DE102017107687A1

DE102017107687A1 - Reduktionsmittelgenerator

Info

Publication number: DE102017107687A1
Application number: DE102017107687.5A
Authority: DE
Inventors: Christof Lücking; Jan Margraf; Thorsten Haake; Henning Middelmann
Original assignee: BAUMOT AG
Current assignee: BAUMOT AG
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-10-11
Also published as: WO2018189049A1

Abstract

Von Abgas durchströmbarer Reduktionsmittelgenerator (4) zur Erzeugung von Reduktionsmittel für einen SCR-Katalysator (5) in einem Kraftfahrzeug (1), aufweisend in Abgasströmungsrichtung hintereinander:- einen Injektor (6) zur Eindüsung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung,- eine elektrische Abgasheizung (7), und- eine Auftreffstruktur (8) für die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung,wobei der Injektor (6) und die Abgasheizung (7) so ausgeführt sind, dass der Injektor (6) die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung durch die Abgasheizung (7) hindurch eindüst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reduktionsmittelgenerator, der insbesondere von Abgas durchströmbar ist und zur Erzeugung von Reduktionsmittel für einen SCR-Katalysator in einem Kraftfahrzeug bestimmt und eingerichtet ist.
Insbesondere zur Reinigung von Abgasen von Diesel-Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen werden häufig Abgasreinigungssysteme verwendet, in denen ein Reduktionsmittel zur Abgasreinigung genutzt wird. Dieses Reduktionsmittel ist häufig Ammoniak. Mit Hilfe des Ammoniaks werden Stickstoffoxidverbindungen im Abgas der Verbrennungskraftmaschine reduziert. Ammoniak kann insbesondere aus Harnstoff als einer Ammoniak-Vorläufer-Lösung gewonnen werden. Allgemein kann ein Reduktionsmittel aus einer Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung gewonnen werden. Dazu ist üblicherweise ein Reduktionsmittelgenerator vorgesehen. Abgassysteme, die Ammoniak zur Entfernung von Stickstoffoxidverbindungen aus dem Abgas nutzen, werden üblicherweise auch als SCR-Systeme [SCR = selektive katalytische Reduktion] bezeichnet. In SCR-Systemen findet das SCR-Abgasreinigungsverfahren statt. Dabei werden Stickstoffoxidverbindungen in einem SCR-Katalysator mit Reduktionsmittel in Stickstoff und Wasser umgesetzt. Üblicherweise wird insbesondere in SCR-Systemen eine Harnstoff-Wasser-Lösung als Ammoniak-Vorläufer-Lösung verwendet, die dann im Abgassystem zu Ammoniak umgesetzt wird. Eine solche Ammoniak-Vorläufer-Lösung hat im Gegensatz zu Ammoniak den Vorteil, dass sie unproblematisch in einem Tank gelagert werden kann. Besonders häufig wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Harnstoffgehalt von 32,5 % verwendet, die unter dem Handelsnamen AdBlue® erhältlich ist.
Eine Ammoniak-Vorläufer-Lösung kann insbesondere bei hohen Temperaturen besonders gut zu Ammoniak umgesetzt werden. Wird Ammoniak-Vorläufer-Lösung nicht vollständig zu Ammoniak umgesetzt (z.B. aufgrund einer zu niedrigen Temperatur), können sich Ablagerungen der Ammoniak-Vorläufer-Lösung im Ammoniakgenerator bilden, die die Abgasreinigung dauerhaft beeinträchtigen können. Insbesondere bei Diesel-Verbrennungskraftmaschinen kann das Abgas in bestimmten Betriebssituationen eine für eine effiziente Ammoniakerzeugung zu niedrige Temperatur aufweisen. Dieses Problem wurde in der Vergangenheit insbesondere mit elektrischen Heizungen zu lösen versucht. Mit bekannten Ausführungen von Ammoniakgeneratoren mit elektrischer Heizung kann eine vollständige Umsetzung einer Ammoniak-Vorläufer-Lösung zu Ammoniak aber nicht oder nur unter großem Energieaufwand erreicht werden.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Reduktionsmittelgenerator bereitzustellen, der insbesondere eine besonders effiziente Umsetzung einer Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zu einem Reduktionsmittel ermöglicht.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Reduktionsmittelgenerator gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen einzeln angeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Erfindungsgemäß wird ein von Abgas durchströmbarer Reduktionsmittelgenerator zur Erzeugung von Reduktionsmittel für einen SCR-Katalysator in einem Kraftfahrzeug vorgestellt. Der Reduktionsmittelgenerator weist in Abgasströmungsrichtung hintereinander auf:

- einen Injektor zur Eindüsung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung,
- eine elektrische Abgasheizung, und
- eine Auftreffstruktur für die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung,

Der beschriebene Reduktionsmittelgenerator ist insbesondere dazu bestimmt und eingerichtet, Reduktionsmittel für die Reinigung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine insbesondere nach dem SCR-Verfahren bereitzustellen. Die Abgasreinigung nach dem SCR-Verfahren kann insbesondere in dem SCR-Katalysator erfolgen.
Dazu kann in dem Reduktionmittelgenerator eine Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zu dem Reduktionmittel umgesetzt werden. Bevorzugt ist das Reduktionsmittel Ammoniak, das insbesondere bevorzugt aus Harnstoff als Ammoniak-Vorläufer-Lösung bzw. Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung gewonnen wird. Insbesondere kann eine unter dem Handelsnamen AdBlue® erhältliche Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Harnstoffgehalt von 32,5 % als die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung verwendet werden.
Das Reduktionsmittel kann aus einer Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung insbesondere unter Temperatureinwirkung entstehen. Dadurch, dass der Reduktionsmittelgenerator von Abgas durchströmt wird, kann insbesondere die Temperatur des Abgases für die Umsetzung der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zu Reduktionsmittel ausgenutzt werden. Abgas, das durch den Reduktionsmittelgenerator geleitet wird, wird bevorzugt aus einer Abgashauptstromleitung stromaufwärts eines Turboladers abgezweigt. Insbesondere wenn der Turbolader nahe an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, ist die Abgastemperatur stromaufwärts des Turboladers besonders hoch. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Abgas nach Passieren des Reduktionsmittelgenerators in die Abgashauptstromleitung stromabwärts des Turboladers wieder eingeleitet wird. Stromaufwärts bedeutet in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Turbolader. Stromabwärts bedeutet in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Turbolader. Das Abgas kann also durch die Abgasnebenstromleitung mit dem Reduktionsmittelgenerator den Turbolader umgehen (bypassen). Damit kann eine durch den Turbolader erzeugte Druckdifferenz ausgenutzt werden, um das Abgas durch den Reduktionsmittelgenerator zu fördern. Das liegt insbesondere daran, dass der Druck im Abgassystem stromaufwärts des Turboladers (wo das Abgas vorzugsweise in die Abgasnebenstromleitung abgezweigt wird) höher ist als stromabwärts des Turboladers (wo das Abgas vorzugsweise wieder in die Abgashauptstromleitung eingeleitet wird). Bevorzugt wird ein Anteil von 0,5 % bis 10 % des gesamten von der Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgases über die Abgasnebenstromleitung mit dem Reduktionsmittelgenerator geleitet. Damit kann erreicht werden, dass eine Funktion des Turboladers nur geringfügig beeinträchtigt wird und zudem eine hinreichende Abgasmenge bei der Umsetzung der Reduktionsmittel-Vorläuferlösung zur Verfügung steht.
Zur Erzeugung von Reduktionsmittel im Reduktionsmittelgenerator kann die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung über den Injektor in den Reduktionsmittelgenerator eingeleitet werden. Der Injektor umfasst bevorzugt mindestens eine Düse, über die die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung in den Reduktionsmittelgenerator eingedüst werden kann. Bevorzugt wird die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung dabei derart verteilt, dass eine besonders große Oberfläche (insbesondere von Tropfen der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung) entsteht, die zu einer besonders effizienten Umsetzung einer Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel beitragen kann.
Weiterhin weist der Reduktionsmittelgenerator die Abgasheizung auf. Über die Abgasheizung kann das Abgas erwärmt werden. Damit kann (mittelbar über das Abgas) eine für die Umsetzung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel benötigte oder vorteilhafte Temperatur erreicht werden.
Die Umsetzung einer Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel kann insbesondere durch eine Hydrolyse erfolgen (das ist insbesondere bei Ammoniak als Reduktionsmittel der Fall). Dazu weist der Reduktionsmittelgenerator bevorzugt an einer Innenseite einer Wandung eine katalytische Beschichtung auf, die insbesondere zur Katalyse der Hydrolyse von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel geeignet ist. Insbesondere um eine besonders große Oberfläche für die Katalyse bereitzustellen, ist weiterhin die Auftreffstruktur vorgesehen. Die Auftreffstruktur weist bevorzugt eine (besonders große) Oberfläche mit einem katalytischen Material auf, das insbesondere zur Katalyse der Hydrolyse von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel geeignet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch in Abgasströmungsrichtung hinter der Auftreffstruktur ein Katalysator angeordnet sein, der die Umsetzung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel katalysiert. Bei der Auftreffstruktur handelt es sich bevorzugt um einen Wabenkörper, der von dem Abgas und von der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung durchströmt werden kann. Ein Wabenkörper weist eine besonders große Oberfläche auf. Die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung wird bevorzugt derart in den Reduktionsmittelgenerator eingedüst, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf eine Stirnseite der Auftreffstruktur auftrifft. Dabei trifft bevorzugt ein Anteil von mindestens 75 % und insbesondere Anteil von mindestens 90 % der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf die Auftreffstruktur auf, während der übrige Anteil der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung insbesondere auf der Innenseite der Wandung und bevorzugt auf der katalytischen Beschichtung der Innenseite der Wandung auftrifft. Auch ist es bevorzugt, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung vollständig auf die Auftreffstruktur auftrifft. Insbesondere die Temperatur des Bereichs, auf den die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auftrifft (also der Auftreffstruktur bzw. der Innenseite der Wandung), kann die Umsetzung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel erheblich beeinflussen. Daher ist es besonders bevorzugt, dass insbesondere die Auftreffstruktur eine besonders hohe Temperatur aufweist. Die Auftreffstruktur ist daher bevorzugt derart für Abgas durchströmbar ausgeführt, dass die Auftreffstruktur durch die Temperatur des Abgases besonders effizient erwärmt werden kann. Auch aus diesem Grund ist es bevorzugt, dass die Auftreffstruktur als ein Wabenkörper ausgeführt ist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Auftreffstruktur nicht oder nur an möglichst wenigen Stellen in Kontakt mit der Wandung des Reduktionsmittelgenerators steht, weil die Wandung mit einer kalten Umgebung des Reduktionsmittelgenerators in Kontakt stehen kann. Die Auftreffstruktur kann insbesondere freitragend oder zumindest teilweise freitragend ausgeführt sein. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Auftreffstruktur einen von dem Abgas durchströmbaren Querschnitt des Reduktionsmittelgenerators zumindest teilweise und insbesondere vollständig überspannt.
Der Injektor, die Abgasheizung und die Auftreffstruktur sind in dieser Reihenfolge in Abgasströmungsrichtung hintereinander angeordnet. Das bedeutet, dass zuerst die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung in das Abgas eingedüst wird, dass das Abgas zusammen mit der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung die Abgasheizung und anschließend die Auftreffstruktur passiert.
Es kann Betriebssituationen geben, in denen das Abgas, das den Reduktionsmittelgenerator durchströmt, erst stromabwärts der Abgasheizung eine für die Umsetzung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel vorgesehene Temperatur aufweist. Auch die Temperatur der Innenseite der Wandung des Reduktionsmittelgenerators und anderer Begrenzungen der Abgasströmung sind erst stromabwärts hinreichend hoch. Daher ist es bevorzugt, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zumindest stromaufwärts der Abgasheizung nur innerhalb der Abgasströmung bewegt wird, also insbesondere ohne mit einem festen Material (das kalt sein könnte) in Kontakt zu kommen. Das kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der Injektor und die Abgasheizung so ausgeführt sind, dass der Injektor die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung durch die Abgasheizung hindurch eindüst. Damit ist gemeint, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zwar stromaufwärts der Abgasheizung in das Abgas eingedüst wird und dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung die Abgasheizung zusammen mit dem Abgas auch passiert, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung dabei aber nur zu einem kleinen Anteil und bevorzugt gar nicht auf die Abgasheizung auftrifft. Die Abgasheizung weist also bevorzugt Hohlräume auf, durch die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung hindurchströmen kann. So kann die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung insbesondere erst an solchen Stellen des Reduktionsmittelgenerators auf festes Material (wie z.B. die Innenseite der Wandung und/oder die Auftreffstruktur) auftreffen, an denen diese eine Temperatur aufweisen, die zur Umsetzung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel ausreicht.
Durch Eindüsen der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung stromaufwärts der Abgasheizung kann die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung besonders gut in dem Abgas verteilt werden und damit besonders effizient durch das Abgas erwärmt werden und besonders gut verteilt insbesondere auf die Auftreffstruktur auftreffen. Ein besonders gutes Verteilen der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung in dem Abgas kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung im Wesentlichen parallel zu einer Abgasströmungsrichtung eingedüst wird. Das kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass der Injektor in einem Umlenkbereich des Reduktionsmittelgenerators angeordnet ist, in dem das Abgas um einen Winkel von beispielsweise 90° [Grad] umgelenkt wird. In dem Fall kann die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung im Wesentlichen parallel zu dem umgelenkten Abgas eingedüst werden, ohne dass der Injektor in den Abgasstrom hineinragen müsste. Ein solches Hineinragen wäre strömungstechnisch nachteilig und würde eine aufwendigere Konstruktion erfordern. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Abgas zwischen der Abgasheizung und der Auftreffstruktur geradlinig strömt. Damit kann eine besonders gute Verteilung der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung in dem Abgas erreicht werden.
Würde die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zwischen der Abgasheizung und der Auftreffstruktur eingedüst, könnte dies entweder nicht im Wesentlichen parallel zu der Abgasströmungsrichtung erfolgen (sondern insbesondere schräg von der Seite) oder das Abgas müsste zwischen der Abgasheizung und der Auftreffstruktur umgelenkt werden oder der Injektor müsste in die Abgasströmung hineinragen. Alle diese Alternativen sind aber wie beschrieben nachteilig. Folglich ist es vorteilhaft, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zwar nicht auf die Abgasheizung auftrifft, gleichwohl aber durch diese hindurch eingedüst wird. Unter der Tatsache, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung durch die Abgasheizung hindurch eingedüst wird, ist zu verstehen, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung stromaufwärts der Abgasheizung eingedüst wird und stromabwärts der Abgasheizung noch im Wesentlichen vollständig und bevorzugt noch vollständig vorliegt, also nicht auf die Abgasheizung aufgetroffen ist. Unter Auftreffen auf die Abgasheizung ist zu verstehen, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung mit der Abgasheizung in Kontakt kommt, wobei die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung von der Abgasheizung aufgehalten und/oder in Reduktionsmittel umgewandelt werden kann.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Reduktionsmittelgenerators, in der maximal zehn (10) Prozent der eingedüsten Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf die Abgasheizung auftreffen. Besonders bevorzugt ist sogar, dass maximal fünf (5) Prozent der eingedüsten Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf die Abgasheizung auftreffen.
Die Einhaltung des Grenzwertes von zehn bzw. fünf Prozent wird insbesondere durch konstruktive Maßnahmen an dem Reduktionsmittelgenerator und insbesondere durch Maßnahmen an einem Gehäuse des Reduktionsmittelgenerators zur Führung des Abgases und durch Maßnahmen an dem Injektor zur Eindüsung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung und eine geeignete Ausgestaltung der Abgasheizung erreicht. Der Injektor hat bevorzugt ein präzise definiertes Spraybild mit einem klar definierten Sprühkegel mit klar definierten Kegelbereichen in denen Spray auftritt, wenn die Eindüsung mit dem Injektor erfolgt. Die Abgasheizung ist so gestaltet und angeordnet, dass in Kegelbereichen in denen Spray auftritt, keine Heizelementabschnitte der Abgasheizung existieren. Die Strömungsführung des Abgases ist bevorzugt so ausgelegt, dass durch die Abgasströmung kein oder nur ein zu vernachlässigender Transport von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung aus dem klar definierten Sprühkegel hinaus stattfindet, welcher die Einhaltung des genannten Grenzwertes nicht beeinträchtigt.
Der jeweilige Grenzwert wird bevorzugt in einem zeitlichen Langzeitmittel eingehalten. Das bedeutet, dass während des gesamten Betriebs des Reduktionsmittelgenerators im Mittel weniger als zehn Prozent, bevorzugt weniger als fünf Prozent, der eingedüsten Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf die Abgasheizung auftreffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird der jeweilige Grenzwert zu jedem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebs des Reduktionsmittelgenerators eingehalten. Das bedeutet, dass während des gesamten Betriebs des Reduktionsmittelgenerators kein Zeitpunkt existiert, in dem mehr als zehn Prozent bzw. mehr als fünf Prozent der eingedüsten Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf die Abgasheizung auftrifft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Reduktionsmittelgenerators weist die Abgasheizung eine Mehrzahl von Heizelementabschnitten auf, die von dem Abgas umströmt werden.
Die Heizelementabschnitte sind bevorzugt elektrisch leitend ausgeführt. Werden die Heizelementabschnitte von Strom durchflossen, kann dabei Wärme entstehen, über die das Abgas erwärmt werden kann. Die Heizelementabschnitte sind bevorzugt als Drähte insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Kupfer ausgeführt. Auch ist es bevorzugt, dass die Heizelementabschnitte als Bleche ausgeführt sind, die derart ausgebildet und innerhalb des Reduktionsmittelgenerators angeordnet sind, dass die Bleche von dem Abgas umströmt werden können. Die Heizelementabschnitte können auch als Drähte ausgeführt sein. Die Heizelementabschnitte sind bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise Kupfer gebildet. Auch eine Kombination von Drähten und Blechen als die Heizelementabschnitte ist möglich.
Die Heizelementabschnitte sind bevorzugt zumindest teilweise parallel zur (lokalen) Abgasströmungsrichtung ausgerichtet. Unter der (lokalen) Abgasströmungsrichtung ist hier die Richtung zu verstehen, in die sich das Abgas (insbesondere dem Schwerpunkt nach) (lokal) bewegt. Die Abgasströmungsrichtung kann an verschiedenen Stellen des Reduktionsmittelgenerators unterschiedlich sein. In dem Fall ist es bevorzugt, dass zumindest ein Teil eines jeden Blechs (vorzugsweise ein Bereich in der Mitte eines Heizelementabschnitts) parallel zu der Abgasströmungsrichtung an der jeweiligen Stelle ausgerichtet ist. Alternativ ist es bevorzugt, dass die Heizelementabschnitte entsprechend der Abgasströmungsrichtung geformt sind, so dass die Heizelementabschnitte an mehreren Stellen oder sogar über ihre gesamte Ausdehnung parallel zu der Abgasströmungsrichtung ausgerichtet sind. Hängt die Abgasströmungsrichtung von einer Betriebssituation der Verbrennungskraftmaschine ab (z.B. aufgrund von unterschiedlichen Temperatur- und/oder Druckverhältnissen in verschiedenen Betriebssituationen), sind die Heizelementabschnitte bevorzugt parallel zu einer Abgasströmungsrichtung, die bei einer bestimmten Betriebssituation vorliegt, ausgerichtet. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine übliche (also besonders oft vorliegende) Betriebssituation.
Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, dass die Heizelementabschnitte zumindest teilweise parallel zu einer Eindüsrichtung der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung ausgerichtet sind. Unter der Eindüsrichtung ist hier die Richtung zu verstehen, in die sich die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung bewegt. Die Eindüsrichtung kann an verschiedenen Stellen des Reduktionsmittelgenerators unterschiedlich sein. In dem Fall ist es bevorzugt, dass zumindest ein Teil eines jeden Heizelementabschnitts (vorzugsweise ein Bereich in der Mitte eines Heizelementabschnitts oder eine Mittellinie eines Heizelementabschnitts) parallel zu der Eindüsrichtung an der jeweiligen Stelle ausgerichtet ist. Alternativ ist es bevorzugt, dass die Heizelementabschnitte entsprechend der Eindüsrichtung geformt sind, so dass die Heizelementabschnitte an mehreren Stellen oder sogar über ihre gesamte Ausdehnung parallel zu der Eindüsrichtung ausgerichtet sind. Ist die Eindüsrichtung zu verschiedenen Zeitpunkten unterschiedlich (z.B. aufgrund von unterschiedlichen benötigten Mengen an eingedüster Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung), sind die Bleche bevorzugt parallel zu einer üblichen (also besonders oft vorliegenden) Eindüsrichtung ausgerichtet. Als Bleche ausgeführte Heizelementabschnitte können eine Kegelform eines Sprühkegels abschnittweise nachbilden, um eine besonders gute Ausrichtung parallel zu der Eindüsrichtung der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zu gewährleisten.
Fallen die Abgasströmungsrichtung und die Eindüsrichtung nicht zusammen, so ist es bevorzugt, dass die Bleche zwischen der Abgasströmungsrichtung und der Eindüsrichtung ausgerichtet sind. Das kann insbesondere mit einer vektoriellen Betrachtungsweise erklärt werden. Eine senkrecht zu einem Blech zeigende Komponente des Vektors der Abgasströmungsrichtung ist dabei bevorzugt genau so groß ist wie eine senkrecht zu dem Blech zeigende Komponente des Vektors der Eindüsrichtung (vorausgesetzt, die Abgasströmungsrichtung und die Eindüsrichtung werden durch Vektoren mit gleichem Betrag wie beispielsweise mit Betrag 1 beschrieben). Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ, dass die Eindüsrichtung und/oder die Abgasströmungsrichtung jeweils um einen Winkel von höchstens 8° [Grad], insbesondere von höchstens 3° von der Ausrichtung der Bleche abweichen.
Bevorzugt ist eine Mehrzahl von Heizelementabschnitten vorgesehen. Eine Mehrzahl von Heizelementabschnitten bildet ein Heizelement, wobei die Heizelementabschnitte eines Heizelements bevorzugt parallel oder in Reihe geschaltet sind. Damit können die Heizelementabschnitte eines Heizelements gemeinsam und damit besonders einfach kontaktiert werden. Der Reduktionsmittelgenerator kann ein oder mehrere Heizelemente umfassen.
Insbesondere die Heizelementabschnitte werden von dem Abgas umströmt. Zwischen den Heizelementabschnitten kann ein Heizelement auch passive Leitungsabschnitte aufweisen, die keine Heizwirkung oder nur eine verhältnismäßig geringe Heizwirkung haben. Insbesondere sind solche passiven Leitungsabschnitte nicht oder weniger von dem Abgas umströmt. Hierdurch tritt auch nur eine verhältnismäßig geringere Abgabe von Wärmeenergie von solchen passiven Leitungsabschnitten an das Abgas auf. Die passiven Leitungsabschnitte ermöglichen eine besonders effektive Versorgung der Heizelementabschnitte mit Strom. Insbesondere ist es bevorzugt, dass eine Mehrzahl von Heizelementabschnitten und eine Mehrzahl von passiven Leitungsabschnitten in Reihe geschaltet sind. Bevorzugt ist dabei insbesondere, dass Heizelementabschnitte und passive Leitungsabschnitte abwechselnd vorgesehen sind. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die passiven Leitungsabschnitte Umlenkungen (insbesondere um 180° [Grad]) bilden und/oder dass die Heizelementabschnitte parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die passiven Leitungsabschnitte und die Heizelementabschnitte über einen gleichen leitenden Querschnitt aus elektrisch leitfähigem Material verfügen und so ohne relevante Sprünge im elektrischen Widerstand von Strom durchflossen werden können. Insbesondere weisen Heizelementabschnitte und passive Leitungsabschnitte den gleichen spezifischen Widerstand auf. Dadurch kann die Konstruktion der Heizelemente besonders einfach sein, insbesondere wenn für die Heizelementabschnitte und die passiven Leitungsabschnitte zudem das gleiche Material verwendet wird. In dem Fall können die passiven Leitungsabschnitte zwar eine Heizwirkung haben, sich aber dennoch von den Heizelementabschnitten dadurch unterscheiden, dass die passiven Leitungsabschnitte nicht von dem Abgas umströmt werden. Alternativ ist es bevorzugt, dass die passiven Leitungsabschnitte einen größeren von Strom durchfließbaren Querschnitt als die Heizelementabschnitte aufweisen und/oder dass die passiven Leitungsabschnitte einen kleineren spezifischen Widerstand als die Heizelementabschnitte aufweisen. In dem Fall ist die Heizwirkung der passiven Leitungsabschnitte gegenüber den Heizelementabschnitten besonders reduziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Reduktionsmittelgenerators sind der Injektor und die Abgasheizung derart ausgeführt und angeordnet, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zumindest teilweise zwischen benachbarten Heizelementabschnitten der Abgasheizung hindurch (und damit insbesondere an den Heizelementabschnitten vorbei) eingedüst wird.
Dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung durch die Abgasheizung hindurch eingedüst wird, bedeutet insbesondere, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung an den Heizelementabschnitten vorbei eingedüst wird. Dass die die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung an den Heizelementabschnitten vorbei eingedüst wird bedeutet insbesondere, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung stromaufwärts der Abgasheizung eingedüst wird und stromabwärts der Abgasheizung noch im Wesentlichen vollständig und bevorzugt noch vollständig vorliegt, also nicht auf die Heizelementabschnitte der Abgasheizung aufgetroffen ist. Bevorzugt treffen maximal zehn (10) Prozent und besonders bevorzugt maximal fünf (5) Prozent der eingedüsten Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf die Heizelementabschnitte und (damit auf die Abgasheizung) auf. Insbesondere für ein derartiges Vorbeiströmen der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung an der Abgasheizung ist es vorteilhaft, die Heizwirkung der Abgasheizung durch die beschriebenen Heizelementabschnitte bereitzustellen. Zwischen den Heizelementabschnitten können besonders große Zwischenräume vorgesehen sein, durch die insbesondere die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung hindurchströmen und damit an den Heizelementabschnitten vorbei strömen kann. Ein durch die Eindüsung entstehendes Spray der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung ist bevorzugt vollständig von Heizelementabschnitten umgeben, wenn es eingedüst wird. Das führt zu einer besonders effizienten, kontaktlosen Erwärmung des Sprays durch das Heizelement, die im Wesentlichen auf Wärmeaustausch durch Wärmestrahlung basiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Reduktionsmittelgenerators sind der Injektor, die Abgasheizung und die Auftreffstruktur entlang einer Achse angeordnet.
Besonders bevorzugt haben der Injektor, die Abgasheizung und die Auftreffstruktur jeweils eine zentrale Achse. Die zentralen Achsen der genannten Elemente liegen übereinander. Ein besonders gutes Verteilen der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung in dem Abgas kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung im Wesentlichen parallel zu einer Abgasströmungsrichtung eingedüst wird. Das kann insbesondere in dieser Ausführungsform erreicht werden. Dazu sind der Injektor, die Abgasheizung und die Auftreffstruktur entlang der Achse angeordnet. Bevorzugt strömt das Abgas zumindest im Bereich zwischen dem Injektor und der Auftreffstruktur im Wesentlichen (also insbesondere dem Schwerpunkt nach) parallel zu der Achse.
Die Abgasheizung ist bevorzugt entlang der Achse ausgerichtet. Das bedeutet, dass eine Stirnseite der Abgasheizung, auf die das Abgas bei Durchströmen des Reduktionsmittelgenerators auftrifft, von der Achse vorzugsweise senkrecht durchstoßen wird. Die Auftreffstruktur ist bevorzugt in gleicher Weise entlang der Achse ausgerichtet. Besonders bevorzugt sind die Abgasheizung und die Auftreffstruktur scheibenförmig (also nach Art eines flachen Zylinders) ausgeführt, wobei eine Zylinderachse der Abgasheizung und der Auftreffstruktur bevorzugt mit der beschriebenen Achse zusammenfallen. In dem Fall ist es bevorzugt, dass der Injektor auf der Achse angeordnet ist. Das bedeutet, dass die Eindüsrichtung und ein entstehender Spraykegel bevorzugt zumindest im Wesentlichen (also insbesondere dem Schwerpunkt nach) parallel zu der Achse ausgerichtet sind. Alternativ ist es bevorzugt, dass der Injektor von der Achse beabstandet angeordnet ist. Insbesondere in dem Fall ist es bevorzugt, dass die Eindüsrichtung um bis zu 30° [Grad], bevorzugt aber höchstens 15° von der Achse abweicht, dass der Injektor also nicht parallel zu der Achse ausgerichtet ist. Dabei wird die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung ihrem Schwerpunkt nach nicht genau parallel zu der Achse bzw. zu dem Abgas eingedüst, sondern mit einem Winkel von bis zu 15° bzw. bis zu 30° schräg zu dieser Achse. Damit kann der Abstand des Injektors von der Achse ausgeglichen werden und die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung beispielsweise (insbesondere gleichmäßig) über die gesamte Auftreffstruktur auftreffen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Reduktionsmittelgenerators wird die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung mit einem solchen Öffnungswinkel eingedüst, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung stromaufwärts der Abgasheizung nicht auf eine Wandung des Reduktionsmittelgenerators auftrifft.
Die Wandung des Reduktionsmittelgenerators kann stromaufwärts der Abgasheizung besonders kalt sein. Die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung kann aber vor allem bei besonders hohen Temperaturen besonders gut zu Reduktionsmittel umgesetzt werden. Daher ist es besonders bevorzugt, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung nicht mit der Wandung des Reduktionsmittelgenerators stromaufwärts der Abgasheizung in Kontakt kommt.
Das kann insbesondere in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Reduktionsmittelgenerators erreicht werden, bei der der Öffnungswinkel zwischen 3° und 25° [Grad] beträgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Reduktionsmittelgenerator derart ausgeführt, dass eine Abgasströmungsrichtung und eine Eindüsrichtung der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung an keiner Stelle um mehr als 10° [Grad] auseinander fallen.
Insbesondere in dieser Ausführungsform kann erreicht werden, dass die eingedüste Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung nicht stromaufwärts der Abgasheizung auf die (möglicherweise kalte) Wandung des Reduktionsmittelgenerators auftrifft. Durch Eindüsen der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung unter einem Winkel von weniger als 10° [Grad] zu der Abgasströmungsrichtung kann zudem eine besonders gute Verteilung der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung in dem Abgas erreicht werden.
Als ein weiterer Aspekt wird ein Abgassystem für ein Kraftfahrzeug umfassend zumindest einen SCR-Katalysator und einen wie beschrieben ausgeführten Reduktionsmittelgenerator vorgestellt.
Die weiter vorne für den Reduktionsmittelgenerator beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf das beschriebene Abgassystem anwendbar und übertragbar.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgassystem umfassend einen Reduktionsmittelgenerator,
2: eine schematische seitliche Querschnittsdarstellung des Reduktionsmittelgenerators aus 1,
3: eine frontale Querschnittsdarstellung des Reduktionsmittelgenerators aus 1 und 2, und
4: eine schematische Darstellung der Eindüsrichtung und der Abgasströmungsrichtung für einen Reduktionsmittelgenerator.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Verbrennungskraftmaschine 2, die an ein Abgassystem 3 angebunden ist. Das Abgassystem 3 umfasst neben hier nicht gezeigten Komponenten insbesondere einen Reduktionsmittelgenerator 4 und einen SCR-Katalysator 5.
In 2 ist der Reduktionsmittelgenerator 4 aus 1 in einer schematischen seitlichen Querschnittsdarstellung gezeigt. Der Reduktionsmittelgenerator 4 kann wie durch Pfeile angedeutet von Abgas durchströmt werden. Der Reduktionsmittelgenerator 4 ist insbesondere zur Erzeugung von Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator 5 in dem Kraftfahrzeug 1 aus 1 bestimmt und eingerichtet. Insbesondere kann der Reduktionsmittelgenerator 4 als ein Ammoniakgenerator ausgeführt sein, in dem aus einer Ammoniak-Vorläufer-Lösung wie beispielsweise Harnstoff oder Harnstoff-Wasser-Lösung Ammoniak als Reduktionsmittel erhalten werden kann. In dem Reduktionsmittelgenerator 4 in Abgasströmungsrichtung (also in dieser Darstellung insbesondere von links nach rechts) und entlang einer Achse 9 hintereinander angeordnet sind ein Injektor 6 zur Eindüsung der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung, eine elektrische Abgasheizung 7 und eine Auftreffstruktur 8 für die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung. Der Injektor 6 und die Abgasheizung 7 sind dabei so ausgeführt, dass der Injektor 6 die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung durch die Abgasheizung 7 hindurch eindüst, wobei insbesondere maximal fünf Prozent der eingedüsten Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf die Abgasheizung 7 auftreffen. Die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung wird zudem über den Injektor 6 mit einem solchen Öffnungswinkel 12 eingedüst, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung stromaufwärts der Abgasheizung 7 nicht auf eine Wandung 11 des Reduktionsmittelgenerators 4 auftrifft. Der Öffnungswinkel 12 beträgt vorzugsweise zwischen 3° und 25° [Grad]. Die Abgasheizung 7 weist eine Mehrzahl von Heizelementabschnitten 10 auf, die von dem Abgas umströmt werden. Dabei sind der Injektor 6 und die Abgasheizung 7 derart ausgeführt und angeordnet, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zumindest teilweise an den Heizelementabschnitten 10 der Abgasheizung 7 vorbei strömt. Zur Umsetzung der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zum Reduktionsmittel ist die Auftreffstruktur 8 katalytisch beschichtet. Außerdem ist an der Wandung 11 des Reduktionsmittelgenerators 4 eine katalytische Beschichtung 13 vorgesehen.
3 zeigt einen frontalen Querschnitt des Reduktionsmittelgenerators 4 entlang des Schnitts A-A in 2. Zu erkennen ist, dass die Abgasheizung 7 eine Mehrzahl von Heizelementabschnitten 10 umfasst. Zwei benachbarte Heizelementabschnitte 10 sind jeweils mit einem passiven Leitungsabschnitt 17 als Umlenkung verbunden, wobei die Heizelementabschnitte 10 zueinander parallel angeordnet sind. Die Heizelementabschnitte 10 und die passiven Leitungsabschnitt 17 bilden in ihrer Gesamtheit ein Heizelement 18 der Abgasheizung 7.
In 4 sind eine Eindüsrichtung 15 einer Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung und eine Abgasströmungsrichtung 14 für einen (hier nicht gezeigten) Reduktionsmittelgenerator 4 schematisch dargestellt. Gezeigt ist ein Heizelementabschnitt 10, der in dieser Ausführungsform als ein Blech 16 ausgebildet ist. Zu erkennen ist, dass die Abgasströmungsrichtung 14 und die Eindüsrichtung 15 um einen Winkel α auseinanderfallen. Der Winkel α beträgt bevorzugt an keiner Stelle des Reduktionsmittelgenerators 4 mehr als 10° [Grad]. Insoweit ist die Darstellung der 4 der Deutlichkeit halber übertrieben. Weiterhin ist zu erkennen, dass senkrechte Komponenten 19 der Abgasströmungsrichtung 14 und der Eindüsrichtung 15, die senkrecht auf dem Blech 16 stehen, gleich groß sind. Das Blech ist also zwischen der Abgasströmungsrichtung 14 und der Eindüsrichtung 15 ausgerichtet.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Abgassystem
4: Reduktionsmittelgenerator
5: SCR-Katalysator
6: Injektor
7: Abgasheizung
8: Auftreffstruktur
9: Achse
10: Heizelementabschnitt
11: Wandung
12: Öffnungswinkel
13: katalytische Beschichtung
14: Abgasströmungsrichtung
15: Eindüsrichtung
16: Blech
17: passiver Leitungsabschnitt
18: Heizelement
19: senkrechte Komponente
α: Winkel

Claims

Von Abgas durchströmbarer Reduktionsmittelgenerator (4) zur Erzeugung von Reduktionsmittel für einen SCR-Katalysator (5) in einem Kraftfahrzeug (1), aufweisend in Abgasströmungsrichtung hintereinander: - einen Injektor (6) zur Eindüsung von Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung, - eine elektrische Abgasheizung (7), und - eine Auftreffstruktur (8) für die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung, wobei der Injektor (6) und die Abgasheizung (7) so ausgeführt sind, dass der Injektor (6) die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung durch die Abgasheizung (7) hindurch eindüst.
Reduktionsmittelgenerator (4) nach Anspruch 1, wobei maximal zehn (10) Prozent der eingedüsten Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung auf die Abgasheizung (7) auftreffen.
Reduktionsmittelgenerator (4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abgasheizung (7) eine Mehrzahl von Heizelementabschnitten (10) aufweist, die von dem Abgas umströmt werden.
Reduktionsmittelgenerator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Injektor (6) und die Abgasheizung (7) derart ausgeführt und angeordnet sind, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung zumindest teilweise zwischen benachbarten Heizelementabschnitten (10) der Abgasheizung (7) hindurch eingedüst wird.
Reduktionsmittelgenerator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Injektor (6), die Abgasheizung (7) und die Auftreffstruktur (8) entlang einer Achse (9) angeordnet sind.
Reduktionsmittelgenerator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung mit einem solchen Öffnungswinkel (12) eingedüst wird, dass die Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung stromaufwärts der Abgasheizung (7) nicht auf eine Wandung (11) des Reduktionsmittelgenerators (4) auftrifft.
Reduktionsmittelgenerator (4) nach Anspruch 6, wobei der Öffnungswinkel (12) zwischen 3° und 25° [Grad] beträgt.
Reduktionsmittelgenerator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reduktionsmittelgenerator (10) derart ausgeführt ist, dass eine Abgasströmungsrichtung (14) und eine Eindüsrichtung (15) der Reduktionsmittel-Vorläufer-Lösung an keiner Stelle um mehr als 10° [Grad] auseinander fallen.
Abgassystem (3) für ein Kraftfahrzeug (1) umfassend zumindest einen SCR-Katalysator (5) und einen Reduktionsmittelgenerator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.