DE102011119242B4

DE102011119242B4 - Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Heizsystem für eine Speichervorrichtung für Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE102011119242B4
Application number: DE102011119242.9A
Authority: DE
Inventors: Andrea Jäschke; Martin Schirmer; Marcus Thiemicke; Philipp Hilss
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2031-11-23
Also published as: DE102011119242A1

Abstract

Abgasreinigungsvorrichtung (1), mittels der ein Abgasstrom (3) eines Verbrennungsmotors (5) mittels einer selektiven katalytischen Reduktion reinigbar ist, mit: – einer Speichervorrichtung (7), mittels der ein Reduktionsmittel (9) für die selektive katalytische Reduktion speicherbar ist, – einer Heizvorrichtung (11), mittels der die Speichervorrichtung (7) heizbar ist, – einer Abgasführung (13), mittels der der Abgasstrom (3) führbar ist, wobei der gesamte Abgasstrom (3) mittels der Abgasführung (13) direkt an der Speichervorrichtung (7) vorbeigeführt wird oder vorbeiführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasführung (13) eine zur Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion ausgelegte Katalysatorvorrichtung (15) aufweist, wobei die Speichervorrichtung (7) in einem direkt wärmeübertragenden Kontakt und benachbart zu der Katalysatorvorrichtung (15) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung, mittels der ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mittels einer selektiven katalytischen Reduktion reinigbar ist, mit einer Speichervorrichtung, mittels der ein Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion speicherbar ist und einer Heizvorrichtung, mittels der die Speichervorrichtung heizbar ist, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasreinigungsvorrichtung, mit Speichern eines für die selektive katalytische Reduktion geeigneten Reduktionsmittels und Führen eines Abgasstroms durch die Abgasreinigungsvorrichtung sowie ein verfahrensgemäßes und/oder vorrichtungsgemäßes Kraftfahrzeug.
Abgasreinigen mittels einer selektiven katalytischen Reduktion kann für mit Sauerstoffüberschuss, also λ-Werten > 1 betreibbare Verbrennungsmotoren verwendet werden. In dem Abgas vorhandene Schadstoffe können trotz einer Anwesenheit von Sauerstoff durch eine Zugabe eines Reduktionsmittels reduziert werden. Es ist bekannt, als Reduktionsmittel Ammoniak einzusetzen und diesen in geeigneten Speichervorrichtungen zu speichern. Es ist bekannt, den Ammoniak in Form einer wässrigen Harnstofflösung zu speichern. Außerdem ist es bekannt, solche Lösungen zu beheizen, insbesondere um ein Einfrieren der Harnstofflösung zu verhindern. Die Beheizung kann insbesondere elektrisch oder mittels wärmeführenden Medien, beispielsweise Kühlwasser oder des zu reinigenden Abgasstroms erfolgen. Die DE 197 28 343 C1 betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen NO_x-Reduktion in sauerstoffhaltigen Abgasen unter Verwendung von Ammoniak und einem Reduktionskatalysator, wonach gasförmiger Ammoniak zur Verfügung gestellt wird durch Aufheizen eines fasten Speichermediums, das in einen Behälter eingebracht ist. Es ist eine Heizvorrichtung vorgesehen, insbesondere eine elektrische Heizung und/oder eine Heizvorrichtung, die eine Abwärme eines Motorkühlmittels und/oder eines Abgases des Motors nutzt. Die JP 2010019134 A1 betrifft eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors, ausgestattet mit einer Auftaufunktion, die ein schnelles Auftauen einer Harnstofflösung innerhalb eines Harnstofftanks auch dann ermöglicht, wenn die Harnstofflösung gefroren ist. Der Vorratstank kann zum Beheizen von einem Teilstrom des Abgasstroms umströmt werden. Die US 2008 0 279 732 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen eines ammoniakhaltigen Gases zur Verwendung für eine selektive katalytische Reduktion in einem Verbrennungsmotor. Ein Reaktor der Vorrichtung ist so innerhalb eines Abgasweges des Verbrennungsmotors angeordnet, dass ein Strom eines heißen Abgases des Verbrennungsmotors den Reaktor passiert und einen in dem Reaktor enthaltenen Harnstoff aufheizt. Die JP 2004 028 095 A und DE 10 2008 045 959 A1 betreffen weitere Abgasreinigungsvorrichtungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine selektive katalytische Reduktion zu schaffen, die möglichst schnell und effizient mittels eines Abgasstroms beheizbar und dennoch möglichst klein bauend ist sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasreinigungsvorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe ist bei einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Abgasführung eine zur Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion ausgelegte Katalysatorvorrichtung aufweist, wobei die Speichervorrichtung in einem direkt wärmeübertragenden Kontakt und benachbart zu der Katalysatorvorrichtung angeordnet ist. Vorteilhaft steht die Speichervorrichtung dadurch in einem direkten wärmeübertragenden Kontakt mit dem gesamten Abgasstrom. Vorteilhaft kann die gesamte in dem Abgasstrom mitgeführte Wärmemenge genutzt werden, um dadurch die Speichervorrichtung und damit das darin gespeicherte Reduktionsmittel möglichst schnell zu erwärmen. Vorteilhaft steht die Speichervorrichtung in einem direkten wärmeübertragenden Kontakt mit der Abgasführung. Vorteilhaft kann von dem Abgasstrom auf direktem Weg ein möglichst großer Wärmestrom auf das Reduktionsmittel übertragen werden. Unter einem direkten wärmeübertragenden Kontakt kann im Sinne dieser Anmeldung verstanden werden, dass der Wärmestrom für den Abgasstrom aufgrund eines Temperaturgefälles von in der Abgasreinigungsvorrichtung verwendeten Materialien von dem Abgasstrom in das Reduktionsmittel übergeht. Insbesondere kann verstanden werden, dass der Wärmestrom zirkulationsfrei, also ohne Zirkulation eines zusätzlichen Wärmetransportmediums erzeugt wird beziehungsweise erzeugbar ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Abgasreinigungsvorrichtung ist gemäß Anspruch 2 ausgebildet. Vorteilhaft ist die Speichervorrichtung benachbart zu der Abgasführung angeordnet, so dass der vorteilhafte Wärmestrom direkt von dem Abgasstrom in das Reduktionsmittel übergehen kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Abgasreinigungsvorrichtung ist gemäß Anspruch 3 ausgebildet. Vorteilhaft ist die Speichervorrichtung in die Abgasführung integriert, so dass ein möglichst kleiner Bauraumbedarf gegeben ist.
Vorteilhaft wird der gesamte Abgasstrom ohnehin durch die Katalysatorvorrichtung geführt, so dass die gesamte in dem Abgasstrom vorhandene Wärme auch zum Aufheizen des Reduktionsmittels zur Verfügung steht. Gegebenenfalls kann die Katalysatorvorrichtung ebenfalls eine Heizvorrichtung, insbesondere eine elektrische Heizvorrichtung aufweisen. Vorteilhaft wird zum schnellen Aufheizen der Katalysatorvorrichtung und der Speichervorrichtung dann nur eine gemeinsame Heizvorrichtung benötigt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Abgasreinigungsvorrichtung ist gemäß Anspruch 4 ausgebildet. Vorteilhaft können der Hochdrucktank und der Niederdrucktank auf unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben werden. Vorteilhaft können sich dadurch auch unterschiedliche Druckniveaus und Dampfdrücke des Ammoniaks über der gespeicherten wässrigen Lösung einstellen. Vorteilhaft kann der Niederdrucktank zum Speisen der Katalysatorvorrichtung dienen, wobei der Hochdrucktank lediglich zum schnellen Erwärmen des Reduktionsmittels dient. Der Hochdrucktank erreicht im Betriebszustand das höhere Temperaturniveau, weil dieser in dem direkt wärmeübertragenden Kontakt mit der Abgasführung steht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Abgasreinigungsvorrichtung ist gemäß Anspruch 5 ausgebildet. Vorteilhaft können zwischen dem Hochdrucktank und dem Niederdrucktank mittels der Fluidübertragungsvorrichtung Austauschvorgänge stattfinden. So kann beispielsweise zum Erzeugen eines höheren Dampfdrucks des Ammoniaks der Hochdrucktank mit der wässrigen Lösung gespeist werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Abgasreinigungsvorrichtung ist gemäß Anspruch 6 ausgebildet. Mittels der Dosiervorrichtung kann das Reduktionsmittel in den Abgasstrom dosiert werden. Vorteilhaft kann die Dosiervorrichtung mit dem Reduktionsmittel über den Niederdrucktank gespeist werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Abgasreinigungsvorrichtung ist gemäß Anspruch 7 ausgebildet. Vorteilhaft kann mittels des Latentwärmespeichers zusätzlich Wärme zum schnellen Erwärmen der Speichervorrichtung bereitgestellt werden. Vorteilhaft können der Niederdrucktank und/oder der Hochdrucktank mit dem Latentwärmespeicher ausgerüstet sein. Unter einem Latentwärmespeicher kann jedes geeignete Medium zum Speichern von latenter Wärme verstanden werden, insbesondere ein Phasenübergangsspeicher, einer unterkühlbare Schmelze, eine unterkühlbare Lösung, ein mit einem Adsorbens zusammenwirkendes Adsorbat und/oder Ähnliches verstanden werden.
Die Aufgabe ist außerdem bei einem Verfahren gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 8 durch Führen des gesamten Abgasstroms durch eine in einem direkt wärmeübertragenden Kontakt und benachbart zu der Speichervorrichtung angeordnete Katalysatorvorrichtung gelöst. Vorteilhaft wird der Wärmestrom von dem gesamten Abgasstrom in das Reduktionsmittel übertragen. Vorteilhaft kann dadurch ein möglichst schnelles Erwärmen des Reduktionsmittels erfolgen. Der Wärmestrom kann insbesondere über eine den Abgasstrom von dem Reduktionsmittel trennende Trennwand übertragen werden.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Kraftfahrzeug mit einer vorab beschriebenen Abgasreinigungsvorrichtung gelöst. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens eingerichtet, ausgelegt und/oder konstruiert und/oder weist eine Software zum Durchführen des vorab beschriebenen Verfahrens auf. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Erfindung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 Eine schematische Ansicht einer Abgasreinigungsvorrichtung, mittels der ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors mittels einer selektiven katalytischen Reduktion reinigbar ist; und
2 Ein Ablaufdiagramm eines mittels der in 1 gezeigten Abgasreinigungsvorrichtung durchführbaren Verfahrens zum Reinigen des Abgasstroms.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Abgasreinigungsvorrichtung 1, mittels der ein Abgasstrom 3 eines in 1 lediglich mittels des Bezugszeichens 5 angedeuteten Verbrennungsmotors mittels einer selektiven katalytischen Reduktion reinigbar ist.
Die Abgasreinigungsvorrichtung 1 weist eine Speichervorrichtung 7 auf, mittels der ein Reduktionsmittel 9 für die selektive katalytische Reduktion speicherbar ist. Die Speichervorrichtung 7 ist mittels einer Heizvorrichtung 11 beheizbar. Außerdem weist die Abgasreinigungsvorrichtung 1 eine Abgasführung 13 auf, mittels der der Abgasstrom 3 führbar ist. Der Abgasstrom 3 ist in 1 lediglich mittels Pfeilen angedeutet. Die Abgasführung 13 weist eine in 1 nicht näher dargestellte Abgasanlage auf, die dem Verbrennungsmotor 5 nachgeschaltet ist. Der Verbrennungsmotor 5 ist Teil eines in 1 nur teilweise dargestellten Kraftfahrzeugs 31.
Zum Reinigen des Abgasstroms 3 weist die Abgasführung 13 eine Katalysatorvorrichtung 15 auf. Die Katalysatorvorrichtung 15 weist dazu einen sogenannten SCR-Katalysator auf, in den mittels einer Dosiervorrichtung 17 das Reduktionsmittel 9 zum Reduzieren von in dem Abgasstrom 3 mitgeführten Schadstoffen unter Anwesenheit von Sauerstoff eindosierbar ist.
Die Speichervorrichtung 7 weist vorteilhaft einen Hochdrucktank 19 und einen Niederdrucktank 21 auf. Der Hochdrucktank 19 ist vorteilhaft direkt benachbart zu der Katalysatorvorrichtung 15 der Abgasführung 13 angeordnet. Vorteilhaft steht dadurch der Hochdrucktank 19 in einem direkt wärmeleitenden Kontakt mit der Abgasführung 13 beziehungsweise in einem Betriebsfall mit dem Abgasstrom 3. Vorteilhaft kann dadurch ein vergleichsweise großer Wärmestrom 33 ausgehend von dem gesamten Abgasstrom 3 auf das in dem Hochdrucktank 19 gespeicherte Reduktionsmittel 9 übertragen werden. Vorteilhaft wird in dem Hochdrucktank 19 nur ein Teil des gesamten Speichervorrats der Speichervorrichtung 7 des Reduktionsmittels 9 gespeichert. Vorteilhaft kann auch dadurch eine schnellere Erwärmung des Hochdrucktanks 19 erfolgen. Zwischen dem Hochdrucktank 19 und dem Niederdrucktank 21 ist eine Fluidübertragungsvorrichtung 27 angeordnet. Mittels der Fluidübertragungsvorrichtung 27 kann das Reduktionsmittel 9 von dem Hochdrucktank 19 in den Niederdruck 21 überströmen und umgekehrt. Im Detail weist die Fluidübertragungsvorrichtung 27 eine Pumpe und dieser parallel geschaltet eine Ventilvorrichtung auf. Vorteilhaft kann mittels der Pumpe das Reduktionsmittel 9 entgegen eines Druckgefälles zwischen dem Hochdrucktank 19 und dem Niederdrucktank 21 hin und her gefördert werden. Mittels der Ventilvorrichtung der Fluidübertragungsvorrichtung 27 kann das Reduktionsmittel 9, gegebenenfalls gesteuert und/oder geregelt und/oder dosiert, entlang eines Druckgefälles von dem Hochdrucktank 19 in den Niederdrucktank 21 abgelassen werden.
Der Niederdrucktank 21 der Speichervorrichtung 7 weist insbesondere eine Isolierung 23 auf, um einen Wärmeverlust des Reduktionsmittels 9 möglichst gering zu halten. Alternativ oder zusätzlich ist entweder die Isolierung 23 selbst als Latentwärmespeicher 25 ausgebildet und/oder es ist ein zusätzlicher Latentwärmespeicher 25 an der Speichervorrichtung 7, insbesondere an dem Niederdrucktank 21 der Speichervorrichtung 7 vorgesehen. Mittels des Latentwärmespeichers 25 kann vorteilhaft während eines Betriebsfalles des Kraftfahrzeugs 31 eine Überhitzung des Reduktionsmittels 9 verhindert werden. Außerdem kann während eines Stillstandes des Verbrennungsmotors 5 ein Auskühlen des Niederdrucktanks 21 verzögert werden.
Alternativ oder zusätzlich weist die Speichervorrichtung 7, insbesondere der Niederdrucktank 21 der Speichervorrichtung 7, eine elektrische Heizvorrichtung 29 auf. Vorteilhaft kann mittels der elektrischen Heizvorrichtung 29 ein zusätzliches schnelles Erwärmen des Reduktionsmittels 9 erfolgen, insbesondere des Hochdrucktanks 19.
2 zeigt einen schematischen Ablauf eines mittels der in 1 gezeigten Abgasreinigungsvorrichtung 1 durchführbaren Verfahrens zum Reinigen des Abgasstroms 3 mittels einer selektiven katalytischen Reduktion. In einem ersten Schritt 35 wird das für die selektive katalytische Reduktion geeignete beziehungsweise benötigte Reduktionsmittel 9 gespeichert, insbesondere in dem Hochdrucktank 19 und dem Niederdrucktank 21 der Speichervorrichtung 7. In einem zweiten Schritt 37 wird der Abgasstrom 3 mittels der Abgasführung 13, insbesondere mittels der Katalysatorvorrichtung 15 der Abgasführung 13, geführt. In einem dritten Schritt 39 wird der Wärmestrom 33 direkt von dem gesamten Abgasstrom 3 in das Reduktionsmittel 9, insbesondere das in dem Hochdrucktank 19 befindliche Reduktionsmittel 9, übertragen. In einem vierten Schritt 41 wird insbesondere das Reduktionsmittel 9 mittels der Dosiervorrichtung 17 in den Abgasstrom 3 zudosiert. Dies erfolgt gegebenenfalls gesteuert und/oder geregelt in Abhängigkeit der in dem Abgasstrom 3 mitgeführten Schadstoffe, insbesondere Stickoxide (NO_x).
Bezugszeichenliste

1: Abgasreinigungsvorrichtung
3: Abgasstrom
5: Verbrennungsmotor
7: Speichervorrichtung
9: Reduktionsmittel
11: Heizvorrichtung
13: Abgasführung
15: Katalysatorvorrichtung
17: Dosiervorrichtung
19: Hochdrucktank
21: Niederdrucktank
23: Isolierung
25: Latentwärmespeicher
27: Fluidübertragungsvorrichtung
29: Heizvorrichtung
31: Kraftfahrzeug
33: Wärmestrom
35: erster Schritt
37: zweiter Schritt
39: dritter Schritt
41: vierter Schritt

Claims

Abgasreinigungsvorrichtung (1), mittels der ein Abgasstrom (3) eines Verbrennungsmotors (5) mittels einer selektiven katalytischen Reduktion reinigbar ist, mit: – einer Speichervorrichtung (7), mittels der ein Reduktionsmittel (9) für die selektive katalytische Reduktion speicherbar ist, – einer Heizvorrichtung (11), mittels der die Speichervorrichtung (7) heizbar ist, – einer Abgasführung (13), mittels der der Abgasstrom (3) führbar ist, wobei der gesamte Abgasstrom (3) mittels der Abgasführung (13) direkt an der Speichervorrichtung (7) vorbeigeführt wird oder vorbeiführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasführung (13) eine zur Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion ausgelegte Katalysatorvorrichtung (15) aufweist, wobei die Speichervorrichtung (7) in einem direkt wärmeübertragenden Kontakt und benachbart zu der Katalysatorvorrichtung (15) angeordnet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (7) benachbart zu der Abgasführung (13) angeordnet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (7) ein integriertes Bauteil der Abgasführung (13) ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (7) einen Hochdrucktank (19) und einen Niederdrucktank (21) aufweist, wobei der Hochdrucktank (19) in dem direkt wärmeübertragenden Kontakt mit der Abgasführung (13) steht.
Abgasreinigungsvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdrucktank (19) und dem Niederdrucktank (21) eine Fluidübertragungsvorrichtung (27) geschaltet ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsvorrichtung (1) eine Dosiervorrichtung (17) aufweist, mittels der das Reduktionsmittel (9) in den Abgasstrom (3) dosierbar ist, wobei der Niederdrucktank (21) der Dosiervorrichtung (17) vorgeschaltet ist und diese mit dem Reduktionsmittel (9) speist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung (7) einen Latentwärmespeicher (25) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsvorrichtung (1), mittels der ein Abgasstrom (3) eines Verbrennungsmotors (5) mittels einer selektiven katalytischen Reduktion reinigbar ist, mit: – Speichern eines für die selektive katalytische Reduktion geeigneten Reduktionsmittels (9), – Führen des Abgasstroms (3) durch die Abgasreinigungsvorrichtung (1), direktes Übertragen eines Wärmestroms (33) von dem gesamten Abgasstrom (3) in das Reduktionsmittel (9), gekennzeichnet durch: – Führen des gesamten Abgasstroms durch eine in einem direkt wärmeübertragenden Kontakt und benachbart zu der Speichervorrichtung (7) angeordnete Katalysatorvorrichtung (15).
Kraftfahrzeug (31) mit einer Abgasreinigungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1–7 und/oder eingerichtet, ausgelegt, konstruiert und/oder ausgerüstet mit einer Software zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 8.