DE102012019948A1 - Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Abstract

Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine, mit einem SCR-Katalysator (13), welcher als Reduktionsmittel Ammoniak nutzt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem SCR-Katalysator (13) eine Düse (15) positioniert ist, mit welcher bei einem definierten Druck und einer definierten Temperatur eine wässrige Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniak derart zersetzbar ist, dass über die Düse (15) mit derselben verdampftes Ammoniak in das Abgas eintragbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung von eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine, verlassendem Abgas nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
  • Bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen besteht die Besonderheit, dass der verwendete Kraftstoff, also das Schweröl, einen hohen Schwefelgehalt aufweist. Schwefeloxide können mit anderen Bestandteilen des Abgases reagieren und zu Ablagerungen führen, welche die Effektivität der Abgasreinigung beeinträchtigen. Dies ist von Nachteil. Es besteht Bedarf an einem Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, welches auch bei mit Schweröl betriebenen Brennkraftmaschinen eine effektive Abgasreinigung ermöglicht.
  • Aus der DE 10 2004 027 593 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboaufladung und einer Abgasreinigung bekannt. Die Abgasturboaufladung ist entweder als einstufige oder als zweistufige Abgasturboaufladung mit einem Abgasturbolader oder mit zwei Abgasturboladern ausgeführt. Die Abgasreinigung umfasst einen SCR-Katalysator, der bei der einstufigen Abgasturboaufladung entweder, in Strömungsrichtung des Abgases gesehen, stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers oder stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers positioniert ist. Bei einer zweistufigen Abgasturboaufladung mit einem Hochdruck-Abgasturbolader und einem Niederdruck-Abgasturbolader ist der SCR-Katalysator zwischen der Hochdruckturbine des Hochdruck-Abgasturboladers und der Niederdruckturbine des Niederdruck-Abgasturboladers positioniert.
  • Ein SCR-Katalysator eines Abgasnachbehandlungssystems nutzt als Reduktionsmittel Ammoniak. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungssystemen wird in das Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators eine wässrige Harnstofflösung eingebracht, wobei die wässrige Harnstofflösung im Abgasstrom zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniak zersetzt bzw. verdampft wird. Hierzu ist zwischen einer Düse, welche die wässrige Harnstofflösung in das Abgas einbringt und welche in einer zwischen der Brennkraftmaschine und dem SCR-Katalysator verlaufenden Abgasleitung positioniert ist, und dem SCR-Katalysator, der das Ammoniak als Reduktionsmittel nutzt, eine relativ lange Prozessstrecke mit einem Verdampfer und einem Hydrolysekatalysator erforderlich, wodurch eine relativ lange Bauform des Abgasnachbehandlungssystems bedingt wird. Es solches Abgasnachbehandlungssystem ist aus der EP 0 487 886 B1 bekannt.
  • Weiterhin ist es aus der EP 0 487 886 B1 bereits bekannt, die Prozessstrecke mit dem Verdampfer und dem Hydrolysekatalysator nicht in der Abgasleitung zwischen der Brennkraftmaschine und dem SCR-Katalysator zu positionieren, sondern vielmehr in einer separaten Leitung. Auch in dieser Ausgestaltung ist jedoch eine relativ lange Prozessstrecke mit einem Verdampfer und einem Hydrolysekatalysator erforderlich, wodurch wiederum eine relativ lange Bauform des Abgasnachbehandlungssystems bedingt wird. Ferner ist in diesem Fall in der Abgasleitung ein Gasmischer erforderlich.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem SCR-Katalysator eine Düse positioniert, mit welcher bei einem definierten Druck und einer definierten Temperatur eine wässrige Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniak derart zersetzbar ist, dass über die Düse mit derselben verdampftes Ammoniak in das Abgas eintragbar ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung ist in Anspruch 7 definiert.
  • Erfindungsgemäß wird über eine in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem SCR-Katalysator positionierte Düse eine wässrige Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniak derart zersetzt, wobei über die Düse mit derselben verdampftes Ammoniak in das Abgas eingetragen wird.
  • Mit der Erfindung kann auf eine einen Verdampfer und einen Hydrolysekatalysator umfassende Prozessstrecke verzichtet, sodass eine kompakte Bauform für ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator realisiert werden kann. Die Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf erfolgt unmittelbar mit Hilfe der Düse. Es ist weder ein Verdampfer noch ein Hydrolysekatalysator oder ein Gasmischer erforderlich.
  • Vorzugsweise erfolgt mit der Düse die Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf bei einem Druck zwischen 10 bar und 200 bar und einer Temperatur zwischen 200°C und 400°C, insbesondere bei einem Druck zwischen 10 bar und 100 bar und einer Temperatur zwischen 200°C und 300°C. Die Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf unter den obigen Prozessbedingungen in der Düse ist besonders effektiv.
  • Vorzugsweise ist die Düse eine Flash-Verdampfungsdüse, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen unmittelbar vor dem SCR-Katalysator positioniert ist. Hiermit ist eine besonders effektiv Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf unter Gewährleistung einer besonders kompakten Bauform des Abgasnachbehandlungssystems möglich.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematisierte Darstellung eines Abgasnachbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine mit Schweröl betriebene Brennkraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung an einer solchen Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt stark schematisiert eine Brennkraftmaschine 10 mit mehreren Zylindern 11, wobei Abgas 12, welches die Brennkraftmaschine 10 verlässt, über ein der Brennkraftmaschine 10 nachgelagertes Abgasnachbehandlungssystem geführt wird, welches zumindest einen SCR-Katalysator 13 umfasst. Dass die Brennkraftmaschine 10 verlassende Abgas 12 wird demnach als ungereinigtes Abgas 12 dem SCR-Katalysator 13 zugeführt und verlässt den SCR-Katalysator 13 als zumindest teilweise gereinigtes Abgas 14. Im SCR-Katalysator 13 wird ein Reduktionsmittel zur Abgasreinigung benötigt, wobei als Reduktionsmittel Ammoniak benutzt wird.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist dem SCR-Katalysator 13, in Strömungsrichtung des Abgases gesehen eine Düse 15 vorgelagert, in welcher eine wässrige Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniak derart zersetzt wird, dass über die Düse 15 verdampftes Ammoniak in das Abgas eingetragen wird, zusammen mit dem Wasserdampf und dem Kohlendioxid.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach nicht eine wässrige Harnstofflösung in den Abgasstrom 12 eingetragen, welche dann im Abgasstrom 12 zersetzt und verdampft werden muss, vielmehr werden Zersetzungsprodukte bzw. Verdampfungsprodukte der wässrigen Harnstofflösung, also der Wasserdampf, das Kohlendioxid und der Ammoniakdampf, unmittelbar über die Düse 15 gebildet und in den Abgasstrom 12, welcher die Brennkraftmaschine 10 verlässt, eingetragen, sodass auf einer separate Prozesstrecke mit einem Verdampfer und einem Hydrolysekatalysator verzichtet werden kann.
  • Sie Harnstofflösung, die mit der Düse 15 zu zersetzen und zu verdampfen ist, wird in einem Vorratsbehälter 17 bereitgehalten. Über eine Heizeinrichtung 18 wird die wässrige Harnstofflösung auf eine definierte Prozesstemperatur erhitzt, wobei eine Förderpumpe 13 die wässrige Harnstofflösung mit einem definierten Druck der Düse 15 bereitstellt.
  • In der Düse 15 wird die wässrige Harnstofflösung vorzugsweise bei einem Druck zwischen 10 bar und 200 bar und einer Temperatur zwischen 200°C und 400°C zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf zersetzt.
  • Vorzugsweise erfolgt die Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf zersetzt mit Hilfe der Düse 15 bei einem Druck zwischen 10 bar und 100 bar und einer Temperatur zwischen 200°C und 300°C
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auf einer lange Prozesstrecke mit einem Verdampfer und einem Hydrolysekatalysator verzichtet werden kann, sodass demnach eine kompakte Bauform des Abgasnachbehandlungssystems möglich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Gefahr besteht, dass sich bei der Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung Kristalle im Abgasstrom ausbilden, die sich dann im SCR-Katalysator 13 ablagern und dessen Effektivität beeinträchtigen können. Ferner kann auf einen Gasmischer verzichtet werden.
  • Als Düse 15 kann jede Düse genutzt werden, die den oben erwähnten Temperaturbereichen und Druckbereichen Stand halten kann. So kann als Düse 15 zum Beispiel eine konventionelle Kraftstoffeinspritzdüse einer Common-Rail Kraftstoffeinspritzanlagen Verwendung finden.
  • Vorzugsweise kommt als Düse 15 eine Flash-Verdampfungsdüse zum Einsatz, um mit der Düse 15 die wässrige Harnstofflösung, die der Düse 15 mit dem definierten Druck und der definierten Temperatur zuführbar ist, über eine Flash-Verdampfung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf zu zersetzen und in das in das Abgas einzutragen.
  • Besonders bevorzugt ist dabei eine Flash-Verdampfungsdüse, die eine Düsendrallkammer aufweist, mit Hilfe derer bei der Zersetzung auf die wässrige Harnstofflösung bzw. die Zersetzungsbestandteile Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf eine Zentrifugalbeschleunigung ausgeübt werden kann. Dies sorgt dann für eine effektive Verteilung des Ammoniakdampfs im Abgas.
  • Die Düse 15 ist in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vorzugsweise unmittelbar vor dem SCR-Katalysator 13 positioniert, um eine noch kompaktere Bauform des Abgasnachbehandlungssystems zu ermöglichen. Dies ist insbesondere dann möglich und von Verteil, wenn die Düse 15 als Flash-Verdampfungsdüse mit einer Düsendrallkammer ausgebildet ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennkraftmaschine
    11
    Zylinder
    12
    Abgas
    13
    SCR-Katalysator
    14
    Abgas
    15
    Düse
    16
    Ammoniakdampf
    17
    Vorratsbehälter
    18
    Erhitzer
    19
    Förderpumpe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004027593 A1 [0003]
    • EP 0487886 B1 [0004, 0005]

Claims (9)

  1. Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine, mit einem SCR-Katalysator (13), welcher als Reduktionsmittel Ammoniak nutzt, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem SCR-Katalysator (13) eine Düse (15) positioniert ist, mit welcher bei einem definierten Druck und bei einer definierten Temperatur eine wässrige Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniak derart zersetzbar ist, dass über die Düse (15) mit derselben verdampftes Ammoniak in das Abgas eintragbar ist.
  2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (15) die wässrige Harnstofflösung bei einem Druck zwischen 5 bar und 200 bar und bei einer Temperatur zwischen 100°C und 400°C zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf zersetzt.
  3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (15) die wässrige Harnstofflösung bei einem Druck zwischen 10 bar und 100 bar und einer Temperatur zwischen 200°C und 300°C zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf zersetzt.
  4. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Düse (15) die wässrige Harnstofflösung, die der Düse (15) mit dem definierten Druck und der definierten Temperatur zuführbar ist, über eine Flash-Verdampfung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf zersetzbar und in das in das Abgas eintragbar ist.
  5. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (15) als Flash-Verdampfungsdüse mit einer Düsendrallkammer ausgebildet ist.
  6. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (15) in Strömungsrichtung des Abgases gesehen unmittelbar vor dem SCR-Katalysator (13) positioniert ist.
  7. Verfahren zur Abgasnachbehandlung von eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine, verlassendem Abgas, wobei das Abgas über einen SCR-Katalysator, welcher als Reduktionsmittel Ammoniak nutzt, geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über eine in Strömungsrichtung des Abgases gesehen vor dem SCR-Katalysator positionierte Düse eine wässrige Harnstofflösung zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniak derart zersetzt wird, dass über die Düse (15) mit derselben verdampftes Ammoniak in das Abgas eingetragen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Düse die wässrige Harnstofflösung bei einem Druck zwischen 10 bar und 200 bar und einer Temperatur zwischen 200°C und 400°C zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf zersetzt wird.
  9. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Düse (15) die wässrige Harnstofflösung bei einem Druck zwischen 10 bar und 100 bar und einer Temperatur zwischen 200°C und 300°C zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Ammoniakdampf zersetzt wird.
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