DE102019214474A1

DE102019214474A1 - Abgasnachbehandlungsanordnung

Info

Publication number: DE102019214474A1
Application number: DE102019214474.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schuller; Franz-Josef Trompeter; Bjoern Damson; Danilo Gregovic
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Abgasnachbehandlungsanordnung (1) zur Reduktion von Schadstoffen im Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, mit einer Abgasleitung (3) zur Weiterleitung des Abgases zu einer Nachbehandlungseinheit (15), insbesondere einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, wobei die Abgasleitung (3) eine Wandung (2) aufweist und wobei im Bereich der Abgasleitung ein elektrisch betreibbares Heizmittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmittel als einen Wandbereich (8) der Wandung (2) beheizbare Heizeinrichtung (13) ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Abgasnachbehandlungsanordnung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der DE 100 48 921 A1 ist schon eine Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, bei der ein Reduktionsmittel zur chemischen Reduktion von Stickoxiden mit dem Abgas einer Brennkraftmaschine vermischt wird.
Die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden im Abgas insbesondere von Dieselmotoren ist Stand der Technik. Dabei wird das Reduktionsmittel AdBlue in geeigneter Menge in die Abgasanlage dosiert. Die Tröpfchen, die bei der Dosierung von AdBlue mit einem Injektor typischerweise entstehen, haben eine so große Geschwindigkeit, dass sie zum großen Teil nicht direkt im Abgas verdampfen, sondern auf einer Wand des Abgassystems oder auf einem Prallblech vor der Wand auftreffen, wobei das Prallblech dann meist als Mischer bezeichnet wird.
Die DE 100 48 921 A1 beschreibt die Ausbildung eines Gemischbildungsbereichs, der Turbulenzen im Abgas anregen soll, um eventuell an der Wandung des Abgasrohrs anhaftendes Reduktionsmittel, zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung, abzuschleudern und mit dem das Rohr durchströmenden Abgas zu vermischen.
Aus der DE 10 2005 063 081 A1 und aus der EP 2 268 904 B1 ist es bekannt, im Bereich der Abgasleitung stromabwärts eines Reduktionsmittelinjektors, aber stromaufwärts einer Nachbehandlungseinheit beispielsweise in Form eines SCR-Katalysators elektrisch betreibbare Heizmittel vorzusehen.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, Ablagerungen infolge unvollständiger Verdampfungen des Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, auch bei niedrigen Abgastemperaturen bzw. bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases zu vermeiden. Hierdurch werden auch in Randbereichen der Betriebsparameter einer Brennkraftmaschine korrosive Effekte infolge dieser ansonsten entstehenden und verbleibenden Ablagerungen vermieden. Insbesondere ist auch von Vorteil, daß die im äußersten Fall bestehende Gefahr einer Verblockung der Abgasanlage sicher vermieden werden kann. Des Weiteren ist von Vorteil, daß eine Dosierung des Reduktionsmittels in den Abgastrakt sehr bald nach einem Start der Brennkraftmaschine und somit zu einer Zeit ermöglicht wird, in der die Abgasanlage durch das Abgas noch nicht aufgewärmt ist.
Der Einsatz einer solchen Abgasnachbehandlungsanordnung ist insbesondere bei mager betriebenen Brennkraftmaschinen bzw. Dieselmotoren in vorteilhafter Weise gegeben, wenn ein Antriebsaggregat, also eine Kombination von Brennkraftmaschine mit einer solchen Abgasnachbehandlungsanordnung, auf geringen Kohlendioxidausstoß optimiert wird und dabei entstehende Stickoxid-Rohemissionen hohe Reduktionsmittel-Dosierraten erforderlich machen. Des Weiteren kann eine Brennkraftmaschine bzw. ein Antriebsaggregat mit einer solchen Abgasnachbehandlungsanordnung auf einen schnellen Start der Dosierung des Reduktionsmittels, insbesondere des AdBlues, vertrauen, was bei bei besonders strengen Gesetzgebungen mit Blick auf Grenzwerte für Stickoxide von Vorteil ist. Des Weiteren ist eine solche Abgasnachbehandlungsanordnung vorteilhaft in Fahrzeugen einsetzbar, die häufig und lange Zeit mit sehr niedrigen Abgastemperaturen betrieben werden, wie beispielsweise bei Zustellfahrzeugen, also im Lieferverkehr.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungsanordnung möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Abgasnachbehandlungsanordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur zeigt eine Abgasnachbehandlungsanordnung 1 mit einer Abgasleitung 3 welche in Strömungsrichtung 11 vom Abgas einer Brennkraftmaschine durchströmt werden kann. Die Abgasleitung 3 ist in der vorliegenden Ausgestaltung stirnseitig bis auf eine Einspritzöffnung 6 zur Zufuhr eines Reduktionsmittels verschlossen. Stirnseitig ist nämlich ein Reduktionsmittelinjektor 5 angeordnet, mit welchem dosiert zum Beispiel eine wässrige Harnstofflösung symmetrisch zur geometrischen Zentralachse der Abgasleitung 3 durch die Einspritzöffnung 6 hindurch in die Abgasleitung 3 eingespritzt werden kann, so daß sich ein Reduktionsmittelspray 7 in der Abgasleitung ausbildet. Die Abgasleitung 3 wird über mindestens eine endständig radial angeordnete Zuführleitung 4 mit Abgas gespeist, welches mit einer Strömungsrichtung 9 senkrecht zur Strömungsrichtung 11 in die Abgasleitung 3 gelangt. Alternativ können auch zwei oder mehrere insbesondere symmetrisch gegenüberliegende radiale Zuführleitungen vorgesehen sein, oder die radiale Zuführleitung umfaßt ihrerseits rotationssymmetrisch radial allseitig die Abgasleitung 3 an ihrem stirnseitigen Ende, an dem, wie abgebildet, der Injektor 5 angeordnet ist, ähnlich wie dies hinsichtlich der geometrischen Anordnungen der Abgasleitungen in der DE 10 2014 211 260 A1 beschrieben ist.
So kann eine mehr oder weniger weitgehend rotationssymmetrische Einströmung des Abgases in die Abgasleitung 3 erfolgen.
Beabstandet zur Einspritzöffnung 6 ist die Wandung 2 der Abgasleitung 3 auf einer Teilstrecke der Abgasleitung bzw. in einem Wandbereich 8 der Wandung 2 mit einer Heizeinrichtung 13 ausgestattet, welche über ein elektronisches Steuergerät 19, das mit der Heizeinrichtung über eine elektrische Ansteuerleitung 17 verbunden ist, elektrisch ansteuerbar ist. Diese Heizeinrichtung ist in der vorliegenden Ausgestaltung rotationssymmetrisch ausgebildet, das heißt sie bedeckt in einem gewissen Abstand zur Einspritzöffnung 6 und auf einer Teilstrecke der Längserstreckung der Abgasleitung 3 den gesamten Umfang der Abgasleitung 3, also im Falle der Ausgestaltung als Abgasrohr auf einer gewissen Strecke parallel zur Strömungsrichtung 11 des Abgases den kompletten Rohrumfang. Hierbei ist die Heizungseinrichtung vorzugsweise auf der Außenseite der Abgasleitung auf der Abgasleitung montiert und gut wärmeleitend mit dieser gekoppelt. Die Abgasleitung 3 ist vorgesehen zur Verbindung mit einer Nachbehandlungseinheit 15, insbesondere einem SCR-Katalysator, wobei die Verbindung stromabwärts des beheizbaren Wandbereichs 8 erfolgt.
Bei niedrigen Abgastemperaturen ist es nützlich, wenn die Prallfläche möglichst wenig Energie an das Abgas abgibt. Hierzu wird, wie dargestellt, die Prallfläche wenig angeströmt, da sie sich mit der Wandung 2 der Abgasleitung 3 parallel zur Hauptströmungsrichtung 11 des Abgases erstreckt. Ein Einbau an der Rohrwand ist also sehr nützlich. Dies hat im Falle einer außenseitigen Montage der Heizeinrichtung auch den Vorteil, dass diese vor den chemischen Belastungen durch die wässrige Harnstofflösung geschützt ist.
Die Wandung 2 der Abgasleitung 3 kann entlang der Strömungsrichtung 11 unterschiedlich dick ausgeführt sein, insbesondere dergestalt, daß die Wanddicke bzw. Materialdicke der Abgasleitung im Bereich der Heizeinrichtung 13 vergleichsweise klein ist, so daß ein guter Wärmeübertrag von der außen angeordneten Heizeinrichtung auf die innenliegende und etwaig mit Reduktionsmittelablagerungen bedeckte Oberfläche der Wandung und ein schnelles Aufheizen erfolgen kann.
Da die Beaufschlagung der Abgasleitung mit dem Reduktionsmittel gegebenenfalls, je nach Betriebsmodus der Brennkraftmaschine oder je nach Art der konstruktiven Ausführung der stirnseitigen Zufuhr des Abgases in die Abgasleitung 3, inhomogen erfolgen kann, ist es vorteilhaft, die Heizeinrichtung derart einzurichten, daß die Heizleistung im beheizten Bereich, also dem Wandbereich 8, entsprechend inhomogen verteilt wird. Dies kann durch eine entsprechende konstruktive Auslegung der Heizeinrichtung erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein zugeordnetes elektronisches Steuergerät so ausgebildet sein, daß die räumliche Verteilung der Heizleistung im Bereich des von der Heizeinrichtung bedeckten Abgasleitungsumfangs zeitlich variiert, insbesondere in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Brennkraftmaschine. Dabei kann die Heizleistung beispielsweise zu einem ersten Zeitpunkt homogen, zu einem zweiten Zeitpunkt in einer bestimmten Weise räumlich inhomogen und zu einem dritten Zeitpunkt in einer anderen bestimmten Weise räumlich inhomogen verteilt sein, um die Verteilung der Heizleistung optimal an die lokal unterschiedliche Beaufschlagung der Abgasleitung mit dem Reduktionsmittel anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10048921 A1 [0001, 0003]
DE 102005063081 A1 [0004]
EP 2268904 B1 [0004]
DE 102014211260 A1 [0010]

Claims

Abgasnachbehandlungsanordnung (1) zur Reduktion von Schadstoffen im Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, mit einer Abgasleitung (3) zur Weiterleitung des Abgases zu einer Nachbehandlungseinheit (15), insbesondere einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, wobei die Abgasleitung (3) eine Wandung (2) aufweist und wobei im Bereich der Abgasleitung ein elektrisch betreibbares Heizmittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmittel als einen Wandbereich (8) der Wandung (2) beheizbare Heizeinrichtung (13) ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung ist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandbereich sich parallel zur Hauptströmungsrichtung (11) des Abgases in der Abgasleitung (3) erstreckt.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Injektor (5) zur Einspritzung eines Reduktionsmittels in die Abgasleitung (3) vorgesehen ist und daß der Wandbereich (8) abgasstromabwärts des Injektors (5) angeordnet ist derart, daß sich in der Abgasleitung ausbreitendes und auf die Wandung (2) treffendes Reduktionsmittel im Bereich des Wandbereichs (8) aufgefangen wird.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (5) abgasstromaufwärts des Wandbereichs (8) an einem stirnseitigen Ende der Abgasleitung (3) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (3) mit einer radialen Zuführleitung (4) für von der Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas verbunden ist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Zuführleitung (4) eingerichtet ist zur rotationssymmetrischen Zufuhr des Abgases in die Abgasleitung (3).
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandbereich (8) den Strömungsquerschnitt der Abgasleitung (3) vollständig umschließt derart, daß sich die Heizeinrichtung im Wandbereich entlang des gesamten Umfangs der Abgasleitung erstreckt.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (13) von außerhalb der Abgasleitung (3) mit der Abgasleitung wärmeübertragend gekoppelt ist.
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß die Heizleistung der Heizeinrichtung (13) räumlich inhomogen in den Wandbereich (8) eingebracht werden kann.
Abgasnachbehandlunganordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (13) mit einem elektronischen Steuergerät (19) verbunden (17) ist, wobei die Heizeinrichtung und das Steuergerät eingerichtet sind zur zeitlichen Variation der räumlichen Verteilung der Heizleistung in dem Wandbereich (8).
Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (19) eingerichtet ist zur zeitlichen Variation der räumlichen Verteilung der Heizleistung in dem Wandbereich (8) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine zur Anpassung an den jeweiligen lokalen Wärmebedarf im Wandbereich (8).
Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialdicke des Wandbereichs (8) im Vergleich zur Materialdicke der übrigen Wandung (2) der Abgasleitung klein ist.
Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine zur Reduktion von Schadstoffen im Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, mit einer Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Wandbereich (8) der Wandung (2) der Abgasleitung (3) beheizt wird.