DE102014111310A1 - Abgasmischer mit integrierter Heizeinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasmischer (16) mit einer integrierten Heizeinrichtung (17). Dieser kann in einem Abgasbehandlungssystem (11) mit einem Urea Injektor (14) und einem SCR-Katalysator verwendet werden, um mit Urea angereichertes Abgas auf eine Soll- oder Mindest-Temperatur aufzuheizen. Die Erfindung betrifft ferner ein zugehöriges Abgasbehandlungsverfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgasmischer, eine Abgasbehandlungsanlage für einen Verbrennungsmotor sowie ein Abgasbehandlungsverfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff der jeweiligen eigenständigen Ansprüche.
  • Es ist in der Praxis bekannt, sogenannte SCR-Systeme zur Reduktion von NOx-Emissionen einzusetzen. Hierbei wird Urea (Harnstoff) in das Abgas des Verbrennungsmotors eingespritzt und einem Katalysator zugeführt, in dem eine selektive katalytische Reduktionsreaktion ausgeführt wird. Die katalytische Reaktion ist dabei nur ab einer Temperaturschwelle von etwa 190°C wirksam. Um beispielsweise nach einem Kaltstart das Abgas auf diese Temperatur zu bringen, sind in der Praxis verschiedene Ansätze verfolgt worden.
  • Einerseits werden sogenannte Post-Injektionen (Einspritzungen von Kraftstoff in die Brennkammer des Verbrennungsmotors zu einem sehr späten Zeitpunkt in der Expansionsphase) ausgeführt, die zu einer Nachverbrennung und damit zu einem Anstieg der Abgastemperatur führen. Andererseits wurde vorgeschlagen, Kraftstoff direkt in die Abgaspassage zu demselben Zweck einzuspritzen. Beide Verfahren haben den Nachteil, dass hierdurch der Kraftstoffverbrauch erhöht wird und Auswirkungen auf das Motor-Management berücksichtigt werden müssen.
  • Aus der DE 10 2012 205 679 A1 ist ein separates Heizelement bekannt, das in der Abgaspassage hinter einem Urea Injektor und vor einem SCR-Katalysator angeordnet ist. Ein solches Zusatz-Heizelement erhöht den Strömungswiderstand in der Abgaspassage und erfordert zusätzlichen Bauraum.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Technik aufzuzeigen, mit der die Wirksamkeit der selektiven katalytischen Reduktion erhöht werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen in den eigenständigen Ansprüchen.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Abgasmischer zur Anordnung in der Abgaspassage eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, der eine integrierte Heizeinrichtung aufweist. Der Abgasmischer wird in der Abgaspassage hinter einer Zuführung von Urea, insbesondere hinter einem Urea Injektor angeordnet und dient dazu, die Durchmischung bzw. Homogenisierung des mit Urea angereicherten Abgases zu verbessern.
  • Durch die Integration einer Heizeinrichtung in den Abgasmischer können verschiedene Vorteile erreicht werden. Der Abgasmischer weist eine hohe Oberfläche auf. Er umfasst einen Mischerkörper, der beispielsweise mit einer Mehrzahl von Schaufeln oder Lamellen ausgestattet ist. Das mit Urea angereicherte Abgas passiert den Mischerkörper und wird durch die Schaufeln oder Lamellen verwirbelt. Hierdurch werden sehr gute Voraussetzungen für einen konvektiven Wärmeübergang geschaffen.
  • Das Aufheizen des Abgases ermöglicht eine deutlich schnellere Erreichung einer effizienten NOx Emissionsreduzierung, da die Grenztemperatur von etwa 190°C deutlich schneller erreicht wird. Diese Beschleunigung des NOx Emissionsabbaus führt besonders bei Standard-Fahrzyklen zu merklichen Effizienzsteigerungen. Es ist beispielsweise eine Temperatursteigerung um etwa 50°C möglich, die beim NEDC (New European Driving Cycle) Zyklus eine Ausweitung des Zeitanteils, in dem NOx Emissionen durch SCR reduzierbar sind, von 25% auf 66% bringt. Beim WLTP (worldwide harmonized light vehicles test procedure) Zyklus ist eine Erhöhung des vorgenannten Zeitanteils von 63% auf 87% erreichbar. Bei noch stärkerer bzw. schneller Aufheizung des Abgases sind noch größere Effizienzsteigerungen möglich. Durch die Integration einer Heizeinrichtung in den Abgasmischer kann auf die Anordnung einer separaten Heizeinrichtung verzichtet werden. Hierdurch kann das Abgasbehandlungssystem kleiner gebaut und bei geringeren Kosten hergestellt werden. Die strömungstechnisch günstige Formgebung des Mischerkörpers kann für eine effiziente Wärmeübertragung zusätzlich ausgenutzt werden. Es wird eine besonders homogene und schnelle Erwärmung ermöglicht, ohne dabei den Flusswiderstand in der Abgaspassage zu erhöhen und bei gleichzeitiger Einsparung von Kosten- und Bauaufwand gegenüber vorbekannten Lösungen.
  • Die Heizeinrichtung kann in beliebiger Weise in den Abgasmischer integriert sein. Unten werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen aufgezeigt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird ferner ein Abgasbehandlungsverfahren vorgeschlagen, bei dem Urea in eine Abgaspassage eingespritzt wird, das mit Urea angereicherte Abgas mittels der in den Abgasmischer integrierten Heizeinrichtung aufgeheizt wird und nachfolgend in einem SCR-Katalysator eine selektive katalytische Reduktion zur Verringerung von NOX-Emissionen ausgeführt wird. Bei dem Verfahren kann eine Steuerung oder Regelung der Ist-Temperatur des Abgases auf eine Soll- oder Mindest-Temperatur vorgesehen sein. Die Messung der Ist-Temperatur kann über einen separaten Abgas-Temperatursensor erfolgen. Alternativ kann der Sensor in den Abgasmischer bzw. dessen Mischerkörper integriert sein oder eine Ist-Temperatur des Abgases hinter dem Abgasmischer kann basierend auf einer Bestromung der Heizeinrichtung sowie Geometrie- und Strömungsdaten geschätzt werden.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen angegeben.
  • Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Abgasbehandlungssystems an einem Verbrennungsmotor;
  • 2 bis 4: bevorzugte Ausführungsformen für einen Abgasmischer mit einer integrierten Heizeinrichtung.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Abgasbehandlungssystem (11) gemäß der vorliegenden Offenbarung. Von einem Motorauslass aus gelangt Abgas, das aus einer Brennkammer des Motors (10) austritt, in eine Abgaspassage (12). Die Abgaspassage (12) kann beliebig ausgebildet sein. Sie kann beispielsweise durch ein ein- oder mehrteiliges Rohr begrenzt sein und in Flussrichtung des Abgases verschiedene Behandlungsaggregate aufweisen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind in der Abgaspassage zumindest ein Urea-Injektor (14) sowie in Flussrichtung nachfolgend ein Abgasmischer (16) mit einer integrierten Heizeinrichtung (17) und ein Katalysatorabschnitt (20) zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion angeordnet. Ferner ist in der Abgaspassage bevorzugt an oder hinter dem Abgasmischer (16) bzw. der integrierten Heizeinrichtung (17) ein Abgas-Temperatursensor (18) angeordnet.
  • Der Urea-Injektor (14) wird von einem Urea-Tank (32) mit einer Harnstofflösung versorgt. Der Urea-Injektor (14) ist mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU, 30) verbunden und wird über diese zur Durchführung von Urea Einspritzungen angesteuert. Die ECU (30) ist ferner bevorzugt mit der im Abgasmischer (16) integrierten Heizeinrichtung (17) sowie ggf. dem Abgas-Temperatursensor (18) verbunden.
  • Durch die ECU (30) kann ein Abgasbehandlungsverfahren ausgeführt werden, bei welchem Urea in die Abgaspassage eingespritzt wird, die integrierte Heizeinrichtung (17) im Abgasmischer (16) zum Aufheizen des mit Urea angereicherten Abgases mit Energie beaufschlagt wird und anschließend im Katalysatorabschnitt (20) die SCR-Reaktion ausgeführt wird. Bei dem Verfahren kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Ist-Temperatur des Abgases über den Abgas-Temperatursensor (18) erfasst wird und die integrierte Heizeinrichtung (17) derart mit Energie beaufschlagt wird, dass die Ist-Temperatur auf eine Soll-Temperatur gebracht wird, insbesondere eine Mindest-Temperatur zur Sicherstellung der katalytischen Reaktion. Dies kann insbesondere eine Temperatur von etwa 190°C bis 195°C sein.
  • Das Abgasbehandlungssystem (11) kann weiterhin über einen oder mehrere NOx-Sensoren verfügen, die mit der ECU (30) verbunden sind. Die Ausführung des Abgasbehandlungsverfahrens, insbesondere Zeitpunkt und Menge von Urea-Einspritzungen, können in Abhängigkeit der Messung einer NOx-Konzentration vor und/oder hinter der Urea-Beigabe erfolgen. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein erster NOx-Sensor (26) in einem Bereich hinter dem Motorauslass und vor dem Urea-Injektor (14) und/oder dem Abgasmischer (16) angeordnet. Dem NOx-Sensor (26) können weitere Aggregate des Behandlungssystems (11) vorgelagert sein, wie hier beispielsweise ein DOC (24).
  • Ein zweiter NOx-Sensor (28) ist in dem gezeigten Beispiel innerhalb des Katalysatorabschnitts (20) oder in Flussrichtung dahinter angeordnet. Durch den zweiten NOx-Sensor (28) kann die Wirksamkeit der NOx Emissionsreduktion ermittelt werden. Der Katalysatorabschnitt (20) umfasst in dem gezeigten Beispiel einen SCRF (21) (selective catalytic reduction filter; Kombination aus SCR-Katalysator und Partikelfilter) sowie einen NH3-Katalysator (22). Alternativ können andere Anordnungen und Reihenfolgen von Katalysatoren und Filtern vorgesehen sein.
  • 2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Abgasmischers (16) mit einer integrierten Heizeinrichtung (17). Der Abgasmischer (16) weist einen Tragkörper (36) auf, über den er mit einem Abgasrohr oder anderen, angrenzenden Bauelementen verbunden werden kann. Der Tragkörper (36) nimmt einen Mischerkörper (38) in sich auf. Der Mischerkörper (38) kann in beliebiger Form ausgebildet und auf beliebige Weise mit dem Tragkörper (26) verbunden sein.
  • In dem gezeigten Beispiel besteht der Mischerkörper aus einer Mehrzahl von Mischerschaufeln oder Mischerlamellen, durch die das in der Abgaspassage (12) geführte Abgas hindurchfließt. Die Schaufeln oder Lamellen (40) können bevorzugt ein- oder mehrfach gekrümmt sein und ggf. Öffnungen aufweisen, wodurch eine Vermischung bzw Homogenisierung des Abgases verbessert wird. In dem gezeigten Beispiel sind zehn im Wesentlichen gleichförmige Lamellen (40) jeweils mit einem inneren Ende in einem gemeinsamen Zentrum verbunden und mit einem äußeren Ende an einem Umfangring befestigt. Alternativ kann eine beliebige andere Form des Mischerkörpers (38) und/oder der Schaufeln bzw. Lamellen (40) vorgesehen sein.
  • Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Heizeinrichtung (17) durch einen Heizeinsatz (42) gebildet, der in den Mischerkörper (38) integriert ist. Es kann sich beispielsweise um Heizdrähte, stab- oder plattenförmige Heizelemente oder punktförmige Heizelemente handeln, die auf die Lamellen oder Schaufeln (40) aufgesetzt oder in diese eingearbeitet sind. Alternativ kann eine beliebige andere Formgebung vorgesehen sein. In dem gezeigten Beispiel ist an jeder Lamelle (40) ein Heizdraht angeordnet. Die Heizdrähte verfügen über einen gemeinsamen positiven Pol. Die negativen Pole sind jeweils zum Umfangsring geführt und ggfs. dort durch einen umlaufenden Leiter verbunden.
  • 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Abgasmischers (15). In diesem Beispiel wird die Heizeinrichtung (17) durch eine Glühkerze (44) gebildet, die thermisch leitend mit dem Mischerkörper (38) verbunden ist. Der Heizpunkt der Glühkerze (44) kann beispielsweise mit dem zentralen Segment der Schaufeln bzw. Lamellen (40) verbunden sein und von dort die Schaufeln bzw. Lamellen (40) aufheizen.
  • Die Glühkerze (44) kann beliebig angeordnet sein. Sie kann beispielsweise insgesamt innerhalb der Abgaspassage (12) angeordnet und im Wesentlichen koaxial zur Flussrichtung des Abgases ausgerichtet sein. Alternativ kann die Glühkerze (44) quer zur Flussrichtung ausgerichtet sein und beispielsweise von außen her durch eine Zugangsöffnung oder einen Zuführkanal an den Mischerkörper (38) herangeführt sein. Die Glühkerze (44) kann als Standardteil ausgeführt sein. Dasselbe gilt für den Abgasmischer (16) und dessen Mischerkörper (38). Es kann somit eine besonders kostengünstige Variante erreicht werden. Eine Zuführung der Glühkerze (44) von außen zum Zentralsegment des Mischerkörpers (38) hat Vorteile in Hinblick auf die Wartung des Abgasmischers.
  • In 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Abgasmischers (16) dargestellt. Hier wird die Heizeinrichtung (17) durch einen Mischerkörper (38) selbst gebildet, der teilweise oder vollständig als elektrischer Heizwiderstand (46) ausgebildet ist. In der Praxis sind verschiedene Materialien zur Herstellung von Heizwiderständen bekannt, beispielsweise Siliziumcarbid mit einer Temperaturbeständigkeit bis mind. 2000°C und Molybdänsilizid.
  • In dem gezeigten Beispiel ist der positive Pol (B+) des als Heizwiderstand gebildeten Mischerkörpers (38) im Zentrum angeordnet und mit einem Leiter nach außen verbunden. Ein äußeres Ende der Schaufeln oder Lamellen (40) bzw. ein Außenring bildet den Negativpol. Bei Kraftfahrzeugen wird der Negativpol üblicherweise mit dem Masseanschluss (GND) verbunden, der üblicherweise durch die gesamte Karosserie gebildet wird. In diesem Fall ist für den Anschluss des Negativ-Pols keine elektrische Isolierung und kein separater Leiter erforderlich, was ebenfalls den Bauaufwand reduziert.
  • Der negative Pol des integrierten Heizelements (17) kann in allen Ausführungsbeispielen auf kurzem Wege mit der Karosserie bzw. einem Abgasrohr als Masseanschluss verbunden werden. Die Karosserie bzw. das Abgasrohr ist dann mit dem negativen Pol der Batterie (34) zu verbinden (vgl. 1). Alternativ kann der negative Pol über einen separaten Pin am Trägerkörper (36) oder einen Steckkontakt geschaffen werden.
  • Der positive Pol kann beispielsweise durch einen isolierten sowie chemisch beständigen und hitzebeständigen Leiter nach außen geführt sein. Entsprechende Anschlüsse können auch bei den vorerwähnten und in 2 und 3 dargestellten Ausführungsvarianten vorgesehen sein. Alternativ kann die Anordnung der Anschlüsse für negativen oder positiven Pol umgekehrt oder in beliebiger anderer Weise gewählt sein.
  • Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die zu den einzelnen Ausführungsbeispielen gezeigten und/oder beschriebenen Merkmale in beliebiger Weise kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden. Eine Steuerung der Ist-Temperatur des mit Urea angereicherten Abgases kann in einem geschlossenen oder in einem offenen Regelkreis erfolgen. Es kann die oben beschriebene direkte Regelung mit Rückführung der Ist-Temperatur und Erfassung durch einen Abgas-Temperatursensor (18) benutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Abgastemperatur an einer anderen Stelle sensorisch erfasst oder berechnet werden. Wenn eine Temperatur des Abgases in Flussrichtung vor dem Abgasmischer (16) und ggfs. vor der Einspritzung von Urea durch den Urea-Injektor (14) bekannt ist, kann eine sich nach der Heizeinrichtung (17) ergebende Abgas-Temperatur auch geschätzt werden. Die Schätzung kann auf beliebige Weise erfolgen, insbesondere durch rechnerische Simulation des Wärmeübergangs vom Abgasmischer (16) bzw. der integrierten Heizeinrichtung (17) auf den Abgasstrom. Alternativ können Temperatursteigerungen in Abhängigkeit von einer Energiebeaufschlagung der Heizeinrichtung (17) und einer Ausgangs-Temperatur des Abgases vor der Heizeinrichtung gemessen und in Kennfelder einer Heizersteuerung innerhalb der ECU (30) übertragen werden. Die Messung und Steuerung können für verschiedene Massen- oder Volumenströme sowie verschiedene Abgaszusammensetzungen separat durchgeführt werden.
  • Ein Temperatursensor (18) kann in den Abgasmischer (16) integriert sein. Er ist bevorzugt am in Flussrichtung hinteren Ende des Mischerkörpers (38) oder des Tragkörpers (36) angeordnet. Es kann auch die Temperatur des Mischerkörpers (38) oder die Temperatur des Abgases erfasst werden. Die auf das Abgas übertragene Wärmemenge kann dann aus der momentanen Temperatur des Mischerkörpers (38) und/oder einer Heizleistung bzw. einer pro Zeiteinheit aufgenommenen Strommenge berechnet werden. Aus der Wärmemenge, einer spezifischen Wärmekapazität des Abgasstroms, dem Massen- oder Volumenstrom sowie einer Ausgangstemperatur des Abgases vor der Heizeinrichtung kann dann die sich einstellende Ist-Temperatur des Abgases nach der Heizeinrichtung berechnet werden. Alternativ können andere Methoden zur Berechnung oder Schätzung des Wärmeübergangs und/oder der sich einstellenden Ist-Temperatur genutzt werden.
  • Eine Temperatur des Mischerkörpers (38) kann auch aus dem momentanen elektrischen Widerstand der integrierten Heizeinrichtung, insbesondere des Heizeinsatzes (42) oder des elektrischen Heizwiderstands (46) ermittelt werden. Die elektrische Widerstandsmessung verkörpert dann indirekt einen Temperatursensor (18).
  • Die in den Abgasmischer (16) integrierte Heizeinrichtung (17) kann bevorzugt zeitlich vor einer Urea Injektion auf eine Mindesttemperatur aufgeheizt werden, um die Bildung von Kondensat auf den Schaufeln bzw. Lamellen (40) zu vermeiden. BEZUGSZEICHENLISTE
    10 Verbrennungsmotor Internal combustion engine
    11 Abgasbehandlungssystem Exhaust gas treatment system
    12 Abgaspassage Exhaust passage
    14 Urea Injektor Urea injector
    16 Abgasmischer Exhaust gas mixer
    17 Heizeinrichtung Heating device
    18 Abgas-Temperatursensor Exhaust gas temperature sensor
    20 Katalysatorabschnitt Catalyst section
    21 SCRF SCRF
    22 NH3 Katalysator NH3 Catalyst
    24 DOC DOC
    26 NOx Sensor NOx Sensor
    28 NOx Sensor NOx Sensor
    30 ECU / Elektronische Steuereinheit ECU / Electronic Control Unit
    32 Urea Tank Urea tank
    34 Batterie / Stromquelle Battery / current source
    36 Tragkörper Supportive body
    38 Mischerkörper Mixing body
    40 Schaufel / Lamelle Blade / Fin
    42 Heizeinsatz Heater insert
    44 Glühkerze Glow plug
    46 Heizwiderstand Heating resistor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012205679 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Abgasmischer zur Anordnung in der Abgaspassage (12) eines Verbrennungsmotors (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmischer (12) eine integrierte Heizeinrichtung (17) aufweist.
  2. Abgasmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (17) elektrisch regelbar ist.
  3. Abgasmischer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (17) durch einen Heizeinsatz (42) gebildet ist, der in den Mischerkörper (38), insbesondere in eine oder mehrere Lamellen (40) des Mischerkörpers (38) integriert ist.
  4. Abgasmischer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (17) durch eine Glühkerze (44) gebildet ist, die thermisch leitend mit dem Mischerkörper (38) verbunden ist.
  5. Abgasmischer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (17) durch einen Mischerkörper (38) gebildet ist, der teilweise oder vollständig als elektrischer Heizwiderstand (46) ausgebildet ist.
  6. Abgasmischer nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmischer einen integrierten Temperatursensor (18) aufweist.
  7. Abgasmischer nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmischer mit einer Steuerung (30, ECU) verbunden ist und derart mit Energie beaufschlagt wird, dass eine Ist-Temperatur des Abgases in der Abgaspassage (12) hinter dem Abgasmischer (16) einer Soll-Temperatur nachfolgt.
  8. Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10) mit in einer Abgaspassage (12), in der zumindest ein Urea Injektor (14), ein Abgasmischer (16) und ein Katalysatorabschnitt (20) zur Druckführung einer selektiven katalytischen Reduktion angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmischer nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  9. Verfahren zur Behandlung von Abgas an einem Verbrennungsmotor (10) mit einem Abgasbehandlungssystem (11), das zumindest einen Urea-Injektor (14), einen Abgasmischer (16) mit integrierter Heizeinrichtung (17) und einen Katalysatorabschnitt (20) zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Einspritzen von Urea in die Abgaspassage (12); – Aufheizen des mit Urea angereicherten Abgases mittels der in den Abgasmischer (16) integrierten Heizeinrichtung (17); – Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion des mit Urea angereicherten Abgases.
  10. Abgasbehandlungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasbehandlungssystem (11) einen Abgas-Temperatursensor (18) umfasst und die Ist-Temperatur des mit Urea angereicherten Abgases mittels der integrierten Heizeinrichtung (17) auf eine Soll-Temperatur, insbesondere eine Mindest-Temperatur zur Ingangsetzung einer katalytischen Reaktion wird.
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