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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors und ein Abgasnachbehandlungssystem.
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Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors entstehen umwelt- und klimaschädliche Abgase. Um die Schädlichkeit der Abgase für Umwelt und Klima zu reduzieren, werden die Abgase in der Regel mittels eines Katalysators behandelt, durch den bspw. Stickoxide reduziert werden. Traditionelle Katalysatoren werden von Abgasen durchströmt und umfassen Monolithe, die in der Regel wabenförmig aufgebaut und mit Edelmetallen beschichtet sind. Entsprechend ist die Effizienz einer jeweiligen katalytischen Reaktion durch Ausbildung von Grenzschichten an der Oberfläche eines jeweiligen Monolithen diffusionslimitiert, d. h. abhängig von einer Diffusionsgeschwindigkeit jeweiliger Bestandteile des Abgases zu der Oberfläche des Monolithen.
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Um alle Abgase eines Verbrennungsmotors einem katalytischen Prozess zu unterziehen, ist es unter Verwendung traditioneller Katalysatorsysteme erforderlich, dass jeweilige Monolithe eines Katalysatorsystems eine große Oberfläche bereitstellen. Entsprechend sind traditionelle Katalysatorsysteme großvolumig und schwer. Weiterhin werden Katalysatorsysteme traditionell sehr dicht gepackt, wodurch sich ein hoher Druckverlust in einem Abgasstrahl ergibt, was wiederum einer Leistungsausbeute eines entsprechenden Verbrennungsmotors abträglich ist und zu einem erhöhten Schadstoffausstoß durch den Verbrennungsmotor führt.
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Aus der
DE 199 03 533 A1 ist ein Verfahren zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigen Abgasen mittels Ammoniak bekannt. Es wird zusätzlich zum mageren ein fetter Abgasstrom erzeugt, welcher zur Bildung des für die Reduktion benötigten Ammoniaks in einem Gasentladungsplasma behandelt wird.
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Aus der
DE 23 53 631 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines aus stabilen Hohlkugeln bestehendes Materials als Träger für Katalysatoren zur Reinigung des Abgases von Verbrennungsmotoren bekannt.
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Aus der
WO 2005/106221 A1 ist ein Katalysator mit einem Adsorptionsmittel mit einer hohen Dichte bekannt, der für Fahrzeuge geeignet ist. Der Katalysator bzw. das Adsorptionsmittel weist eine monolithische Struktur sowie poröse Wandungen mit einem spezifischen Porenvolumen auf.
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Gemäß der
EP 1 296 028 A1 wird einen Abgasreinigungsvorrichtung mit einer einfachen Struktur derart angepasst, dass feine Partikel im Abgas mit Hilfe eines Kollektors aufgefangen werden. In der Abgasreinigungsvorrichtung wird Kollektor entsprechend einem Gleichgewicht zwischen dem Abgas und der Schwerkraft des Kollektors fluidisiert, und die Partikel werden in einer fluidisierten Schicht verbrannt.
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Aus der
DE 692 28 993 T2 ist ein Verfahren zum Behandeln von Abgasen bekannt. Genauer gesagt wird ein Verfahren zum Behandeln von Abgasen, bei dem sich eine hohe Fluidisierungsgasgeschwindigkeit erzielen lässt und sich die Menge des behandelnden Abgasses steigern lässt, vorgeschlagen.
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Aus der
DE 35 39 641 A1 ist eine Vorrichtung zur Filterung von Partikeln bekannt. Sie weist einen Behälter, der teilweise mit Feststoffkörnern gefüllt ist, die vom zu reinigenden Gas von unten nach oben durchströmt werden, auf, wobei die im Gas vorhandenen Feststoffpartikel adsorbiert werden. Durch zusätzliche Heizung der Feststoffkörner können abbrennbare Partikel nach Adsorption durch Verbrennen beseitigt werden.
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Aus der
US 2008/0131345 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden bekannt. Dabei kommt Wasserstoffgas zum Einsatz, welches eine effiziente Reduktion der Stickoxide über einen weiten Temperaturbereich erlaubt.
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Aus der
US 4 701 312 A ist ein Katalysator bekannt, bei dem Luft in einen unteren Abschnitt des Gehäuses zugeführt wird, um das katalytische Material zu Fluidisieren und die Reaktion zwischen dem Material sowie dem Abgas zur unterstützen.
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Aus der
US 2002/0003060 A1 ist eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen bekannt. Es wird vorgeschlagen, die Verbrennungsrückstände unter Druck zu setzen, um Stickoxide zu reduzieren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiter entwickeltes Abgasnachbehandlungssystem sowie ein verbessertes Verfahren bereitzustellen. Insbesondere soll eine schnelle und effiziente Reaktion innerhalb eines kompakten Raums ermöglicht werden.
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Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors vorgestellt, bei dem von dem Verbrennungsmotor erzeugtes Abgas in einen Wirbelschichtreaktor geleitet wird, wobei in dem Wirbelschichtreaktor mindestens ein loser Partikel angeordnet ist, wobei auf dem mindestens einen Partikel mindestens ein Reaktant angeordnet ist, wobei der mindestens eine Reaktant mit dem Abgas reagiert und das Abgas in seinen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften verändert. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die mindestens eine Einlassöffnung des mindestens einen Wirbelschichtreaktors einen ersten Kanal und mindestens einen zweiten Kanal umfasst, und wobei die mindestens eine Einlassöffnung dazu konfiguriert ist, einen den mindestens einen Wirbelschichtreaktor anströmenden Abgasstrom bzw. ein den mindestens einen Wirbelschichtreaktor anströmendes Abgas aufzuteilen und einen ersten Teil des Abgasstroms bzw. des Abgases durch den ersten Kanal in eine innere Kammer des mindestens einen Wirbelschichtreaktors zu leiten und mindestens einen weiteren Teil des Abgasstroms bzw. des Abgases durch den mindestens einen zweiten Kanal zumindest teilweise um die Einlassöffnung des mindestens einen Wirbelschichtreaktors herum und durch Öffnungen in einer äußeren Wand der inneren Kammer von außen in die innere Kammer zu leiten, so dass ein Hüllstrom entlang der äußeren Wand der inneren Kammer entsteht, um den mindestens einen Partikel vor einer Kollision mit der inneren Kammer zu schützen.
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Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
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Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum katalytischen Reduzieren von Stickoxiden in einem von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgas. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Abgas in einen Wirbelschichtreaktor geleitet wird.
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Unter einem Wirbelschichtreaktor ist im Kontext der vorliegenden Erfindung eine Struktur zu verstehen, die hohl, vorzugsweise zylindrisch aufgebaut ist und mindestens eine Einlassöffnung sowie mindestens eine Auslassöffnung umfasst und die dazu konfiguriert ist, in die eine durch die Struktur gebildete Reaktionskammer einströmendes Gas zu verwirbeln, d. h. eine Wirbelschicht zu erzeugen, die zu einer Bildung eines Aerosols aus dem einströmenden Gas und einem in der Reaktionskammer befindlichen Reaktanten bzw. mindestens einem Partikel, auf dem der Reaktant angeordnet ist, führt. Dabei kann der mindestens eine Partikel lose in der Reaktionskammer vorliegen und sich in der Reaktionskammer frei bewegen.
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Unter einem losen Partikel ist im Kontext der vorliegenden Erfindung ein Partikel zu verstehen, der lose, d. h. ungebunden bzw. beweglich und entsprechend nicht in einer festen Struktur gebunden in einem Wirbelschichtreaktor vorliegt. Lose Partikel sind insbesondere kugelförmige Gebilde innerhalb eines Wirbelschichtreaktors.
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Die Verwendung eines Wirbelschichtreaktors bei der katalytischen Nachbehandlung von Abgas bietet gegenüber einem traditionellen Katalysator den Vorteil, dass die katalytische Reaktion des Abgases mit dem mindestens einen Reaktanten im Inneren des Wirbelschichtreaktors nicht diffusionslimitiert ist. Dies bedeutet, dass ein den erfindungsgemäß vorgesehenen Wirbelschichtreaktor umfassender Katalysator bzw. ein den erfindungsgemäß vorgesehenen Wirbelschichtreaktor umfassendes Abgassystem nicht zwangsweise derart bemessen sein muss, dass sich eine katalytische Reaktion zur Reduktion von in einem Abgasstrom befindlichen Stickoxiden kontinuierlich durch den gesamten Abgasstrom arbeiten kann. Ein Wirbelschichtreaktor ermöglicht durch die Überführung von laminar anströmendem Abgas in eine turbulente Bewegung und die Bildung eines Aerosols aus jeweiligen Partikeln und dem anströmenden Abgas eine schnelle und effiziente Reaktion innerhalb eines kompakten Raums, da auf den jeweiligen Partikeln angeordnete Reaktanten sowohl in einem Kern eines jeweiligen Abgasstroms als auch an jeweiligen Rändern des Abgasstroms parallel, d. h. zeitgleich reagieren können. Entsprechend ist eine katalytische Reaktion in einem Wirbelschichtreaktor nicht diffusionslimitiert sondern vielmehr durch ein turbulentes Regime dominiert, das zu einer fluidartigen Mischung von Reaktanten bzw. Partikeln und Abgas führt. Eine entsprechende katalytische Reaktion zwischen Abgas und jeweiligen Reaktanten findet unter Verwendung des vorgestellten Verfahrens nicht nur an jeweiligen Grenzschichten zwischen einem Monolithen und einem Abgasstrom, sondern innerhalb eines jeweiligen Abgasstroms statt, wobei jeweilige Reaktionsorte sich mit jeweiligen Partikeln durch den Abgasstrom bewegen. Dabei bilden sich auch Grenzschichten zwischen jeweiligen Partikeln und dem Abgasstrom, wobei derartige Grenzschichten kleiner sind als Grenzschichten zwischen einem Monolithen und dem Abgasstrom, so dass eine Diffusion des Reaktanten durch den Abgasstrom unter Verwendung von Partikeln zur Bildung eines Aerosols schneller abläuft als es unter Verwendung eines Monolithen möglich ist.
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Um zu gewährleisten, das eine katalytische Reaktion vollständig abläuft, d. h. ein Abgasstrom vollständig katalytisch nachbehandelt wurde, kann ein Volumenstrom des Abgases durch den Wirbelschichtreaktor derart gewählt werden, dass eine Wahrscheinlichkeit einer vollständigen katalytischen Behandlung des gesamten Abgases über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Dazu kann bspw. ein Durchmesser einer Auslassöffnung entsprechend gewählt werden, um den Volumenstrom und, dadurch bedingt, eine Zeit, die sich das Abgas in dem Wirbelschichtreaktor aufhält, vorzugeben.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass jeweilige Abgase von unten, d. h. von einer ersten Seite, in den erfindungsgemäß vorgesehenen Wirbelschichtreaktor geleitet werden, so dass die aufsteigenden Abgase auf ihrem Weg nach oben, d. h. zu einer der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite, durch den Wirbelschichtreaktor wandern und in dem Wirbelschichtreaktor befindliche Partikel in einen Zustand versetzen, in dem sich die Partikel wie ein Fluid bzw. wie eine Wirbelschicht verhalten.
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Weiterhin führt eine Verwendung eines Wirbelschichtreaktors bei einer katalytischen Reaktion zur Reduktion von in einem Abgas befindlichen Stickoxiden dazu, dass jeweilige Reaktanten innerhalb des Wirbelschichtreaktors ggf. mehrfach mit einem Teil des Abgases reagieren, da die Reaktanten und jeweilige Teile des Abgases vielfach miteinander in Berührung gebracht werden. Entsprechend werden alle in einem Wirbelschichtreaktor verwendeten Reaktanten gleichmäßig abgenutzt, wodurch eine sequentielle Abnutzung, wie es bei der Verwendung von Monolithen vorkommen kann, vermieden wird.
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Die effiziente und schnelle katalytische Reaktion innerhalb eines Wirbelschichtreaktors ermöglicht eine Ausgestaltung entsprechender Abgassysteme mit gegenüber traditionellen Katalysatoren erheblich geringeren Abmaßen und geringerem Gewicht. Insbesondere unter Verwendung gewichtsoptimierter Partikel, wie bspw. hohlen Keramikkugeln, können Abgassysteme bereitgestellt werden, die gegenüber traditionellen monolithbasierten Katalysatoren deutlich kompakter und leichter sind.
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Weiterhin wird für einen mit einem traditionellen Katalysator vergleichbaren Abgasdurchsatz unter Verwendung eines Wirbelschichtreaktors eine erheblich geringere Menge Edelmetall benötigt, da jeweilige Reaktanten aufgrund der Durchmischung mit dem Abgas mehrfach und parallel in einem jeweiligen Abgasstrom verwendet werden können.
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In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass als Reaktant mindestens ein Partikel gewählt wird, wobei der mindestens eine Partikel sich in dem Wirbelschichtreaktor bewegt, wenn das Abgas durch den Wirbelschichtreaktor geleitet wird.
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Die Verwendung von Partikeln, d. h. kleinvolumigen Teilen zur Bereitstellung von Reaktanten, ermöglicht eine Maximierung einer für eine Reaktion mit den Reaktanten zur Verfügung stehenden Oberfläche. Ferner eignen sich Partikel gut für eine Durchmischung mit einem jeweiligen Abgasstrom.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass das Abgas an einem ersten Ende des Wirbelschichtreaktors in den Wirbelschichtreaktor eingeleitet und an einem zweiten Ende des Wirbelschichtreaktors aus dem Wirbelschichtreaktor ausgeleitet wird, wobei das Abgas auf seinem Weg von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende mit dem mindestens einen Partikel bzw. Reaktanten vermischt wird und mit dem mindestens einen Reaktanten in Wirkkontakt steht.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Wirbelschichtreaktor ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass katalytisch zu behandelndes Abgas auf seinem Weg durch den Wirbelschichtreaktor in eine Kammer im Inneren des Wirbelschichtreaktors, d. h. in eine Reaktionskammer, geleitet wird, die den mindestens einen erfindungsgemäß vorgesehenen Partikel bzw. Reaktanten umfasst, so dass das Abgas den mindestens einen Partikel zwangsweise umströmt, dabei den mindestens einen Partikel aufwirbelt und sich mit dem Partikel vermischt. Dazu ist vorgesehen, dass das Abgas bei einem Eintritt in die Kammer des Wirbelschichtreaktors von einer laminaren in eine turbulente Bewegung überführt wird. Um das Abgas von der laminaren in die turbulente Bewegung zu überführen, kann ein Einlassbereich bzw. ein Einlassventil des Wirbelschichtreaktors bspw. gekrümmt oder schneckenförmig ausgestaltet sein oder unterschiedlich große Öffnungen aufweisen, so dass das Abgas verschiedene Abgasströme bzw. Abgasbereiche bildet, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in die Kammer des Wirbelschichtreaktors strömen. Dabei kann eine an dem zweiten Ende des Wirbelschichtreaktors befindliche Auslassöffnung sowohl einer Einlassöffnung gegenüber oder seitlich zu der Einlassöffnung versetzt angeordnet sein.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass der mindestens eine Partikel über ein Zu- und/oder Ablaufsystem des Wirbelschichtreaktors ausgetauscht wird.
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Es kann nötig werden, den erfindungsgemäß vorgesehenen mindestens einen Reaktanten bzw. den mindestens einen erfindungsgemäß vorgesehenen Partikel auszutauschen. Bspw. kann es aus Gründen von veränderten chemischen oder physikalischen Eigenschaften eines Abgases erforderlich sein, den mindestens einen Reaktanten entsprechend anzupassen oder der mindestens eine Partikel kann abgenutzt bzw. verschlissen sein. Für einen solchen Fall kann der erfindungsgemäß vorgesehene Wirbelschichtreaktor einen Auslass umfassen, durch den der mindestens eine Partikel aus dem Wirbelschichtreaktor abzuführen ist.
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Ferner kann der Wirbelschichtreaktor einen Einlass für Partikel umfassen, so dass der mindestens eine Partikel bzw. der mindestens eine Reaktant bspw. einem Reinigungsprozess oder einer chemischen bzw. physikalischen Behandlung unterzogen werden kann und anschließend erneut einer Reaktion in dem Wirbelschichtreaktor zugeführt werden kann.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass dem mindestens einen Partikel mindestens eine Substanz zugeführt wird, die mit dem Abgas reagiert.
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Um chemische und/oder physikalische Eigenschaften des mindestens einen erfindungsgemäß vorgesehenen Partikels zu verändern bzw. an jeweilige Anforderungen anzupassen und ein Wirkspektrum eines entsprechenden Katalysators um zusätzliche Abgasbestandteile zu erweitern, kann vorgesehen sein, dass dem mindestens einen Partikel eine Substanz, wie bspw. Harnstoff oder Adblue, zugeführt wird. Dazu kann die Substanz bspw. in einem Wartungsintervall durch eine dafür vorgesehene Einspritzöffnung bzw. unter Verwendung einer Einspritzeinheit, wie bspw. einer Einspritzdüse auch während eines katalytischen Verfahrens in den Wirbelschichtreaktor eingespritzt bzw. eingebracht werden. Selbstverständlich kann die Substanz auch kontinuierlich während eines Betriebs einer entsprechenden Brennkraftmaschine in den Wirbelschichtreaktor eingespritzt bzw. eingebracht werden.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, wobei das Abgasnachbehandlungssystem mindestens einen Wirbelschichtreaktor umfasst, der mindestens eine Einlassöffnung und mindestens eine Auslassöffnung zum Durchströmen des Wirbelschichtreaktors mit durch den Verbrennungsmotor erzeugtem Abgas umfasst, und wobei in dem mindestens einen Wirbelschichtreaktor mindestens ein loser Partikel angeordnet ist, wobei an dem mindestens einen Partikel mindestens ein Reaktant angeordnet ist, wobei der mindestens eine Reaktant dazu konfiguriert ist, chemische und/oder physikalische Eigenschaften von dem durch den Wirbelschichtreaktor zu leitenden Abgas zu verändern.
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Das vorgestellte Abgasnachbehandlungssystem dient insbesondere zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens.
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Es ist selbstverständlich denkbar, dass jeweilige Wirbelschichtreaktoren des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems mit einer Vielzahl an losen Partikeln befüllt sind, wobei jeweilige Partikel der Vielzahl an Partikeln unterschiedliche Reaktanten bereitstellen, so dass eine Vielzahl chemischer Reaktionen parallel ablaufen können.
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In einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der mindestens eine Partikel porös oder hohl ist.
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Durch Verwendung eines porösen Partikels kann eine zum Bereitstellen eines an einem jeweiligen Partikel angeordneten Reaktanten vorgesehene Oberfläche maximiert werden. Durch Verwendung eines hohlen und/oder porösen Partikels kann weiterhin ein Eigengewicht jeweiliger Partikel gegenüber einem sonoren bzw. soliden Partikel verringert werden, so dass ein entsprechendes Abgasnachbehandlungssystem in seiner Gesamtheit gegenüber traditionellen Abgasnachbehandlungssystemen deutlich weniger Gewichtsbelastung bedingt.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die mindestens eine Einlassöffnung und/oder die mindestens eine Auslassöffnung eine Sperre umfasst, die ein Austreten des mindestens einen Partikels aus dem mindestens einen Wirbelschichtreaktor verhindert, wobei die Sperre durchlässig für von dem Verbrennungsmotor erzeugtes Abgas ist.
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Um jeweilige Partikel innerhalb eines jeweiligen Wirbelschichtreaktors festzuhalten, d. h. ein Austreten jeweiliger Partikel aus dem Wirbelschichtreaktor zu verhindern, ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass jeweilige Ein- und/oder Auslassöffnungen des Wirbelschichtreaktors eine Sperre für die Partikel umfassen. Diese Sperre kann bspw. als Netz, Sieb oder jede weitere technisch geeignete Struktur zum selektiven Filtern der Partikel ausgestaltet sein. Die Sperre muss jedoch durchlässig für durch den Wirbelschichtreaktor zu leitendes Abgas sein.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die mindestens eine Einlassöffnung eine Anzahl Öffnungen aufweist, wobei jeweilige Öffnungen der Anzahl Öffnungen in ihrer Größe und/oder Position in der Einlassöffnung derart gewählt sind, dass ein Teil eines durch den Verbrennungsmotor dem mindestens einen Wirbelschichtreaktor zuzuführenden Abgases gegenüber einem weiteren Teil des Abgases zu beschleunigen oder zu bremsen ist, um das Abgas in eine turbulente Bewegung zu versetzen, durch die in dem mindestens einen Wirbelschichtreaktor ein Wirbel aus einem Gemisch von Abgas und dem mindestens einen Partikel entsteht.
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Um in einem jeweiligen Wirbelschichtreaktor eine Bewegung von jeweiligen Partikeln und jeweiligem in den Wirbelschichtreaktor eingeleitetem Abgas zu erzeugen, kann vorgesehen sein, dass das Abgas durch Öffnungen, die bspw. über eine Einlassfläche des Wirbelschichtreaktors hinweg in ihrem Durchmesser größer werden bzw. durch Öffnungen, die untereinander unterschiedlich große Durchmesser aufweisen, in den Wirbelschichtreaktor geleitet wird. Es ist auch denkbar, dass über die Einlassfläche des Wirbelschichtreaktors hinweg eine größer werdende Anzahl von Öffnungen vorgesehen ist, so dass sich Strömungsschichten in dem Abgas bilden, die unterschiedlich schnell strömen. Durch die unterschiedlich schnell strömenden Strömungsschichten wird eine Bewegung in dem Abgas erzeugt, die eine kontinuierliche Durchmischung von Partikeln und Abgas bewirkt. Durch die kontinuierliche Bewegung des Abgases werden jeweilige in dem Wirbelschichtreaktor befindliche Partikel fortlaufend mitgerissen und durch das Abgas bewegt. Aufgrund des Eigengewichts der Partikel strömen die Partikel mit einer gegenüber dem Abgas unterschiedlichen Geschwindigkeit und mischen sich dadurch in einer heterogenen und sich fortlaufend verändernden Verteilung mit dem Abgas. Entsprechend entsteht eine sehr große Reaktionsfläche mit auf den Partikeln angeordneten Reaktanten. Dabei können sich jeweilige Partikel bspw. in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Größe bzw. Dichte oder einer jeweiligen einen Partikel tragenden Strömungsschicht selbstverständlich auch untereinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der mindestens eine Wirbelschichtreaktor einen Mechanismus umfasst, der dazu konfiguriert ist, in den mindestens einen Wirbelschichtreaktor einströmendes Abgas mit dem mindestens einen Partikel zu vermischen.
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Zusätzlich oder unabhängig von jeweiligen Anordnungsschemata jeweiliger Öffnungen in einem Einlasskanal eines Wirbelschichtreaktors kann in dem Wirbelschichtreaktor ein Mechanismus, wie bspw. ein rotierendes Gestänge, das aktiv mittels eines Antriebs oder passiv durch jeweiliges anströmendes Abgas bewegt wird, vorgesehen sein. Mittels eines solchen Mechanismus in einem Wirbelschichtreaktor kann eine von einem Abgasdruck unabhängige Durchmischung von Abgas und Partikeln erreicht werden, so dass bspw. bei einem Startvorgang oder bei Betriebsbereichen eines jeweiligen Motors, bei denen ein niedriger Abgasdruck anliegt, eine gute Durchmischung von Abgas und Partikeln gewährleistet ist.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der mindestens eine Wirbelschichtreaktor mindestens eine Einspritzvorrichtung zum Einbringen mindestens einer Substanz in den mindestens einen Wirbelschichtreaktor umfasst.
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Mittels einer Einspritzvorrichtung können zeitlich gestaffelt, bspw. in Abhängigkeit einer aktuellen Betriebsphase eines jeweiligen Verbrennungsmotors Substanzen, wie bspw. Reaktanten oder Reinigungssubstanzen in den Wirbelschichtreaktor eingebracht werden und auf jeweilige in dem Wirbelschichtreaktor ablaufende Prozesse Einfluss nehmen. Als Einspritzvorrichtung kann bspw. eine Einspritzdüse oder ein Vergaser verwendet werden.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der mindestens eine Partikel eine kugelförmige Keramik ist, die auf ihrer Oberfläche mit einem katalytisch wirkenden Edelmetall beschichtet ist.
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Da Kugeln ein gutes Strömungsverhalten zeigen, eignen sich kugelförmige Gebilde besonders vorteilhaft zum Bereitstellen von Reaktanten in einem Wirbelschichtreaktor. Um einen Abgasstrom katalytisch zu behandeln und bspw. Stickoxide in dem Abgasstrom zu reduzieren, eignen sich besonders mit einem Edelmetall, wie bspw. Platin, umgebene kugelförmige Partikel.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Oberfläche der kugelförmigen Keramik durch eine Vielzahl auf der Oberfläche gebildete dreidimensionaler Strukturen gegenüber einer glatten Oberfläche erhöht ist.
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Um eine zur Reaktion mit einem jeweiligen Abgasstrom bereitgestellte Oberfläche jeweiliger Partikel bzw. jeweiliger Reaktanten zu maximieren, kann vorgesehen sein, dass jeweilige Partikel auf ihrer Oberfläche dreidimensionale Strukturen, wie bspw. Rillen und/oder Türme aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Einlassöffnung des mindestens einen Wirbelschichtreaktors einen ersten Kanal und mindestens einen zweiten Kanal umfasst, und wobei die mindestens eine Einlassöffnung dazu konfiguriert ist, einen den mindestens einen Wirbelschichtreaktor anströmenden Abgasstrom bzw. ein den mindestens einen Wirbelschichtreaktor anströmendes Abgas aufzuteilen und einen ersten Teil des Abgasstroms bzw. des Abgases durch den ersten Kanal in eine innere Kammer des mindestens einen Wirbelschichtreaktors zu leiten und mindestens einen weiteren Teil des Abgasstroms bzw. des Abgases durch den mindestens einen zweiten Kanal zumindest teilweise um die Einlassöffnung des mindestens einen Wirbelschichtreaktors herum und durch Öffnungen in einer äußeren Wand der inneren Kammer von außen in die innere Kammer zu leiten, so dass ein Hüllstrom entlang der äußeren Wand der inneren Kammer entsteht, um den mindestens einen Partikel vor einer Kollision mit der inneren Kammer zu schützen.
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Durch Verwendung mindestens eines zweiten Kanals bzw. einer Bypassleitung, die einen Teil eines in einen jeweiligen Wirbelschichtreaktor zu leitenden Abgases um eine zentrale Einlassöffnung des Wirbelschichtreaktors herum und durch seitlich angeordnete Öffnungen des Wirbelschichtreaktors in den Wirbelschichtreaktor bzw. eine Reaktionskammer des Wirbelschichtreaktors einleitet, kann an jeweiligen Wänden der Reaktionskammer des Wirbelschichtreaktors eine Strömungsschicht erzeugt werden, die durch die Zentralöffnung des Wirbelschichtreaktors in die Reaktionskammer strömendes Abgas in ein Zentrum der Reaktionskammer drückt und, dadurch bedingt, mit dem durch die Zentralöffnung strömenden Abgas mitgerissene Partikel vor einer Kollision mit jeweiligen Wänden der Reaktionskammer schützt. Insbesondere unter Verwendung von Partikeln, die aus einer hohlen Keramik gebildet werden, kann eine Lebenszeit jeweiliger Partikel durch eine derartige schützende Strömungsschicht erhöht werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Abgasnachbehandlungssystems gemäß 1 mit einem Wirbelschichtreaktor, der eine Bypassleitung umfasst.
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In 1 ist ein waagerecht verbautes Abgasnachbehandlungssystem 1 dargestellt. Das Abgasnachbehandlungssystem 1 umfasst einen Wirbelschichtreaktor 3, ein Einspritzsystem 5 und eine Zuleitung 7.
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Um von einem Verbrennungsmotor erzeugtes Abgas, das durch die Zuleitung 7 in den Wirbelschichtreaktor 3 geleitet wird, katalytisch zu bearbeiten und, dadurch bedingt, Stickoxide in dem Abgas zu reduzieren, wird das Abgas durch eine Einlassöffnung 9 in den Wirbelschichtreaktor 3 geleitet. Durch das einströmende Abgas werden in dem Wirbelschichtreaktor 3 befindliche Partikel 11 mitgerissen und in Bewegung versetzt. Die Partikel 11 werden durch eine wirbelartige Bewegung des Abgases mit dem Abgas vermischt, so dass auf den Partikeln 11 angeordnete Reaktanten mit dem Abgas reagieren können. Um ein Austreten der Partikel 11 aus dem Wirbelschichtreaktor 3 zu verhindern, ist in einer Auslassöffnung 13 des Wirbelschichtreaktors eine Sperre 15 angeordnet, die durchlässig für Abgas, jedoch undurchlässig für die Partikel 11 ist.
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Um zusätzliche Reaktanten, wie bspw. Harnstoff, in den Wirbelschichtreaktor 3 einzubringen, kann das Einspritzsystem einen jeweiligen Reaktanten in den Wirbelschichtreaktor 3 eindosieren.
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In 2 umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 1, das hier senkrecht eingebaut vorliegt, eine Bypassleitung 17 bzw. einen zweiten Kanal, durch die bzw. durch den ein Teil des durch die Zuleitung 7 strömenden Abgases vor einem Eintritt in eine Reaktionskammer 19 des Wirbelschichtreaktors 3 abgezweigt und um einen zentralen ersten Kanal 20, der direkt in die Reaktionskammer 19 führt, herum geführt wird. Der Anteil des Abgases, der entlang der Bypassleitung 17 geführt wird, strömt durch Öffnungen 21 der Bypassleitung 17 in die Reaktionskammer 19 und schützt die Partikel 11, die durch den Teil des Abgases, das durch die Einlassöffnung 9 in die Reaktionskammer strömt, in Bewegung versetzt wurden, vor eine Kollision mit einer äußeren Wand der Reaktionskammer 19. Zusätzlich sorgt das durch die Bypassleitung 17 einströmende Abgas für eine weitere Durchmischung von Abgas und Partikel 11. Um ein Austreten von Partikeln 11 durch die Einlassöffnung 9 zu verhindern, ist in der Einlassöffnung 9 eine Abhaltevorrichtung 23 angeordnet, die durchlässig für Abgas, jedoch undurchlässig für die Partikel 11 ist.
