DE102012211119A1

DE102012211119A1 - Abgasreinigungseinrichtung für eine Verbrennungsanlage und Verfahren zum Betreiben der Abgasreinigungseinrichtung

Info

Publication number: DE102012211119A1
Application number: DE201210211119
Authority: DE
Inventors: Christoph Osemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Es wird eine Abgasreinigungseinrichtung für eine Verbrennungsanlage beschrieben, wobei Abgase der Verbrennungsanlage durch die Abgasreinigungseinrichtung strömen können. Die Abgasreinigungseinrichtung umfasst eine erste SCR-Katalysator-Einheit (60) und eine Zumessvorrichtung für Reduktionsmittel, wobei die Zumessvorrichtung in Strömungsrichtung (8) vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit (60) angeordnet ist. In Strömungsrichtung (8) nach der ersten SCR-Katalysator-Einheit (60) ist eine zweite SCR-Katalysator-Einheit (70) angeordnet. Weiterhin sind eine Teilungsvorrichtung (54) zur Teilung des Abgasstroms in einen ersten Strömungspfad (56) und einen zweiten Strömungspfad (58) und eine in Strömungsrichtung (8) nach der Teilungsvorrichtung (54) angeordnete Zusammenführvorrichtung (66) zur Zusammenführung des ersten Strömungspfads (56) und des zweiten Strömungspfads (58) vorhanden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungseinrichtung für eine Verbrennungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren nach den abhängigen Ansprüchen.
SCR-Katalysatoren (SCR = Selective Catalytic Reduction, selektive katalytische Reduktion) zur Reduktion von Stickoxiden NO_x im Abgasstrom einer Verbrennungsanlage, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, sind bekannt. Ebenso bekannt ist es, dass für eine entsprechende SCR-Reaktion ein Reduktionsmittel, z.B. Ammoniak benötigt wird, das entweder direkt oder indirekt über ein Reduktionsmittel dem Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator zugemessen wird. Ebenso bekannt sind Partikelfilter für Diesel-Brennkraftmaschinen, die zur Reduktion von Partikeln im Abgasstrom dienen.
Die Gesetzgeber unterschiedlicher Länder verschärfen die geltenden Abgasnormen weiter und verlangen eine starke Reduktion des Stickoxid-Ausstoßes.
Aus der EP 1 321 643 A1 ist eine Anordnung zur Nachbehandlung von Abgasen bekannt, wobei ein Speicherkatalysator, ein Oxidationskatalysator, ein Partikelfilter und ein weiterer Speicherkatalysator nach einer Diesel-Brennkraftmaschine in Serie nacheinander angeordnet sind.
Aus der DE 10 2009 029 222 A1 ist ein Antriebsaggregat mit einer Brennkraftmaschine und einer Abgasreinigungseinrichtung bekannt, wobei ein Wärmespeicher strömungstechnisch einem Partikelfilter vorgeschaltet ist. Dadurch muss kein unverbrannter Brennstoff in das Abgas eingebracht werden, um eine zuverlässige Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Aus der DE 10 2010 000 896 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, die aus einer Serienschaltung eines Oxidationskatalysators, eines Partikelfilters und eines SCR-Katalysators besteht. Außerdem ist aus der DE 10 2010 000 896 ein Verfahren zur Ermittlung einer NO_x-Konzentration im Strömungsweg hinter dem SCR-Katalysator bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Abgasreinigungseinrichtung für eine Verbrennungsanlage nach dem Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem Anspruch 14 gelöst. Die Abgasreinigungseinrichtung ist insbesondere für eine Brennkraftmaschine geeignet. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
In Strömungsrichtung der Abgase ist nach einer ersten SRC-Katalysator-Einheit eine zweite SCR-Katalysator-Einheit angeordnet, wobei diese zweite SCR-Katalysator-Einheit eine weitere Reduktion von Stickoxiden NO_x ermöglicht. In einer Ausführungsform ist nach der zweiten SCR-Katalysator-Einheit in Strömungsrichtung zumindest eine weitere SCR-Katalysator-Einheit angeordnet. Bevorzugt sind die erste SCR-Katalysator-Einheit und die zweite SCR-Katalysator-Einheit baulich getrennt ausgeführt, woraus sich weitere Vorteile bei einer Konstruktion des Abgasstrangs ergeben, da durch eine derartige Abgasreinigungseinrichtung Rücksicht auf andere bauliche Komponenten des Fahrzeugs genommen werden kann. Des Weiteren kann die Abgasreinigungseinrichtung in vorteilhafter Weise mit einem Partikelfilter kombiniert werden.
Die Abgasreinigungseinrichtung sieht die Teilung des Abgasstroms in einen ersten und einen zweiten Strömungspfad vor. Dadurch wird es ermöglicht, die Abgase der Strömungspfade jeweils unterschiedlich zu behandeln. Nach einer Zusammenführung des ersten und des zweiten Strömungspfads wird der abfließende Abgasstrom damit eine andere Zusammensetzung aufweisen als der Abgasstrom vor der Teilung.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Abgasreinigungseinrichtung sind eine Zumessvorrichtung und die erste SCR-Katalysator-Einheit in dem ersten Strömungspfad angeordnet, der getrennt von dem zweiten Strömungspfad verläuft. Über den zweiten Strömungspfad werden Abgase vor der Zumessvorrichtung und der ersten SCR-Katalysator-Einheit abgegriffen und erst nach der Zumessvorrichtung und nach der ersten SCR-Katalysator-Einheit zu einem einzigen Abgasstrom zusammengeführt. Dadurch kann vorteilhaft Stickstoffdioxid über den zweiten Strömungspfad der zweiten SCR-Katalysator-Einheit zugeführt werden, in der dann aufgrund des im zweiten Strömungspfad günstig zu beeinflussenden Stickstoffdioxid-Stickstoffmonoxid-Verhältnisses eine schnelle SCR-Reaktionen ablaufen kann, mittels derer mehr Stickoxide umgesetzt werden können als in einer konventionellen Reihenanordnung mehrerer SCR-Katalysatoren, bei denen die Einstellung bzw. die Beeinflussung de NO/NO2-Verhältnisses des Ausgangsstroms der ersten SCR-Katalysator-Einheit in der Regel nicht ohne die Veränderung des Verhältnisses α von Ammoniak zu Stickoxiden erfolgen kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Abgasreinigungseinrichtung wird der zweite Strömungspfad ausgehend von der Teilungsvorrichtung der Zusammenführvorrichtung direkt zugeführt. Stickstoffdioxide, die nicht über die erste SCR-Katalysator-Einheit, sondern über den zweiten Strömungspfad geleitet werden, können damit vorteilhaft der zweiten SCR-Katalysator-Einheit zur Durchführung einer schnellen SCR-Reaktion zugeführt werden, wodurch insgesamt eine erhöhte Stickoxid-Umsatzrate erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Abgasreinigungseinrichtung befindet sich in dem zweiten Strömungspfad ein Oxidationskatalysator und nach der Zusammenführvorrichtung in Strömungsrichtung ist ein Partikelfilter angeordnet. Durch den Oxidationskatalysator kann die Stickstoffdioxid-Konzentration für den nachfolgenden Partikelfilter erhöht werden. Unter dem Oxidationskatalysator ist im Allgemeinen ein Katalysator zur Oxidation von NO in NO₂ (NO-NO₂-Oxikationskatalysator) zu verstehen, der insbesondere auch als Partikelfilter ausgeführt sein kann. Durch die erhöhte Stickstoffdioxid-Konzentration wird die Verbrennung der Rußpartikel im Partikelfilter verbessert. Des Weiteren kann durch die Einstellbarkeit des Verhältnisses der Volumenströme durch die beiden Strömungspfade der Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad derart erhöht werden, dass sich eine schnelle Aufheizung des Partikelfilters und damit eine schnelle Wirksamkeit des Partikelfilters ergibt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Sinne einer Kaskadierung eine dritte SCR-Katalysator-Einheit vorgesehen, der ebenfalls Abgas zugeführt werden kann, das in Strömungsrichtung vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit und vor der Zumessvorrichtung für Reduktionsmittel abgegriffen wird. Dadurch kann die Stickoxid-Umsatzrate weiter erhöht werden. Selbstverständlich lässt sich diese Kaskadierung mit weiteren SCR-Katalysator-Einheiten im Sinne der Anordnung der dritten SCR-Katalysator-Einheit fortsetzen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad derart aufeinander abgestimmt, dass ein erster Volumenstrom durch den ersten Strömungspfad größer ist als ein zweiter Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad. Das Verhältnis von erstem Volumenstrom zu zweitem Volumenstrom wird beispielsweise auf 0,95, 0,8 oder 0,55 festgelegt. Dadurch wird dem ersten Strömungspfad mehr Abgas zugewiesen, das über den entsprechenden Oxidationskatalysator und/oder die entsprechende SCR-Katalysator-Einheit behandelt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Abgasreinigungseinrichtung ist die Teilungsvorrichtung derart ausgebildet, dass ein Verhältnis zwischen einem ersten Volumenstrom durch den ersten Strömungspfad und einem zweiten Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad veränderbar, insbesondere steuer- oder regelbar ist. Es können auch der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad beziehungsweise die Zusammenführvorrichtung entsprechend ausgebildet sein. Durch die Veränderbarkeit des ersten und zweiten Volumenstroms ist es möglich, auf bestimmte Betriebssituationen der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Abgasreinigungseinrichtung Rücksicht zu nehmen. Beispielsweise kann zeitweilig, z.B. zu einem Erreichen einer Betriebstemperatur beispielsweise der ersten SCR-Katalysator-Einheit, der gesamte Volumenstrom dem ersten Strömungspfad zugewiesen werden, wobei der zweite Volumenstrom gleich Null ist. Dadurch kann möglichst schnell die Betriebstemperatur der ersten SCR-Katalysator-Einheit erreicht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Abgasreinigungseinrichtung ist in Strömungsrichtung vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit eine weitere Zumessvorrichtung für Reduktionsmittel angeordnet. Durch diese weitere Zumessvorrichtung kann der Wirkungsgrad der zweiten SCR-Katalysator-Einheit weiter erhöht werden.
Bei einem Verfahren zum Betreiben der Abgasreinigungseinrichtung wird das Verhältnis von Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak, Harnstoff oder Harnstoff-Lösung, zu Stickoxiden vor einem Eingang der ersten SCR-Katalysator-Einheit derart eingestellt, dass sich der Reduktionsmittelschlupf am Ausgang der ersten SCR-Katalysator-Einheit und auch die Umsatzrate für Stickstoff insgesamt erhöht. Das am Ausgang der ersten SCR-Katalysator-Einheit vorhandene Reduktionsmittel, was durch den Reduktionsmittelschlupf verursacht wurde, wird nachfolgend der zweiten SCR-Katalysator-Einheit zugeführt. Die erste SCR-Katalysator-Einheit und der erste und der zweite Strömungspfad sind vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt, dass ein Verhältnis von Reduktionsmittel zu Stickoxiden vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit auf ein dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine optimierten Wert eingestellt ist. Dieser Wert ist regelmäßig nahe oder etwas über Eins, um eine möglichst vollständige Reduktion der Stickoxide zu ermöglichen und nicht zuviel Reduktionsmittel zu verwenden.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Verhältnis von Reduktionsmittel zu Stickoxiden im Eingangspfad der zweiten SCR-Katalysator-Einheit durch eine weitere Zumessvorrichtung derart eingestellt, dass durch die SCR-Reaktionen in der zweiten SCR-Katalysator-Einheit zum einen der Ammoniak im Wesentlichen komplett umgesetzt wird, d.h. am Ausgang der zweiten SCR-Katalysator-Einheit kein Reduktionsmittelschlupf entsteht, und zum anderen möglichst viel Stickoxide durch die zweite SCR-Katalysator-Einheit reduziert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist dem letzten SCR-Katalysator ein oxidierender Katalysator in Strömungsrichtung nachgeschaltet, der Reduktionsmittel, das aus dem letzten SCR-Katalysator entweicht, zu oxidieren vermag, so dass die in die Umwelt gelangte Reduktionsmittelmenge deutlich reduziert wird, vorteilhafterweise eliminiert wird. Dieser Oxidationskatalysator kann vorteilhaft auf oder in einem Bauteil mit dem in Strömungsrichtung letzten SCR-Katalysator an dessen Ende kombiniert sein.
Des Weiteren wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem das Verhältnis zwischen dem ersten Volumenstrom und dem zweiten Volumenstrom derart eingestellt werden kann, so dass sich in Strömungsrichtung nach der Zusammenführvorrichtung und damit vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit ein Soll-Wert, insbesondere von Eins, für ein Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid ergibt. Dadurch wird der zweiten SCR-Katalysator-Einheit der Soll-Wert für das Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid zugeführt, das eine hohe Umsatzrate von Stickoxiden ermöglicht.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es werden für funktionsäquivalente Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische erste Blockdarstellung zweier SCR-Katalysator-Einheiten;
2 ein schematisches Diagramm, in dem Umsatzraten von Stickoxiden einer SCR-Katalysator-Einheit und ein Reduktionsmittelschlupf einer SCR-Katalysator-Einheit über einem Verhältnis von Reduktionsmittel zu Stickoxiden aufgetragen sind;
3a eine schematisch dargestellte erste Abgasreinigungseinrichtung;
3b eine schematisch dargestellte zweite Abgasreinigungseinrichtung;
3c eine Abwandlung der Ausführungsformen der 3a, 3b;
4 eine schematisch dargestellte dritte Abgasreinigungseinrichtung;
5 eine schematische zweite Blockdarstellung zweier SCR-Katalysator-Einheiten;
6 eine schematisch dargestellte vierte Abgasreinigungseinrichtung;
7 eine schematisch dargestellte fünfte Abgasreinigungseinrichtung;
8 eine schematisch dargestellte sechste Abgasreinigungseinrichtung;
9 eine schematisch dargestellte siebte Abgasreinigungseinrichtung;
10 eine schematisch dargestellte achte Abgasreinigungseinrichtung;
11a, 11b und 11c jeweils einen schematischen Querschnitt eines partiellen Oxidationskatalysators;
12a, 12b und 12c jeweils einen schematischen Querschnitt eines partiellen Katalysators; und
13a, 13b und 13c jeweils einen schematischen Querschnitt eines partiellen Katalysators.
1 zeigt eine schematische erste Blockdarstellung 2 zweier getrennter SCR-Katalysator-Einheiten 4 und 6. Gemäß einer Strömungsrichtung 8 durchströmen Abgase einer nicht gezeigten Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Pfeil 10 zunächst die SCR-Katalysator-Einheit 4 und danach die zu der SCR-Katalysator-Einheit 4 in Serie geschaltete SCR-Katalysator-Einheit 6. Bei der Verbrennungsanlage handelt es sich beispielsweise um eine Diesel-Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Dem gestrichelten Pfeil 12 entspricht die Serienschaltung der beiden SCR-Katalysator-Einheiten 4 und 6. Gemäß dem Pfeil 14 treten die Abgase aus der SCR-Katalysator-Einheit 6 aus. Innerhalb der SCR-Katalysator-Einheiten 4 und 6 sind schematisch zwei Kennlinien 16 und 18 dargestellt. Die Kennlinien 16 und 18 zeigen den jeweiligen Zusammenhang zwischen einem Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO im Abgasstrom, entsprechend den vertikalen Koordinatenachsen 20a und 20b, und der Länge der jeweiligen SCR-Katalysator-Einheiten 4 und 6, entsprechend den Koordinatenachsen 22a und 22b. Die Kennlinien 16 und 18 geben auch den Konzentrationsverlauf der Reduktionsmittel wieder.
Gemäß der Kennlinie 16 weist das Stickstoffdioxid-Stickstoffmonoxid-Verhältnis des Abgases am Eingang der SCR-Katalysator-Einheit 4 einen ersten Wert 24 auf. Dieser Wert 24 wird vorzugsweise durch die Verbrennungseigenschaften der Verbrennungsanlage derart beeinflusst, dass sich der erste Wert 24 auf einen optimalen Wert ergibt. Dieser optimale Wert für den ersten Wert 24 hängt von dem Stickoxid-Umsatz-Verhalten der jeweiligen SCR-Katalysator-Einheit ab. Beispielsweise ist der optimale Wert für den ersten Wert 24 nahe Eins, was bedeutet, dass in etwa gleichviel Stickstoffdioxid NO₂ wie Stickstoffmonoxid NO im Abgas vor der entsprechenden SCR-Katalysator-Einheit vorhanden ist. Wird der erste Wert 24 zu hoch angesetzt, d.h. befindet sich zuviel Stickstoffdioxid NO₂ im Abgasstrom, so blockiert das Stickstoffdioxid NO₂ aktive Zentren der SCR-Katalysator-Einheit und die Umsatzrate für Stickoxide NO_x sinkt. Der erste Wert 24 wird allgemein auch als Soll-Wert für das Stickstoffdioxid-Stickstoffmonoxid-Verhältnis bezeichnet. Dieser Soll-Wert hängt von dem Betriebspunkt der Verbrennungsanlage ab. Das Stickstoffdioxid-Stickstoffmonoxid-Verhältnis fällt gemäß der Kennlinie 16 über die Länge der SCR-Katalysator-Einheit 4 ab und erreicht einen zweiten Wert 26 am Ausgang der SCR-Katalysator-Einheit 4.
Gemäß dem Pfeil 12 sind zwischen den beiden SCR-Katalysator-Einheiten 4 und 6 keine weiteren, das Stickstoffdioxid-Stickstoffmonoxid-Verhältnis beeinflussende Maßnahmen beziehungsweise Komponenten vorgesehen, weshalb am Eingang der SCR-Katalysator-Einheit 6 der zweite Wert 26 anliegt. Ausgehend von dem zweiten Wert 26 sinkt gemäß der Kennlinie 18 das Stickstoffdioxid-Stickstoffmonoxid-Verhältnis über die Länge der SCR-Katalysator-Einheit ab und erreicht am Ausgang der SCR-Katalysator-Einheit 6 den dritten Wert 28.
Mit den Kennlinien 16 und 18 sinkt über die Länge der jeweiligen SCR-Katalysator-Einheit 4, 6 auch die Stickoxid-Umsatzrate ab.
2 zeigt ein schematisches Diagramm 30, in dem Umsatzraten 32 von Stickoxiden NO_x einer SCR-Katalysator-Einheit, beispielsweise einer der SCR-Katalysator-Einheiten 4 und 6 aus 1, aufgetragen sind. Unter dem Begriff „Stickoxide NO_x“ ist die Summe der Stickoxide, nämlich Stickstoffmonoxid NO, Stickstoffdioxid NO₂ samt seinen Dimeren N₂O₂ und N₂O₄, Distickstofftrioxid N₂O₃ zu verstehen, wobei ein Dimer eine Molekülzusammensetzung aus zwei Untereinheiten, hier Stickstoffmonoxid NO und/oder Stickstoffdioxid NO₂ ist. Des Weiteren ist in dem schematischen Diagramm 30 ein Reduktionsmittelschlupf 34 aufgetragen. Die Umsatzrate 32 und der Reduktionsmittelschlupf 34 sind über einem Verhältnis α von Reduktionsmittel, vorzugsweise NH₃, zu Stickoxiden NO_x, aufgetragen. Das Reduktionsmittel-Stickoxid-Verhältnis α beschreibt das Verhältnis von Reduktionsmittel zu Stickoxiden NO_x und ist in dem Diagramm 30 vor der entsprechenden SCR-Katalysator-Einheit, das heißt am Eingang der entsprechenden SCR-Katalysator-Einheit, vorhanden. Die Umsatzrate 32 beschreibt beispielsweise einen Prozentsatz der am Ausgang der entsprechenden SCR-Katalysator-Einheit reduzierten Stickoxide NO_x im Vergleich zu den am Eingang der entsprechenden SCR-Katalysator-Einheit vorhandenen Stickoxide NO_x.
Hohe Werte für die Umsatzrate 32 von Stickoxiden NO_x bedeuten eine Reduktion der Stickoxide NO_x und kleine Werte für die Umsatzrate 32 bedeuten eine geringe Reduktion von Stickoxiden NO_x. In einer SCR-Katalysator-Einheit, beispielsweise der Einheit 4 oder 6, laufen bevorzugt Reaktionen zur Reduzierung der Stickoxide NO_x ab, wie beispielsweise nach den folgenden Reaktionsgleichungen 1 und 2. Die Reaktionsgleichung 1 entspricht einer Standard-SCR-Reaktion. Die Reaktionsgleichung 2 entspricht einer schnellen SCR-Reaktion. Die Reaktionsgeschwindigkeit gemäß der Reaktionsgleichung 2 ist höher als die der Reaktionsgleichung 1. 4NH₃ + 4NO + O₂ → 4N₂ + 6H₂O (1) 2NH₃ + NO₂ + NO → 2N₂ + 3H₂O (2)
Wie eine Kennlinie 36 für die schnelle SCR-Reaktion zeigt, werden durch die schnelle SCR-Reaktion gemäß der Gleichung 2 höhere Umsatzraten 32 von Stickoxiden NO_x erreicht als im Vergleich zu der Standard-SCR-Reaktion gemäß der Reaktionsgleichung 1, wobei die Umsatzrate 32 der Standard-SRC-Reaktion gemäß einer Kennlinie 38 dargestellt ist. Eine Kennlinie 40 entspricht der gesamten Umsatzrate einer SCR-Katalysator-Einheit, wobei alle Reaktionen, die zur Reduktion von Stickoxiden NO_x führen, umfasst sind, also auch die Standard-SCR-Reaktion und die schnelle SCR-Reaktion. Selbstverständlich können auch andere Reaktionen als die erläuterte Standard-SCR-Reaktion und die schnelle SCR-Reaktion ablaufen.
Die gestrichelte Kennlinie 42 entspricht einer Fortsetzung der Kennlinie 40 im Bereich für α < 1 in den Bereich α > 1 hinein. Diese Kennlinie 42 wird jedoch praktisch nicht erreicht, da das Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak NH₃ mit zunehmendem α das aktive Zentrum der jeweiligen SCR-Katalysator-Einheit blockiert. Entsprechend ergibt sich ein Bereich 44 zwischen der Kennlinie 40 und der gestrichelten Kennlinie 42. Für Werte des Reduktionsmittel-Stickoxid-Verhältnisses α > 1 sinken die Gradienten der Kennlinien 36, 38 im Vergleich zu dem Bereich für α < 1. Daher hat eine Erhöhung von α über einen Wert von 1 hinaus keine proportionale Erhöhung der Umsatzrate 32 zur Folge.
Eine Kennlinie 46 stellt den Zusammenhang zwischen dem Reduktionsmittel-Stickoxid-Verhältnis α und dem Reduktionsmittelschlupf 34 dar. Der Reduktionsmittelschlupf 34 befindet sich für Werte für α < 1 auf einem niedrigen Niveau und beginnt für Werte von α > 1 exponentiell, das heißt stark anzusteigen. Der Reduktionsmittelschlupf 34 beschreibt beispielsweise eine Menge an Reduktionsmittel, die am Ausgang der entsprechenden SCR-Katalysator-Einheit vorhanden ist bzw. ein Verhältnis von zugegebenem zu umgesetztem Reduktionsmittel. Der Reduktionsmittelschlupf 34 entspricht somit dem Anteil an Reduktionsmittel, der in der entsprechenden SCR-Katalysator-Einheit nicht umgesetzt wurde.
3a zeigt eine schematisch dargestellte erste Abgasreinigungseinrichtung 48. Gemäß einem Eingangspfad 50 werden die Abgase der nicht dargestellten Verbrennungsanlage der Abgasreinigungseinrichtung 48 zugeführt. Zwischen der Verbrennungsanlage und dem Eingangspfad 50 der Abgasreinigungseinrichtung 48 können sich weitere Elemente, wie beispielsweise ein Partikelfilter und/oder ein Oxidationskatalysator und/oder NOx-Speicherkatalysatoren, befinden. Gemäß einem Ausgangspfad 52 treten die Abgase aus der Abgasreinigungseinrichtung 48 aus. Vor einer Abgabe der Abgase aus dem Ausgangspfad 52 an die Umwelt können die Abgase aus dem Ausgangspfad 52 weiteren Elementen, beispielsweise einem Partikelfilter, einem NOx-Speicherkatalysator, einem Oxidationskatalysator oder insbesondere auch einem Sperrkatalysator zur Oxidation von Reduktionsmitteln, zugeführt werden. Die Abgase der Verbrennungsanlage durchströmen die Abgasreinigungseinrichtung 48 in der Strömungsrichtung 8.
Die Abgase aus dem Eingangspfad 50 werden einer Teilungsvorrichtung 54 zugeführt, die die Abgase beziehungsweise den Abgasstrom in einen ersten Strömungspfad 56 und einen zweiten Strömungspfad 58 aufteilt. In dem ersten Strömungspfad 56 sind eine erste SCR-Katalysator-Einheit 60 und eine Zumessvorrichtung 62 angeordnet, wobei die Zumessvorrichtung 62 in Strömungsrichtung 8 vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 angeordnet ist. Neben dem von der Teilungsvorrichtung 54 zugeführten Abgas wird der Zumessvorrichtung 62 ein Reduktionsmittel 64 zugeführt. Als Reduktionsmittel 64 können Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, Aldehyde, Ammoniak, eine alkoholische oder wässrige Harnstofflösung oder Wasserstoff verwendet werden. Selbstverständlich sind auch andere Reduktionsmittel 64 denkbar. Das Reduktionsmittel 64 wird in geeigneter Art und Weise dem Abgasstrom vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 zugeführt. Eine Zusammenführvorrichtung 66, die in Strömungsrichtung 8 nach der Teilungsvorrichtung 64 angeordnet ist, dient zur Zusammenführung des ersten Strömungspfads 56 und des zweiten Strömungspfads 58. Eine erste Abgasströmung wird der Zusammenführvorrichtung 66 ausgehend von der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 zugeführt. Eine zweite Abgasströmung wird der Zusammenführ-Vorrichtung 66 direkt von der Teilungsvorrichtung 54 zugeführt. Die Zusammenführ-Vorrichtung 66 vereint die beiden Abgasströme und führt einen vereinten Abgasstrom einer zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 zu. Selbstverständlich können sich zwischen den gezeigten Komponenten der Abgasreinigungseinrichtung 48 wie auch der nachfolgend beschriebenen Abgasreinigungseinrichtungen weitere Komponenten befinden.
Der erste Strömungspfad 56 und der zweite Strömungspfad 58 sind derart aufeinander abgestimmt, dass ein erster Volumenstrom durch den ersten Strömungspfad größer ist als ein zweiter Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad. Dieses Aufeinanderabstimmen des ersten Strömungspfads 56 und des zweiten Strömungspfads 58 kann zum einen über den kleinsten Durchmesser der Strömungspfade 56 und 58 bzw. den jeweiligen Strömungswiderstand der Strömungspfade 56 und 58 beeinflusst werden. Zum anderen können die Teilungsvorrichtung 54 und/oder die Zusammenführvorrichtung 66 so ausgebildet sein, so dass ein erster Volumenstrom durch den ersten Strömungspfad 56 größer ist als ein zweiter Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad 58. Bei der Teilungsvorrichtung 54 kann es sich beispielsweise um eine Y-Gabelung handeln, die eine Aufteilung des Abgasstroms in den ersten Strömungspfad 56 und den zweiten Strömungspfad 58 ermöglicht. Bei der Zusammenführ-Vorrichtung kann es sich um eine Y-Zusammenführung der beiden Strömungspfade 56 und 58 handeln.
Die Teilungsvorrichtung 54 und/oder die Zusammenführvorrichtung 66 können derart ausgebildet sein, dass ein Verhältnis zwischen dem ersten Volumenstrom durch den ersten Strömungspfad 56 und einem zweiten Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad 58 veränderbar, insbesondere steuer- oder regelbar ist. Insbesondere kann der erste Volumenstrom zumindest zeitweise auf Null eingestellt werden, so dass das der Teilungsvorrichtung 54 zufließende Gas im Wesentlichen über den zweiten Strömungspfad 58 fließt. Hierzu werden den Vorrichtungen 54 und/oder 66 ein entsprechendes Steuer- oder Regelsignal zugeführt, wobei das Steuer- oder Regelsignal in Abhängigkeit von Messwerten bestimmt werden kann, die in Strömungsrichtung 8 vor, im Bereich oder nach der Abgasreinigungseinrichtung 48 oder in einem oder beiden Strömungspfaden 56, 58 ermittelt werden. Das Steuer- oder Regelsignal wird in nicht gezeigter Form der Teilungsvorrichtung 54 und/oder der Zusammenführvorrichtung 66 zugeführt. Die Teilungsvorrichtung 54 und die Zusammenführvorrichtung 66 sind schematisch dargestellt, weshalb sich einzelne Bestandteile der jeweiligen Vorrichtung 54 und 66 nicht zwangsweise an einem Ort im Abgaspfad angeordnet sein müssen.
Eine insgesamt hohe Umsatzrate an Stickoxiden NO_x durch die Abgasreinigungseinrichtung 48 wird durch die folgenden Maßnahmen erreicht:
Durch das Vorbeiführen von Abgasen gemäß dem zweiten Strömungspfad 58, wird das Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO in einem Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 erhöht. Der im Vergleich zum Ausgangsstrom der SCR-Katalysator-Einheit 60 erhöhte Stickstoffdioxid-Anteil im Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ermöglicht eine erhöhte Anzahl an Reaktionen gemäß der schnellen SCR-Reaktion und damit eine erhöhte Umsatzrate 32 von Stickoxiden NO_x. Nach der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 schließt sich der Ausgangspfad 52 der Abgasreinigungseinrichtung 48 an.
Zusätzlich wird in einem Eingangspfad 74 der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 mittels der Zumessvorrichtung 62 das Verhältnis α von Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak NH₃, zu Stickoxiden NO_x auf einen auf den Abgasstrom im Eingangspfad 50 bezogenen Wert eingestellt. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Reduktionsmittelschlupf 34 am Ausgang der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 sowie, wie aus 1 ersichtlich, eine erhöhte Umsatzrate von Stickoxiden NO_x in der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 als im Vergleich zu einer Umsatzrate bei einem Wert des Verhältnisses α, das auf den Teilstrom im Strömungspfad 56 bezogen ist. Das am Ausgang der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 austretende Reduktionsmittel ist für die SCR-Reaktion in der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 vorgesehen. Vorzugsweise wird mittels der Zumessvorrichtung 62 ein derart großes α im Eingangspfad 72 erzeugt, so dass sich in Strömungsrichtung 8 nach der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 im Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ein nahezu vollständiger Umsatz von Stickoxiden erfolgt.
Das Verhältnis α wird mittels der entsprechenden Zumessvorrichtung entsprechend der NOx-Konzentration des Gesamtvolumenstroms durch die Abgasreinigungseinrichtung eingestellt. Ist das Verhältnis α im zweiten Strömungspfad 58 gleich Null, beispielsweise bei der Ausführungsform der Abgasreinigungseinrichtung nach der 3a, so wird das Verhältnis α im ersten Strömungspfad 56 mittels der entsprechenden Zumessvorrichtung auf einen Wert eingestellt, der den gesamten Volumenstrom durch den ersten und den zweiten Strömungspfad 56, 68 berücksichtigt. Die Teilungsvorrichtung 54 und/oder die entsprechende Zumessvorrichtung werden stets so eingestellt, dass der Massestrom des Reduktionsmittels im ersten Strömungspfad 56 stets größer ist als der Massestrom des Reduktionsmittels im zweiten Strömungspfad 58.
Diese Verfahren gemäß den zuvor beschriebenen Maßnahmen sind auf alle beschriebenen Abgasreinigungseinrichtungen mit zwei Strömungspfaden 56 und 58 anwendbar. Das Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO in dem Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ergibt sich zu einem Wert, der größer ist als der am Ausgang der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60. Das Verhältnis α in dem Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ist mittels dem Steuer- oder Regelsignal und dem einsprechend einstellbaren Verhältnis der Volumenströme über die Strömungspfade 56, 58 und der dosierten Reduktionsmittelmenge 64 einstellbar.
Auf den Strömungspfaden zwischen den gezeigten Einheiten in dieser 3a sowie in allen anderen Figuren betreffend eine der Abgasreinigungseinrichtungen können sich selbstverständlich weitere nicht gezeigte Einheiten befinden.
Ebenso lassen sich die beschriebenen Ausführungsformen der Abgasreinigungseinrichtung selbstverständlich mit anderen Katalysatorsystemen oder Katalysatoreinheiten verbinden und kombinieren. Beispielsweise können im Eingangspfad 50 ein Oxidationskatalysator, ein Partikelfilter und/oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet sein. Beispielsweise können im Ausgangspfad 52 eine der Ausführungsformen der Abgasreinigungseinrichtung ein Oxidationskatalysator, beispielsweise in der Funktion als Sperr-Katalysator, ein Partikelfilter und/oder eine zusätzliche SCR-Katalysator-Einheit angeordnet sein. Befindet sich im Ausgangspfad 52 der Oxidationskatalysator vor der SCR-Katalysator-Einheit, so befindet sich zwischen dem Oxidationskatalysator und der SCR-Katalysator-Einheit eine Zumessvorrichtung für Reduktionsmittel.
Ein Partikelfilter ist grundsätzlich geeignet, zumindest 20% der durch ihn durchgeführten Partikelmassen zurückzuhalten, insbesondere ist ein Partikelfilter dazu geeignet mehr als 90% der Partikelmassen zurückzuhalten. Insbesondere ist ein Partikelfilter dazu geeignet, die lungengängigen Partikel zurückzuhalten und diese um mindestens 20% zu reduzieren, insbesondere jedoch halten Partikelfilter mehr als 50% der Anzahl der lungengängigen Partikel zurück.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der ersten Abgasreinigungseinrichtung 48 ist ein Partikelfilter in Strömungsrichtung 8 auf dem ersten Strömungspfad 56 vor der Zumessvorrichtung 62 und nach der Teilungsvorrichtung 54 angeordnet. Optional ist ein Oxidationskatalysator auf dem ersten Strömungspfad 56 in Strömungsrichtung 8 vor dem Partikelfilter angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der ersten Abgasreinigungseinrichtung 48 ist die erste und/oder die zweite SCR-Katalysator-Einheit 60, 70 eine Kombination von Partikelfilter und SCR-Katalysator, wobei ein Partikelfilter mit einer SCR-katalytisch wirksamen Beschichtung versehen ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der ersten Abgasreinigungseinrichtung 48 ist ein Partikelfilter in Strömungsrichtung 8 auf dem ersten Strömungspfad 56 vor und/oder nach der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist ein weiterer Partikelfilter auf dem zweiten Strömungspfad 58 angeordnet. Optional ist bei der Ausführung mit dem Partikelfilter auf dem zweiten Strömungspfad 58 in Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Partikelfilter ein Oxidationskatalysator angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der ersten Abgasreinigungseinrichtung 48 ist ein Partikelfilter in Strömungsrichtung 8 nach der Zusammenführvorrichtung 66 und vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 angeordnet. Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform ist nachfolgend zur 9 erläutert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der ersten Abgasreinigungseinrichtung 48 ist auf dem ersten und dem zweiten Strömungspfad 56, 58 jeweils zumindest ein Partikelfilter angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der ersten Abgasreinigungseinrichtung 48 ist zumindest eine weitere Zumessvorrichtung für Reduktionsmittel vorgesehen, die sich in Strömungsrichtung 8 nach der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 und vor der Zusammenführvorrichtung 66 und/oder in Strömungsrichtung 8 und/oder auf dem zweiten Strömungspfad 58 vor der Zusammenführvorrichtung 66 und/oder in Strömungsrichtung 8 nach der Zusammenführvorrichtung 66 und vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 befindet.
3b zeigt eine schematisch dargestellte zweite Abgasreinigungseinrichtung 49. Der Eingangspfad 50 der Abgasreinigungseinrichtung 49 wird der Teilungsvorrichtung 54 zugeführt. Der Ausgang der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 ist mit einem der Eingänge der Zusammenführvorrichtung 66 verbunden. Der zweite Strömungspfad 58 umfasst einen Oxidationskatalysator 73 und wird der Zusammenführvorrichtung 66 zugeführt. Die Zumessvorrichtung 62 und die erste SCR-Katalysator-Einheit 60 sind auf dem ersten Strömungspfad 56 angeordnet. Der Oxidationskatalysator 73 sorgt für eine Umwandlung von Stickstoffmonoxid NO in Stickstoffdioxid NO₂. Dadurch kann der Anteil von Stickstoffdioxid NO₂ im Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 erhöht bzw. auf den optimalen Wert eingestellt werden. Durch eine optionale Steuerung/Regelung der Aufteilung der Volumenströme durch die Strömungspfade 56 und 58 kann der optimale Wert für das Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO auch bei veränderten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise veränderter Temperatur oder veränderter Abgaszusammensetzung, eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist bei den in 3a und 3b gezeigten Ausführungsformen der Abgasreinigungseinrichtung ein zusätzlicher Oxidationskatalysator in Strömungsrichtung 8 auf dem ersten Strömungspfad 56 nach der Teilungsvorrichtung 54 und vor der Zumessvorrichtung 62 angeordnet.
In der 3c ist eine Abwandlung der Ausführungsformen der 3a, 3b beispielhaft dargestellt. Im Unterschied zu den 3a, 3b ist in der 3c die Zumessvorrichtung 62 für das Reduktionsmittel 64 vor der Teilungsvorrichtung 54 angeordnet. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn durch eine geeignete Dosierung des Reduktionsmittels 64 und eine gleichzeitige geeignete Ausführung bzw. Einstellung der Teilungsvorrichtung 54 erreicht werden kann, dass das Verhältnis α in dem ersten Strömungspfad 56 wesentlich größer ist als das Verhältnis α in dem zweiten Strömungspfad 58, zumindest dass das Verhältnis α in dem ersten Strömungspfad 56 ungleich zu dem Verhältnis α in dem zweiten Strömungspfad 58 ist.
Weiterhin können bei der 3c die Teilungsvorrichtung 54 und die Zumessvorrichtung 62 in besonders vorteilhafter Weise zu einem gemeinsamen Bauteil räumlich vereinigt werden.
4 zeigt eine schematisch dargestellte dritte Abgasreinigungseinrichtung 76. Der Eingangspfad 50 der Abgasreinigungseinrichtung 76 wird der Zumessvorrichtung 62 zugeführt. Der Ausgang der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 ist mit dem Eingang der Teilungsvorrichtung 54 verbunden. Der zweite Strömungspfad 58 wird direkt der Zusammenführvorrichtung 66 zugeführt. Die Zumessvorrichtung 62 und die erste SCR-Katalysator-Einheit 60 sind in Strömungsrichtung vor der Teilungsvorrichtung 54 angeordnet. In dem ersten Strömungspfad 56 ist ein Oxidationskatalysator 80 angeordnet. Der Oxidationskatalysator 80 sorgt für eine Umwandlung von Stickstoffmonoxid NO in Stickstoffdioxid NO₂. Dadurch kann der Anteil von Stickstoffdioxid NO₂ im Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 erhöht bzw. auf den optimalen Wert eingestellt werden. Durch eine optionale Steuerung/Regelung der Aufteilung der Volumenströme durch die Strömungspfade 56 und 58 kann der optimale Wert für das Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO auch bei veränderten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise veränderter Temperatur oder veränderter Abgaszusammensetzung, eingestellt werden.
5 zeigt eine schematische zweite der SCR-Katalysator-Einheiten 60 und 70. Ein Ausgangspfad 85 der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 ist derart mit dem zweiten Strömungspfad 58 verknüpft, so dass ausgehend von dem zweiten Wert 26 am Ausgangspfad 85 das Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO auf einen vierten Wert 84 angehoben wird, so dass vermehrt eine schnelle SCR-Reaktion in der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ablaufen kann. Im Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ergibt sich ein im Vergleich zum Ausgangspfad 85 der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 erhöhtes Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO.
Der erste Wert 24 stellt bei baugleichen oder anders gearteten SCR-Katalysator-Einheiten 60 und 70 beziehungsweise 4 und 6 einen idealen Wert dar, für den ein optimal hoher Umsatz von Stickoxiden NO_x von der jeweiligen SCR-Katalysator-Einheit 60 beziehungsweise 70 oder 4 beziehungsweise 6 durchgeführt wird. Vorzugsweise sind die SCR-Katalysator-Einheiten 60 und 70 baulich getrennt ausgeführt. Die SCR-Katalysator-Einheit 60 ist vorzugweise derart ausgebildet, dass sie hohen Abgastemperaturen widerstehen kann. Die SCR-Katalysator-Einheit 70 ist vorzugsweise eine SCR-Katalysator-Einheit, die bei niedrigen NOx-Konzentrationen hohe NOx-Umsatzraten erzielen kann.
Die gestrichelt gekennzeichnete Kennlinie 86 zeigt die ideale Kennlinie, die im Wesentlichen der Kennlinie 16 entspricht. Der Abstand 88 zwischen dem ersten Wert 24 und dem vierten Wert 84 des Verhältnisses von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO wird durch die insbesondere anhand 3a und 3b beschriebenen Maßnahmen und Verfahren möglichst klein gehalten. Eine Kennlinie 90 sinkt ausgehend von dem vierten Wert 84 über die Länge der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ab und erreicht im Ausgangspfad 92 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 einen fünften Wert 94 des Stickstoffdioxid-Stickstoffmonoxid-Verhältnisses. Selbstverständlich kann die Kennlinie 90 auch überhalb des Werts 24 beginnen, wenn beispielsweise im Nebenstrom, d.h. im zweiten Strömungspfad, wie in der 3a und 3b eine NO-Oxidation stattfindet.
Im Vergleich mit einer Serienschaltung gemäß der 1 kann gemäß der 5 aufgrund einer im Vergleich erhöhten Stickstoffdioxid-Konzentration im Eingangspfad 72, das heißt durch ein im Vergleich erhöhtes Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO, eine entsprechend erhöhte Anzahl an schnellen SCR-Reaktionen in der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ablaufen und so kann eine erhöhte Umsatzrate an Stickoxiden NO_x insgesamt, d.h. durch die beiden SCR-Katalysator-Einheiten 60 und 70 und die gesamte Abgasreinigungseinrichtung, erreicht werden.
Selbstverständlich können sich in Strömungsrichtung 8 nach der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 weitere SCR-Katalysator-Einheiten anschließen, deren Eingangspfad mit einer im Vergleich zum Ausgangspfad der in Strömungsrichtung 8 vorherigen SCR-Katalysator-Einheit erhöhten Stickstoffdioxid-Konzentration beaufschlagt wird.
6 zeigt eine schematisch dargestellte vierte Abgasreinigungseinrichtung 96, die eine Kaskadierung der Abgasreinigungseinrichtung 48 aus 3a zeigt. In Strömungsrichtung 8 vor der Zusammenführvorrichtung 66 ist eine weitere Teilungsvorrichtung 98 zur Teilung des zweiten Strömungspfads 58 in einen dritten Strömungspfad 100 und einen vierten Strömungspfad 102 angeordnet. Der vierte Strömungspfad 102 wird der Zusammenführvorrichtung 66 zugeführt. Die zweite SCR-Katalysator-Einheit 70 ist in einem fünften Strömungspfad 104 angeordnet, wobei sich der fünfte Strömungspfad 104 aus der Zusammenführung des ersten Strömungspfads 56 und des vierten Strömungspfads 102 durch die Zusammenführvorrichtung 66 ergibt. In Strömungsrichtung 8 nach der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ist eine weitere Zusammenführvorrichtung 106 angeordnet, die den dritten Strömungspfad 100 und den fünften Strömungspfad 104 zusammenführt. Im Sinne der Kaskadierung ist nach der weiteren Zusammenführvorrichtung 106 eine dritte SCR-Katalysator-Einheit 108 angeordnet.
Die Teilungsvorrichtungen 54 und 98 sorgen durch die eröffneten Strömungspfade 58 und 100 dafür, dass in einem Eingangspfad 110 der dritten SCR-Katalysator-Einheit 108 die Stickstoffdioxid-Konzentration im Vergleich zum Ausgang der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 erhöht werden kann.
Selbstverständlich sind auch die zweite Teilungsvorrichtung 98 sowie die weitere Zusammenführvorrichtung 106 mit dem Steuer- oder Regelsignal beaufschlagbar, um die Volumenströme in den Strömungspfaden 102 und 100 zu beeinflussen. Vorzugsweise ist der Volumenstrom durch den dritten Strömungspfad 100 geringer ausgeführt als der Volumenstrom durch den vierten Strömungspfad 102.
Diese Form der Kaskadierung ist auf alle nachfolgenden Ausführungsformen der Abgasreinigungseinrichtung anwendbar, bei denen sich die erste SCR-Katalysator-Einheit 60 in einem Strömungspfad eines geteilten Abgasstroms befindet.
7 zeigt eine schematisch dargestellte fünfte Abgasreinigungseinrichtung 112. In Strömungsrichtung 8 nach dem Eingangspfad 50 ist ein Oxidationskatalysator 114 angeordnet, der unter anderem die Stickstoffdioxid-Konzentration an seinem Ausgang im Vergleich zum Eingangspfad 50 erhöht. In Strömungsrichtung 8 ist nach dem Oxidationskatalysator 114 die Teilungsvorrichtung 54 angeordnet. Nach der Zusammenführvorrichtung 66 ist in Strömungsrichtung 8 ein Oxidationskatalysator 116 angeordnet, der die Stickstoffdioxid-Konzentration an seinem Ausgang erhöht. In Strömungsrichtung 8 ist nach dem Oxidationskatalysator 116 eine weitere Zumessvorrichtung 118 angeordnet, der Reduktionsmittel 120 zugeführt wird. Der Typ des Reduktionsmittels 120 entspricht dem des Reduktionsmittels 64. Die weitere Zumessvorrichtung 118 sorgt dafür, dass in dem Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 Reduktionsmittel 120 zugeführt werden kann und dadurch das Reduktionsmittel-Stickoxid-Verhältnis α im Vergleich zum Abgaseingang der Zumessvorrichtung 118 erhöht werden kann. In Strömungsrichtung 8 ist nach der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ein weiterer Oxidationskatalysator 122 angeordnet, der insbesondere als Sperr-Katalysator ausgeführt ist und dazu dient, Reduktionsmittel 64, 120, beispielsweise Ammoniak, das über die Zumessvorrichtungen 62 und 118 zugemessen wurde, jedoch in den SCR-Katalysator-Einheiten 60 und 70 nicht umgesetzt wurde, zu reduzieren. Bevorzugt misst die Zumessvorrichtung 62 mehr Reduktionsmittel zu als die weitere Zumessvorrichtung 118. Mittels der weiteren Zumessvorrichtung 118 kann das Verhältnis α von Reduktionsmittel, insbesondere von Ammoniak NH₃, zu Stickoxiden NO_x, d.h. das Reduktionsmittel-Stickoxid-Verhältnis α, in dem Eingangspfad 72 der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 auf im Wesentlichen Eins eingestellt werden, wenn das Verhältnis α vor der Zumessvorrichtung 118 kleiner Eins ist.
Im zweiten Strömungspfad 58 kann anstatt oder zusätzlich zu dem Oxidationskatalysator 116 ein weiterer Oxidationskatalysator angeordnet sein. Dieser weitere Oxidationskatalysator kann auch als noch zu erläuternder partieller Oxidationskatalysator ausgebildet sein.
8 zeigt eine schematisch dargestellte sechste Abgasreinigungseinrichtung 124. Im Unterschied zu der Abgasreinigungseinrichtung 112 der 7 ist bei der 8 in dem ersten Strömungspfad 56 in Strömungsrichtung 8 nach der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 ein Partikelfilter 126 angeordnet. Der Partikelfilter 126 kann anstatt in Strömungsrichtung 8 nach der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 auch vor der Zumessvorrichtung 62 auf dem ersten Strömungspfad 56 angeordnet sein. Auf dem zweiten Strömungspfad 58 kann zusätzlich ein weiterer Partikelfilter angeordnet sein.
9 zeigt eine schematisch dargestellte siebte Abgasreinigungseinrichtung 128. Der zweite Strömungspfad 58 ist optional. In dem zweiten Strömungspfad 58 befindet sich ein Oxidationskatalysator 130, mit dem unter anderem der Stickstoffdioxidanteil im Abgasstrom des zweiten Strömungspfads 58 erhöht werden kann. Nach der Zumessvorrichtung 62 und vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 sind ein Mischer 132 oder ein Hydrolyse-Katalysator angeordnet. Der Mischer 132 sorgt für eine Vermischung von zugemessenem Reduktionsmittel 64. Der Hydrolyse-Katalysator sorgt für eine Erzeugung von Ammoniak, der im Eingangspfad 74 der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 zur Verfügung gestellt wird. Nach der Zusammenführvorrichtung 66 sind schematisch in Strömungsrichtung 8 ein Oxidationskatalysator 136, ein Partikelfilter 138 und ein Oxidationskatalysator 140 angeordnet. In allen beschriebenen Ausführungsformen können die Abgasreinigungseinrichtungen zwischen der entsprechenden Zumessvorrichtung und der SCR-Katalysator-Einheit den Mischer 132 oder den Hydrolyse-Katalysator aufweisen.
Der Partikelfilter 138 kann anstatt an der gezeigten Stelle auch in dem ersten Strömungspfad 56 in Strömungsrichtung nach der Teilungsvorrichtung 54 angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Partikelfilter 138 zwischen der Teilungsvorrichtung 54 und der Zumessvorrichtung 62 angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Partikelfilter 138 zwischen der Zumessvorrichtung 62 und der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Partikelfilter 138 zwischen der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 und der Zusammenführvorrichtung 66 angeordnet sein. In einer Weiterbildung sind auf dem ersten Strömungspfad 56 und auf dem zweiten Strömungspfad 58 jeweils ein Partikelfilter 138 angeordnet. In einer Ausführungsform des Partikelfilters 138 kann dieser die Funktionalität einer der SCR-Katalysator-Einheiten 60 und 80 beinhalten, wozu eine SCR- katalytisch aktive Beschichtung auf den Partikelfilter aufgetragen ist.
Der Partikelfilter 138 kann dazu ausgebildet sein, zumindest 20% der durch ihn durchgeführten Partikelmasse zurückzuhalten. Der Partikelfilter 138 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, mehr als 90% der Partikelmasse zurückzuhalten. Insbesondere sind Partikelfilter dazu geeignet, lungengängige Partikel zurückzuhalten und diese um mindestens 20% zu reduzieren, insbesondere solche, die mehr als 50% der Anzahl der lungengängigen Partikel zurückhalten.
Die Oxidationskatalysatoren 136 und 140 werden gemeinsam mit dem Partikelfilter 138 als katalytischer Partikelfilter 142 bezeichnet. Die Funktionalität der Oxidationskatalysatoren 136 und 140 kann beispielsweise auch innerhalb des Partikelfilters 138 ausgeführt sein, wobei der Partikelfilter 138 eine Oxidationskatalysator-Beschichtung aufweist. Diese Oxidationskatalysator-Beschichtung kann homogen über den Durchströmungsquerschnitt des Partikelfilters 138 aufgetragen sein. In einer alternativen Ausführungsform ist der Partikelfilter 138 in seinem Strömungsquerschnitt nur partiell mit der Oxidationskatalysator-Beschichtung versehen, wodurch sich zwei geteilte Strömungspfade ergeben. Ebenso können die Oxidationskatalysatoren 136 und 140 jeweils teilbeschichtet sein oder aber einen weiteren Strömungspfad aufweisen, der an dem jeweiligen Oxidationskatalysator 136, 140 vorbeiführt. Entsprechend kann die Funktionalität von Oxidationskatalysatoren im Allgemeinen stets auch auf einem Partikelfilter ausgeführt sein. Alle beschriebenen Oxidationskatalysatoren können partielle Oxidationskatalysatoren sein.
In Strömungsrichtung 8 nach der weiteren Zumessvorrichtung 118 und vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ist eine weitere Komponente 144 angeordnet, die beispielsweise einen Mischer und/oder einen Hydrolyse-Katalysator analog zu der Anordnung des Mischers 132 und des Hydrolyse-Katalysators umfasst. Eine Anordnung 146 bestehend aus dem Oxidationskatalysator 140, der weiteren Zumessvorrichtung 118, der Komponente 144 und der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 kann in Serie nacheinander angeordnet sein, was einer seriellen Wiederholung der Anordnung 146 entspricht.
10 zeigt eine schematisch dargestellte achte Abgasreinigungseinrichtung 148. Im Vergleich zur Abgasreinigungseinrichtung 76 aus 4 ist neben einem partiellen Oxidationskatalysator 150 in Strömungsrichtung 8 vor der Zumessvorrichtung 62 der Oxidationskatalysator 114 angeordnet. In Strömungsrichtung 8 vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ist die weitere Zumessvorrichtung 118 angeordnet. In Strömungsrichtung 8 nach der zweiten SCR-Katalysator-Einheit 70 ist der Sperrkatalysator 122 angeordnet. Der partielle Oxidationskatalysator 150 kann beispielsweise eine Beschichtung aufweisen, die Ammoniak nicht vollständig oxidiert, wobei keine Aufteilung des Abgasstroms vonnöten ist. In der gezeigten Ausführung wird der Abgasstrom hingegen in die zwei Strömungspfade 56, 58 geteilt.
Die in den 7 bis 10 gestrichelt dargestellten Komponenten sind optionale Komponenten der jeweiligen Abgasreinigungseinrichtung.
11a zeigt einen schematischen Querschnitt des partiellen Oxidationskatalysators 150. Ein erster Bereich 152 ist derart ausgeführt, dass eine im Vergleich zu einem Bereich 154 erhöhte Anzahl an Oxidationsreaktionen durchgeführt wird. Durch den partiellen Oxidationskatalysator 150 kann das Verhältnis von Stickstoffdioxid NO₂ zu Stickstoffmonoxid NO am Ausgang des partiellen Oxidationskatalysators 150 beeinflusst werden.
In 11a umfassen die Bereiche 152 und 154 jeweils eine Hälfte des Querschnitts. Selbstverständlich kann der jeweilige Anteil der Bereiche 152 und 154 am Querschnitt unterschiedlich gewählt werden.
In 11b ist der Bereich 154 radial außerhalb des Bereichs 152 angeordnet.
In 11c ist der Bereich 152 radial außerhalb von dem Bereich 154 angeordnet.
12a zeigt einen schematischen Querschnitt des partiellen Katalysators 150b. Ein erster Bereich 152b ist als Oxidationskatalysator ausgeführt. Ein zweiter Bereich 154b ist als SCR-Katalysator ausgeführt.
In 12b ist der Bereich 154b radial außerhalb des Bereichs 152b angeordnet.
In 12c ist der Bereich 152b radial außerhalb von dem Bereich 154b angeordnet.
An Stelle einer der beschriebenen ersten, zweiten oder anderen SCR-Katalysator-Einheit kann eine Ausführungsform des partiellen Katalysators 150b treten.
13a zeigt einen schematischen Querschnitt des partiellen Katalysators 150c. Ein erster Bereich 152c ist als SCR-Katalysator ausgeführt. Ein zweiter Bereich 154c ist unbeschichtet.
In 13b ist der Bereich 154c radial außerhalb des Bereichs 152c angeordnet.
In 13c ist der Bereich 152c radial außerhalb von dem Bereich 154c angeordnet.
Die partiellen Katalysatoren 150b und 150c der 12 und 13 können zur zumindest abschnittsweisen Ausführung des ersten und zweiten Strömungspfads 56, 58 dienen.
Die beschriebenen partiellen Katalysatoren sind beispielhafte, abschnittsweise Ausführungsbeispiele der schematisch beschriebenen Abgasreinigungseinrichtung. Der partielle Katalysator 105b beispielsweise realisiert eine Kombination der ersten SCR-Katalysator-Einheit 60 und dem Oxidationskatalysator 73 der Abgasreinigungseinrichtung 49 aus 3b.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren können als Computerprogramm für ein digitales Rechengerät ausgeführt werden. Das digitale Rechengerät ist dazu ausgebildet, die vorstehend beschriebenen Verfahren als Computerprogramm auszuführen. Die Abgasreinigungseinrichtung ist insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen und umfasst ein Steuergerät, welches das digitale Rechengerät, insbesondere einen Mikroprozessor, umfasst. Das Steuergerät umfasst ein Speichermedium, auf dem das Computerprogramm abgespeichert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1321643 A1 [0004]
DE 102009029222 A1 [0005]
DE 102010000896 A1 [0006]
DE 102010000896 [0006]

Claims

Abgasreinigungseinrichtung (48; 76; 96; 112; 124; 128; 148) für eine Verbrennungsanlage, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Diesel-Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei Abgase der Verbrennungsanlage durch die Abgasreinigungseinrichtung (48; 76; 96; 112; 124; 128; 148) strömen können, mit einer ersten SCR-Katalysator-Einheit (60) und mit einer Zumessvorrichtung (62) für Reduktionsmittel (64), wobei die Zumessvorrichtung (62) in Strömungsrichtung (8) vor der ersten SCR-Katalysator-Einheit (60) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (8) nach der ersten SCR-Katalysator-Einheit (60) eine zweite SCR-Katalysator-Einheit (70) angeordnet ist, und dass eine Teilungsvorrichtung (54) zur Teilung des Abgasstroms in einen ersten Strömungspfad (56) und einen zweiten Strömungspfad (58) und eine in Strömungsrichtung (8) nach der Teilungsvorrichtung (54) angeordnete Zusammenführvorrichtung (66) zur Zusammenführung des ersten Strömungspfads (56) und des zweiten Strömungspfads (58) vorhanden sind.
Abgasreinigungseinrichtung (48; 96; 112; 124; 128) nach Anspruch 1, wobei die Zumessvorrichtung (62) und die erste SCR-Katalysator-Einheit (60) in dem ersten Strömungspfad (56) angeordnet sind.
Abgasreinigungseinrichtung (48; 96; 112; 124; 128) nach Anspruch 2, wobei sich auf dem ersten Strömungspfad (56) ein Partikelfilter befindet.
Abgasreinigungseinrichtung (48; 96; 112; 124; 128) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der zweite Strömungspfad (58) ausgehend von der Teilungsvorrichtung (54) der Zusammenführvorrichtung (66) direkt zugeführt wird.
Abgasreinigungseinrichtung (128) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei sich in dem zweiten Strömungspfad (58) ein Oxidationskatalysator (130) befindet.
Abgasreinigungseinrichtung (128) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei sich in Strömungsrichtung (8) nach der Zusammenführvorrichtung (66) und in Strömungsrichtung (8) vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit (70) ein Partikelfilter (138) befindet.
Abgasreinigungseinrichtung (48; 96; 112; 124; 128) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei in Strömungsrichtung (8) vor der Zusammenführvorrichtung (66) eine weitere Teilungsvorrichtung (98) zur Teilung des zweiten Strömungspfads (58) in einen dritten Strömungspfad (100) und einen vierten Strömungspfad (102) angeordnet ist, wobei der vierte Strömungspfad (102) der Zusammenführvorrichtung (66) zugeführt wird, wobei die zweite SCR-Katalysator-Einheit (70) in einem fünften Strömungspfad (104) angeordnet ist, der sich aus der Zusammenführung des ersten Strömungspfads (56) und des vierten Strömungspfads (102) ergibt, wobei in Strömungsrichtung (8) nach der zweiten SCR-Katalysator-Einheit (70) eine weitere Zusammenführvorrichtung (106) zur Zusammenführung des dritten Strömungspfads (100) und des fünften Strömungspfads (104) angeordnet ist, und wobei nach der weiteren Zusammenführvorrichtung (106) im Sinne einer Kaskadierung eine dritte SCR-Katalysator-Einheit (108) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung (76; 148) nach Anspruch 1, wobei zwischen der ersten SCR-Katalysator-Einheit (60) und der zweiten SCR-Katalysator-Einheit (70) ein partieller Oxidationskatalysator (150) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung (76; 148) nach Anspruch 2 und 8, wobei die Zumessvorrichtung (62) und die erste SCR-Katalysator-Einheit (60) in Strömungsrichtung (8) vor der Teilungsvorrichtung (54) angeordnet sind, und wobei in dem ersten Strömungspfad (56) ein Oxidationskatalysator (80) angeordnet ist, der gemeinsam mit dem zweiten Strömungspfad (58), der ausgehend von der Teilungsvorrichtung (54) der Zusammenführvorrichtung (66) direkt zugeführt wird, den partiellen Oxidationskatalysator (150) bildet.
Abgasreinigungseinrichtung (48; 76; 96; 112; 124; 128; 148) nach einem Ansprüche 2 bis 9, wobei der erste Strömungspfad (56) und der zweite Strömungspfad (58) derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein erster Volumenstrom durch den ersten Strömungspfad (56) größer ist als ein zweiter Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad (58).
Abgasreinigungseinrichtung (48; 76; 96; 112; 124; 128; 148) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Teilungsvorrichtung (54) derart ausgebildet ist, dass ein Verhältnis zwischen einem ersten Volumenstrom durch den ersten Strömungspfad (56) und einem zweiten Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad (58) veränderbar, insbesondere steuer- oder regelbar ist.
Abgasreinigungseinrichtung (112; 124; 128; 148) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Strömungsrichtung (8) vor der zweiten SCR-Katalysator-Einheit (70) eine weitere Zumessvorrichtung (118) für Reduktionsmittel (120) angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung (128) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen den zwei SCR-Katalysator-Einheiten (60, 70) ein Partikelfilter (142) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungseinrichtung (48; 76; 96; 112; 124; 128; 148) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis (α) von Reduktionsmittel (64; 120), insbesondere Ammoniak (NH₃), zu Stickoxiden (NO_x) vor einem Eingang der ersten SCR-Katalysator-Einheit (60) auf größer Eins, insbesondere größer 1,05, eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 zum Betreiben einer Abgasreinigungseinrichtung (112; 124; 128; 148) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Verhältnis (α) von Reduktionsmittel (64; 120), insbesondere Ammoniak (NH₃), zu Stickoxiden (NO_x) in dem Eingangspfad (72) der zweiten SCR-Katalysator-Einheit (70) durch die weitere Zumessvorrichtung (118) derart eingestellt wird, dass am Ausgang der zweiten SCR-Katalysator-Einheit (70) im Wesentlichen kein Reduktionsmittelschlupf entsteht.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 zum Betreiben einer Abgasreinigungseinrichtung (48; 76; 96; 112; 124; 128; 148) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Verhältnis zwischen einem ersten Volumenstrom durch den ersten Strömungspfad (56) und einem zweiten Volumenstrom durch den zweiten Strömungspfad (58) derart eingestellt wird, so dass sich im Eingangspfad (72) der zweiten SCR-Katalysator-Einheit (70) ein im Vergleich zum Ausgangspfad (85) der ersten SCR-Katalysator-Einheit (60) erhöhtes Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO₂) zu Stickstoffmonoxid (NO) ergibt.
Computerprogramm für ein digitales Rechengerät, das dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16 auszuführen.
Steuergerät für eine Abgasreinigungseinrichtung (48; 76; 96; 112; 124; 128; 148), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, das mit einem digitalen Rechengerät insbesondere einem Mikroprozessor versehen ist, auf dem ein Computerprogramm nach dem Anspruch 17 lauffähig ist.
Speichermedium für ein Steuergerät einer Abgasreinigungseinrichtung (48; 76; 96; 112; 124; 128; 148) insbesondere eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 18 auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 17 abgespeichert ist.