei der oben beschriebenen Nutzung der in den Abgasen enthaltenen Wärmeenergie.
Vorzugsweise ist ein Katalysator 38 in der Abgasleitung 32 im Strömungsverlauf hinter der Zuführungsvorrichtung 16 für das flüssige Reduktionsmittel 18 angeordnet, um sicherzustellen, dass außer der oben beschriebenen Thermolyse auch eine Hydrolyse von Harnstoff erfolgt. Der Katalysator 38 ist gemäß der Abbildung im Strömungsverlauf vor der Wärmeenergieübertragungseinheit 6 angeordnet. Er kann aber auch im Strömungsverlauf hinter der Wärmeenergieübertragungseinheit 6 angeordnet werden, wobei „vor” und „hinter” sich auf die Strömungsrichtung A der Abgase in der Abgasleitung 32 bezieht. Alternativ dazu kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ohne Katalysator eingesetzt werden, dies ist jedoch nicht zu empfehlen, da dies zur periodischen Bildung von Ablagerungen führen kann.
zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 für ein Fahrzeug 4 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 besitzt eine Wärmeenergieübertragungseinheit 6, einen Kompressor 8, eine Erwärmungseinheit 10 und ein Expansionsventil 12. Diese Komponenten sind über Kanäle für ein Wärmeträgermedium 14 verbunden in Serie angeordnet. Zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 gehört auch eine Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung eines flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20. Dieses flüssige Reduktionsmittel 18 dient zur Reduktion der in den Abgasen 20 enthaltenen Stickoxide.
Die in dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Bezug auf beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass bei der Ausführungsform gemäß eine Wärmeenergieübertragungseinheit 6 auf der Außenseite einer Abgasleitung 32 angeordnet ist und ein möglicher Katalysator 38 im Strömungsverlauf hinter der Wärmeenergieübertragungseinheit 6 angeordnet ist. Der Katalysator 38 kann jedoch auch, wie in gezeigt, im Strömungsverlauf vor der Wärmeenergieübertragungseinheit 6 angeordnet werden. Als Alternativlösung kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung auch ohne Katalysator eingesetzt werden. Die Wärmeenergieübertragungseinheit 6 kann, wie in der Abbildung gezeigt, auf dem gesamten Umfang der Abgasleitung 32 angeordnet werden. Alternativ dazu kann die Wärmeenergieübertragungseinheit 6, wie in gezeigt, nur auf einem Teil des Umfangs der Abgasleitung 32 angeordnet werden. Was im Übrigen für beschrieben wurde, beispielsweise bezüglich einer möglichen Steuereinheit, gilt auch für die in gezeigte Ausführungsform.
zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 für ein Fahrzeug 4 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 besitzt eine Wärmeenergieübertragungseinheit 6, einen Kompressor 8, eine Erwärmungseinheit 10 und ein Expansionsventil 12. Diese Komponenten sind über Kanäle für ein Wärmeträgermedium 14 verbunden in Serie angeordnet. Zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 gehört auch eine Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung eines flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20. Dieses flüssige Reduktionsmittel 18 dient zur Reduktion der in den Abgasen 20 enthaltenen Stickoxide.
Die in gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Bezug auf beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass bei der Ausführungsform gemäß eine Wärmeenergieübertragungseinheit 6 im Strömungsverlauf vor der Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung eines flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20 angeordnet ist. Was im Übrigen für beschrieben wurde, beispielsweise bezüglich einer möglichen Steuereinheit, gilt auch für die in gezeigte Ausführungsform, jedoch muss ein etwaiger Katalysator 38 im Strömungsverlauf hinter der Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung eines flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20 angeordnet werden.
zeigt schematisch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 für ein Fahrzeug 4 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 besitzt eine Wärmeenergieübertragungseinheit 6, einen Kompressor 8, eine Erwärmungseinheit 10 und ein Expansionsventil 12. Diese Komponenten sind über Kanäle für ein Wärmeträgermedium 14 verbunden in Serie angeordnet. Zu der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 gehört auch eine Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung eines flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20. Dieses flüssige Reduktionsmittel 18 dient zur Reduktion der in den Abgasen 20 enthaltenen Stickoxide.
Die in gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Bezug auf beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass bei der Ausführungsform gemäß eine Wärmeenergieübertragungseinheit 6 im Strömungsverlauf vor der Erwärmungseinheit 10 angeordnet ist und die Wärmeenergieübertragungseinheit 6 auf der Außenseite der Abgasleitung 32 angeordnet ist. Die Wärmeenergieübertragungseinheit 6 kann, wie in der Abbildung gezeigt, nur auf einem Teil des Umfangs der Abgasleitung 32 angeordnet sein. Alternativ dazu kann die Wärmeenergieübertragungseinheit 6, wie in gezeigt, auf dem gesamten Umfang der Abgasleitung 32 angeordnet werden. Außerdem unterscheidet sich diese Ausführungsform von der in Bezug auf beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass bei der Ausführungsform gemäß eine Erwärmungseinheit 10 mindestens teilweise in einer Abgasleitung 32 angeordnet ist, so dass die Erwärmungseinheit 10 in der Abgasleitung 32 eine Fläche 31 aufweist, die lokal erwärmt wird. Was im Übrigen für beschrieben wurde, beispielsweise bezüglich einer möglichen Steuereinheit, gilt auch für die in gezeigte Ausführungsform, jedoch muss ein etwaiger Katalysator 38 im Strömungsverlauf hinter der Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung eines flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20 angeordnet werden.
Vorzugsweise wird das flüssige Reduktionsmittel so warm gehalten, dass es nicht gefriert. „Ad Blue” gefriert bei etwa –11°C.
Die nachstehenden und beschreiben Beispiele des Verfahrens zur Nachbehandlung von Abgasen.
zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei beziehen sich die Nummern 2, 4, 18, 20, 31 und 32 auf die - . Das Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen eines Fahrzeugs durch Zuführung 100 eines flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20 in einer Abgasleitung 32, um die in den Abgasen 20 des Fahrzeugs 4 enthaltenen Stickoxide zu reduzieren, beinhaltet eine Stufe 200, in der eine Fläche 31 in der Abgasleitung 32 mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 durch Nutzung der in den Abgasen 20 enthaltenen Wärmeenergie lokal erwärmt wird, um das flüssige Reduktionsmittel 18, das mit der Fläche 31 in Kontakt kommt, zu verdampfen und dadurch die Bildung von Reduktionsmittelablagerungen in der Abgasleitung zu vermeiden.
zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dabei beziehen sich die Nummern 6, 8, 10, 12, 14, 18, 20, 31 und 32 auf die – . Die Ausführungsform gemäß beinhaltet außer den Stufen gemäß eine Stufe, in der ein Wärmeträgermedium 14 in einer Wärmeenergieübertragungseinheit 6 mit den Abgasen 20 erwärmt wird 110, das Wärmeträgermedium 14 einem Kompressor 8 zugeführt wird 120, das Wärmeträgermedium 14 im Kompressor 8 komprimiert wird 130 und dadurch weiter erwärmt wird, das dadurch weiter erwärmte Wärmeträgermedium 14 einer Erwärmungseinheit 10 zugeführt wird 140, die Wärmeenergie an die Fläche 31 in der Abgasleitung 32 abgibt 200, das dadurch abgekühlte Wärmeträgermedium 14 danach einem Expansionsventil 12 zugeführt wird 150, das Wärmeträgermedium 14 sich im Expansionsventil ausdehnt 160 und sich dadurch weiter abkühlt und das Wärmeträgermedium 14 danach zur Wärmeenergieübertragungseinheit 6 zurückgeleitet wird 170, so dass der Kreislauf geschlossen wird.
Die Erfindung ist in keiner Weise auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der Patentansprüche frei variiert werden. Details der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden. Die Wärmeenergieübertragungseinheit 6 kann folglich auf der Außenseite der Abgasleitung 32 oder zumindest teilweise in der Abgasleitung 32 angeordnet werden. Die Wärmeenergieübertragungseinheit 6 kann folglich in der Strömungsrichtung der Abgase 20 gesehen entweder im Strömungsverlauf hinter oder im Strömungsverlauf vor der Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20 in der Abgasleitung 32 angeordnet werden. Die Platzierung hinter der Zuführungsvorrichtung 16 ist in rein funktionaler Hinsicht zu empfehlen, da durch die Platzierung der Wärmeenergieübertragungseinheit 6 im Strömungsverlauf hinter der Zuführungsvorrichtung 16 zur Zuführung von flüssigem Reduktionsmittel 18 erst dann Energie aus den Abgasen 20 entnommen wird, wenn die Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels 18 in die Abgase 20 erfolgt ist. Dadurch wird ein Absinken der Abgastemperatur vor der Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels 18 vermieden, das für die Verdampfung des flüssigen Reduktionsmittels 18 ungünstig wäre. Die Erwärmungseinheit 10 kann folglich entweder auf der Außenseite der Abgasleitung 32 oder zumindest teilweise in der Abgasleitung 32 angeordnet werden. Die Fläche 31, die erwärmt wird, kann folglich ein Teil der Innenseite der Abgasleitung 32 sein oder eine Fläche der Erwärmungseinheit 10 sein, die in der Abgasleitung 32 angeordnet ist, oder eine andere Fläche in der Abgasleitung sein, die in Wärme übertragendem Kontakt mit der Erwärmungseinheit 10 steht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2078834 A [0005]
DE 102007058768 A1 [0007]

Claims

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) für ein Fahrzeug (4), die dazu dient, die in den Abgasen (20) eines Fahrzeugs (4) enthaltenen Stickoxide zu reduzieren, indem den Abgasen (20) in einer Abgasleitung (32) ein Flüssiges Reduktionsmittel (18) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) dazu dient, eine Fläche (31) in der Abgasleitung (32) lokal zu erwärmen, indem Wärmeenergie der Abgase (20) genutzt wird, um das flüssige Reduktionsmittel (18), das mit der Fläche (31) in Kontakt kommt, zu verdampfen und dadurch die Bildung von Reduktionsmittelablagerungen in der Abgasleitung zu vermeiden.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) eine Wärmeenergieübertragungseinheit (6), einen Kompressor (8), eine Erwärmungseinheit (10) und ein Expansionsventil (12) besitzt, wobei diese Komponenten über Kanäle (24, 26, 28, 30) für ein Wärmeträgermedium (14) verbunden in Serie angeordnet sind und die Wärmeenergieübertragungseinheit (6) dazu dient, Wärmeenergie aus den Abgasen (32) auf das Wärmeträgermedium (14) zu übertragen, und die Erwärmungseinheit (10) dazu dient, eine Fläche (31) in der Abgasleitung (32) durch Übertragung von Wärmeenergie aus dem Wärmeträgermedium (14) auf die Fläche (31) in der Abgasleitung (32) lokal zu erwärmen.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Reduktionsmittel (18) eine flüssige Harnstofflösung ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der Patentansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergieübertragungseinheit (6) zumindest teilweise in der Abgasleitung (32) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der Patentansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergieübertragungseinheit (6) auf der Außenseite der Abgasleitung (32) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der Patentansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergieübertragungseinheit (6) in der Strömungsrichtung der Abgase (20) gesehen im Strömungsverlauf hinter oder vor der Zuführungsvorrichtung (16) zur Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels (18) in die Abgase (20) in der Abgasleitung (32) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der Patentansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinheit (10) auf der Außenseite der Abgasleitung (32) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der Patentansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinheit (10) zumindest teilweise in der Abgasleitung (32) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (31), die in der Abgasleitung lokal erwärmt wird, eine Fläche der Erwärmungseinheit (10) ist, die in der Abgasleitung (32) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der Patentansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator (38) in der Abgasleitung (32) in der Strömungsrichtung der Abgase (20) gesehen im Strömungsverlauf hinter der Zuführungsvorrichtung (16) für das flüssige Reduktionsmittel (18) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der Patentansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Steuereinheit (34) vorhanden ist, die dazu dient, den Kompressor (8) und die Zuführung des flüssigen Reduktionsmittels (18) zu steuern.
Verfahren zur Nachbehandlung von Fahrzeugabgasen durch Zuführung (100) eines flüssigen Reduktionsmittels (18) in die Abgase (20) in einer Abgasleitung (32), um dadurch die in den Abgasen (20) des Fahrzeugs (4) enthaltenen Stickoxide zu reduzieren, gekennzeichnet durch eine Stufe, in der eine Fläche (31) in der Abgasleitung (32) mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) lokal erwärmt wird (200), indem Wärmeenergie der Abgase (20) genutzt wird, um das flüssige Reduktionsmittel (18), das mit der Fläche 31 in Kontakt kommt, zu verdampfen und dadurch die Bildung von Reduktionsmittelablagerungen in der Abgasleitung zu vermeiden.
Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen gemäß Patentanspruch 12, gekennzeichnet durch eine Stufe, in der ein Wärmeträgermedium (14) in einer Wärmeenergieübertragungseinheit (6) mit Abgasen (20) erwärmt wird (110), das Wärmeträgermedium (14) danach einem Kompressor (8) zugeführt wird, das Wärmeträgermedium (14) im Kompressor (8) komprimiert wird (120) und folglich weiter erwärmt wird, das dadurch weiter erwärmte Wärmeträgermedium (14) einer Erwärmungseinheit zugeführt wird (130), die Wärmeenergie an die Fläche (31) in der Abgasleitung (32) abgibt (200), das dadurch abgekühlte Wärmeträgermedium (14) danach einem Expansionsventil (12) zugeführt wird (140), das Wärmeträgermedium (14) sich im Expansionsventil (12) ausdehnt (150) und sich dadurch weiter abkühlt und das Wärmeträgermedium (14) danach der Wärmeenergieübertragungseinheit (6) zugeführt wird (160), wo der Kreislauf geschlossen wird.