DE102019200528B4 - Method for preventing the formation of urea-based deposits and exhaust system with a coating - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Verhinderung einer Bildung von harnstoffbasierten Ablagerungen in einem Abgasstrang (1) eines Verbrennungsmotors (2), aufweisend:- Identifizieren von Bereichen des Abgasstrangs (1), in denen die Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen droht (S1),- Ermitteln eines ortsaufgelösten Ausmaßes der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen für die identifizierten Bereiche (S2) und- Aufbringen einer Beschichtung (3), ausgebildet zur katalytischen Zersetzung von wässriger Harnstofflösung und/oder der harnstoffbasierten Ablagerungen, auf die identifizierten Bereiche unter Berücksichtigung des ermittelten Ausmaßes (S3).Method for preventing the formation of urea-based deposits in an exhaust system (1) of an internal combustion engine (2), comprising: - identifying areas of the exhaust system (1) in which there is a risk of the formation of urea-based deposits (S1), - determining a spatially resolved extent of the threatening Formation of urea-based deposits for the identified areas (S2) and - applying a coating (3), designed for the catalytic decomposition of aqueous urea solution and / or the urea-based deposits, to the identified areas, taking into account the determined extent (S3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung einer Bildung von harnstoffbasierten Ablagerungen in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors sowie einen Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor mit einer Beschichtung.The present invention relates to a method for preventing the formation of urea-based deposits in an exhaust system of an internal combustion engine and an exhaust system for an internal combustion engine with a coating.
Eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Magermotoren und entsprechenden Antriebssystemen stellt die Reduzierung der Stickoxidemission in einer insgesamt oxidierenden Umgebung unter verschiedenen Betriebsbedingungen dar.A major challenge in the development of lean-burn engines and corresponding drive systems is the reduction of nitrogen oxide emissions in an overall oxidizing environment under various operating conditions.
Die Verwendung von SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtungen (SCR, engl. selective catalytic reduction, dt. selektive katalytische Reduktion) stellt eine der wesentlichen Möglichkeiten dar, Stickoxide aus dem Abgas durch katalytische Umwandlung in ungiftige Substanzen, d. h. Stickstoff und Sauerstoff, zu entfernen und folglich die Stickoxidemission zu verringern. Die SCR-Technologie zeichnet sich durch ihre Robustheit und die erreichbaren hohen Umwandlungsraten aus. Neben reinen SCR-Katalysatoren sind auch Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung, im Folgenden als SDPF-Katalysator bezeichnet, bekannt.The use of SCR exhaust gas aftertreatment devices (SCR, English selective catalytic reduction) is one of the main options for removing nitrogen oxides from the exhaust gas through catalytic conversion into non-toxic substances, i.e. H. Nitrogen and oxygen, and consequently reduce nitrogen oxide emissions. SCR technology is characterized by its robustness and the high conversion rates that can be achieved. In addition to pure SCR catalytic converters, particle filters with an SCR coating, hereinafter referred to as SDPF catalytic converters, are also known.
Für die selektive katalytische Reduktion wird Ammoniak benötigt, der als Reduktionsmittels dient und beispielsweise aus einer wässrigen Harnstofflösung mittels Thermolyse des Harnstoffs zu Isocyansäure und anschließender Hydrolyse der Isocyansäure zu Ammoniak, der unter den im Abgasstrang vorherrschenden Bedingungen üblicherweise gasförmig vorliegt, gewonnen werden kann. Wässrige Harnstofflösung lässt sich vorteilhaft einfach und sicher an Bord eines Fahrzeugs lagern.For the selective catalytic reduction, ammonia is required, which serves as a reducing agent and can be obtained, for example, from an aqueous urea solution by thermolysis of the urea to isocyanic acid and subsequent hydrolysis of the isocyanic acid to ammonia, which is usually in gaseous form under the conditions prevailing in the exhaust system. Aqueous urea solution can advantageously be stored easily and safely on board a vehicle.
Zur Abgasnachbehandlung kann die wässrige Harnstofflösung dem Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators zugeführt werden. Dies kann durch Einsprühen der wässrigen Harnstofflösung in eine Abgasleitung des Abgasstrangs des Verbrennungsmotors erfolgen. Mittels Mischeinrichtungen können die wässrige Harnstofflösung sowie deren Zersetzungsprodukte mit dem Abgas vermischt werden, um die anschließende katalytische Reduktion zu optimieren.For exhaust gas aftertreatment, the aqueous urea solution can be fed to the exhaust gas upstream of the SCR catalytic converter. This can be done by spraying the aqueous urea solution into an exhaust pipe of the exhaust system of the internal combustion engine. Using mixing devices, the aqueous urea solution and its decomposition products can be mixed with the exhaust gas in order to optimize the subsequent catalytic reduction.
Idealerweise sollte bei dem Einsprühvorgang die wässrige Harnstofflösung bis zur vollständigen Zersetzung in Ammoniak nicht mit Oberflächen in Kontakt kommen, da sich ansonsten unerwünschte Harnstoffablagerungen bilden können. Aufgrund von eingeschränkten Platzverhältnissen und Gestaltungsparametern der Einsprüheinrichtung lässt sich dies in der Praxis jedoch zumeist nicht realisieren. Die entstehenden Harnstoffablagerungen können Druckabfälle und Blockierungen verursachen. In jedem Fall kann der entsprechende Harnstoffanteil nicht für die katalytische Reaktion genutzt werden und stellt somit einen Verlust sowie eine Störung des Systems und eine Abweichung von der durch die Regelung geforderten nutzbaren Dosiermenge dar.Ideally, during the spraying process, the aqueous urea solution should not come into contact with surfaces until it has completely decomposed into ammonia, otherwise undesirable urea deposits can form. However, due to limited space and design parameters of the spray device, this cannot usually be achieved in practice. The resulting urea deposits can cause pressure drops and blockages. In any case, the corresponding urea proportion cannot be used for the catalytic reaction and therefore represents a loss and a disruption to the system and a deviation from the usable dosage amount required by the regulation.
Zur Erfassung von Ablagerungen in einem Abgastrakt eines Verbrennungsmotors ist aus der
Um Harnstoffablagerungen zu vermeiden kann die Dosierrate der wässrigen Harnstofflösung verringert werden. So offenbart die
Um jedoch die Stickoxidemission zuverlässig reduzieren und strenge Abgasemissionsrichtlinien einhalten zu können, ist es notwendig, die katalytische Reduzierung jederzeit ausreichend nutzen zu können und folglich den dafür notwendigen Ammoniak den SCR-Abgasnachbehandlungseinrichtungen über deren gesamte Lebensdauer zuverlässig zur Verfügung stellen zu können.However, in order to be able to reliably reduce nitrogen oxide emissions and comply with strict exhaust emission guidelines, it is necessary to be able to make sufficient use of the catalytic reduction at all times and therefore to be able to reliably provide the necessary ammonia to the SCR exhaust gas aftertreatment devices over their entire service life.
Die
Gemäß
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Möglichkeiten anzugeben, mit denen zumindest einige der genannten Nachteile verringert oder behoben werden können.The object of the present invention is to provide options with which at least some of the disadvantages mentioned can be reduced or eliminated.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände des Hauptanspruchs und des nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This task is solved by the subjects of the main claim and the secondary claim. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verhinderung der Bildung von harnstoffbasierten Ablagerungen im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors weist ein Identifizieren von Bereichen des Abgasstrangs, in denen die Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen droht, ein Ermitteln eines ortsaufgelösten Ausma-ßes der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen und ein Aufbringen einer Beschichtung, ausgebildet zur katalytischen Zersetzung der harnstoffbasierten Ablagerungen und/oder von wässriger Harnstofflösung auf. Die Beschichtung wird auf die identifizierten Bereiche unter Berücksichtigung des ermittelten Ausmaßes der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen aufgebracht.A method according to the invention for preventing the formation of urea-based deposits in the exhaust system of an internal combustion engine includes identifying areas of the exhaust system in which there is a risk of the formation of urea-based deposits, determining a spatially resolved extent of the impending formation of urea-based deposits and applying a coating catalytic decomposition of the urea-based deposits and/or aqueous urea solution. The coating is applied to the identified areas taking into account the determined extent of the threatened formation of urea-based deposits.
Der Abgasstrang ist dazu ausgebildet, ein von einem Verbrennungsmotor während des Verbrennungsvorgangs gebildetes Abgas aufzunehmen und in die Umgebung abzuleiten. Der Abgasstrang wird durch eine oder mehrere Abgasleitungen gebildet, die vom Abgas durchströmt werden, und in denen z. B. Katalysatoren, Sensoren, Filter etc. angeordnet sind. Unter einem Abgasstrang ist vorliegend die Gesamtheit aller Abgasleitungen und an oder in den Abgasleitungen angeordneten Einrichtungen zu verstehen.The exhaust system is designed to absorb exhaust gas formed by an internal combustion engine during the combustion process and to discharge it into the environment. The exhaust line is formed by one or more exhaust pipes through which the exhaust gas flows and in which z. B. catalysts, sensors, filters etc. are arranged. In the present case, an exhaust system is understood to mean the entirety of all exhaust pipes and devices arranged on or in the exhaust pipes.
Beispielsweise kann der Abgasstrang einen SCR- und/oder SDPF-Katalysator aufweisen und eine Zuführeinrichtung zur Zuführung einer wässrigen Harnstofflösung zum Abgas, wobei die Zuführeinrichtung eine Einsprüheinrichtung zum Einsprühen der wässrigen Harnstofflösung in eine Abgasleitung stromaufwärts des SCR- und/oder SDPF-Katalysator aufweisen kann. Angegebene Strömungsrichtungen beziehen sich auf die Strömungsrichtung des Abgases vom Verbrennungsmotor in Richtung Auspuff.For example, the exhaust system can have an SCR and/or SDPF catalytic converter and a feed device for supplying an aqueous urea solution to the exhaust gas, wherein the feed device can have a spray device for spraying the aqueous urea solution into an exhaust line upstream of the SCR and/or SDPF catalytic converter . The stated flow directions refer to the flow direction of the exhaust gas from the internal combustion engine towards the exhaust.
In einem ersten Schritt des Verfahrens werden diejenigen Bereiche des Abgasstrangs identifiziert, in denen die Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen zu erwarten ist bzw. droht. Dabei kann es sich beispielsweise um Oberflächen der Abgasleitungen oder Oberflächen von Einrichtungen, z. B. Mischeinrichtungen, im Abgasstrang ab der Einsprühstelle bis zum SCR- und/oder SDPF-Katalysator handeln. Mit anderen Worten wird also zunächst grob abgeschätzt, welche Bereiche, z. B. aufgrund der Strömungsrichtung des Abgases und der Lokalisierung der Einsprühstelle überhaupt von harnstoffbasierten Ablagerungen betroffen sein könnten.In a first step of the process, those areas of the exhaust system in which the formation of urea-based deposits is to be expected or are at risk are identified. This can be, for example, surfaces of the exhaust pipes or surfaces of devices, e.g. B. mixing devices, act in the exhaust system from the injection point to the SCR and / or SDPF catalytic converter. In other words, a rough estimate is first made as to which areas, e.g. B. could be affected by urea-based deposits at all due to the flow direction of the exhaust gas and the location of the injection point.
Für diese identifizierten Bereiche wird ein ortsaufgelöstes Ausmaß der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen ermittelt. Mit anderen Worten werden die im ersten Schritt identifizierten Bereiche einer genaueren Betrachtung unterzogen und es wird ortsaufgelöst ermittelt, an welchen Stellen der Bereiche tatsächlich harnstoffbasierte Ablagerungen zu befürchten sind.A spatially resolved extent of the impending formation of urea-based deposits is determined for these identified areas. In other words, the areas identified in the first step are subjected to a closer look and it is determined in a spatially resolved manner at which points in the areas there is actually a risk of urea-based deposits.
Hierfür kann beispielsweise eine Wahrscheinlichkeit der Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen in den identifizierten Bereichen und/oder eine voraussichtliche Menge der harnstoffbasierten Ablagerungen auf den identifizierten Bereichen berücksichtigt werden. Die Wahrscheinlichkeit der Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen kann z. B. von der Wahrscheinlichkeit des Kontakts einer wässrigen Harnstofflösung mit den identifizierten Bereichen abhängig sein. Die voraussichtliche Menge der harnstoffbasierten Ablagerungen kann z. B. anhand der voraussichtlichen Menge einer die identifizierten Bereiche kontaktierenden wässrigen Harnstofflösung ermittelt werden.For this purpose, for example, a probability of the formation of urea-based deposits in the identified areas and/or an expected amount of urea-based deposits on the identified areas can be taken into account. The likelihood of urea-based deposits forming can e.g. B. on the probability of contact with an aqueous urea solution will be dependent on the identified areas. The expected amount of urea-based deposits can e.g. B. can be determined based on the expected amount of an aqueous urea solution contacting the identified areas.
In einem weiteren Schritt wird eine Beschichtung, ausgebildet zur katalytischen Zersetzung der harnstoffbasierten Ablagerungen auf die identifizierten Bereiche aufgebracht, wobei das ermittelte Ausmaß der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen berücksichtigt wird.In a further step, a coating designed for the catalytic decomposition of the urea-based deposits is applied to the identified areas, taking into account the determined extent of the threatened formation of urea-based deposits.
Beispielsweise kann die Beschichtung auf diejenigen Oberflächen aufgebracht werden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit mit einer wässrigen Harnstofflösung in Kontakt kommen und/oder bei denen, falls ein Kontakt mit der wässrigen Harnstofflösung zu Stande kommt, mit einer hohen Menge an kontaktierender wässriger Harnstofflösung zu rechnen ist.For example, the coating can be applied to those surfaces that are highly likely to come into contact with an aqueous urea solution and/or where, if contact with the aqueous urea solution occurs, a high amount of contacting aqueous urea solution is to be expected.
Folglich kann die Beschichtung beispielsweise durchgehend oder auch nur stellenweise aufgebracht oder anderweitig variiert werden, um das Ausmaß der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen an einer konkreten Position zu berücksichtigen. Zusätzlich kann die Aufbringung der Beschichtung zur Form- und/oder Strukturgebung genutzt werden, um die Strömung von Gasstrom und Flüssigkeitsfilm positiv zu beeinflussen.Consequently, the coating can, for example, be applied continuously or only in places or otherwise varied in order to take into account the extent of the impending formation of urea-based deposits at a specific position. In addition, the application of the coating can be used to create shape and/or structure in order to positively influence the flow of gas stream and liquid film.
Die Beschichtung kann beispielsweise einen Washcoat, z. B. aufweisend oder bestehend aus einem Metalloxid und/oder Zeolith, und ein oder mehrere Materialien zur Katalyse einer Zersetzungsreaktion der harnstoffbasierten Ablagerungen aufweisen. Derartige katalytisch aktive Materialien können beispielsweise Metalle oder Metalloxide, wie z. B. Übergangsmetalle und/oder Übergangsmetalloxide, wie Ti, Pd, Pt, V, Cr, Mo, Ni oder deren Oxide, sein.The coating can, for example, be a washcoat, e.g. B. comprising or consisting of a metal oxide and / or zeolite, and one or more materials for catalyzing a decomposition reaction of the urea-based deposits. Such catalytically active materials can be, for example, metals or metal oxides, such as. B. transition metals and / or transition metal oxides, such as Ti, Pd, Pt, V, Cr, Mo, Ni or their oxides.
Die Beschichtung erhöht die Geschwindigkeit einer Zersetzungsreaktion des Harnstoffs, z. B. der Thermolyse des Harnstoffs zu Isocyansäure und/oder der Hydrolyse von Isocyansäure zu Ammoniak so dass z. B. harnstoffbasierte Ablagerungen in kürzester Zeit unter Bildung von Ammoniak zersetzt werden oder gar nicht erst entstehen. Hierdurch kann mehr wässrige Harnstofflösung in das Abgas eingebracht werden, ohne dass es zur Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen kommt.The coating increases the speed of a decomposition reaction of the urea, e.g. B. the thermolysis of urea to isocyanic acid and / or the hydrolysis of isocyanic acid to ammonia so that z. B. urea-based deposits are decomposed in a very short time to form ammonia or do not form at all. This allows more aqueous urea solution to be introduced into the exhaust gas without the formation of urea-based deposits.
Außerdem kann der SCR- und/oder SDPF-Katalysator direkt mit Ammoniak versorgt werden, welcher ansonsten erst in Teilen des SCR- und/oder SDPF-Katalysator gebildet werden müsste. Folglich steht ein größeres Volumen des SCR- und/oder SDPF-Katalysator für die katalytische Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide zur Verfügung.In addition, the SCR and/or SDPF catalyst can be supplied directly with ammonia, which would otherwise first have to be formed in parts of the SCR and/or SDPF catalyst. Consequently, a larger volume of the SCR and/or SDPF catalyst is available for the catalytic reduction of the nitrogen oxides contained in the exhaust gas.
Die Effektivität der Abgasnachbehandlung kann insgesamt gesteigert werden. Zudem wird die Lebensdauer des Abgasstrangs erhöht, da harnstoffbasierte Ablagerungen auch zur verringerten Effizienz bzw. Funktionsfähigkeit durch den Aufbau von Ablagerungen bis hin zur Verblockung des Abgasstrangs führen können.The overall effectiveness of exhaust aftertreatment can be increased. In addition, the service life of the exhaust system is increased, as urea-based deposits can also lead to reduced efficiency or functionality due to the build-up of deposits and even blocking of the exhaust system.
Sollten sich unter bestimmten Betriebsbedingungen dennoch harnstoffbasierte Ablagerungen bilden, so können diese mittels der Beschichtung bereits bei niedrigeren Temperaturen als ohne Beschichtung wieder aufgelöst werden.If urea-based deposits nevertheless form under certain operating conditions, they can be dissolved again using the coating at lower temperatures than without coating.
Durch das ortsaufgelöste Aufbringen der Beschichtung wird die Beschichtung an den tatsächlichen Katalysebedarf zur Verhinderung der Bildung von Ablagerungen angepasst. Dadurch kann einerseits Beschichtungsmaterial eingespart und die Kosten für die Beschichtung verringert werden, da z. B. Bereiche, an denen keine katalytische Aktivität benötigt wird, unbeschichtet verbleiben können. Andererseits kann auf Bereiche, in denen eine sehr hohe katalytische Aktivität benötigt wird, gezielt mehr Beschichtung und/oder eine andere Beschichtung aufgebracht werden, so dass harnstoffbasierte Ablagerungen auch in diesen Bereichen verhindert werden können.By applying the coating in a spatially resolved manner, the coating is adapted to the actual need for catalysis to prevent the formation of deposits. On the one hand, this means that coating material can be saved and the costs for the coating can be reduced, since e.g. B. Areas where no catalytic activity is required can remain uncoated. On the other hand, more coating and/or a different coating can be specifically applied to areas in which a very high catalytic activity is required, so that urea-based deposits can also be prevented in these areas.
Indem die katalytische Beschichtung entsprechend der benötigten katalytischen Aktivität aufgebracht wird, kann zudem eine Veränderung der Geometrie im Abgasstrang aufgrund einer Verringerung der Strömungsquerschnitte minimiert und/oder eine Optimierung der Geometrie gezielt herbeigeführt werden. Beispielsweise kann die Beschichtung an Bohrungen oder Strukturen, z. B. einer Mischeinrichtung, angepasst werdenBy applying the catalytic coating in accordance with the required catalytic activity, a change in the geometry in the exhaust system due to a reduction in the flow cross sections can also be minimized and/or the geometry can be optimized in a targeted manner. For example, the coating can be applied to holes or structures, e.g. B. a mixing device
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das ermittelte Ausmaß der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen berücksichtigt werden, indem die Beschichtung mit variierender Schichtdicke und/oder variierender Zusammensetzung aufgebracht wird.According to various embodiment variants, the determined extent of the impending formation of urea-based deposits can be taken into account by applying the coating with varying layer thickness and/or varying composition.
Mit anderen Worten kann die Schichtdicke der Beschichtung und/oder deren Zusammensetzung variiert werden, um dem ermittelten Ausmaß Rechnung zu tragen. Beispielsweise kann eine Beschichtung mit hoher Schichtdicke und/oder einer eine hohe katalytische Aktivität aufweisenden Zusammensetzung auf diejenigen Bereiche aufgebracht werden, in denen ein Kontakt mit der wässrigen Harnstofflösung sehr wahrscheinlich ist und/oder die mit großen Mengen wässriger Harnstofflösung in Kontakt kommen. Umgekehrt kann eine geringe Schichtdicke für diejenigen Bereiche gewählt werden, in denen ein Kontakt mit wässriger Harnstofflösung eher unwahrscheinlich ist.In other words, the layer thickness of the coating and/or its composition can be varied to take the determined extent into account. For example, a coating with a high layer thickness and/or a composition having high catalytic activity can be applied to those areas in which contact with the aqueous urea solution is very likely and/or which come into contact with large amounts of aqueous urea solution. Vice versa A small layer thickness can be selected for those areas in which contact with aqueous urea solution is unlikely.
Bevorzugt kann dadurch der Materialeinsatz für die katalytische Beschichtung weiter optimiert werden, so dass einerseits Kosten eingespart werden können und andererseits die Wirksamkeit der katalytischen Abgasnachbehandlung beibehalten oder sogar verbessert werden kann.Preferably, the use of material for the catalytic coating can be further optimized, so that on the one hand costs can be saved and on the other hand the effectiveness of the catalytic exhaust gas aftertreatment can be maintained or even improved.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Identifizieren der Bereiche und/oder das Ermitteln des Ausmaßes mittels Laboruntersuchungen und/oder mittels Verfahren der numerischen Strömungsberechnung, auch als CFD für engl. Computational Fluid Dynamics bekannt, erfolgen.According to further embodiment variants, the method can identify the areas and/or determine the extent using laboratory tests and/or using numerical flow calculation methods, also known as CFD. Known as Computational Fluid Dynamics.
Diese Verfahren können besonders genau ortsauflösen, so dass die Beschichtung besonders exakt entsprechend des katalytischen Bedarfs aufgebracht werden kann und die vorstehend genannten Vorteile noch stärker zum Tragen kommen können.These methods can provide particularly precise spatial resolution, so that the coating can be applied particularly precisely in accordance with the catalytic requirement and the advantages mentioned above can be even more effective.
Ein weiterer Vorteil der numerischen Strömungsmechanik ist, dass keine tatsächlichen Bauteile für die Laboruntersuchungen gefertigt werden müssen, so dass die diesbezüglichen Materialien und die damit verbundenen Kosten eingespart werden können.Another advantage of computational fluid dynamics is that no actual components have to be manufactured for laboratory tests, so that the associated materials and the associated costs can be saved.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Beschichtung mittels Gasphasenabscheidung, Plasmaabscheidung und/oder Methoden der additiven Fertigung aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Gasphasenabscheidung als chemische Gasphasenabscheidung (CVD, engl. chemical vapour deposition) und/oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD, engl. physical vapour deposition), z. B. thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen und/oder Sputtern, durchgeführt werden, wobei optional sowohl bei CVD- als auch PVD-Verfahren unterstützend Plasma eingesetzt werden kann.According to further embodiment variants, the coating can be applied using vapor deposition, plasma deposition and/or additive manufacturing methods. For example, the vapor deposition can be carried out as chemical vapor deposition (CVD) and/or physical vapor deposition (PVD), e.g. B. thermal evaporation, electron beam evaporation, laser beam evaporation and / or sputtering can be carried out, with plasma optionally being used to support both CVD and PVD processes.
Mit den genannten Verfahren kann die Beschichtung schnell und zuverlässig aufgebracht werden. Zudem kann insbesondere die Schichtdicke einfach eingestellt werden, indem z. B. für eine längere Zeitdauer beschichtet wird.Using the methods mentioned, the coating can be applied quickly and reliably. In addition, the layer thickness in particular can be easily adjusted by z. B. is coated for a longer period of time.
Die Anwendung von Methoden der additiven Fertigung, z. B. des 3D-Drucks, zur Aufbringung der Beschichtung ermöglicht vorteilhaft einen sehr präzisen und kontrollierten Aufbau der Beschichtung, so dass die Beschichtung besonders gut an die tatsächlichen Bedürfnisse angepasst werden kann.The use of additive manufacturing methods, e.g. B. 3D printing, for applying the coating advantageously enables a very precise and controlled construction of the coating, so that the coating can be adapted particularly well to the actual needs.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Schichtdicke der aufzubringenden Beschichtung bei einer Konstruktion und/oder Fertigung des Abgasstrangs zumindest teilweise derart berücksichtigt werden, dass Eigenschaften des Abgasstrangs, wie z. B. Strömungsquerschnitte, eine Temperaturverteilung etc., im Vergleich zu einem Abgasstrang ohne Beschichtung unverändert bleiben.According to further embodiment variants, the layer thickness of the coating to be applied can be at least partially taken into account when designing and / or manufacturing the exhaust system in such a way that properties of the exhaust system, such as. B. flow cross sections, temperature distribution, etc., remain unchanged compared to an exhaust system without a coating.
Mit anderen Worten kann der Abgasstrang, also z. B. die Abgasleitung(en), Mischeinrichtungen und/oder Einsprüheinrichtungen, so gestaltet werden, dass die Beschichtung bei der Konstruktion bzw. Fertigung bereits von Vornherein berücksichtigt wird, z. B. indem die nach Beschichtung resultierenden Strömungsquerschnitte in die Auslegung des Abgasstrangs einbezogen werden.In other words, the exhaust system, e.g. B. the exhaust pipe(s), mixing devices and/or spray devices, can be designed so that the coating is taken into account from the outset during the design or production, e.g. B. by including the flow cross sections resulting after coating in the design of the exhaust system.
Hierdurch kann beispielsweise im Falle einer beschichteten Mischeinrichtung zur Vermischung von Abgas und zugeführter wässrigere Harnstofflösung sichergestellt werden, dass auch nach Beschichtung eine ausreichende Vermischung gegeben ist. Mit anderen Worten kann eine negative Beeinträchtigung z. B. der Strömungsverhältnisse im Abgasstrang durch die Beschichtung zumindest teilweise vermieden werden.In this way, for example, in the case of a coated mixing device for mixing exhaust gas and the supplied aqueous urea solution, it can be ensured that there is sufficient mixing even after coating. In other words, a negative impairment can e.g. B. the flow conditions in the exhaust system can be at least partially avoided by the coating.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Beschichtung zumindest teilweise form- und/oder strukturbildend aufgebracht werden.According to further embodiment variants, the coating can be applied at least partially to form and/or structure.
Hierdurch können die Ausbildung und Bewegung des Flüssigkeitsfilms der wässrigen Harnstofflösung und/oder der Gasstrom positiv beeinflusst werden.This allows the formation and movement of the liquid film of the aqueous urea solution and/or the gas flow to be positively influenced.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Beschichtung auf Bereiche einer Mischeinrichtung, bevorzugt einer kompakten Mischeinrichtung, Bereiche einer Rohrleitung und/oder Bereiche einer Einsprüheinrichtung, ausgebildet zum Einsprühen einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrang, aufgebracht werden.According to further embodiment variants, the coating can be applied to areas of a mixing device, preferably a compact mixing device, areas of a pipeline and/or areas of a spray device designed for spraying an aqueous urea solution into the exhaust system.
Wird die Beschichtung auf eine Mischeinrichtung zur Vermischung von Abgas und zugeführter wässrigere Harnstofflösung aufgebracht, kann die Bildung von Ammoniak bereits zum Zeitpunkt der Mischung gefördert werden, so dass stromabwärts der Mischeinrichtung gut mit Ammoniak durchmischtes Abgas vorliegt, welches dem SCR- und/oder SDPF-Katalysator zugeführt wird. Die katalytische Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide kann dadurch verbessert werden.If the coating is applied to a mixing device for mixing exhaust gas and the supplied aqueous urea solution, the formation of ammonia can be promoted at the time of mixing, so that downstream of the mixing device there is exhaust gas well mixed with ammonia, which corresponds to the SCR and / or SDPF. Catalyst is supplied. The catalytic reduction of the nitrogen oxides contained in the exhaust gas can thereby be improved.
Außerdem kann die Bildung von harnstoffbasierten Ablagerungen insbesondere im Bereich der Mischeinrichtung verhindert werden, deren Funktion durch derartige Ablagerungen anderenfalls besonders stark beeinträchtigt werden würde.In addition, the formation of urea-based deposits can be prevented, particularly in the area of the mixing device, its function would otherwise be particularly severely affected by such deposits.
Eine kompakte Mischeinrichtung unterscheidet sich von einer allgemeinen Mischeinrichtung dadurch, dass sie kompakter ausgeführt ist und somit weniger Bauraum für ihre Anordnung benötigt wird. Aufgrund der geringeren Abmessungen ist eine solche kompakte Mischeinrichtung jedoch besonders anfällig für harnstoffbasierte Ablagerungen, d. h. ihre Funktionsfähigkeit kann bereits bei geringeren Ablagerungen vergleichsweise stark beeinträchtigt werden. Das Aufbringen der katalytisch wirksamen Beschichtung wirkt sich daher bei einer kompakten Mischeinrichtung besonders positiv aus.A compact mixing device differs from a general mixing device in that it is designed to be more compact and therefore requires less installation space for its arrangement. However, due to its smaller dimensions, such a compact mixing device is particularly susceptible to urea-based deposits, i.e. H. Their functionality can be comparatively impaired even with small amounts of deposits. The application of the catalytically effective coating therefore has a particularly positive effect on a compact mixing device.
Ein erfindungsgemäßer Abgasstrang für einen Verbrennungsmotor weist eine Beschichtung auf, die zur katalytischen Zersetzung von harnstoffbasierten Ablagerungen in Bereichen des Abgasstrangs ausgebildet ist, in denen die Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen droht. Die Beschichtung weist eine variierende Schichtdicke und/oder eine variierende Zusammensetzung auf.An exhaust system according to the invention for an internal combustion engine has a coating which is designed for the catalytic decomposition of urea-based deposits in areas of the exhaust system in which there is a risk of the formation of urea-based deposits. The coating has a varying layer thickness and/or a varying composition.
Beispielsweise kann die Beschichtung unter Berücksichtigung eines Ausma-ßes der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen aufgebracht sein.For example, the coating can be applied taking into account the extent of the threatened formation of urea-based deposits.
Der Abgasstrang kann beispielsweis Teil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, sein. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um einen Dieselmotor handeln.The exhaust system can, for example, be part of a motor vehicle, in particular a passenger car. The internal combustion engine can in particular be a diesel engine.
Der Abgasstrang kann Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie z. B. SCR-, SDPF-, LNT- (engl. lean nitroxide trap, dt. Magerstickoxidfalle) oder Oxidationskatalysatoren aufweisen. Bevorzugt ist dabei die Beschichtung stromaufwärts des SCR- bzw. SDPF-Katalysators angeordnet. Zum Einsprühen einer wässrigen Harnstofflösung kann der Abgasstrang eine Zuführeinrichtung mit Einsprüheinrichtung, ausgebildet zum Einsprühen einer wässrigen Harnstofflösung in das im Abgasstrang strömende Abgas, aufweisen.The exhaust system can have exhaust gas aftertreatment devices, such as. B. SCR, SDPF, LNT (lean nitroxide trap) or oxidation catalysts. The coating is preferably arranged upstream of the SCR or SDPF catalyst. For spraying an aqueous urea solution, the exhaust line can have a feed device with a spray device, designed to spray an aqueous urea solution into the exhaust gas flowing in the exhaust line.
Der erfindungsgemäße Abgasstrang kann beispielsweise mittels eines der obenstehend beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Folglich entsprechen die Vorteile des Abgasstrangs den Vorteilen des Verfahrens und dessen Ausführungsvarianten.The exhaust system according to the invention can be produced, for example, using one of the methods described above. Consequently, the advantages of the exhaust system correspond to the advantages of the method and its embodiment variants.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Beschichtung auf Bereiche einer Mischeinrichtung, bevorzugt einer kompakten Mischeinrichtung, Bereiche einer Rohrleitung und/oder Bereiche einer Einsprüheinrichtung, ausgebildet zum Einsprühen einer wässrigen Harnstofflösung in das Abgas, aufgebracht sein.According to various embodiment variants, the coating can be applied to areas of a mixing device, preferably a compact mixing device, areas of a pipeline and/or areas of a spray device designed for spraying an aqueous urea solution into the exhaust gas.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Abgasstrang zumindest teilweise unter Berücksichtigung der aufgebrachten Beschichtung dimensioniert sein.According to further embodiment variants, the exhaust system can be dimensioned at least partially taking the applied coating into account.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens; und -
2 einen beispielhaften Abgasstrang in einer schematischen Darstellung.
-
1 a flowchart of an exemplary method; and -
2 an exemplary exhaust system in a schematic representation.
Mit anderen Worten werden im ersten Schritt S1 diejenigen Bereiche ermittelt, in denen unter bestimmten Bedingungen die Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen überhaupt möglich ist.In other words, in the first step S1 those areas are determined in which the formation of urea-based deposits is even possible under certain conditions.
Im nächsten Verfahrensschritt S2 wird für diese Bereiche ein ortsaufgelöstes Ausmaß der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen ermittelt. Beispielsweise kann die Wahrscheinlichkeit des Kontakts der wässrigen Harnstofflösung mit den identifizierten Bereichen sowie eine voraussichtliche Menge der kontaktierenden wässrigen Harnstofflösung ermittelt werden. Es kann also eine Art Karte für die identifizierten Bereiche erstellt werden, aus der hervorgeht, wie hoch das Risiko für die Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen an einem bestimmten Ort ist. Vorteilhaft können für das Erstellen der Karte Verfahren der numerischen Strömungsberechnung genutzt werden, mit denen das Risiko simuliert werden kann. Diese können durch Laboruntersuchungen, z. B. zur Validierung der mittels Simulation erhaltenen Ergebnisse, ergänzt werden.In the next process step S2, a spatially resolved extent of the impending formation of urea-based deposits is determined for these areas. For example, the probability of contact of the aqueous urea solution with the identified areas as well as an expected amount of contacting aqueous urea solution can be determined. A kind of map can therefore be created for the identified areas, showing how high the risk of urea-based deposits forming in a particular location is. Numerical flow calculation methods can be advantageous for creating the map can be used to simulate the risk. These can be done through laboratory tests, e.g. B. to validate the results obtained using simulation.
Die Verfahrensschritte S1 und S2 können auch gemeinsam durchgeführt werden.Process steps S1 and S2 can also be carried out together.
In einem dritten Schritt wird ausgehend von dem im Schritt S2 ermittelten ortaufgelösten Ausmaß der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen eine Beschichtung 3 auf die identifizierten Bereiche im Abgasstrang unter Berücksichtigung des zuvor ermittelten Ausmaßes aufgebracht. Die Beschichtung 3 dient der katalytischen Zersetzung der harnstoffbasierten Ablagerungen, so dass einerseits bestehende Ablagerungen zersetzt werden können und andererseits die Neubildung von Ablagerungen weitgehend verhindert wird.In a third step, based on the spatially resolved extent of the impending formation of urea-based deposits determined in step S2, a
Die Beschichtung 3 kann beispielsweise mit variierender Schichtdicke 4 und/oder variierender Zusammensetzung aufgebracht werden, um der unterschiedlichen Gefahr der Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen Rechnung zu tragen. Beispielsweise kann in Bereichen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit der Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen eine Beschichtung 3 mit großer Schichtdicke 4 und/oder erhöhter katalytischer Aktivität aufgebracht werden, während in Bereichen mit geringer Wahrscheinlichkeit der Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen auf die Beschichtung 3 ganz verzichtet werden kann oder diese mit einer entsprechend geringeren Schichtdicke 4 und/oder einer eine geringere katalytische Aktivität aufweisenden Zusammensetzung aufgebracht werden kann.The
Der Verbrennungsmotor 2 weist im Ausführungsbeispiel vier Zylinder 11 auf und ist als Dieselmotor ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl von Zylindern oder eine bestimmte Motorart beschränkt, sondern kann flexibel in Kombination mit einer Vielzahl unterschiedlicher Motoren eingesetzt werden.In the exemplary embodiment, the
Dem Verbrennungsmotor 2 wird über einen Zuluftstrang 9 Zuluft 10 zugeführt. Während des Verbrennungsvorgangs wird im Verbrennungsmotor 2 ein Abgas 8 gebildet, dass in den Abgasstrang 1 abgegeben wird, der das Abgas 8 in die Umgebung ableitet. Im Abgasstrang 1 ist zunächst eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 angeordnet, bei der es sich z. B. um einen LNT-Katalysator oder einen Dieseloxidationskatalysator handeln kann. Optional können auch mehrere oder keine Abgasnachbehandlungseinrichtungen 12 vorgesehen sein. Stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 ist ein SCR-Katalysator 13 angeordnet, der optional auch als SDPF-Katalysator ausgebildet sein kann.The
Der SCR-Katalysator 13 reduziert im Abgas 8 enthaltene Stickoxide katalytisch, wofür der SCR-Katalysator 13 Ammoniak benötigt. Der benötigte Ammoniak wird im Abgasstrang 1 in situ aus einer wässrigen Harnstofflösung gewonnen. Die wässrige Harnstofflösung wird in einem Vorratstank 14 aufbewahrt und bei Bedarf mittels eine Zuführleitung 15 einer stromaufwärts des SCR-Katalysators 13 angeordneten Einsprüheinrichtung 7 zugeführt. Die Einsprüheinrichtung 7 dient dem Einsprühen der wässrigen Harnstofflösung in das im Abgasstrang 1 strömende Abgas 8.The SCR
Zwischen Einsprüheinrichtung 7 und SCR-Katalysator 13 ist außerdem eine Mischeinrichtung 5 angeordnet, die bevorzugt als kompakte Mischeinrichtung ausgebildet sein kann. Die Mischeinrichtung 5 dient der Vermischung des Abgases 8 mit der eingesprühten wässrigen Harnstofflösung.A
Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es dazu kommen, dass die eingesprühte wässrige Harnstofflösung nicht vollständig unter Bildung von Ammoniak zersetzt wird, sondern sich harnstoffbasierte Ablagerungen im Bereich zwischen Einsprüheinrichtung 7 und SCR-Katalysator 13 bilden. Um dies weitgehend zu verhindern, weist der Abgasstrang 1 in Bereichen, in denen die Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen droht, eine Beschichtung 3 auf, die zur katalytischen Zersetzung harnstoffbasierter Ablagerungen ausgebildet ist. Die Beschichtung 3 weist einen Washcoat, z. B. aus Aluminiumoxid oder Zeolith auf, in dem katalytisch wirksame Bestandteile eingebettet sind, die die Zersetzung von harnstoffbasierten Ablagerungen katalysieren.Under certain operating conditions, it can happen that the sprayed aqueous urea solution is not completely decomposed to form ammonia, but rather urea-based deposits form in the area between the
Die Beschichtung 3 weist eine unterschiedliche Schichtdicke 4 auf. Beispielsweise ist die Beschichtung 3 an der der Einsprüheinrichtung 7 gegenüberliegenden Wandung der Rohrleitung des Abgasstrangs 1 mit hoher Schichtdicke 4 aufgebracht, wobei die Schichtdicke 4 in Richtung hin zur Einsprüheinrichtung 7 abnimmt, da im Bereich der Einsprüheinrichtung 7 mit einer geringeren Wandbenetzung zu rechnen ist.The
Auch die Mischeinrichtung 5 weist die Beschichtung 3 auf, wobei die Schichtdicke 4 auf der stromaufwärtigen Seite und an der stromabwärtigen Seite, wohin sich ein eventuell ausbildender Flüssigkeitsfilm bewegt, größer als an Stellen außerhalb des sich beim Auftreffen der eingesprühten Harnstofflösung auf das Abgas 8 bildenden Spraykegel ist. Optional kann auch die Zusammensetzung der Beschichtung 3 variieren.The
Durch die unterschiedliche Schichtdicke 4 und/oder Zusammensetzung kann das Ausmaß der drohenden Bildung harnstoffbasierter Ablagerungen berücksichtigt werden.Due to the
Außerdem ist der Abgasstrang 1 der
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- AbgasstrangExhaust system
- 22
- VerbrennungsmotorInternal combustion engine
- 33
- BeschichtungCoating
- 44
- SchichtdickeLayer thickness
- 55
- MischeinrichtungMixing device
- 66
- Rohrleitungpipeline
- 77
- EinsprüheinrichtungInjection device
- 88th
- Abgasexhaust
- 99
- Zuluftstrangsupply air line
- 1010
- Zuluftsupply air
- 1111
- Zylindercylinder
- 1212
- AbgasnachbehandlungseinrichtungExhaust gas aftertreatment device
- 1313
- SCR-Katalysator oder SDPF-KatalysatorSCR catalyst or SDPF catalyst
- 1414
- Vorratstankstorage tank
- 1515
- Zuführleitung Feed line
- S1 bis S3S1 to S3
- VerfahrensschritteProcedural steps
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