DE102013208743B4

DE102013208743B4 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102013208743B4
Application number: DE102013208743.8A
Authority: DE
Inventors: Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2033-05-14
Also published as: CN103511037B; US8753597B2; CN103511037A; US20130336862A1; DE102013208743A1

Abstract

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (14), umfassend – einen Führungskanal (12) zum Führen der Abgase von der Verbrennungskraftmaschine (14) durch die Vorrichtung, – einen im Führungskanal (12) angeordneten Katalysator (16) zum Nachbehandeln der Abgase, wobei der Katalysator (16) eine Eintrittsstirnfläche (24) aufweist, auf welche die Abgase beim Durchströmen der Vorrichtung (10) auftreffen und durch welche die Abgase in den Katalysator (16) eintreten, – eine Zuführeinrichtung (18) zum Zuführen eines Reaktionsfluids (22) zur Reaktion mit den Abgasen in den Führungskanal (12) stromaufwärts des Katalysators, so dass das Reaktionsfluid (22) ebenfalls auf die Eintrittsstirnfläche (24) auftritt und anschließend in den Katalysator (16) eintritt, wobei die Zuführeinrichtung (18) eine Dosiereinheit (32) zum Steuern der Verteilung der Menge des auf die Eintrittsstirnfläche (24) auftreffenden Reaktionsfluids (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (32) einen in seiner Form veränderbaren Körper (34) zum Ändern eines Austrittswinkels (α), unter welchem das Reaktionsfluid aus der Dosiereinheit (32) austritt, aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Führungskanal zum Führen der Abgase von der Verbrennungskraftmaschine durch die Vorrichtung, einen im Führungskanal angeordneten Katalysator zum Nachbehandeln der Abgase, wobei der Katalysator eine Eintrittsstirnfläche aufweist, auf welche die Abgase beim Durchströmen der Vorrichtung auftreffen und durch welche die Abgase in den Katalysator eintreten, und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Reaktionsfluids zur Reaktion mit den Abgasen in den Führungskanal stromaufwärts des Katalysators, so dass das Reaktionsfluid ebenfalls auf die Eintrittsstirnfläche auftritt und anschließend in den Katalysator eintritt, wobei die Zuführeinrichtung eine Dosiereinheit zum Steuern der Verteilung der Menge des auf die Eintrittsstirnfläche auftreffenden Reaktionsfluids aufweist.
Um die immer strenger werdenden gesetzlichen Umweltschutzauflagen erfüllen zu können, müssen die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Otto- oder Dieselmotors, mit denen Kraftfahrzeuge angetrieben werden, nachbehandelt werden, damit die Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine unter den vorgegebenen Höchstgrenzen bleiben. Bei Ottomotoren kommen beispielsweise katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, welche die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) sicherstellen. Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid wird insbesondere ein Oxidationskatalysator im Abgasstrom vorgesehen.
Bei Verbrennungskraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, beispielsweise direkt einspritzende Dieselmotoren oder direkt einspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide ohne Zugabe eines Reduktionsmittels nicht reduziert werden. Die Verminderung der Stickoxidemission insbesondere eines Dieselmotors kann mit einem ammoniakhaltigen Reduktionsmittel als Reaktionsfluid an einem selektiv arbeitenden Katalysator, einem Selectiv-Catalytic-Reduction-Katalysator (SCR-Katalysator), zu Stickstoffdioxid (N₂) und Wasser (H₂O) erfolgen, wobei das Reaktionsfluid mittels der Zuführeinrichtung stromaufwärts vom SCR-Katalysator in den Führungskanal der Vorrichtung eingebracht und dort mit dem Abgas in Kontakt gebracht wird. Die Bezeichnung ”selektiv” in diesem Verfahren bedeutet, dass das eingebrachte Reduktionsmittel trotz der Gegenwart von molekularem Sauerstoff bevorzugt mit den Stickoxiden reagiert. Dies grenzt das SCR-Verfahren von nicht selektiven Verfahren ab, die üblicherweise Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel verwenden. In heutigen SCR-Reduktionsverfahren wird üblicherweise Ammoniak (NH₃) als Reduktionsmittel verwendet, wobei als Ammoniakträger Direktsubstanzen, Vorläufersubstanzen oder reversible Speichersubstanzen zum Einsatz kommen können. Die Ammoniakdirektsubstanzen umfassen Ammoniakgas oder wässrige Ammoniaklösungen, die dem Abgasstrom direkt zudosiert werden. Zu den Vorläuferverbindungen, die Ammoniak im Wege der Thermolyse und Hydrolyse freisetzen, zählen Harnstoff, Ammoniumcarbamat, Cyanursäure, und Ammoniumformiat, die zum Teil als Feststoff und zum Teil in Form wäßriger Lösungen eingesetzt werden, wobei im Fall von Harnstoff beide Formen üblich sind. Sämtliche hier genannten Substanzen sollen nicht abschließend unter den Begriff Reaktionsfluid verstanden werden.
Um eine ausreichende Konvertierung zu realisieren, ist eine gewisse Betriebstemperatur der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung erforderlich. Die so genannte Ansprechtemperatur (light off) des Katalysators kann 120°C bis 250°C betragen. Die Betriebstemperatur wird unter anderem von der Abgastemperatur und von der Temperatur des Reaktionsfluids bestimmt. Die Abgastemperatur wiederum hängt unter anderem von der Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine ab. Um die Konvertierung bei niedrigen Abgastemperaturen nicht zu stark sinken zu lassen, werden in den SCR-Katalysatoren eine bestimmte Menge der Reaktionsfluide, in diesem Fall die Reduktionsmittel, gespeichert. Hierbei werden beispielsweise NH₃-Speichersubstanzen verwendet, die Ammoniak in Abhängigkeit von der Temperatur reversibel binden. Insbesondere sind in diesem Zusammenhang Metallamminspeicher bekannt, beispielsweise MgCl₂, CaCl₂ und SrCl₂, die Ammoniak in Form einer Komplexverbindung speichern, um dann beispielsweise als MgCl₂(NH₃)_x, CaCl₂(NH₃)_x beziehungsweise SrCl₂(NH₃)_x vorzuliegen. Aus diesen Verbindungen kann durch Zufuhr von Wärme das Ammoniak wieder freigesetzt werden.
Um jedoch eine gute Mischung zwischen dem Abgas und dem Reduktionsmittel zu gewährleisten, muß das Reduktionsmittel unabhängig davon verdampfen, ob es im Katalysator gespeichert oder stromaufwärts des Katalysators zugegeben wird. Eine ausreichende Vermischung und folglich eine ausreichende Konvertierung ist bei etwa 120 bis 170°C gegeben. Bei Dieselmotoren übersteigt die Abgastemperatur im Stadtverkehr jedoch selten 100°C, so dass die erzielte Konvertierung trotz der oben genannten Gegenmaßnahmen hier zu wünschen übrig läßt.
Die DE 10 2008 028 171 A1 betrifft eine Düseneinrichtung zum Zuführen eines Reaktionsfluids in einen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Austrittsöffnung zum Erzeugen eines Hilfsmittelstrahls in einem Austrittsraum, wobei stromabwärts der Austrittsöffnung (14) ein Prallelement angeordnet ist, welches von dem Hilfsmittelstrahl zum Formverändern des Hilfsmittelstrahls anströmbar ist, und wobei eine Formgebung und/oder eine Anordnung des Prallelements in dem Austrittsraum dazu ausgelegt ist, eine Form des Hilfsmittelstrahls gezielt zu verändern. Zwar werden verschiedene Formgebungen des Prallemements vorgeschlagen, jedoch ist das Prallelement im Betrieb selbst nicht veränderlich, so dass auf die verschiedenen im Katalysator herrschenden Temperaturen nicht reagiert werden kann.
Die DE 25 24 887 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffs mittels eines Druckfluids und eines Additivs. Das Gemisch tritt unter einem Dispersionswinkel aus der Vorrichtung aus, der durch einen Prallverteiler und eine Einstelleinrichtung geändert werden kann. Die DE 25 24 887 A1 betrifft aber keine selektiv arbeitenden Katalysatoren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die eingangs genannte Vorrichtung so weiterzuentwickeln, dass eine ausreichende Konvertierung auch bei niedrigen Abgastemperaturen, die insbesondere im Stadtverkehr vorherrschen, bereitgestellt wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Dadurch, dass die Zuführeinrichtung eine Dosiereinheit zum Steuern der Verteilung der Menge des auf die Eintrittsstirnfläche auftreffenden Reaktionsfluids aufweist, kann das Reaktionsfluid so in den Führungskanal eingebracht werden, dass es zumindest hauptsächlich in den Bereichen auf die Eintrittsstirnfläche auftrifft, wo der Katalysator eine höhere Temperatur aufweist. Die Temperatur im Katalysator ist nicht gleichmäßig verteilt. Die Eintrittsstirnfläche des Katalysators ist häufig kreisförmig. Je nach Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine herrscht um den Mittelpunkt der Stirnfläche eine andere Temperatur als am Umfang, wobei davon ausgegangen werden kann, dass sich das Temperaturprofil auf der Eintrittsstirnfläche in etwa über die gesamte Länge des Katalysators wiederfindet.
Wird eine Verbrennungskraftmaschine gerade in Betrieb genommen, so wärmt sich der Katalysator zunächst im Zentrum auf, während die Temperatur am Umfang langsamer ansteigt. Mittels der erfindungsgemäßen Dosiereinheit ist es möglich, das Reaktionsfluid so in den Zuführkanal zuzuführen, dass die größte Menge im Zentrum auf die Eintrittsstirnfläche trifft, wo der Katalysator eine höhere Temperatur aufweist. Dadurch wird der Großteil des Reaktionsfluids bei der Reaktion mit dem Abgas umgesetzt und eine ausreichende Konvertierung erzielt. Weiterhin wird ein Schlupf des Reaktionsfluids verhindert, womit das Durchtreten von Reaktionsfluid durch den Katalysator bezeichnet wird, ohne dass es mit dem Abgas reagiert hat.
Bei plötzlich abnehmender Leistungsabgabe kühlt hingegen der Katalysator um den Mittelpunkt der Eintrittsstirnfläche bzw. entlang der Längsachse stärker ab als am Umfang. Folglich wird die Dosiereinheit so betrieben, dass das Reaktionsfluids auch im Bereich des Umfangs auf die Eintrittsstirnfläche auftrifft, wo die Temperatur des Katalysators ausreichend hoch ist.
Im kontinuierlichen Betrieb, also dann, wenn über eine längere Zeit die Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine nicht oder nur unwesentlich geändert wird, beispielsweise bei Autobahnfahrten, verringern sich die Temperaturgradienten auf der Eintrittsstirnfläche bzw. im Katalysator, so dass überall eine für die erforderliche Konvertierung ausreichend hohe Temperatur herrscht. In diesem Fall kann die Dosiereinrichtung so betrieben werden, dass das Reaktionsfluid nahezu gleichmäßig über die Eintrittsstirnfläche verteilt wird. Dies ist insofern vorteilhaft, als dass es im Betrieb des Katalysators zu Ablagerungen kommen kann, welche die Funktionsfähigkeit des Katalysators herabsetzen und die in einem Regenerationsprozeß abgebrannt werden können. Wird das Reaktionsfluid gleichmäßig auf die Eintrittsstirnfläche aufgebracht, wird verhindert, dass sich eine zu dicke Schicht ablagert, die in einem Regenerationsprozeß nicht vollständig entfernt werden kann. Folglich bleibt der Katalysator überall funktionsfähig.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Dosiereinheit einen zusätzlich in seiner Position veränderbaren Körper zum Ändern eines Austrittswinkels, unter welchem das Reaktionsfluid aus der Dosiereinheit austritt, auf. Das Reaktionsfluid wird entweder gasförmig oder in fein vernebelter Form in den Führungskanal eingebracht. Folglich bestimmen die Strömungsverhältnisse in der Zuführeinrichtung, unter welchem Austrittswinkel das Reaktionsfluid aus der Dosiereinheit austritt und wie das Reaktionsfluid mit dem Abgas auf die Eintrittsstirnfläche auftrifft. Die Strömungsverhältnisse und folglich der Austrittswinkel können auf konstruktiv einfache Weise durch den Körper zielgerecht verändert werden, der in seiner Position und/oder in seiner Form veränderbar ist. Die Dosiereinheit weist eine Austrittsöffnung auf, durch welche das Reaktionsfluid austritt. Der Körper kann über die Austrittsöffnung hinaus in den Zuführkanal hineinragen und einen Ringspalt freigeben. Er kann aber auch vollständig innerhalb der Dosiereinheit positioniert sein und einen bestimmten Abstand zur Austrittsöffnung aufweisen, so dass die Austrittsöffnung nicht von ihm durchdrungen wird. Je nach Position werden die Strömungsverhältnisse geändert, was einen Einfluß auf den Austrittswinkel und den Bereich hat in welchem das Reaktionsfluid auf die Eintrittsstirnfläche auftrifft. Die Strömungsverhältnisse können weiterhin durch eine Änderung der Form des Körpers und damit durch eine Änderung des Strömungswiderstands beeinflußt werden, wodurch ebenfalls der Austrittswinkel und die Verteilung der auf die Eintrittsstirnfläche auftretenden Menge des Reaktionsfluids gesteuert werden können.
Vorzugsweise ist der Körper als ein entlang einer Längsachse der Zuführeinrichtung verschiebbarer Kolben ausgebildet. Ein entlang der Längsachse der Zuführeinrichtung verschiebbarer Kolben ist konstruktiv einfach herzustellen, weiterhin ist die hierzu notwendige Antriebseinheit nicht sehr aufwendig und kann hydraulisch oder pneumatisch betrieben werden, wodurch sie sehr zuverlässig arbeitet.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung weist der Körper ausfahrbare Strömungsklappen zum Ändern des Strömungswiderstands des Körpers und zum Ändern des Austrittswinkels auf. Diese können ähnlich eines Regenschirms stufenlos zwischen zwei Endstellungen verstellt werden, wobei in einer ersten Endstellung ein minimaler und in einer zweiten Endstellung ein maximaler Strömungswiderstand bereitgestellt werden kann. Der Strömungswiderstand hat auch einen Einfluß auf den Austrittswinkel. Der Bereich, innerhalb dem das Reaktionsfluid auf die Eintrittsstirnfläche trifft, kann so auf konstruktiv verläßliche Weise geändert werden.
Vorzugsweise ist der Katalysator als SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases ausgebildet und das Reaktionsfluid ein Reduktionsmittel. Derartige Ausbildungen kommen insbesondere bei direkteinspritzenden Otto- oder Dieselmotoren zur Reduktion von Stickoxiden zum Einsatz, wo die Temperatur des SCR-Katalysators eine wichtige Rolle auf den Grad der Konvertierung hat. Direkteinspritzende Otto- und Dieselmotoren zeichnen sich durch einen geringen Kraftstoffverbrauch aus, was zu einem ressourcenschonenden Umgang mit den Erdölreserven führt und wodurch ein Beitrag zur Reduzierung der CO₂-Emissionen geleistet wird. Folglich besteht gerade bei diesen Motoren ein besonderes Interesse, die Stickoxid-Emissionen zu senken, damit der verminderte CO₂-Ausstoß nicht durch eine gesteigerte Stickoxid-Emission aufgehoben wird. In dieser Ausgestaltung werden die Stickoxid-Emissionen spürbar gesenkt.
Vorzugsweise weist die Dosiereinheit eine Fördereinrichtung zum Fördern des Reaktionsfluids auf. Die Fördereinrichtung sorgt dafür, dass eine ausreichende Menge des Reaktionsfluids bereitgestellt wird, so dass weder zu wenig noch zu viel Reaktionsfluid auf den Katalysator treffen. Eine zu geringe Menge an Reaktionsfluid führt zu einer unvollständigen Konvertierung, während eine zu hohe Menge zu einem Schlupf an Reaktionsfluid führt, welches den Katalysator unverändert durchströmt, was insbesondere bei Verwendung von Ammoniak als Reaktionsfluid eine unangenehme Geruchsbelastung mit sich bringt. Weiterhin kann die Fördereinrichtung das Reaktionsfluid mit einem hohen Druck in den Führungskanal einbringen. Je höher der Druck, desto feiner kann das Reaktionsfluid verteilt werden, was eine bessere Vermischung mit dem Abgas und eine bessere Konvertierung zur Folge hat.
In einer Weiterbildung umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Anzahl von Sensoren, die auf die Abgasnachbehandlung der Abgase bezogene Daten erfassen, die von einer Steuerungseinheit verarbeitet werden können, wobei die Steuerungseinheit die Dosiereinheit unter Berücksichtigung der Daten ansteuert. Die Sensoren können beispielsweise die momentane Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine ermitteln, die der Betriebszeit der Vorrichtung zugeordnet werden kann. Hieraus läßt sich durch Vergleich mit Kennfeldern ein Rückschluß auf die Temperaturverteilung im Katalysator ziehen, woraus wiederum Informationen zur optimalen Ansteuerung der Dosiereinheit gewonnen werden können. Ferner können Temperatursensoren verwendet werden, welche die Abgastemperatur stromaufwärts des Katalysators und die Temperatur des Reaktionsfluids messen, die bei der Ansteuerung der Dosiereinheit ebenfalls berücksichtigt werden. Darüber hinaus können auch NO_x-Sensoren vorgesehen werden, die sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet werden. Hierdurch läßt sich ein Rückschluß auf den momentanen Grad der Konvertierung schließen und eine Regelung der Dosiereinheit mit einem Feedback realisieren. Ein weiterer Aspekt ist, dass der von der Fördereinrichtung bereitgestellte Förderdruck an die momentan herrschenden Bedingungen angepaßt werden kann. Der Förderdruck hat eine Auswirkung auf den Grad der Konvertierung. In dieser Weiterbildung kann die Dosiereinheit so genutzt werden, dass unter den momentan herrschenden Bedingungen eine optimale Konvertierung der Abgase bereitgestellt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend folgende Schritte:

– Führen der Abgase von der Verbrennungskraftmaschine durch eine Abgasbehandlungsvorrichtung mittels eines Führungskanals,
– Nachbehandeln der Abgase mittels eines im Führungskanal angeordneten Katalysators, wobei der Katalysator eine Eintrittsstirnfläche aufweist, auf welche die Abgase beim Durchströmen der Vorrichtung auftreffen und durch welche die Abgase in den Katalysator eintreten,
– Zuführen eines Reaktionsfluids zur Reaktion mit den Abgasen in den Führungskanal stromaufwärts des Katalysators mittels einer Zuführeinrichtung, so dass das Reaktionsfluid ebenfalls auf die Eintrittsstirnfläche auftritt und anschließend in den Katalysator eintritt, und
– Steuern der Verteilung der Menge des auf die Eintrittsstirnfläche auftreffenden Reaktionsfluids mittels einer Dosiereinheit, die in der Zuführeinrichtung zugeordnet ist.

Die technischen Effekte und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denjenigen, die für die erfindungsgemäße Vorrichtung beschreiben worden sind.
Die Vorrichtung wird unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2a–c einen vergrößerten Ausschnitt aus der in 1 dargestellten Vorrichtung, wobei jede der 2a–c die Vorrichtung in einem anderen Betriebszustand zeigt, und
3a und b einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend den 2a–c eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Abgasnachbehandlung von Abgasen anhand einer Prinzipskizze dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfaßt einen Führungskanal 12, der mit einer die Abgase produzierenden Verbrennungskraftmaschine 14 verbunden ist. Die Abgase werden von der Verbrennungskraftmaschine 14 zur Nachbehandlung zu einem Katalysator 16 geleitet, der ebenfalls im Führungskanal 12 angeordnet ist. Stromaufwärts vom Katalysator 16 ist eine Zuführeinrichtung 18 mit einer Austrittsöffnung 20 angeordnet, mit welcher ein Reaktionsfluid 22, das mit den Abgasen reagieren kann, in den Führungskanal 12 eingebracht werden kann. Folglich treffen sowohl die Abgase als auch das Reaktionsfluid 22 auf eine Eintrittsstirnfläche 24 des Katalysators 16, durch die sie anschließend in den Katalysator 16 eintreten.
Die Zuführeinrichtung 18 umfaßt eine Leitung 26, die mit einem Behälter 28 verbunden ist, in welchem das Reaktionsfluid 22 vorgehalten werden kann. In der Leitung 26 ist eine Fördereinrichtung 30 angeordnet, mit der das Reaktionsfluid 22 zur Austrittsöffnung 20 gefördert werden kann. Die Zuführeinrichtung 18 weist eine Dosiereinheit 32 auf, mit der die Menge des in den Führungskanal 12 eingebrachten Reaktionsfluids 22 und die Verteilung der Menge auf der Eintrittsstirnfläche 24 verändert werden kann, wie im Folgenden noch genauer erklärt wird. Im dargestellten Beispiel weist die Dosiereinheit 32 einen Körper 34 auf, der hier als ein entlang einer Längsachse L der Zuführeinrichtung 18 verschiebbarer Kolben 36 ausgebildet ist. Zum Lagern und zum Verschieben des Kolbens 36 ist eine Lagerungs- und Antriebseinheit 38 vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf die Reduktion von Stickoxiden ausgelegt, die insbesondere bei direkt einspritzenden Otto- oder Dieselmotoren entstehen. Hierzu ist der Katalysator 16 als ein SCR-Katalysator 40 (Selective Catalytic Reduction) ausgebildet, wobei als Reaktionsfluid 22 ein Reduktionsmittel 42 wie Ammoniak oder Harnstoff verwendet wird.
Weiterhin umfaßt die Vorrichtung 10 eine Anzahl von Sensoren 44, mit denen auf die Abgasnachbehandlung der Abgase bezogene Daten erfaßt werden können. Konkret sind ein erster Stickoxidsensor 46 und ein zweiter Stickoxidsensor 48 im Führungskanal 12 angeordnet, wobei der erste Stickoxidsensor 46 stromaufwärts und der zweite Stickoxidsensor 48 stromabwärts des SCR-Katalysators 40 positioniert sind. Die Stickoxidsensoren 46, 48 können die Stickoxid-Konzentration an ihrem Einbauort im Führungskanal 12 erfassen. Sie können zusätzlich noch so ausgestaltet sein, dass sie die Abgastemperatur am Einbauort erfassen können. Weiterhin ist ein Reaktionsmittelsensor 50 im Behälter 28 angeordnet, mit dem beispielsweise der Füllstand und/oder die Temperatur des Reaktionsfluids 22 ermittelt werden können. Es können jedoch noch weitere, nicht dargestellte Sensoren 44 vorgesehen sein, beispielsweise ein Leistungssensor, der die momentan von der Verbrennungskraftmaschine 14 abgegebene Leistung ermittelt. Die ermittelten Daten sind so beschaffen, dass sie von einer Steuerungseinheit 52 verarbeitet werden können. Die Datenübertragung zwischen den Sensoren 44 und der Steuerungseinheit 52 kann, wie dargestellt, über Kabel 54 oder aber auch drahtlos erfolgen.
Die im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 14 produzierten Abgase werden durch den Führungskanal 12 geleitet, wo sie auf die Eintrittsstirnfläche 24 des Katalysators 16 treffen. Weiterhin wird das Reaktionsfluid 22 mit Hilfe der Zuführeinrichtung 18 stromaufwärts vom Katalysator 16 in den Führungskanal 12 eingebracht. Das Reaktionsfluid 22 und die Abgase vermischen sich, bevor sie auf die Eintrittsstirnfläche 24 des Katalysators 16 treffen. Ein Mischer ist nicht notwendig. Im Katalysator 16 reagieren die Abgase mit dem Reaktionsfluid 22 und bilden die gewünschten Produkte. Beispielsweise werden im SCR-Katalysator 40 Stickmonoxid mit Ammoniak als Reaktionsfluid 22 und Sauerstoff zu elementarem Stickstoff und Wasser umgesetzt, die den Führungskanal 12 stromabwärts des SCR-Katalysators 40 verlassen und an die Umwelt abgegeben werden.
Die Steuerungseinheit 52 sorgt dafür, dass die Vorrichtung 10 im Optimum betrieben wird. Dazu wertet sie die von den Sensoren 44 gesammelten Daten aus und steuert die Dosiereinheit 32 und insbesondere die Lagerungs- und Antriebseinheit 38 auf eine Weise an, die anhand der 2a–c näher erläutert wird, wo die wesentlichen Teile der Vorrichtung 10 vergrößert dargestellt sind. Anhand der von den Sensoren 44 gesammelten Daten läßt sich ein Rückschluß auf die Temperaturverteilung im Katalysator 16 schließen. Dabei wird annähernd davon ausgegangen, dass sich ein Temperaturgefälle senkrecht zur Längsachse L ausbildet. In 2a ist ein erster Bereich 56 und ein zweiter Bereich 58 definiert, wobei der erste Bereich 56 eine Temperatur haben soll, die unterhalb der Ansprechtemperatur (”light off”) und der zweite Bereich 58 eine Temperatur über der Ansprechtemperatur haben soll. Eine derartige Temperaturverteilung kann sich dann ergeben, wenn die Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine 14 schnell verringert wird. Dabei kühlt der Katalysator 16 im Bereich der Längsachse L schneller ab als am Umfang.
In den 2a–c ist der Strömungsweg, den der Großteil des Reaktionsfluid 22 zwischen der Austrittsöffnung 20 und der Eintrittsstirnseite folgt, mit einer mit P bezeichneten Linie annäherungsweise dargestellt. Bei einem rotationssymmetrischen Aufbau der Vorrichtung 10 begrenzen die Linien einen imaginären Kegelstumpf, innerhalb dem sich der Großteil des Reaktionsfluids 22 zwischen der Zuführeinrichtung 18 und der Eintrittsstirnfläche 24 des Katalysators 16 bewegt, wobei nicht ausgeschlossen werden kann, dass sich ein Teil auch außerhalb des Kegelstumpfs befindet. Die Mantelfläche des Kegelstumpfs schließt einen Austrittswinkel α ein, unter dem der Großteil des Reaktionsfluids 22 die Austrittsöffnung 20 verläßt. Er beschreibt den Winkel, unter dem der Großteil des Reaktionsfluids 22 die Dosiereinheit 32 in Bezug auf die Längsache L verläßt. Die Dosiereinheit 32 wird so betrieben, dass sich ein Austrittswinkel α einstellt, unter dem das Reaktionsfluid 22 hauptsächlich im wärmeren zweiten Bereich 58 des Katalysators 16 auf die Eintrittsstirnfläche 24 tritt, wo der Katalysator 16 eine über der Ansprechtemperatur liegende Temperatur aufweist und wo die Konvertierung deutlich umfangreicher erfolgt als im kälteren ersten Bereich 56. Der Kolben 36 reicht dazu bis zur Austrittsöffnung 20. Hierdurch wird ein abgeschatteter Bereich direkt stromabwärts vom Kolben 36 in der Nähe der Längsachse L erzeugt, in dem sich nur eine geringe Menge an Reaktionsfluid 22 befindet und der bis zur Eintrittsstirnfläche 24 reichen kann, so dass nur sehr wenig Reaktionsfluid 22 und Abgas im kalten ersten Bereich 56 auftrifft.
In 2b ist der Fall dargestellt, dass der Katalysator 16 im ersten Bereich 56 eine höhere Temperatur als im zweiten Bereich 58 aufweist. Eine derartige Temperaturverteilung kann sich dann ergeben, wenn die Verbrennungskraftmaschine 14 gerade in Betrieb genommen wird. Der Katalysator 16 erwärmt sich in diesem Fall von innen nach außen. Um zu erreichen, dass das Reaktionsfluid 22 hauptsächlich im wärmeren ersten Bereich 56 auf die Eintrittsstirnfläche 24 auftrifft, muß die Dosiereinheit 32 so betrieben werden, dass sich ein kleiner Austrittswinkel α ergibt. In 2b ist dieser Austrittswinkel α gleich null und daher nicht darstellbar, so dass sich der Großteil des Reaktionsfluids 22 nicht innerhalb eines Kegelstumpfs, sondern innerhalb eines imaginären Zylinders befindet. Folglich trifft nur ein kleiner Teil des Reaktionsfluid 22s auf den kälteren zweiten Bereich.
In 2c ist der Fall dargestellt, dass der Katalysator 16 über die gesamte Eintrittsstirnfläche 24 eine Temperatur über der Ansprechtemperatur aufweist. Eine Unterscheidung zwischen einem ersten und einem zweiten Bereich ist nicht möglich. Ein derartiger Zustand ergibt sich nach langem kontinuierlichem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 14. Folglich steht der gesamte Katalysator 16 für eine ausreichende Konvertierung zur Verfügung, so dass wiederum ein größerer Austrittswinkel α als in 2b gewählt werden kann. Hierzu wird der Kolben 36 im Vergleich zum in 2b gezeigten Zustand etwas weiter zur Austrittsöffnung 20 hin positioniert, allerdings nicht so weit wie in 2a. Folglich reicht der abgeschattete Bereich im Vergleich zu 2a nicht ganz bis zum Katalysator 16, so dass das Reaktionsfluid 22 und das Abgas gleichmäßig über die gesamte Eintrittsstirnfläche 24 auftreffen.
In den 3a und 3b ist eine zweite Ausführungsform der Dosiereinheit 32 gezeigt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform weist die Dosiereinheit 32 einen Körper 34 auf, der nicht in seiner Position verschiebbar ist, der aber seine Form ändern kann, wozu er ausfahrbare Strömungsklappen 60 aufweist. In 3a sind die Strömungsklappen 60 weiter ausgefahren als in 3b, wodurch der Austrittswinkel α ebenfalls geändert werden kann. Die damit zu erreichenden Effekte entsprechen denjenigen, die in Bezug auf die 2a bis 2c beschrieben worden sind.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Führungskanal
14: Verbrennungskraftmaschine
16: Katalysator
18: Zuführeinrichtung
20: Austrittsöffnung
22: Reaktionsfluid
24: Eintrittsstirnfläche
26: Leitung
28: Behälter
30: Fördereinrichtung
32: Dosiereinheit
34: Körper
36: Kolben
38: Lagerungs- und Antriebseinheit
40: SCR-Katalysator
42: Reduktionsmittel
44: Sensor
46: erster Stickoxidsensor
48: zweiter Stickoxidsensor
50: Reaktionsmittelsensor
52: Steuerungseinheit
54: Kabel
56: erster Bereich
58: zweiter Bereich
60: Strömungsklappe
α: Austrittswinkel
L: Längsachse
P: Linie

Claims

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (14), umfassend – einen Führungskanal (12) zum Führen der Abgase von der Verbrennungskraftmaschine (14) durch die Vorrichtung, – einen im Führungskanal (12) angeordneten Katalysator (16) zum Nachbehandeln der Abgase, wobei der Katalysator (16) eine Eintrittsstirnfläche (24) aufweist, auf welche die Abgase beim Durchströmen der Vorrichtung (10) auftreffen und durch welche die Abgase in den Katalysator (16) eintreten, – eine Zuführeinrichtung (18) zum Zuführen eines Reaktionsfluids (22) zur Reaktion mit den Abgasen in den Führungskanal (12) stromaufwärts des Katalysators, so dass das Reaktionsfluid (22) ebenfalls auf die Eintrittsstirnfläche (24) auftritt und anschließend in den Katalysator (16) eintritt, wobei die Zuführeinrichtung (18) eine Dosiereinheit (32) zum Steuern der Verteilung der Menge des auf die Eintrittsstirnfläche (24) auftreffenden Reaktionsfluids (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (32) einen in seiner Form veränderbaren Körper (34) zum Ändern eines Austrittswinkels (α), unter welchem das Reaktionsfluid aus der Dosiereinheit (32) austritt, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (32) einen zusätzlich in seiner Position veränderbaren Körper (34) zum Ändern eines Austrittswinkels (α), unter welchem das Reaktionsfluid aus der Dosiereinheit (32) austritt, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Körper (34) als ein entlang der Längsachse (L) der Zuführeinrichtung (18) verschiebbarer Kolben (36) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (34) ausfahrbare Strömungsklappen (60) zum Ändern des Strömungswiderstands des Körpers (34) und zum Ändern des Austrittswinkels (α) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (16) als SCR-Katalysator (40) zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases ausgebildet ist und das Reaktionsfluid (22) ein Reduktionsmittel (42) ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit (32) eine Fördereinrichtung (30) zum Fördern des Reaktionsfluids (22) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anzahl von Sensoren (44) umfaßt, die auf die Abgasnachbehandlung der Abgase bezogene Daten erfassen, die von einer Steuerungseinheit (52) verarbeitet werden können, wobei die Steuerungseinheit (52) die Dosiereinheit (32) unter Berücksichtigung der Daten ansteuert.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (14), umfassend folgende Schritte: – Führen der Abgase von der Verbrennungskraftmaschine (14) durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mittels eines Führungskanals (12), – Nachbehandeln der Abgase mittels eines im Führungskanal (12) angeordneten Katalysators, wobei der Katalysator (16) eine Eintrittsstirnfläche (24) aufweist, auf welche die Abgase beim Durchströmen der Vorrichtung (10) auftreffen und durch welche die Abgase in den Katalysator (16) eintreten, – Zuführen eines Reaktionsfluids (22) zur Reaktion mit den Abgasen in den Führungskanal (12) stromaufwärts des Katalysators mittels einer Zuführeinrichtung (18), so dass das Reaktionsfluid (22) ebenfalls auf die Eintrittsstirnfläche (24) auftritt und anschließend in den Katalysator (16) eintritt, – Steuern der Verteilung der Menge des auf die Eintrittsstirnfläche (24) auftreffenden Reaktionsfluids (22) mittels einer Dosiereinheit (32), die der Zuführeinrichtung (18) zugeordnet ist, durch Ändern eines Austrittswinkels (α), unter welchem das Reaktionsfluid aus der Dosiereinheit (32) austritt, wobei der Austrittswinkel (α) durch Ändern der Form eines Körpers (34) der Dosiereinheit (32) geändert wird.