DE102017102523A1

DE102017102523A1 - Zuführung von Reduktionsmittel

Info

Publication number: DE102017102523A1
Application number: DE102017102523.5A
Authority: DE
Inventors: Etienne COSTA-PATRY; David Maizak
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zuführung von Reduktionsmittel in ein Abgasrohr (1), welches von einem Abgasmassenstrom durchströmbar ist.Erfindungsgemäß kann das Reduktionsmittel über ein erstes Ende (2) eines Wärmetauschers (3) dem Wärmetauscher (3) zugeführt werden.Der Wärmetauscher (3) ist innerhalb des Abgasrohres (1) angeordnet, wobei das erste Ende (2) des Wärmetauschers (3) stromaufwärts eines stromaufwärtigen Endes (5) eines Dieseloxidationskatalysators (4) angeordnet ist, und wobei ein zweites Ende (6) des Wärmetauschers (3) an einem stromabwärtigen Ende (7) des Dieseloxidationskatalysators (4) angeordnet ist.Über das zweite Ende (6) des Wärmetauschers (3) kann das Reduktionsmittel in den Abgasmassenstrom strömen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Zuführung von Reduktionsmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Reduktionsmittel, beispielsweise eine flüssige Harnstofflösung, kann zwischen einem Dieseloxidationskatalysator (DOC) und einer selektiven katalytischen Reduktionseinheit (SCR) dem Abgasmassenstrom zugeführt werden.
Dort sind die Temperaturen oft zu niedrig, um eine vollständige Verwandlung (Thermolyse und Hydrolyse) von Harnstofflösung in Ammoniak (NH₃) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) zu erreichen, was zu Ablagerungsproblemen und niedriger Reduktionseffizienz führt.
Eine weitere Herausforderung bildet die Länge der Mischstrecke.
Bei motornahen Anwendungen ist die Mischstrecke systembedingt sehr kurz, so dass das Ammoniak nicht in ausreichender Qualität mit dem Abgas vermischt werden kann.
Je geringer das Vermischungsverhältnis ist, desto schlechter ist der Wirkungsgrad des SCR.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2014 001 880 A1 ist ein Verfahren zur Durchführung der Abgasreinigung mit den folgenden Verfahrensschritten bekannt:

a. Durchleiten des zu reinigenden Abgases durch einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) zur Oxidation von gasförmigen Restkohlenwasserstoffen (HO) und von Kohlenstoffmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und zur mindestens anteiligen Oxidation von im Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) enthaltenden Abgasstrangs;
b. Zugabe der am Motor vorkonditionierten, d.h. auf 80-90 °C erwärmten Harnstoffwasserlösung zum aus Schritt a.) resultierenden Abgas und Freisetzung von Ammoniak aus dem zugegebenen Harnstoff durch Thermolyse und Hydrolyse;
c. Durchleiten des aus Schritt b.) resultierenden Abgases durch den ein SCR-katalytisch aktiviertes Partikelfilter (SDPF) zur Verminderung der im Abgas enthaltenen Partikel und der im Abgas enthaltenen Stickoxide enthaltenden Abgasstrang;
d. Durchleiten des aus Schritt c.) resultierenden Abgases durch den einen selektiven Ammoniakoxidationskatalysator (ASC) zur Verminderung von Ammoniakrestgehalten enthaltenden Abgasstrang.

Die EP 2 789 818 B1 beschreibt ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und einem Energierückgewinnungssystem zur Rückgewinnung von Energie aus der Abwärme des Verbrennungsmotors, wobei das Energierückgewinnungssystem einen Fluidkreislauf mit einer Pumpe, einem Wärmetauscher und einen Expander aufweist, und das Arbeitsfluid des Energierückgewinnungssystems einem Abgasnachbehandlungssystem des Verbrennungsmotors als Reduktionsmittel zuführbar ist.
Das Arbeitsfluid wird dem Energierückgewinnungssystem an einer Stelle nach dem Expander und vor dem Kondensator zum Zuführen an das Abgasnachbehandlungssystem entnommen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Zuführung von Reduktionsmittel bereitzustellen, welche ein Entstehen von Ablagerungen stromaufwärts des SCR reduziert.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung wird durch eine Zuführung von Reduktionsmittel gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Um die Wirkung von den Einspritzproblemen zu reduzieren, wird das Reduktionsmittel einem Wärmetauscher zugeführt, der innerhalb eines Abgasrohres angeordnet ist, wobei ein erstes Ende des Wärmetauschers stromaufwärts eines Dieseloxidationskatalysators angeordnet ist, und wobei ein zweites Ende des Wärmetauschers stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators angeordnet ist.
Das Reduktionsmittel kann über das erste Ende des Wärmetauschers in den Wärmetauscher hineinströmen.
Über das zweite Ende des Wärmetauschers kann das Reduktionsmittel aus dem Wärmetauscher herausströmen und sich mit dem Abgasmassenstrom vermischen.
Während des Durchströmens des Wärmetauschers kann das flüssige Reduktionsmittel in einen gasförmigen Zustand überführt werden, so dass bei einem anschließenden Vermischen mit dem Abgasmassenstrom eine Bildung von Ablagerungen reduziert wird und eine homogene Mischung entstehen kann.
Bei einer Harnstoffwasserlösung als Reduktionsmittel entstehen bei der Thermolyse aus dem festen Harnstoff gasförmiges Ammoniak und Isocyansäure.
Bei der Hydrolyse entstehen aus der Isocyansäure und Wasserdampf (Wasseranteil der Harnstoffwasserlösung) Ammoniak und Kohlendioxid sowie Wasser, wenn der Harnstoffmassenanteil kleiner 76,9 % in der Harnstoffwasserlösung ist.
Der Wärmetauscher kann in einer Ausführungsform aus einem stromaufwärts des Dieseloxidationskatalysators zentral innerhalb des Abgasrohres befindlichen Rohr bestehen, welches sich unmittelbar des Dieseloxidationskatalysators in mindestens zwei Einzelrohre verzweigt, die innerhalb des Dieseloxidationskatalysators angeordnet sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann über das erste Ende des Wärmetauschers zumindest ein Teil des Abgasmassenstromes hinein- und anschließend über das zweite Ende des Wärmetauschers dauerhaft oder zeitweise mittels mindestens einer verschließbaren Öffnung, beispielsweise ein Ventil, herausströmen, um einen Spülvorgang auszuführen.
Die verschließbare Öffnung kann am ersten Ende des Wärmetauschers angeordnet sein. Ein Spülvorgang kann durchgeführt werden, um zu vermeiden, dass Reduktionsmittel im Wärmetauscher nach einer Motorabschaltung verbleibt.
Zudem kann der Spülvorgang durchgeführt werden, um den Wärmeaustausch zu unterstützen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Wärmetauscher an seinem Außenumfang mindestens ein Wärmeleitblech aufweisen, um den Wärmeaustausch zu unterstützen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Wärmetauscher mindestens ein Loch aufweisen, durch welches zumindest ein Teil des Abgasmassenstromes strömen kann. Das über das Loch einströmende Abgas kann sich schon innerhalb des Wärmetauschers mit dem Reduktionsmittel vermischen.
Um das Einströmen des Abgases über das Loch in den Wärmetauscher zu verbessern, kann am oder in der Nähe des Loches mindestens ein Strömungsleitelement angeordnet sein.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zuführung;
2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zuführung.

In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zuführung von Reduktionsmittel in ein Abgasrohr 1 dargestellt.
Ein Abgasmassenstrom kann in Richtung des Pfeils P1 das Abgasrohr 1 durchströmen. Das Reduktionsmittel ist beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Harnstoffmassenanteil von 32,5 %, welche über ein erstes Ende 2 eines Wärmetauschers 3 zugeführt wird.
Die Zuführung in Richtung des Pfeils P2 kann beispielsweise über ein nicht dargestelltes Dosierventil oder beheiztes Dosierventil erfolgen.
Bei dem beheizten Dosierventil dient eine Widerstandsheizung als Vorheizer.
Die Zuführung des Reduktionsmittels kann abhängig von einer Temperatur des Abgasmassenstroms stromaufwärts eines Dieseloxidationskatalysators 4 erfolgen. Bei einer Harnstoffwasserlösung mit einem Massenanteil von 32,5% kann die Zuführung über das erste Ende 2 des Wärmetauschers 3 bei einer Temperatur des Abgasmassenstroms stromaufwärts des Dieseloxidationskatalysators 4 von ca. 140°C erfolgen, um zu gewährleisten, dass die Schmelztemperatur von Harnstoff erreicht ist.
Der Wärmetauscher 3 ist innerhalb des Abgasrohres 1 angeordnet.
Der Wärmetauscher 3 kann aus einem Rohr bestehen, welches an seinem Außenumfang Wärmeleitbleche zur Unterstützung des Wärmeaustausches aufweist, die vom Abgasmassenstrom umströmt werden.
Das erste Ende 2 des Wärmetauschers 3 ist stromaufwärts eines stromaufwärtigen Endes 5 des Dieseloxidationskatalysators 4 angeordnet.
Ein zweites Ende 6 des Wärmetauschers 3 ist an einem stromabwärtigen Ende 7 des Dieseloxidationskatalysators 4 angeordnet.
Über das zweite Ende 6 des Wärmetauschers 3 kann das Reduktionsmittel in den Abgasmassenstrom strömen und sich mit diesem vermischen.
Anschließend kann der mit dem Reduktionsmittel versetzte Abgasmassenstrom in Richtung des Pfeils P3 zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator oder SCR-katalytisch aktiviertes Partikelfilter) strömen.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 3 mittig im Abgasrohr 1 und im Dieseloxidationskatalysator 4 angeordnet.
Es besteht zudem die Möglichkeit, dass das Rohr des Wärmetauschers 3 vor dem stromaufwärtigen Ende des Dieseloxidationskatalysators 4 in mindestens zwei Einzelrohre verzweigt, wobei diese Einzelrohre innerhalb des Dieseloxidationskatalysators 4 angeordnet sind.
Die jeweiligen Enden der Einzelrohre liegen am stromabwärtigen Ende 6 des Dieseloxidationskatalysators 4.
Während der Durchströmung des Reduktionsmittels von dem ersten Ende 2 bis zum zweiten Ende 6 des Wärmetauschers 3 kann dieses von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand überführt werden.
Stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators 4 wird das über das Ende 6 des Wärmetauschers 3 austretende Reduktionsmittel mit dem aus dem stromabwärtigen Ende 7 des Dieseloxidationskatalysators 4 strömenden Abgasmassenstrom vermischt.
Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Abgasmassenstromes wird das Reduktionsmittel in die Hauptströmung gesaugt.
Um die Vermischung zu unterstützten, können am stromabwärtigen Ende 7 des Dieseloxidationskatalysators 4 turbulenzinduzierende Mittel angeordnet sein.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt.
Im Vergleich zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform besteht der Wärmetauscher 3 aus Einzelrohren 3.1, 3.2, die am Innenumfang des Abgasrohres 1 und am Innenumfang des Dieseloxidationskatalysators 4 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Abgasrohr
2: erstes Ende
3: Wärmetauscher
3.1: Einzelrohr
3.2: Einzelrohr
4: Dieseloxidationskatalysator
5: stromaufwärtiges Ende
6: zweites Ende
7: stromabwärtiges Ende
8: Abgasnachbehandlungseinrichtung
P1: Pfeil
P2: Pfeil
P3: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014001880 A1 [0007]
EP 2789818 B1 [0008]

Claims

Zuführung von Reduktionsmittel in ein Abgasrohr (1), welches von einem Abgasmassenstrom durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel über ein erstes Ende (2) eines Wärmetauschers (3) dem Wärmetauscher (3) zugeführt werden kann, der innerhalb des Abgasrohres (1) angeordnet ist, wobei das erstes Ende (2) des Wärmetauschers (3) stromaufwärts eines stromaufwärtigen Endes (5) eines Dieseloxidationskatalysators (4) angeordnet ist, und wobei ein zweites Ende (6) des Wärmetauschers (3) an einem stromabwärtigen Ende (7) des Dieseloxidationskatalysators (4) angeordnet ist, und wobei über das zweite Ende (6) des Wärmetauschers (3) das Reduktionsmittel in den Abgasmassenstrom strömen kann.
Zuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) eine Verzweigung in mindestens zwei Einzelrohre (3.1, 3.2) aufweist, die stromaufwärts des stromaufwärtigen Endes (5) des Dieseloxidationskatalysators (4) angeordnet ist.
Zuführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) mindestens eine verschließbare Öffnung aufweist, durch die mindestens ein Teil des Abgasmassenstromes strömen kann.
Zuführung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Außenumfang des Wärmetauschers (3) mindestens ein Wärmeleitblech angeordnet ist.
Zuführung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) mindestens ein Loch aufweist, durch welches mindestens ein Teil des Abgasmassenstromes strömen kann.
Zuführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in der Nähe des Loches mindestens ein Strömungsleitelement angeordnet ist.