DE102019102343A1

DE102019102343A1 - ABGAS-NOx-REDUZIERUNG DURCH VERWENDUNG EINER VERBESSERTEN DEF

Info

Publication number: DE102019102343A1
Application number: DE102019102343.2A
Authority: DE
Inventors: Bradley Jay Adelman; Darren Gosbee; Navtej Singh
Original assignee: Int Eng Ip Co LLC; International Engine Intellectual Property Co LLC
Current assignee: Int Eng Ip Co LLC; International Engine Intellectual Property Co LLC
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2019-08-01
Also published as: CN110094247A; CN110094247B; US20190234283A1

Abstract

Nicht-verbesserte DEF und wasserfreies festes Reduktionsmittel, das zur Bildung von Ammoniak fähig ist, werden gemischt, um verbesserte DEF zu erzeugen, die in ein Motorabgas-Nachbehandlungssystem eingespritzt wird, das eine selektive katalytische Reduktion (SCR) von Motorabgas ausführt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden (NOx) in Abgas „aus dem Motor“ durch Einspritzen einer Dieselabgasflüssigkeit (DEF), die in einem DEF-Speichertank an Bord eines Fahrzeugs bevorratet ist, in ein Motorabgas-Nachbehandlungssystem.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine Technologie für die Nachbehandlung von Dieselmotorabgas verwendet SCR, um bekannte chemische Reaktionen zu ermöglichen, die NOx in Stickstoff (N2) und Wasser (H₂0) umwandeln, zwei Bestandteile, die in der Erdatmosphäre reichlich anzutreffen sind. Eine Reaktion kann auftreten zwischen nur zwei Reaktionspartnern: 1) Ammoniak (NH₃), das an Oberflächenstellen eines SCR-Katalysators gespeichert ist, und NOx im Abgas; oder 2) jene zwei Reaktionspartner und ein zusätzlicher Reaktionspartner, Sauerstoff (O₂), falls letzterer ebenfalls im Abgas vorhanden ist. Ammoniakmoleküle reduzieren NOx durch die folgenden bekannten chemischen Reaktionen: 4 NO + 4 NH₃ + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂0 NO + NO₂ + 2 NH₃ → 2 N₂ + 3 H₂0 6 NO₂ + 8 NH₃ → 7 N₂ + 12 H₂0
Um die Einhaltung der geltenden Auspuffendrohrabgas-Emissionsstandards zu erzielen, verwenden aktuelle mit Dieselmotoren angetriebene Fahrzeuge gewöhnlich eine DEF (in bestimmten geographischen Regionen auch unter anderen Namen wie beispielsweise AdBlue und AUS325 bekannt), eine Flüssigmischung von 32,5 Gew.-% Harnstoff gelöst in 67,5 Gew.-% deionisiertem Wasser.
DEF ist in einem DEF-Speichertank an Bord eines Fahrzeugs bevorratet. Der DEF-Speichertank ist in der Regel dem Wetter ausgesetzt, und die DEF im Tank wird gefrieren, wenn die Außentemperatur unter den DEF-Gefrierpunkt fällt und der Motor über einen längeren Zeitraum nicht arbeitet. Die spezifische 32,5-%/67,5-%-DEF-Formulierung liefert eine DEF mit einer eutektischen Konzentration, bei der Harnstoff und Wasser bei der gleichen Temperatur gefrieren/auftauen, nämlich -12 °C (10 °F). In Mischungen mit Harnstoffkonzentrationen von mehr als 32,5 % gefriert Harnstoff, jedoch nicht Wasser, bei Temperaturen, die sich von der Temperatur unterscheiden, bei der die 32,5-%/67,5-%-Konzentration gefriert, und in Mischungen mit Harnstoffkonzentrationen von weniger als 32,5 % gefriert Wasser, jedoch nicht Harnstoff, bei Temperaturen, die sich von der Temperatur unterscheidet, bei der die 32,5-%/67,5-% gefriert.
Harnstoffkonzentrationen von mehr als 32,5 Gew.-% würden die Möglichkeit von mehr Ammoniak für die NOx-Reduzierung pro Volumeneinheit DEF liefern, es wird jedoch die 32,5-%/67,5-%-Standardlösung verwendet, um die Bildung von entweder Eiskristallen oder Harnstoffkristallen in flüssiger DEF zu vermeiden, wobei diese Bedingungen einen nachteiligen Effekt auf die Fähigkeit eines DEF-Einspritzsystems haben könnten, DEF in geeigneter Flüssigkeitsmenge und/oder mit der 32,5-%-Harnstoffkonzentration einzuspritzen.
Während der Wasserbestandteil der DEF ein flüssiges Medium bereitstellt, in dem sich Harnstoff leicht löst, muss das Wasser durch Wärme des Motorabgases verdampft werden, um Harnstoff freizugeben, und der Harnstoff benötigt Wärme des Motorabgases, um zu Ammoniak zu zerfallen, so dass Ammoniakmoleküle an katalytischen Stellen der Oberflächenbeschichtung („washcoat“) eines SCR-Katalysators in dem Nachbehandlungssystem anhaften können und verfügbar werden, um NOx im Abgas, das über jene Oberflächen strömt, durch katalytische Umwandlung zu N₂ und H₂0 zu reduzieren.
Die Mengen an DEF, die in das Nachbehandlungssystem eingespritzt werden, werden in Relation zum Motorbetrieb und zur Motorabgastemperatur gesteuert, um sowohl Ammoniakschlupf als auch die Bildung von Ablagerungen auf Oberflächen des Abgassystems abzuschwächen. Das Strömen von eingespritzter DEF und Motorabgas durch einen Mischer kann die Bildung von Ablagerungen bis zu einem gewissen Grad abschwächen, indem die Umwandlung von DEF in das gewünschte Reduktionsmittel, Ammoniak, verbessert wird, aber eine geeignete Weglänge für die Strömung durch einen Mischer kann durch den verfügbaren Bauraum für das Nachbehandlungssystem in einem speziellen Fahrzeug beschränkt sein, oder ein Mischer kann einen unerwünschten einschränkenden Effekt auf den Abgasstrom haben. Während Vorgänge der Nachbehandlungsregeneration Ablagerungen zerlegen oder diese durch Reaktion entfernen werden, kann eine häufigere Verwendung von derartigen Vorgängen zum Abschwächen der Bildung von Ablagerungen die Kraftstoffeffizienz und die Lebensdauer des Abgassystems reduzieren. Falls Ammoniakschlupf nicht auf weniger als eine vorbestimmte Auspuffendrohr-Menge von Ammoniak begrenzt werden kann, kann ein Ammoniakschlupf-Katalysator stromabwärts eines SCR-Katalysators mit zusätzlichen Kosten für ein Nachbehandlungssystem erforderlich sein.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Diese Erfindung stellt Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von „verbesserter“ DEF an Bord eines motorgetriebenen Fahrzeugs durch Mischen eines wasserfreien Ammoniak-bildenden, wasserlöslichen festen Reduktionsmittels (beispielsweise Harnstoff) mit Standard-DEF mit einer 32,5-%-Harnstoffkonzentration vor, um eine Lösung mit größerer Reduktionsmittel-Konzentration zu erzeugen, die dann in ein Motorabgas-Nachbehandlungssystem eingespritzt wird, wo Stickoxide (NOx) in dem Abgas durch eine katalytische Reaktion mit Ammoniak (NH₃), das durch Abgaswärme aus der Lösung freigesetzt wird, in Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂0) umgewandelt werden. Standard-DEF und „nicht-verbesserte DEF“ werden hier austauschbar so verwendet, dass DEF mit 32,5 %/67,5 % Harnstoff/Wasser gemeint ist, während“ verbesserte DEF“ eine Lösung bedeutet, die mehr als 32,5 % Harnstoff aufweist.
Verbesserte DEF weist einen kleineren prozentualen Anteil an Wasserkomponente pro Volumeneinheit der Lösung auf als Standard-DEF und erfordert daher eine kleinere Menge an Motorabgaswärme pro Volumeneinheit der verbesserten DEF-Lösung, um die Wasserkomponente zu verdampfen. Dieser Unterschied an Wärme kann dazu verwendet werden, einen Teil der erhöhten Harnstoffkomponente in Ammoniak umzuwandeln, während der Rest der Harnstoffkomponente durch zusätzliche Wärme vom Motorabgas umgewandelt wird.
Da verbesserte DEF eine erhöhte Motorabgas-NOx-Reduzierung pro Volumeneinheit an Flüssigkeit im Vergleich zu Standard-DEF liefert, kann ein Motor, der verbesserte DEF verwendet, mit höheren Temperaturen arbeiten, die das Motorabgas-NOx erhöhen, die jedoch auch eine größere Betriebseffizienz ermöglichen als der gleiche Motor unter Verwendung von Standard-DEF, während die Einhaltung der gleichen einschlägigen Auspuffendrohrabgas-NOx-Emissionskriterien beibehalten wird, wie wenn der Motor Standard-DEF verwendet.
Ein Speicher für sekundäres Reduktionsmittel enthält festen, wasserfreien Harnstoff oder ein ähnliches wasserfreies festes Reduktionsmittel, das zur Bildung von Ammoniak in der Lage ist (beispielsweise Ammoniumcarbamat). Eine Motorsteuereinheit (ECU) steuert die Menge an festem Reduktionsmittel und die Menge an DEF aus dem DEF-Speichertank, die zusammengemischt werden, um „verbesserte DEF“ erzeugen, eine Lösung mit mehr als 32,5 Gew.-% Harnstoff und weniger als 67,5 Gew.-% Wasser. Ein Reduktionsmittel-Einspritzsystem spritzt DEF, entweder verbessert oder nicht-verbessert, in Mengen ein, die von einem DEF-Versorgungsmodul gesteuert werden.
Die ECU überwacht den Motorbetrieb und steuert die Anteile von festem Reduktionsmittel und Standard-DEF, um ungelöste Feststoffe in der Mischung zu vermeiden und eine gewünschte Harnstoffkonzentration zu erzeugen, die geeignet dafür ist, dass der Motor so arbeitet, dass das Auspuffendrohrabgas-NOx die einschlägigen Auspuffendrohrabgas-NOx-Emissionskriterien einhält, während sowohl Ammoniakschlupf als auch die Bildung von Ablagerungen auf den Oberflächen des Nachbehandlungssystems abgeschwächt werden.
Ein allgemeiner Aspekt des beanspruchten Gegenstands betrifft ein Kraftfahrzeug, das von einem Dieselmotor angetrieben wird, der ein Abgasnachbehandlungssystem aufweist, das einen Abgasstromweg mit einem Eingang, durch den Motorabgas-Dieselabgas eintritt, und mit einem Ausgang, durch den behandeltes Dieselabgas austritt, umfasst. Ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) behandelt Motorabgas. Ein Dieselpartikelfilter (DPF) behandelt den Abgasstrom aus dem DOC, und ein Haupt-SCR-Katalysator weist Oberflächen auf, die katalytisches Material enthalten, über das der Abgasstrom aus dem DPF strömt.
Ein Dieselabgasflüssigkeits (DEF)-Speichertank enthält nicht-verbesserte DEF, und ein Speicher für sekundäres Reduktionsmittel enthält wasserfreies festes Reduktionsmittel, das zur Bildung von Ammoniak fähig ist. Wasserfreies festes Reduktionsmittel und nicht-verbesserte DEF mischen sich in einer Mischzone, um verbesserte DEF zu erzeugen, und eine DEF-Einspritzdüse spritzt verbesserte DEF ein, die mit dem Abgasstrom aus dem DPF mitgenommen wird, um eine katalytische Reduktion von NOx im Abgasstrom über dem katalytischen Material des Haupt-SCR-Katalysators zu ermöglichen.
Ein weiterer allgemeiner Aspekt des beanspruchten Gegenstands betrifft das soeben beschriebene Dieselabgasnachbehandlungssystem.
Ein weiterer allgemeiner Aspekt des beanspruchten Gegenstands betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von verbesserter DEF.
Der vorstehende Überblick wird ergänzt durch weitere Einzelheiten der in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung angegebenen Offenbarung unter Bezug auf die anschließenden Zeichnungen, die Teil der Offenbarung sind.
Figurenliste

1 zeigt ein Kraftfahrzeug, das von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird.
2 ist ein allgemeines schematisches Diagramm des Motors, das Einzelheiten seines Abgasnachbehandlungssystems zeigt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine erste Ausführungsform eines Teils des Abgasnachbehandlungssystems darstellt.
4 ist ein schematisches Diagramm, das eine zweite Ausführungsform eines Teils des Abgasnachbehandlungssystems darstellt.
5 ist ein schematisches Diagramm, das eine dritte Ausführungsform eines Teils des Abgasnachbehandlungssystems darstellt.
6 ist ein schematisches Diagramm, das eine vierte Ausführungsform eines Teils des Abgasnachbehandlungssystems darstellt.
7 ist ein schematisches Diagramm, das eine fünfte Ausführungsform eines Teils des Abgasnachbehandlungssystems darstellt.
8 ist ein schematisches Diagramm, das eine sechste Ausführungsform eines Teils des Abgasnachbehandlungssystems darstellt.
9 ist ein schematisches Diagramm, das eine siebte Ausführungsform eines Teils des Abgasnachbehandlungssystems darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt einen Lastkraftwagen 10, wie beispielsweise ein Zugfahrzeug für den Fernverkehr, mit einem Fahrgestell 12 und einem Führerhaus 14, das auf einem Rahmen des Fahrgestells 12 gelagert ist, das außerdem einen Kraftstoff verbrauchenden Motor 16 eines Antriebsstrangs 18 lagert. Der Motor 16 wirkt über eine Gelenkwelle des Antriebsstrangs 18, um Räder 20 anzutreiben, die den Lastkraftwagen auf Land fortbewegen.
2 zeigt den Motor 16, der ein Motoransaugsystem 22 zum Transportieren von Luft zu Fahrzeugzylindern 24 aufweist, in die Kraftstoff eingespritzt wird und in denen eingespritzter Kraftstoff verbrannt wird, um den Motor zu betreiben. Ein Motorabgassystem 26 transportiert Abgas, das aus der Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern 24 stammt, in die Umgebungsatmosphäre. Das Abgassystem 26 umfasst ein Nachbehandlungssystem 28 zum Behandeln von Abgas „aus dem Motor“, bevor das Abgas durch ein Auspuffendrohr 30 in die Umgebungsatmosphäre gelangt.
Der Motor 16 ist repräsentativ für einen Dieselmotor mit Turboaufladung, der einen Turbolader 32 mit einer Turbine 34 aufweist, die von Motorabgas betätigt wird, bevor das Abgas in das Nachbehandlungssystem 28 eintritt. Die Turbine 34 betätigt einen Kompressor 36, um aus dem Ansaugsystem 22 Ladeluft zu erzeugen, die in die Zylinder 24 eintritt. Andere Komponenten, die zu dieser Art von Motor gehören, wie beispielsweise ein Ladeluftkühler, sind in der Zeichnung nicht gezeigt.
Ein Motor-Controller umfasst eine prozessorbasierte Motorsteuereinheit (ECU) 38, die verschiedene Aspekte des Betriebs des Motors steuert, wie beispielsweise die Einspritzung von Kraftstoff in die Motorzylinder 24. Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und anderer Funktionen wird durch Verarbeiten verschiedener eingegebener Daten ausgeführt, um Steuerdaten zum Steuern jener Funktionen zu entwickeln.
Das Abgasnachbehandlungssystem 28 weist gemäß Darstellung in 2 eine Anordnung auf, die das Abgas zwangsweise durchlaufen muss, bevor es aus dem Abgassystem 26 austritt. Es versteht sich, dass verschiedene Komponenten der dargestellten Anordnung eher schematisch und nicht als tatsächliche Komponenten dargestellt sind, von denen viele bei Nachbehandlungssystemen wohlbekannt sind. Das Nachbehandlungssystem 28 umfasst eine Umhüllung 40, die einen Abgasströmungsweg zwischen einem Abgaseingang 42 an einem zulaufseitigen Ende und einem Ablassausgang 44 an einem auslaufseitigen Ende bildet. Pfeile 46 bezeichnen eine Richtung des Gasstroms in der, durch die und aus dem Inneren der Umhüllung 40 heraus. Der Abgasstrom muss zwangsweise nacheinander Oberflächen eines Dieseloxidationskatalysators (DOC), durch einen Dieselpartikelfilter (DPF) 50, Oberflächen eines Haupt-SCR-Katalysators 52 und Oberflächen eines Ammoniakschlupf (AMOX)-Katalysators 54 passieren.
Der DOC 48 behandelt Motorabgas durch Entfernen bestimmten mitgeführten Materials wie beispielsweise des löslichen organischen Anteils von Dieselfeststoffen. Der DPF 50 entfernt mitgeführten Ruß aus dem Abgas. Falls die Abgastemperatur erhöht werden muss, um eingefangenen Ruß abzubrennen (d.h. Regeneration), können brennbare Kohlenwasserstoffe, die als Dieselkraftstoff von einem Fahrzeugkraftstofftank erhalten werden können, über eine Brennstoffeinspritzdüse (nicht gezeigt) vor dem DOC 48 in das Abgas eingebracht werden. Der Haupt-SCR-Katalysator 52 behandelt Motorabgas durch Reduzieren von NOx gemäß den vorgenannten chemischen Reaktionen. Während beliebiges katalytisches Material verwendet werden kann, das DPF-Regenerationstemperaturen widerstehen kann, denen der Haupt-SCR-Katalysator während DPF-Regenerationen in welcher Höhe auch immer ausgesetzt ist, sind Eisen-Zeolith und Kupfer-Zeolith Beispiele von Katalysatormaterialien, die für den Haupt-SCR-Katalysator 52 geeignet sind. Der Ammoniakschlupf-Katalysator 54 ist nach dem Haupt-SCR-Katalysator 52 angeordnet, um allen Ammoniak, der Letzteren verlässt, in Stickstoff und Wasserdampf umzuwandeln.
Zwischen dem DPF 50 und dem SCR 52 muss der Abgasstrom eine Mischzone mit einem Mischer 56 durchlaufen, der das Mischen von Abgas mit DEF fördert, die über eine DEF-Einspritzdüse 58 eingespritzt wird, um sich mit dem Abgasstrom zu mischen und mit ihm mitgeführt zu werden, bevor der Strom den Haupt-SCR-Katalysator 52 erreicht. Ein Beispiel eines Mischers 56 ist ein statischer Mischer, der zwischen der DEF-Einspritzdüse 58 und dem Haupt-SCR-Katalysator 52 angeordnet ist und eine weite Verteilung von DEF innerhalb des Abgasstroms fördert, bevor der Strom den Haupt-SCR-Katalysator 52 erreicht. Thermische Energie in dem Abgasstrom verdampft die DEF-Wasserkomponente und zersetzt die DEF-Harnstoffkomponente, um freie Ammoniakmoleküle zu bilden, die sich an die katalytischen Oberflächenstellen des Haupt-SCR-Katalysators 52 anlegen, wenn ein Metall-ausgetauschter Zeolith verwendet wird.
Die Umhüllung 40 kann an einer Rahmenschiene des Fahrgestells 12 montiert sein, oder alternativ können die verschiedenen Komponenten des Nachbehandlungssystems 28 in einzelnen Umhüllungen aufgenommen sein, die durch Rohre verbunden sind.
Standard-DEF ist in einem DEF-Speichertank 60 gespeichert, der typischerweise am Lastkraftwagen 10 an einer Stelle montiert ist, die Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist, die, falls sie niedrig genug sind, die DEF im DEF-Speichertank gefrieren lassen. Wenn sie nicht gefroren ist, wird die Standard-DEF von einer Pumpe 62 über eine Versorgungsleitung 64 aus dem DEF-Speichertank 60 gesaugt und zu einem DEF-Versorgungsmodul 66 geliefert, das unter Steuerung der ECU 38 eine kontrollierte Menge an DEF durch eine Lieferleitung 68 an die DEF-Einspritzdüse 58 liefert. Die gepumpte DEF, die die Menge an DEF übersteigt, die an die DEF-Einspritzdüse 58 geliefert wird, kehrt durch eine Rückführungsleitung 70 von dem DEF-Versorgungsmodul 66 zum DEF-Speichertank 60 zurück. Ein Speicher 72 für sekundäres Reduktionsmittel enthält wasserfreien festen Harnstoff oder ein ähnliches wasserfreies festes Reduktionsmittel, das Ammoniak (beispielsweise Ammoniumcarbamat) bilden kann. Festes Reduktionsmittelmaterial aus dem Speicher 72 wird mit Standard-DEF aus dem DEF-Speichertank 60 gemischt (was allgemein durch einen Mischer 73 dargestellt ist), um verbesserte DEF zu erzeugen.
Die ECU 38 überwacht den Betrieb des Motors 16 und steuert die Proportionen des sekundären festen Reduktionsmittels und der DEF, die gemischt werden, um eine gewünschte Harnstoffkonzentration für eine verbesserte DEF zu bilden, die geeignet dafür ist, dass der Motor 16 so arbeitet, dass ermöglicht wird, dass das Auspuffendrohrabgas NOx die einschlägigen Auspuffendrohrabgas-NOx-Emissionskriterien erfüllt, während sowohl die Bildung von Ablagerungen auf Oberflächen des Nachbehandlungssystems 28 als auch das Auftreten von Ammoniakschlupf abgeschwächt werden. Die ECU 38 steuert sowohl die Zeitabfolge als auch die Menge an sekundärem Reduktionsmittel, das mit Standard-DEF gemischt wird, und sie kann zeitweise die Menge an zugesetztem sekundärem Reduktionsmittel begrenzen, um sicherzustellen, dass das gesamte sekundäre Reduktionsmittel in der verbesserten DEF gelöst wird, die gerade eingespritzt wird.
Die Steuerung des Einspritzens von nicht-verbesserter DEF kann unter Verwendung bekannter Strategien ausgeführt werden, wie beispielsweise durch Ausführen von Messungen von NOx-Sensoren (nicht gezeigt), um eine NOx-Reduzierungsmenge zu berechnen, und durch Verwendung jener Messungen, um die Menge an nicht-verbesserter DEF zu steuern, wie sie gerade eingespritzt wird, so dass die berechnete NOx-Reduzierungsmenge ein NOx-Reduzierungsmengenziel erreicht, was für das Erfüllen der einschlägigen NOx-Emissionskriterien sorgt.
Die Steuerung des Einspritzens von verbesserter DEF kann ebenfalls unter Verwendung bekannter Strategien ausgeführt werden, wie beispielsweise durch Ausführen von Messungen von NOx-Sensoren (nicht gezeigt), um eine NOx-Reduzierungsmenge zu berechnen, und durch Verwendung jener Messungen, um sowohl die Harnstoffkonzentration der einzuspritzenden verbesserten DEF als auch die Menge an verbesserter DEF, wie sie gerade eingespritzt wird, zu steuern, so dass die berechnete NOx-Reduzierungsmenge ein NOx-Reduzierungsmengenziel erreicht, was für das Erfüllen der einschlägigen NOx-Emissionskriterien sorgt.
3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Mischanlage 74 zum Erzeugen von verbesserter DEF. Die Mischanlage 74 umfasst einen Speicher 72 für ein sekundäres Reaktionsmittel, der eine Vielzahl von Prillen bzw. Granalien 78 aus sekundärem Reaktionsmittel enthält, und eine Mischzone 80, in der sich Granalien 78 und Standard-DEF mischen, um verbesserte DEF zu erzeugen. Eine Granalie umfasst eine Harnstoffkugel mit einem Durchmesser von ungefähr 1,65 mm. Obwohl andere Formen von festem Harnstoff verwendet werden können, liefert die Verwendung von Granalien bekannter Größe einen geeigneten Weg, die Menge des mit der nicht-verbesserten DEF gemischten Harnstoffs exakt zu messen, um verbesserte DEF zu erzeugen.
Die Mischzone 80 umfasst einen Innenraum einer Mischkammer. Granalien 78 werden durch einen von einem Elektromotor 84 angetriebenen Schneckenförderer 82 von dem Speicher 76 in den Innenraum der Mischkammer transportiert. Die Geschwindigkeit, mit der der Förderer 82 arbeitet, bestimmt die Rate, mit der Granalien 78 zu der nicht-verbesserten DEF hinzugefügt werden, und daher ist die Steuerung der Förderergeschwindigkeit ein Faktor beim Steuern der Harnstoffkonzentration der verbesserten DEF. Die Menge der in den Innenraum der Mischkammer eintretenden nicht-verbesserten DEF ist ein weiterer Faktor.
Der Eintritt der nicht-verbesserten DEF in die Mischkammer wird durch ein erstes Dreiwegeventil 86 gesteuert, und der Strom der verbesserten DEF aus dem Innenraum der Mischkammer wird durch ein zweites Dreiwegeventil 88 gesteuert. Die Ventile 86, 88 können selektiv in einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand eingestellt werden. Die ECU 38 steuert, ob verbesserte oder nicht-verbesserte DEF an die DEF-Einspritzdüse 58 geliefert wird, indem sie die Ventile 86 und 88 steuert.
Der erste Zustand leitet nicht-verbesserte DEF vom DEF-Versorgungsmodul 66 in den Innenraum der Mischkammer zum Mischen mit Granalien 78, um verbesserte DEF zu erzeugen, und ermöglicht es, dass verbesserte DEF von der Mischkammer zur DEF-Einspritzdüse 58 geliefert wird, während er gleichzeitig verhindert, dass nicht-verbesserte DEF an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird. Der zweite Zustand verhindert, dass nicht-verbesserte DEF vom DEF-Versorgungsmodul 66 in den Innenraum der Mischkammer geleitet wird, und ermöglicht es, dass nicht-verbesserte DEF vom DEF-Versorgungsmodul zur DEF-Einspritzdüse 58 geliefert wird, während er gleichzeitig verhindert, dass verbesserte DEF in der Mischkammer an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird.
Wenn die Ventile 86, 88 gerade ermöglichen, dass verbesserte DEF an die DEF-Einspritzdüse 58 geliefert wird, wird deren Harnstoffkonzentration durch die Geschwindigkeit des Förderers 82 und die Menge an gerade aus dem DEF-Versorgungsmodul 66 in die Mischzone 80 gelieferter nicht-verbesserter DEF gesteuert.
Wenn das Ventil 86 gerade ermöglicht, dass weiterhin nicht-verbesserte DEF durch die Lieferleitung 68 zum Ventil 88 strömt, während es einen Strom von nicht-verbesserter DEF in die Mischzone 80 unterbindet, und das Ventil 88 gerade den Strom von verbesserter DEF aus der Mischzone 80 heraus unterbindet, während es den Strom von nicht-verbesserter DEF vom Ventil 86 her durch die DEF-Einspritzdüse 58 weiterhin ermöglicht, spritzt die DEF-Einspritzdüse 58 nicht-verbesserte DEF ein. Der Schneckenförderer 82 ist ebenfalls gestoppt.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Mischanlage 90 zum Erzeugen von verbesserter DEF. In allen wesentlichen Aspekten hinsichtlich Aufbau und Betrieb ist die Mischanlage 90 ähnlich wie die Mischanlage 74, jedoch umfasst sie zusätzlich einen ersten Heizer 92 und einen zweiten Heizer 94, von denen jeder elektrisch betrieben ist. Der erste Heizer 92 ist angeordnet, um zu beginnen, Granalien 78 zu erwärmen, wenn sie sich der Mischzone 80 nähern, während der zweite Heizer Granalien 78 und DEF innerhalb der Mischzone 80 erwärmt. Jeder Heizer wird unabhängig von der ECU 38 so gesteuert, dass er bei seiner eigenen ausgewählten Temperatur während seiner eigenen ausgewählten Zeitdauer arbeitet. Das Erwärmen bzw. Erhitzen von Granalien an einer Stelle, die von der Stelle beabstandet ist, an der die Granalien in den Förderer 82 eintreten, gewährleistet die Genauigkeit der Menge an Harnstoff, der mit nicht-verbesserter DEF gemischt wird.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Mischanlage 96 zum Erzeugen von verbesserter DEF. In allen wesentlichen Aspekten hinsichtlich Aufbau und Betrieb ist die Mischanlage 90 ähnlich wie die Mischanlage 74, jedoch umfasst sie zusätzlich einen Rührer 98 zum Rühren des Gemenges aus Granalien und nicht-verbesserter DEF in der Mischzone 80. Der Rührer 98 wird von einem durch die ECU 38 gesteuerten Elektromotor 100 betätigt.
6 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Mischanlage 102 zum Erzeugen von verbesserter DEF. In allen wesentlichen Aspekten hinsichtlich Aufbau und Betrieb ist die Mischanlage 102 ähnlich wie die Mischanlage 74, jedoch kombiniert sie die Heizer 92, 94 der zweiten Ausführungsform mit dem Rührer 98 und dem Elektromotor 100 der dritten Ausführungsform.
7 zeigt eine fünfte Ausführungsform zum Mischen von nicht-verbesserter DEF und von wasserfreiem festem Reduktionsmittel, um verbesserte DEF zu erzeugen. Granalien 78 werden vom Schneckenförderer 82 aus dem Speicher 76 direkt in die Lieferleitung 68 transportiert, damit sie mit der zur DEF-Einspritzdüse 58 fließenden nicht-verbesserten DEF aus dem DEF-Versorgungsmodul 66 gemischt werden. Daher befindet sich die Mischzone in der Lieferleitung 68 und nicht in einer eigenen Mischzone außerhalb der Lieferleitung 68. Ein Heizer 92 ist so angeordnet, dass er die Granalien 78 aufheizt bzw. erwärmt, bevor sie in die Lieferleitung 68 eintreten.
8 zeigt eine sechste Ausführungsform einer Mischanlage 104, die mit Ausnahme der Ventilanordnung gleich ist wie die Mischanlage 74. Ein Absperrventil 106 und ein Zweiwege-Richtungssteuerventil 108 werden von einer ECU 38 gesteuert. 8 zeigt den zweiten Zustand, wie früher für die 3 bis 6 beschrieben, jedoch nun mit dem Absperrventil 106, das einen Strom von nicht-verbesserter DEF in die Mischzone 80 verhindert, während das Richtungssteuerventil 108 einen Strom von nicht-verbesserter DEF aus dem DEF Versorgungsmodul 66 zur DEF-Einspritzdüse 58 ermöglicht. Wenn die ECU 38 die Ventile in den früher für die 3 bis 6 beschriebenen ersten Zustand bringt, ermöglicht das Absperrventil 106 den Strom von nicht-verbesserter DEF in die Mischzone 80, während das Richtungssteuerventil 108 den Strom von nicht-verbesserter DEF vom DEF-Versorgungsmodul 66 zur DEF-Einspritzdüse 58 unterbindet und den Strom von verbesserter DEF von der Mischkammer 80 zur DEF-Einspritzdüse 58 ermöglicht.
9 zeigt eine siebte Ausführungsform einer Mischanlage 110, die mit Ausnahme der Ventilanordnung gleich ist wie die Mischanlage 74. Ein Dosierventil 112 wird von einer ECU 38 gesteuert, um selektiv zu ermöglichen, 1) nur nicht-verbesserte DEF, die an die DEF-Einspritzdüse 58 zu liefern ist, 2) nur verbesserte DEF, die an die DEF-Einspritzdüse 58 zu liefern ist, oder 3) eine Mischung aus nicht-verbesserter DEF und verbesserter DEF zur Bildung eines verbesserten DEF-Gemischs, das an die DEF-Einspritzdüse 58 zu liefern ist.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann jede Ausführungsform der Mischanlage 104, 110 Rührer und/oder Heizer aufweisen, wie sie für vorhergehende Ausführungsformen beschrieben wurden.
Falls Harnstoff in anderer Form als der Gestalt von Granalien verwendet wird, kann er mechanisch bearbeitet werden, um Größen bereitzustellen, die für das Mischen geeignet sind, und es können andere Wege der Mengenmessung eingesetzt werden.
Während der beschriebene Dieselmotor ein Beispiel eines Verbrennungsmotors ist, können verbesserte DEF und das offenbarte Verfahren zu deren Herstellung in beliebigen Verbrennungsmotoren verwendet werden, die stöchiometrisch schlank bzw. mager betrieben werden (das bedeutet in jedem Magergemischmotor).

Claims

Kraftfahrzeug, das von einem Dieselmotor angetrieben ist, der ein Abgasnachbehandlungssystem aufweist, das einen Abgasstromweg mit einem Eingang, durch den Motorabgas-Dieselabgas eintritt, und mit einem Ausgang, durch den behandeltes Dieselabgas austritt, bildet, wobei der Abgasstromweg enthält: 1) einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) zum Behandeln von Motorabgas, 2) einen Dieselpartikelfilter (DPF) zum Behandeln des Abgasstroms aus dem DOC, und 3) einen Haupt-SCR-Katalysator mit Oberflächen, die katalytisches Material enthalten, über das der Abgasstrom aus dem DPF strömt; einen Dieselabgasflüssigkeits (DEF)-Speichertank, der nicht-verbesserte DEF enthält; einen Speicher für sekundäres Reduktionsmittel, der wasserfreies festes Reduktionsmittel enthält, das zur Bildung von Ammoniak fähig ist; eine Mischzone, in der wasserfreies festes Reduktionsmittel und nicht-verbesserte DEF gemischt werden, um verbesserte DEF zu erzeugen; und eine DEF-Einspritzdüse zum Einspritzen von verbesserter DEF, die mit dem Abgasstrom aus dem DPF mitgenommen wird, um eine katalytische Reduktion von NOx im Abgasstrom über dem katalytischen Material des Haupt-SCR-Katalysators zu ermöglichen.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, bei dem sich die Mischzone innerhalb einer Lieferleitung befindet, durch die ein DEF-Versorgungsmodul DEF von dem DEF-Speichertank an die DEF-Einspritzdüse liefert.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, bei dem das wasserfreie feste Reduktionsmittel Granalien umfasst und ein Schneckenförderer Granalien von dem Speicher für sekundäres Reduktionsmittel zu der Lieferleitung fördert.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, bei dem die Mischzone einen Innenraum einer Mischkammer enthält, die außerhalb einer Lieferleitung liegt, durch die ein DEF-Versorgungsmodul DEF von dem DEF-Speichertank an die DEF-Einspritzdüse liefert.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, bei dem das wasserfreie feste Reduktionsmittel Granalien umfasst und ein Schneckenförderer Granalien von dem Speicher für sekundäres Reduktionsmittel in den Innenraum der Mischkammer fördert.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, umfassend zumindest einen Heizer zum Erwärmen von Granalien, nachdem diese den Speicher für sekundäres Reduktionsmittel verlassen haben.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, bei dem der zumindest eine Heizer einen ersten Heizer zum Erwärmen von Granalien, die gerade vom Schneckenförderer gefördert werden, und einen zweiten Heizer zum Erwärmen von Granalien, wenn sie sich gerade im Innenraum der Mischkammer mit DEF mischen, umfasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, bei dem das wasserfreie feste Reduktionsmittel Granalien umfasst und die Mischzone einen Innenraum einer Mischkammer enthält, in dem ein Rührer zum Rühren von Granalien, wenn diese sich gerade mit DEF mischen, angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, bei dem ein Schneckenförderer Granalien von dem Speicher für sekundäres Reduktionsmittel in den Innenraum der Mischkammer fördert und zumindest ein Heizer die Granalien erwärmt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, bei dem der zumindest eine Heizer einen ersten Heizer zum Erwärmen von Granalien, die gerade vom Schneckenförderer gefördert werden, und einen zweiten Heizer zum Erwärmen von Granalien, wenn sie sich gerade im Innenraum der Mischkammer mit DEF mischen, umfasst.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, das Ventile enthält, die selektiv betätigbar sind in einen ersten Zustand, der nicht-verbesserte DEF vom DEF-Versorgungsmodul in den Innenraum der Mischkammer zum Mischen mit wasserfreiem festem Reduktionsmittel zur Erzeugung von verbesserter DEF umleitet und ermöglicht, dass verbesserte DEF von der Mischkammer an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird, während er gleichzeitig verhindert, dass nicht-verbesserte DEF an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird, und in einen zweiten Zustand, der verhindert, dass nicht-verbesserte DEF vom DEF-Versorgungsmodul in den Innenraum der Mischkammer umgeleitet wird und ermöglicht, dass nicht-verbesserte DEF vom DEF-Versorgungsmodul an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird, während er gleichzeitig verhindert, dass verbesserte DEF in der Mischkammer an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, das Ventile enthält, die selektiv betätigbar sind in einen ersten Zustand, der ermöglicht, dass nur nicht-verbesserte DEF an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird, in einen zweiten Zustand, der ermöglicht, dass nur verbesserte DEF von der Mischkammer an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird, und in einen dritten Zustand, der nicht-verbesserte DEF und verbesserte DEF aus der Mischkammer mischt, um gemischte verbesserte DEF zu erzeugen, die an die DEF-Einspritzdüse geliefert wird.
Dieselmotor-Abgasnachbehandlungssystem, das einen Abgasstromweg mit einem Eingang, durch den Motorabgas-Dieselabgas eintritt, und mit einem Ausgang, durch den behandeltes Dieselabgas austritt, umfasst, wobei das Nachbehandlungssystem umfasst: 1) einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) zum Behandeln von Motorabgas, 2) einen Dieselpartikelfilter (DPF) zum Behandeln des Abgasstroms aus dem DOC, und 3) einen Haupt-SCR-Katalysator mit Oberflächen, die katalytisches Material enthalten, über das der Abgasstrom aus dem DPF strömt; einen Dieselabgasflüssigkeits (DEF)-Speichertank, der nicht-verbesserte DEF enthält; einen Speicher für sekundäres Reduktionsmittel, der wasserfreies festes Reduktionsmittel enthält, das zur Bildung von Ammoniak fähig ist; eine Mischzone, in der sich wasserfreies festes Reduktionsmittel und nicht-verbesserte DEF mischen, um verbesserte DEF zu erzeugen; und eine DEF-Einspritzdüse zum Einspritzen von verbesserter DEF, die mit dem Abgasstrom aus dem DPF mitgenommen wird, um eine katalytische Reduktion von NOx im Abgasstrom über dem katalytischen Material des Haupt-SCR-Katalysators zu ermöglichen.
Dieselmotor-Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 13, bei dem sich die Mischzone in einer Lieferleitung befindet, durch die ein DEF-Versorgungsmodul DEF von dem DEF-Speichertank an die DEF-Einspritzdüse liefert.
Dieselmotor-Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 14, dem das wasserfreie feste Reduktionsmittel Granalien umfasst und ein Schneckenförderer Granalien von dem Speicher für sekundäres Reduktionsmittel zu der Lieferleitung fördert.
Dieselmotor-Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 13, bei dem die Mischzone einen Innenraum einer Mischkammer enthält, die außerhalb einer Lieferleitung liegt, durch die ein DEF-Versorgungsmodul DEF von dem DEF-Speichertank an die DEF-Einspritzdüse liefert.
Dieselmotor-Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 16, bei dem das wasserfreie feste Reduktionsmittel Granalien umfasst und ein Schneckenförderer Granalien von dem Speicher für sekundäres Reduktionsmittel in den Innenraum der Mischkammer fördert.
Verfahren zur Nachbehandlung von Motorabgas aus einem Verbrennungsmotor, das durch einen Abgasstromweg mit einem Eingang, durch den unbehandeltes Motorabgas-Dieselabgas eintritt, und mit einem Ausgang, durch den behandeltes Dieselabgas austritt, strömt, wobei das Verfahren umfasst: Mischen von wasserfreiem festem Reduktionsmittel, das zur Bildung von Ammoniak fähig ist, und nicht-verbesserter DEF in einer Mischzone, um verbesserte DEF zu erzeugen; und Einspritzen von verbesserter DEF stromaufwärts eines Haupt-SCR-Katalysators, die mit dem Abgasstrom mitgenommen wird, um eine katalytische Reduktion von NOx im Abgasstrom über dem katalytischen Material des Haupt-SCR-Katalysators zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend die Verwendung eines Dieseloxidationskatalysators (DOC) in dem Strömungsweg stromaufwärts des Haupt-SCR-Katalysators, um Motorabgas zu behandeln, und die Verwendung eines Dieselpartikelfilters (DPF) stromabwärts des DOC und stromaufwärts des Haupt-SCR-Katalysators, um Abgas zu behandeln, das vom DOC kommt.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend das Mischen von verbesserter DEF aus der Mischzone und von nicht-verbesserter DEF, um gemischte verbesserte DEF zu erzeugen, und das Einspritzen von gemischter verbesserter DEF stromaufwärts des Haupt-SCR-Katalysators.