DE102017124541A1

DE102017124541A1 - Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017124541A1
Application number: DE102017124541.3A
Authority: DE
Inventors: Sven Kureti; Christian Hasse; Andreas Roppertz; Sven Füger; Sandro Gierth; Martin Pollack; Gennadi Zikoridse; Uwe Hofmann; Oliver Boblest; Siegfried Ott
Original assignee: Argomotive GmbH; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Argomotive GmbH; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2019-04-25

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (2), insbesondere zur NO-Reduktion in NO-haltigen Abgasen, weist eine Abgasleitung (3), eine Einspritzeinrichtung (4) zur Einspritzung eines Zusatzstoffes (5) in die Abgasleitung (3), und einen in Strömungsrichtung (x) der Abgase stromabwärts der Einspritzeinrichtung (4) in einem Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) angeordneten Katalysator (6) auf. In den den Katalysator (6) aufweisenden Abschnitt (3b) der Abgasleitung (3) münden wenigstens zwei Teilstücke (3c,3d) der Abgasleitung (3) derart wenigstens annähernd tangential ein, dass sich das eingeleitete Abgas wenigstens annähernd in Form einer Spirale (7) entlang einer Innenwandung (8) der Abgasleitung (3) in Richtung des Katalysators (6) bewegt. Die Einspritzeinrichtung (4) ist so an dem den Katalysator (6) aufweisenden Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) angeordnet, dass der von der Einspritzeinrichtung (4) eingespritzte Zusatzstoff (5) stromabwärts der Einmündung der wenigstens zwei Teilstücke (3c,3d) und im Wesentlichen zentral in die durch das Abgas gebildete Spirale (7) in die Abgasleitung (3) eingespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere zur NO_x-Reduktion in NO_x-haltigen Abgasen, mit einer Abgasleitung, mit einer Einspritzeinrichtung zur Einspritzung eines Zusatzstoffes in die Abgasleitung, und mit einem in Strömungsrichtung der Abgase stromabwärts der Einspritzeinrichtung in einem Abschnitt der Abgasleitung angeordneten Katalysator.
Aufgrund immer restriktiver werdender Emissionsvorschriften ist es bereits jetzt zum überwiegenden Teil erforderlich, bei von Verbrennungsmotoren angetriebenen Kraftfahrzeugen zur Entfernung von Stickstoffoxiden das Abgas nachzubehandeln. Unter dem Sammelbegriff der Stickstoffoxide werden verschiedene Oxidationsstufen des Stickstoffs, wie zum Beispiel Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂), zusammengefasst. Die Gase sind für den Menschen sehr giftig. Neben Schwefeldioxid tragen die Stickstoffoxide zum Sauren Regen bei, da durch die Reaktion von Stickstoffdioxid mit Wasser Salpetersäure und Salpetrige Säure entstehen. Dieser Saure Regen ist mitverantwortlich für das durch das Auswaschen der Nährstoffe im Boden verursachte Waldsterben und für Schäden an Gebäuden mit säureempfindlichen Baustoffen. Des Weiteren spielen die Stickstoffoxide eine zentrale Rolle bei der Bildung von Ozon in bodennahen Schichten. Das Ozon kann beim Menschen zu Reizungen und Entzündungen der Atemwege führen und wirkt bei Pflanzen als Zellgift. In der Stratosphäre dagegen wird das Ozon durch Stickstoffmonoxid zerstört, was zur Entstehung des Ozonlochs beiträgt. Der Ausstoß der Stickstoffoxide kann sowohl natürlichen Ursprungs, zum Beispiel aus mikrobiellen Vorgängen und Vegetationsbränden, als auch anthropogenen Ursprungs, wie zum Beispiel aus Kraftwerken, Industrie, Kleinfeuerungsanlagen im Haushalt und dem Verkehr, sein. Zur Nachbehandlung von Abgasen werden daher bereits seit geraumer Zeit Katalysatoren eingesetzt.
Ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus einem Abgasstrom ist in der EP 0 666 099 B1 beschrieben. Der dabei eingesetzte Katalysator adsorbiert die sich in dem Abgas befindlichen Stickoxide, woraufhin dem Katalysator ein Gas mit einem bestimmten Gehalt einer reduzierenden Substanz in vorgegebenen Zeitabständen und für gewisse Zeitdauern zugeführt wird. Derartige Speicherkatalysatoren, bei denen basische Komponenten, wie zum Beispiel Lithiumoxid, Kaliumoxid, Natriumoxid, Bariumoxid oder ähnliche Oxide eingesetzt werden, erfordern jedoch eine verhältnismäßig komplizierte Ansteuerung und haben meist einen hohen Regenerationsbedarf.
Bei diesen NO_x-Speicherkatalysatoren wird das hauptsächlich emittierte NO an einem Platin aufweisenden Katalysator zu NO₂ oxidiert, welches nachfolgend an speziellen Speichermedien, beispielsweise BaCO₃, adsorbiert wird. Wenn die Speicherkapazität dieses Katalysators erschöpft ist, wird eine motorinduzierte Regeneration des Katalysators eingeleitet, bei welcher die eingeleiteten Stickstoffoxide in Stickstoff überführt werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten NO_x-Speicherkatalysatoren, die nach dem sogenannten NSK-Verfahren arbeiten, besteht in der Gefahr der Vergiftung der NO_x-Sorbenzien durch die im Abgas enthaltenen Schwefeloxide SO₂ und SO₃. Um diese Problematik zu umgehen, sind meist aufwändige Motormanagementstrategien erforderlich.
Aus der EP 0 960 649 B1 ist ein Abgasreinigungskatalysator bekannt, bei welchem die verwendeten Materialien Ceroxid und/oder Zirkoniumdioxid Mischoxide aufweisen, die dazu dienen, gesättigte Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas zu entfernen. Als Reduktionsmittel für die in dem Abgas enthaltenen Stickoxide wird Ammoniak eingesetzt.
Die bei solchen SCR-Katalysatoren häufig eingesetzte aktive Komponente V₂O₅ ist jedoch toxikologisch bedenklich und kann außerdem bei sehr hohen Abgastemperaturen schmelzen bzw. verdampfen. Ein weiterer limitierender Faktor hinsichtlich der Aktivität des SCR-Verfahrens bei niedrigen Temperauren liegt in der On-Board-Produktion des Reduktionsmitteln NH₃ aus Harnstoff begründet, die derzeit erst oberhalb ca. 220 °C technisch beherrscht wird.
Die EP 0 763 380 A1 beschreibt Schalenkatalysatoren, welche aus einem Kern und mindestens einer äußeren Schale oder aus einem Träger, mindestens einer inneren und mindestens einer äußeren Schale bestehen, wobei die äußeren Schalen Oxide bestimmter Elemente enthalten.
Ein Nachteil der bekannten Lösungen zur NO_x-Entfernung aus sauerstoffreichen Abgasen besteht in den meisten Fällen außerdem darin, dass die Stickstoffoxide erst oberhalb von 200°C und damit bei Temperaturen umgesetzt werden, wie sie insbesondere bei Diesel- oder Wasserstoffmotoren auftreten.
Dadurch, dass aufgrund der kontinuierlichen Optimierung des Wirkungsgrads der Verbrennungsmotoren die Temperatur der Abgase ständig reduziert wird, ergibt sich bei den bekannten Lösungen ein großes Problem hinsichtlich ihrer Wirksamkeit. Beispielsweise liegt bei modernen, nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungsmotoren für PKW die Abgastemperatur im relevanten Zertifizierungszyklus der EU zu rund 60 % der Zeit unterhalb von 150°C und zu ca. 75 % der Zeit unterhalb von 200°C.
Bei der NO_x-Katalysatortechnik ist die Aktivität bei tiefen Temperaturen durch die erforderliche Erzeugung von NO₂ im Abgasstrang begrenzt, da die auf Platin oder Palladium basierenden Oxidationskatalysatoren erst ab ca. 220 °C eine ausreichende Aktivität zeigen.
Die SCR- und NSK-Verfahren erfüllen damit nicht den zentralen Punkt der selektiven Umsetzung von NO_x zu Stickstoff und Wasser bei tiefen Temperaturen.
Ein weiterer Katalysator sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven NO_x-Reduktion in NO_x-haltigen Abgasen sind aus der DE 10 2010 040 808 A1 bekannt. Dabei wird Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt, wodurch sich eine verbesserte Tieftemperaturaktivität des Katalysators ergibt.
Aus der DE 11 2006 003 078 T5 ist ein Emissionssystem zur Reduktion von Stickoxiden in Dieselmotorabgasen unter mageren Verbrennungsbedingungen bekannt, bei dem zum Beispiel Palladium als aktive Komponente und ein γ-Aluminiumoxid als Trägerschicht eingesetzt werden. Auch dieses System bzw. der sich daraus ergebende Katalysator zeigt keine ausreichende Aktivität bei tiefen Temperaturen. Hierbei werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel eingesetzt.
Aus der WO 2007/020035 A1 sind ebenfalls ein solcher Katalysator, ein Herstellungsverfahren für denselben sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven NO_x-Reduktion in NO_x-haltigen Abgasen bekannt.
Allerdings kann mit den dort beschriebenen Katalysatoren keine für die Praxis ausreichende selektive Umsetzung der Stickstoffoxide erreicht werden. Insbesondere wird bei dem in der WO 2007/020035 A1 beschriebenen Verfahren ein relativ großer Anteil an Lachgas erzeugt, was sehr nachteilig ist, da Lachgas mehr als 300-mal stärker zum Treibhauseffekt beiträgt als beispielsweise CO₂. Ein weiterer Nachteil des dort beschriebenen Katalysators besteht darin, dass für das aus Zirkoniumoxid bestehende Trägermaterial nur die tetragonale Kristallmodifikation verwendet werden kann, was einen sehr großen fertigungstechnischen Aufwand erfordert.
Aus der EP 1 475 149 A1 ist ein weiterer Katalysator für die Reduktion von NO_x zu N₂ mit Wasserstoff unter O₂-reichen Bedingungen bekannt.
Dieser bekannte Katalysator basiert auf Platin, welches in einer Menge zwischen 0,1 und 2 Gewichtsprozent auf einem aus Magnesium- oder Ceroxid oder einem Vorläufer davon bestehenden Trägermaterial verteilt ist. Zwar werden mit diesem Katalysator bereits recht gute Ergebnisse bei der NO_x-Reduktion erzielt, bei zukünftigen Schadstoffgrenzwerten wird jedoch auch dieser Katalysator an seine Grenzen stoßen.
Die DE 102 16 748 A1 beschreibt modifizierte Katalysatoren für die selektive Hydrierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen mit sperrigen oder verzweigten Substituenten. Eine NO_x-Reduktion in NO_x-haltigen Abgasen ist mit diesen Katalysatoren jedoch nicht durchführbar.
In der DE 44 36 890 A1 ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Verminderung der im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide beschrieben. Der dabei eingesetzte Katalysator weist ein Aluminiumsilikat als hochoberflächiges Trägermaterial auf.
Die Eindüsung bzw. Einspritzung von Harnstoff ist mittlerweile bei PKW, Bussen und Nutzfahrzeugen etabliert. Aufgrund verschärfter Abgasgrenzwerte ist zu erwarten, dass diese Technologie auch bei anderen Verkehrsmitteln zum Einsatz kommen wird, wie zum Beispiel bei Traktoren, Schiffen oder anderen Fahrzeugen oder Geräten, die nach dem Diesel-Prinzip arbeitende Verbrennungsmotoren oder mager betriebene Otto-Motoren einsetzen, wie zum Beispiel Baumaschinen oder ähnliche Geräte.
Bei den bekannten Vorrichtungen wird der Harnstoff in die Abgasleitung eingespritzt, wobei die aktuellen Einspritzsysteme so ausgelegt sind, dass zwischen der Einspritzung der Harnstofflösung und dem Auftreffen auf den Katalysator eine Mindestzeitspanne von ca. 0,1 s nicht unterschritten wird. Hierdurch wird eine ausreichende Verdampfung der Harnstofflösung und die Umwandlung desselben zu NH₃ und CO₂ bewirkt. Die zur Einspritzung verwendeten Dosiersysteme basieren je nach Hersteller auf Ein- oder Zweistoffdüsen, wobei die letztgenannten mit Luftunterstützung arbeiten. In beiden Fällen werden idealerweise Tröpfchengrößen von weniger als 0,1 mm erreicht.
Mithilfe der On-Board-Sensorik und -Elektronik wird die Menge an benötigtem Reduktionsmittel an die jeweils vorhandenen Stickstoffoxid-Rohemissionen angepasst, wobei die Einspritzung je nach Applikation nur bei Abgastemperaturen von mehr als 200 bis 230 °C erfolgt. Aufgrund unzureichender Freisetzung des eigentlichen Reduktionsmittels NH₃ ist unterhalb dieses Temperaturbereichs die Einspritzung von Harnstoff derzeit nicht sinnvoll, da es aufgrund der langsamen Verdampfung und des damit einhergehenden Kondensierens des Harnstoffs an der Innenwand der Abgasleitung zur Bildung von Ablagerungen kommen kann. Da diese Ablagerungen, die aus Umwandlungsprodukten des eingespritzten Harnstoffs entstehen können, den freien Querschnitt der Abgasleitungen verkleinern bzw. zumindest die Erzeugung von NH₃ verhindern und den Katalysator belegen und damit deaktivieren können, wird, wie oben angeführt, der Harnstoff erst ab einer bestimmten Temperatur in die Abgasleitung eingespritzt. Als Folge davon können bei niedrigeren Abgastemperaturen keine Stickoxide umgesetzt werden, was das Einhalten von Abgasvorschriften erheblich erschwert.
Gemäß der in der DE 10 2014 214 093 A1 beschriebenen Vorrichtung wird der Zusatzstoff radial oder tangential einem dem Katalysator vorgeschalteten Mischzylinder zugeführt. Innerhalb des Mischzylinders befindet sich ein Luftleitelement, durch das eine ringförmige Strömung innerhalb des Mischzylinders entsteht. Das oben beschriebene Problem hinsichtlich der Ablagerungen wird bei dieser Lösung jedoch lediglich auf das Luftleitelement verlagert und daher nicht beseitigt.
Aus der DE 10 2016 101 191 A1 ist es bekannt, eine Abgasleitung tangential gegenüber einem Gehäuse einer Abgasreinigungseinrichtung anzuordnen. In Strömungsrichtung vor der Einmündung in die Abgasreinigungseinrichtung wird der Zusatzstoff in die Abgasleitung eingespritzt. Dadurch ergibt sich die gleiche Problematik wie oben beschrieben, nämlich dass der Zusatzstoff bei zu niedrigen Temperaturen an der Innenwandung der Abgasleitung verdampft und sich Ablagerungen an derselben ergeben.
Trotz teilweise innovativer Konzepte, die für bestimmte Situationen oder bestimmte Motoren geeignet sind, gibt es keine universelle Lösung zur problemlosen Dosierung des Zusatzstoffes für alle Dieselmotoren bzw. mager betriebenen Otto- und Wasserstoffmotoren. Dies liegt vor allem daran, dass aufgrund der verschiedenen Motorkonfigurationen und Leistungsprofile verschiedene Abgaszusammensetzungs- und Temperaturkennfelder abgedeckt werden müssen, sodass die Systemkonfigurationen der Einspritzung des Zusatzstoffes meist auf die konkreten Bedingungen angepasst sind.
Als alternative Lösung wurde die Substitution des Harnstoffs durch andere NH₃-abspaltende Substanzen, wie etwa Guanidinium-Salze oder Cobalthexaminchlorid, zur On-Board-Produktion von Ammoniak diskutiert. Allerdings wird allgemein die Substitution oder gar Aufgabe der gerade aufgebauten Infrastruktur zur Harnstoff-Versorgung von Autowerkstätten und Tankstellen als sehr problematisch angesehen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors zu schaffen, mit der Ablagerungen des eingespritzten Zusatzstoffs an der Abgasleitung verhindert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß münden also zwei Teilstücke der Abgasleitung im Wesentlichen tangential in denjenigen Abschnitt der Abgasleitung, in dem sich der Katalysator befindet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Abgase an der Innenwandung der Abgasleitung entlang in Form einer Spirale in Richtung des Katalysators strömen. Mit anderen Worten, durch die erfindungsgemäße tangentiale Einleitung des Abgases in die Abgasleitung ergibt sich ein Swirl bzw. Drall der Abgase entlang der Innenwandung der Abgasleitung. Dies verhindert eine Rezirkulation des Abgases hin zu dem sich koaxial befindlichen Einspritzsystem. Durch die koaxiale Einspritzung des Zusatzstoffes wird eine symmetrische Sprayausbreitung erreicht. Durch die spiralförmige Bewegung, welche auch der Zusatzstoff ausführt, hat dieser ausreichend Zeit, um auf dem Weg zu dem Katalysator in die Gasphase überzugehen und sich zu NH₃ umzusetzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verhindert demnach das Entstehen von Ablagerungen an der Innenwandung der Abgasleitung, so dass der Zusatzstoff einen größeren Wirkungsgrad hat und auch bei niedrigeren Abgastemperaturen in die Abgasleitung eingespritzt werden kann. Letztendlich ermöglicht dies die Umsetzung von Stickoxiden bereits bei niedrigeren Abgastemperaturen, was dazu beiträgt, die Stickoxidemissionen von Verbrennungsmotoren deutlich zu verringern, indem die von dem Verbrennungsmotor emittierten Stickoxide mittels des Zusatzstoffs an dem Katalysator wirkungsvoll reduziert werden. Damit wird der Arbeitsbereich des an sich bekannten und bereits in der Praxis eingesetzten SCR-Verfahrens entscheidend zu tiefen Abgastemperaturen hin verschoben und somit dessen Effizienz wesentlich verbessert.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Teilstücke von einem mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Abschnitt der Abgasleitung ausgehen. Dies vereinfacht die Konstruktion der Abgasleitung erheblich, so dass diese problemlos bei den verschiedensten Fahrzeugen und Arbeitsmaschinen eingesetzt werden kann. Eine solche Abgasleitung teilt sich demnach in die beiden Teilstücke auf bzw. verzweigt sich und mündet dann wieder in eine einzige bzw. einstückige Abgasleitung, in der sich der Katalysator befindet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass die Einspritzeinrichtung so in den den Katalysator aufweisenden Abschnitt der Abgasleitung hineinragt, dass zwischen der Wandung des den Katalysator aufweisenden Abschnitts der Abgasleitung und der Einspritzeinrichtung ein Ringraum entsteht, und dass eine Austrittsöffnung der Einspritzeinrichtung stromabwärts des Ringraums in den den Katalysator aufweisenden Abschnitt der Abgasleitung mündet. Auf diese Weise werden die aus den wenigstens zwei Teilstücken in den den Katalysator aufweisenden Abschnitt der Abgasleitung eingeleiteten Abgase noch effektiver an der Innenwandung der Abgasleitung gehalten, was die oben beschriebene Entstehung des Dralls bzw. der Spirale der Abgase unterstützt.
Um die Strömung der Abgase in Richtung des Katalysators und damit in Richtung des Ausgangs der Abgasleitung zu unterstützen, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Teilstücke der Abgasleitung in ihrem in den den Katalysator aufweisenden Abschnitt der Abgasleitung einmündenden Bereich in Strömungsrichtung der Abgase geneigt sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass zumindest der sich in Strömungsrichtung des Abgases an die Einspritzeinrichtung anschließende Teil der Innenwandung der Abgasleitung mit einem Katalysatormaterial auf Titandioxidbasis beschichtet ist. Auf diese Weise können eventuell doch an die Innenwandung der Abgasleitung gelangende Tröpfchen des Zusatzstoffes zur Umsetzung von Stickoxiden beitragen.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zumindest der sich in Strömungsrichtung des Abgases an die Einspritzeinrichtung anschließende Teil der Abgasleitung mittels einer Heizeinrichtung beheizbar ist. Durch eine Beheizung der Abgasleitung wird eine sichere und zuverlässige Umsetzung des Zusatzstoffes in den gewünschten Stoff, im vorliegenden Fall eine Umsetzung von Harnstoff und Stickoxiden in NH₃ und CO₂, erreicht. Dadurch kann auch bei an sich bzw. bei bekannten Verfahren zu niedrigen Abgastemperaturen Zusatzstoff in die Abgasleitung eingespritzt und eine Umsetzung der Stickoxide erreicht werden.
Eine alternative Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 7.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, an die Innenwandung der Abgasleitung gelangende Tröpfchen des Zusatzstoffes zur Umsetzung von Stickoxiden zu nutzen, indem das Katalysatormaterial den Harnstoff zu NH₃ und CO₂ umwandelt. Dadurch ergibt sich ein im Vergleich zu bekannten Lösungen höherer Wirkungsgrad des Zusatzstoffes, wodurch dieser auch bei niedrigeren Abgastemperaturen in die Abgasleitung eingespritzt werden kann. Dadurch können Stickoxide bei niedrigeren Abgastemperaturen umgesetzt werden, was zu einer wesentlichen Verringerung der Stickoxidemissionen von Verbrennungsmotoren beiträgt.
Um eine besonders wirkungsvolle Umsetzung der Stickoxide zu erreichen, kann dabei vorgesehen sein, dass die spezifische Oberfläche des Katalysatormaterials 20 bis 125 m²/g beträgt.
Eine weitere alternative Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 9 angegeben.
Durch die erfindungsgemäße Beheizung der Abgasleitung ergibt sich vorteilhafterweise eine sichere und zuverlässige Umsetzung des Zusatzstoffes in den gewünschten Stoff, im vorliegenden Fall eine Umsetzung von Harnstoff und Stickoxiden in NH₃ und CO₂. Dadurch kann auch bei niedrigeren Abgastemperaturen Zusatzstoff in die Abgasleitung eingespritzt und eine Umsetzung der Stickoxide erreicht werden, was ebenfalls zu einer Verringerung der Stickoxidemissionen von Verbrennungsmotoren beiträgt.
In einer für die Praxis besonders einfach zu realisierenden Ausführungsform kann dabei vorgesehen sein, dass die Heizeinrichtung als die Abgasleitung umhüllende, elektrische Heizmatte ausgebildet ist.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:

1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 einen vergrößerten Schnitt durch die Vorrichtung aus 1, in dem die Strömung der Abgase innerhalb der Abgasleitung dargestellt sind;
3 einen Schnitt nach der Linie III - III aus 2;
4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
5 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors 2. Bei dem Verbrennungsmotor 2 handelt es sich insbesondere um einen Dieselmotor oder um einen mager betriebenen Otto- oder Wasserstoffmotor. Die Vorrichtung 1 dient daher insbesondere zur NO_x-Reduktion in NO_x-haltigen Abgasen, die von dem Verbrennungsmotor 2 ausgegeben werden.
Die Vorrichtung 1 weist eine Abgasleitung 3, eine Einspritzeinrichtung 4 zur Einspritzung eines Zusatzstoffes 5, insbesondere einer Harnstofflösung, in die Abgasleitung 3 und einen Katalysator 6 auf, der in der mit „x“ bezeichneten Strömungsrichtung der Abgase stromabwärts der Einspritzeinrichtung 4 in einem Abschnitt 3a der Abgasleitung 3 angeordnet ist. In Strömungsrichtung x nach dem Katalysator 6 können die Abgase aus der Abgasleitung 3 austreten. Die Abgasleitung 3 weist des Weiteren einen mit dem Verbrennungsmotor 2 verbundenen Abschnitt 3b auf, der auch einen nicht näher bezeichneten Abgaskrümmer umfasst. Selbstverständlich könnte der von dem Verbrennungsmotor 2 ausgehende Abschnitt 3b der Abgasleitung 3 auch in anderer Weise ausgeführt sein.
Der mit dem Verbrennungsmotor 2 verbundene Abschnitt 3b der Abgasleitung 3 teilt sich in zwei Teilstücke 3c und 3d auf, die über eine gewisse Länge die Abgasleitung 3 bilden und damit den mit dem Verbrennungsmotor 2 verbundenen Abschnitt 3b mit dem Abschnitt 3a verbinden, in dem sich der Katalysator 6 befindet. Die Teilstücke 3c und 3d gehen also von dem Abschnitt 3b der Abgasleitung 3 aus und münden, wie in 2 dargestellt, in den Abschnitt 3a derselben.
Wie sich insbesondere aus der Darstellung von 3 ergibt, münden die beiden Teilstücke 3c und 3d der Abgasleitung 3 wenigstens annähernd tangential in den den Katalysator 6 aufweisenden Abschnitt 3a der Abgasleitung 3 ein. Dadurch wird erreicht, dass sich das über die Teilstücke 3c und 3d in die Abgasleitung 3 eingeleitete Abgas wenigstens annähernd in Form einer in 2 mit dem Bezugszeichen 7 bezeichneten Spirale bzw. eines Dralls entlang einer Innenwandung 8 der Abgasleitung 3 bzw. im vorliegenden Fall des Abschnitts 3a in Richtung des Katalysators 6, also in der mit „x“ bezeichneten Strömungsrichtung, bewegt.
Zur Erzeugung dieser spiralförmigen Bewegung der Abgase trägt auch bei, dass die beiden Teilstücke 3c und 3d der Abgasleitung 3 in ihrem in den den Katalysator 6 aufweisenden Abschnitt 3a der Abgasleitung 3 einmündenden Bereich in der Strömungsrichtung x der Abgase geneigt sind. Dadurch wird der sich durch das tangentiale Einmünden der Teilstücke 3c und 3d in den Abschnitt 3a ergebenden kreisförmigen Bewegung der Abgase eine in Strömungsrichtung x gerichtete Bewegung überlagert, die zu der Spirale 7 führt. Gegebenenfalls könnte jedoch auch auf dieses Neigen der Teilstücke 3c und 3d verzichtet werden, da die Abgasströmung aufgrund des Druckgefälles und der sich daraus ergebenden Geschwindigkeit der Abgase ohnehin zu dem Katalysator 6 bzw. zu dem sich in Strömungsrichtung x nach dem Katalysator 6 befindenden Ausgang der Abgasleitung 3 gerichtet ist.
Aus 1 geht des Weiteren hervor, dass die zur Einspritzung des Zusatzstoffs 5 dienende Einspritzeinrichtung 4 so an dem den Katalysator 6 aufweisenden Abschnitt 3a der Abgasleitung 3 angeordnet ist, dass der von der Einspritzeinrichtung 4 eingespritzte Zusatzstoff 5 stromabwärts der Einmündung der wenigstens zwei Teilstücke 3c, 3d und im Wesentlichen zentral in die durch das Abgas gebildete Spirale 7 in die Abgasleitung 3 eingespritzt wird. Mit anderen Worten, der Zusatzstoff 5 wird in den freien Raum eingespritzt, der sich dadurch ergibt, dass sich das Abgas wie oben beschrieben spiralförmig an der Innenwandung 8 der Abgasleitung 3 entlang bewegt. Die Einspritzeinrichtung 4 ist koaxial zu dem den Katalysator 6 aufweisenden Abschnitt 3a der Abgasleitung 3 angeordnet, sodass sich eine koaxiale Einspritzung des Zusatzstoffes 5 in den Abschnitt 3a ergibt, was zu einer symmetrischen Sprayausbreitung führt.
Dabei ragt die Einspritzeinrichtung 4 in den Abschnitt 3a der Abgasleitung 3 hinein und es entsteht zwischen der Innenwandung 8 des Abschnitts 3a und der Einspritzeinrichtung 4 ein Ringraum 9. Durch diesen Ringraum 9 wird die Bildung der Spirale 7 des Abgases unterstützt, da das Abgas nur im Bereich der Innenwandung 8 strömen kann. Die Einspritzeinrichtung 4 bildet dabei den dem Verbrennungsmotor 2 zugerichteten Abschluss des Abschnitts 3a der Abgasleitung 3.
Die Einspritzeinrichtung 4 weist eine Austrittsöffnung 4a auf, die sich stromabwärts des Ringraums 9 in den den Katalysator 6 aufweisenden Abschnitt 3a der Abgasleitung 3 öffnet. Wie in 2 zu erkennen ist, unterstützt dies das Verbleiben des Zusatzstoffs 5 innerhalb des durch die sich entlang der Innenwandung 8 der Abgasleitung 3 bewegenden, durch das Abgas gebildeten Spirale 7 geschaffenen freien Raums, so dass verhindert bzw. zumindest weitgehend verhindert wird, dass der Zusatzstoff 5 an die Innenwandung 8 der Abgasleitung 3 gelangen kann. Durch die oben beschriebene spiralförmige Bewegung der Abgase, welche auch der Zusatzstoff 5 ausführt, da er von den Abgasen mitgerissen wird, hat dieser ausreichend Zeit, um auf dem Weg zu dem Katalysator 6 in die Gasphase überzugehen und sich zu NH₃ umzusetzen. Durch die spiralförmige Bewegung des Zusatzstoffes 5 kann ein Absetzen desselben an der Innenwandung 8 der Abgasleitung 3 verhindert werden, auch wenn einzelne Tröpfchen des Zusatzstoffes 5 mit der Innenwandung 8 in Berührung kommen sollten.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt. Dabei ist zumindest der sich in Strömungsrichtung x des Abgases an die Einspritzeinrichtung 4 anschließende Teil der Innenwandung 8 der Abgasleitung 3, in diesem Fall des Abschnitts 3a derselben, mit einem Katalysatormaterial 10 auf Titandioxidbasis beschichtet. Durch das Katalysatormaterial 10 wird der eingespritzte Zusatzstoff 5, insbesondere also die Harnstofflösung, zersetzt. Dadurch werden eventuell an die Innenwandung 8 der Abgasleitung 3 gelangende Tröpfchen des Zusatzstoffs 5 verwendet, um zur Umsetzung der Stickoxide innerhalb des Abgases beizutragen. Das das Katalysatormaterial 10 bildende Titandioxid liegt vorzugsweise in der Anatas-Modifikation vor. Vorzugsweise beträgt die spezifische Oberfläche des Katalysatormaterials 10 20 bis 125 m²/g.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann mit derjenigen gemäß der 1, 2 und 3 kombiniert werden. Es ist jedoch auch möglich, die Ausführungsform von 4 ohne die spezielle Ausführungsform der 1, 2 und 3 einzusetzen.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1. Dabei ist zumindest der sich in Strömungsrichtung x des Abgases an die Einspritzeinrichtung 4 anschließende Teil der Abgasleitung 3 mittels einer Heizeinrichtung 11 beheizbar. Im vorliegenden Fall ist die Heizeinrichtung 11 als die Abgasleitung 3 umhüllende Heizmatte ausgebildet. Die Heizeinrichtung 11 bzw. in diesem Fall die Heizmatte kann beispielsweise elektrisch beheizt werden. Die Versorgung der Heizeinrichtung 11 kann beispielsweise von einer Batterie eines mit der Vorrichtung 1 ausgestatteten Fahrzeugs bzw. Arbeitsmaschine bzw. Geräts erfolgen.
Die in 5 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann mit derjenigen gemäß der 1, 2 und 3 und/oder derjenigen gemäß 4 kombiniert werden. Es ist jedoch auch möglich, die Ausführungsform von 5 ohne die spezielle Ausführungsform der 1 - 4 einzusetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0666099 B1 [0003]
EP 0960649 B1 [0005]
EP 0763380 A1 [0007]
DE 102010040808 A1 [0012]
DE 112006003078 T5 [0013]
WO 2007/020035 A1 [0014, 0015]
EP 1475149 A1 [0016]
DE 10216748 A1 [0018]
DE 4436890 A1 [0019]
DE 102014214093 A1 [0023]
DE 102016101191 A1 [0024]

Claims

Vorrichtung (1) zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (2), insbesondere zur NO_x-Reduktion in NO_x-haltigen Abgasen, mit einer Abgasleitung (3), mit einer Einspritzeinrichtung (4) zur Einspritzung eines Zusatzstoffes (5) in die Abgasleitung (3), und mit einem in Strömungsrichtung (x) der Abgase stromabwärts der Einspritzeinrichtung (4) in einem Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) angeordneten Katalysator (6), dadurch gekennzeichnet, dass in den den Katalysator (6) aufweisenden Abschnitt (3b) der Abgasleitung (3) wenigstens zwei Teilstücke (3c,3d) der Abgasleitung (3) derart wenigstens annähernd tangential einmünden, dass sich das eingeleitete Abgas wenigstens annähernd in Form einer Spirale (7) entlang einer Innenwandung (8) der Abgasleitung (3) in Richtung des Katalysators (6) bewegt, und dass die Einspritzeinrichtung (4) so an dem den Katalysator (6) aufweisenden Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) angeordnet ist, dass der von der Einspritzeinrichtung (4) eingespritzte Zusatzstoff (5) stromabwärts der Einmündung der wenigstens zwei Teilstücke (3c,3d) und im Wesentlichen zentral in die durch das Abgas gebildete Spirale (7) in die Abgasleitung (3) eingespritzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Teilstücke (3c,3d) von einem mit dem Verbrennungsmotor (2) verbundenen Abschnitt (3b) der Abgasleitung (4) ausgehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzeinrichtung (4) so in den den Katalysator (6) aufweisenden Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) hineinragt, dass zwischen der Innenwandung (8) des den Katalysator (6) aufweisenden Abschnitts (3a) der Abgasleitung (3) und der Einspritzeinrichtung (4) ein Ringraum (9) entsteht, und dass eine Austrittsöffnung (4a) der Einspritzeinrichtung (4) stromabwärts des Ringraums (9) in den den Katalysator (6) aufweisenden Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Teilstücke (3c,3d) der Abgasleitung (3) in ihrem in den den Katalysator (6) aufweisenden Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) einmündenden Bereich in Strömungsrichtung (x) der Abgase geneigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der sich in Strömungsrichtung (x) des Abgases an die Einspritzeinrichtung (4) anschließende Teil der Innenwandung (8) der Abgasleitung (3) mit einem Katalysatormaterial (10) auf Titandioxidbasis beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der sich in Strömungsrichtung (x) des Abgases an die Einspritzeinrichtung (4) anschließende Teil der Abgasleitung (3) mittels einer Heizeinrichtung (11) beheizbar ist.
Vorrichtung (1) zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (2), insbesondere zur NO_x-Reduktion in NO_x-haltigen Abgasen, mit einer Abgasleitung (3), mit einer Einspritzeinrichtung (4) zur Einspritzung eines Zusatzstoffes (5) in die Abgasleitung (3), und mit einem in Strömungsrichtung (x) der Abgase stromabwärts der Einspritzeinrichtung (4) in einem Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) angeordneten Katalysator (6), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der sich in Strömungsrichtung (x) des Abgases an die Einspritzeinrichtung (4) anschließende Teil der Innenwandung (8) der Abgasleitung (3) mit einem Katalysatormaterial (10) auf Titandioxidbasis beschichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Oberfläche des Katalysatormaterials (10) 20 bis 125 m²/g beträgt.
Vorrichtung (1) zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (2), insbesondere zur NO_x-Reduktion in NO_x-haltigen Abgasen, mit einer Abgasleitung (3), mit einer Einspritzeinrichtung (4) zur Einspritzung eines Zusatzstoffes (5) in die Abgasleitung (3), und mit einem in Strömungsrichtung (x) der Abgase stromabwärts der Einspritzeinrichtung (4) in einem Abschnitt (3a) der Abgasleitung (3) angeordneten Katalysator (6), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der sich in Strömungsrichtung (x) des Abgases an die Einspritzeinrichtung (4) anschließende Teil der Abgasleitung (3) mittels einer Heizeinrichtung (11) beheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (11) als die Abgasleitung (3) umhüllende, elektrische Heizmatte ausgebildet ist.