DE10241898A1

DE10241898A1 - Abgasreinigungsanlage und Verfahren zur Reinigung von Abgasen

Info

Publication number: DE10241898A1
Application number: DE2002141898
Authority: DE
Inventors: Jörg Lange; Peter Khatchikian
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-03-11
Also published as: WO2004025090A1; EP1537303A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinheit und einer Zuführeinrichtung zum Zuführen einer aktiven Substanz zu einer Eingangsseite der Abgasnachbehandlungseinheit zu deren Regeneration. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass eingangsseitig der Abgasnachbehandlungseinheit (6) wenigstens ein verstellbarer Strömungsteiler (8) zur variablen Aufteilung des Abgasstroms (61) in wenigstens zwei Teilströme (81, 82) vorgesehen ist, der mit der Zuführeinrichtung (10) derart gekoppelt ist, dass die dem Abgasstrom (61) zugeführte aktive Substanz (101) weitestgehend in nur einen der wenigstens zwei Teilströme (81, 82) einbringbar ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Abgasreinigung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage mit einer regenerierbaren Abgasnachbehandlungseinheit. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen, bei dem ein Abgasstrom durch eine regenerierbare Abgasnachbehandlungseinheit geleitet wird.
Stand der Technik
Zur Einhaltung zukünftiger Abgasgrenzwerte von Brennkraftmaschinen sind die bekannten konstruktiven Maßnahmen wie bspw. eine günstige Brennraumgestaltung nicht mehr ausreichend. Insbesondere Brennkraftmaschinen, deren Abgas einen hohen Anteil an Sauerstoff aufweist, bspw. Dieselmotoren oder Benzinmotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung, verlangen einen höheren Aufwand zur Schadstoffreduktion, wobei beim Dieselmotor zusätzlich dessen Partikelemissionen reduziert werden müssen.
Die im Abgas enthaltenen Partikel bestehen zu großen Teilen aus Ruß, der in einem Filter aufgefangen werden kann. Ein solches Filter muss allerdings nach Erreichen einer bestimmten Partikelbeladung regeneriert, d.h. üblicherweise freigebrannt werden. Eine Möglichkeit zur Regeneration besteht darin, die Abgase auf Temperaturen von ca. 450 bis 650 °C aufzuheizen, was bspw. durch Zudosierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von verdampftem oder zerstäubtem Kraftstoff in das Abgassystem stromaufwärts eines Oxidationskatalysators erfolgen kann. Die exotherme Umsetzung zu CO, CO₂ und H₂O setzt die zum Freibrennen benötigte Wärme frei.
In der DE 197 31 865 C2 ist ein Abgaskatalysator beschrieben, der in erster Linie zur Reduzierung von Stickoxiden (NO_x) im Abgas von Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung (Dieselmotoren) dient. In einem Oxidationskatalysator der Katalysatoranordnung wird zunächst das im Abgas vorhandene NO in NO₂ umgewandelt. In einer nachgeschalteten Speichereinheit werden die Stickoxide dann bspw. als Bariumnitrat gespeichert. Diese Speicherkatalysatoren sind in der Lage, die Stickoxide über einen Zeitraum von mehreren Sekunden bis Minuten aus dem Abgasstrom zu speichern. Die beladenen Speicherkatalysatoren müssen in regelmäßigen Zeitabständen regeneriert werden, wobei die Stickoxide zu Stickstoff reduziert und an das Abgas abgegeben werden. Für diesen Entleer- oder Regenerationsvorgang ist eine reduzierende Umgebung (fettes Gemisch) bei einem herrschenden Luftverhältnis von λ < 1 notwendig.
Ein Luftverhältnis von λ < 1 kann motorintern direkt durch Steuerung der Verbrennung oder motorextern durch Dosierung eines Reduktionsmittels (z.B. Dieselkraftstoff, HC) in das Abgassystem erzeugt werden. Motorintern wird das Verhältnis von Kraftstoff zu Verbrennungsluft geregelt, wobei ein fettes Gemisch (λ < 1) mit Luftmangel erzeugt wird. Bei dieser Art der Regelung gelingt jedoch nur in einem unteren Drehzahl-/Lastbereich eine rußarme Verbrennung. Eine Regeneration des Speicherkatalysators im gesamten Motorkennfeld ist bei bekannten Brennkraftmaschinen mit einer erhöhten Partikelemission bzw. mit einem Rauchstoß verbunden.
Problematisch ist generell der hohe Sauerstoffgehalt im Abgas von Dieselmotoren oder von direkteinspritzenden Benzinmotoren. Fall der gesamte Abgasstrom angefettet werden muss, wird eine große Menge des Reduktionsmittels nur dafür benötigt, den Sauerstoffgehalt im Abgas auf Null zu bringen, also einen λ-Wert von Eins (λ = 1) einzustellen. Für die anschließende Umsetzung der Stickoxide wird vergleichsweise wenig Reduktionsmittel verbraucht.
In der DE 100 62 957 wird eine Abgasreinigungsanlage mit einer Katalysatoranordnung beschrieben, die einen Speicherkatalysator zur Reduktion von Stickoxiden sowie eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Reduktionsmittels zur Eingangsseite des Speicherkatalysators während einer Regenerationsphase umfasst. Die Katalysatoranordnung weist eine Blendenanordnung auf, welche die Querschnittsfläche des Speicherkatalysators teilweise bedeckt.
Eine weitere Möglichkeit zur Minderung der Anteile von NO_x im Abgas ist deren Reduzierung in einem speziellen Katalysator unter Zusetzung von Ammoniak (NH₃) zu molekularem Stickstoff (N₂). Zum prakti schen Einsatz eignet sich insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder fester Harnstoff, der in einem weiteren Katalysator zu NH₃ umgesetzt wird.
Eine Abgasreinigungsanlage mit einer regenerierbaren Abgasnachbehandlungseinheit ist weiterhin in der älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 101 42 804.9 beschrieben. Hierbei ist ein verstellbarer Strömungsteiler vorgesehen, mittels welchem in einer Regenerationsstellung ein Abgasteilstrom erzeugbar ist, welcher eine Abgasnachbehandlungseinheit durchströmt. Ein verbleibender zweiter Teilstrom durchströmt mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungseinheit. Aufgrund des verstellbaren Strömungsteilers kann ein Teilstrom erzeugt werden, welcher für eine Regeneration der Abgasnachbehandlungseinheit sorgt. Gleichzeitig strömt der Abgashauptstrom durch eine weitere Abgasnachbehandlungseinheit, so dass die Kontinuität der Abgasreinigung auch während der Regenerationsphase der Abgasnachbehandlungseinheit gewährleistet ist.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schlägt bei einer gattungsgemäßen Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine eine Anordnung vor, bei der eingangsseitig einer Abgasnachbehandlungseinheit ein verstellbarer Strömungsteiler zur variablen Aufteilung des Abgasstroms in wenigstens zwei Teilströme vorgesehen ist. Dieser verstellbare Strömungsteiler ist erfindungsgemäß mit einer Zuführeinrichtung zur Zufuhr einer aktives Substanz zur zyklischen und/oder permanenten Regeneration der Abgasnachbehandlungseinheit derart gekoppelt, dass die dem Abgasstrom zugeführte aktive Substanz nahezu vollständig in einen der wenigstens zwei Teilströme einbringbar ist. Die Anordnung mit dem Strömungsteiler eignet sich insbesondere zur Anwendung eines externen Regenerationsprinzips, bei dem motorseitig keine Drosselklappe während der Regenerationsphase und kein direkter Eingriff in die Motorregelung und damit auch kein Fettbetrieb des Motors erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine kompakte, platzsparende und einfach aufgebaute quasi-kontinuierlich arbeitende Abgasreinigungsanlage, die in ihrer einfachsten Ausführungsform nur einen Speicherkatalysator benötigt. Gleichzeitig kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung ein Mehrverbrauch an Kraftstoff dadurch minimiert werden, dass zur Regeneration der Abgasnachbehandlungseinheit bzw. des Speicherkatalysators kein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis des gesamten Motorabgases erforderlich ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der verstellbare Strömungsteiler eine schwenkbare Klappe umfasst, die im Abgasstrom vor der Abgasnachbehandlungseinheit angeordnet ist. Der Abgasstrom wird mit Hilfe der schwenkbaren Klappe in zwei oder drei Teilströme aufgeteilt, die durch die Abgasnachbehandlungseinheit in Gestalt eines Katalysators, Partikelfilters o. dgl. strpmen. In der sog. Beladephase der Abgasnachbehandlungseinheit werden zwei Teilströme annähernd gleichen Umfanges gebildet, was durch eine Mittelstellung der Klappe erreicht werden kann.
Zur Regeneration der Abgasnachbehandlungseinheit kann die schwenkbare Klappe so justiert werde, dass der zu regenerierende Pfad mit einem kleineren Teilstrom (z.B. 10 % des Gesamtstroms) durchströmt wird. Nur in diesem kleineren Abgasstrom muss ein stöchiometrisches Luftverhältnis (λ=1) hergestellt werden, wozu in erster Näherung nur 10 % der Regenerationsmittelmenge benötigt werden, die für eine Anfettung des gesamten Abgasstroms erforderlich wäre. Der Verbrauch an Regenerationsmittel wird dadurch drastisch reduziert. Durch eine höhere Verweilzeit der aktiven Substanz im Katalysator wird außerdem der Umsatz verbessert, weshalb das Volumen der Katalysatoreinheit gegebenenfalls kleiner gehalten werden kann als bei einem einflutigen System.
In einer oberen und unteren Anschlagstellung der Klappe werden zwei ungleich große Teilströme gebildet. Vorzugsweise wird dem kleineren Teilstrom die aktive Substanz zugeführt, so dass während eins kurzen Regenerationszyklus eine geringe Menge an aktiver Substanz verbraucht wird. Da die Abgasnachbehandlungseinheit i.d.R. eine axiale durchströmte Kanalstruktur aufweist, kann der zu regenerierende Teil der Kanäle mit der Stellung der Klappe genau definiert werden.
Mit Hilfe der verstellbaren Klappe ist es möglich, jeweils kurze Regenerationsphasen für die beiden Teile und insgesamt einen quasi-kontinuierlichen Betrieb zu ermöglichen.
Soll die aktive Substanz dem gesamten Abgasstrom zugeführt werden, kann zur gleichmäßigen Dosierung der aktiven Substanz die Klappe periodisch hin- und her (bzw. auf und ab) geschwenkt werden. Dies kann zwischen den beiden Anschlagstellungen oder in einem kleineren Winkelbereich von z.B. +/- 10° um die Mittelstellung erfolgen. Erfolgen diese Schwingungen schnell genug, z.B. mit 1 Hz, so wird damit eine annähernd gleichmäßige Aufteilung der aktiven Substanz auf beide Teilströme erreicht. Die Anfettung des Vollstroms kann bspw. dann sinnvoll sein, wenn ein Teil der Abgasnachbehandlungskomponenten im Vollstrom betrieben wird.
Einige Abgasnachbehandlungskonzepte erfordern eine zeitweise Aufheizung des Abgases. Zur Aufheizung nur eines Teilstromes ist eine erheblich geringere Energie nötig.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Zuführeinrichtung zur Zuführung der aktiven Substanz in einer um eine Schwenkachse der Klappe schwenkbare Hohlwelle des Strömungsteilers integriert. Vorzugsweise weist die schwenkbare Hohlwelle der Klappe eine Öffnung zur Zuführung der aktiven Substanz in den Abgasstrom auf. Weiterhin steht vorzugsweise die Öffnung in der schwenkbaren Hohlwelle mit einer Dosiereinrichtung in Verbindung. Bei bekannten Anordnungen zur Teilung eines Abgasstromes in zwei baulich getrennte Pfade und zur Dosierung der beiden Pfade sind in der Regel wenigstens zwei Klappen und zwei getrennte Dosiereinheiten notwendig. Demgegenüber bringt die Anordnung des Systems in einem gemeinsamen Gehäuse mit nur einer Klappe und nur einer Dosiereinheit erhebliche Vorteile hinsichtlich des Bauaufwandes und des Platzbedarfs. Zudem ist durch die kompaktere Abmessung des Systems eine geringere Gesamtwärmeabgabe gewährleistet. Die Vorrichtung ist bspw. dazu geeignet, einen NO_x-Speicher und einen Partikelfilter zu regenerieren und beide zu desulfatisieren.
Die schwenkbare Klappe des Strömungsteilers weist vorzugsweise wenigstens zwei an der Hohlwelle befestigte Leitbleche auf, deren Oberflächen in Strömungsrichtung einen sich vergrößernden Abstand aufweisen. Diese Leitbleche sorgen für eine zuverlässige Umlenkung des Abgasstroms und verhindern in der Regenerationsstellung, dass aktive Substanz in einen nicht beaufschlagten Teilstrom des Abgases gelangen kann. Dies reduziert den Verbrauch an aktiver Substanz während der Regenerationsphase.
Hinter der schwenkbaren Klappe und vor der Abgasnachbehandlungseinheit kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Strömungsleitblech angeordnet sein. Dieses Strömungsleitblech kann bspw. eine einzige Blechscheibe umfassen, die parallel zur Strömungsrichtung des Abgases und deren Oberfläche parallel zur Schwenkachse der Klappe angeordnet ist. Alternativ kann das Strömungsleitblech wenigstens zwei V-förmig angeordnete Blechscheiben umfassen, deren beabstandete freie Enden annähernd bündig mit den freien Enden der Leitbleche der schwenkbaren Klappe in deren Mittelstellung anschließen. Ein solches Strömungsleitblech sorgt für eine zuverlässige Aufteilung und Trennung der zwei bzw. drei Abgasteilströme und verhindert den Eintrag von aktiver Substanz in den nicht zu regenerierenden Teilstrom.
Eine besonders kompakte Abgasnachbehandlungsanlage lässt sich dadurch realisieren, indem die Abgasnachbehandlungseinheit zusammen mit dem verstellbaren Strömungsteiler und der Zuführeinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse integriert ist. Das Gehäuse kann bspw. im Bereich vor der Abgasnachbehandlungseinheit, ausgehend von einem Abgaskanal kleineren Durchmessers, eine sich konisch erweiternde Kontur aufweisen. Diese Ausgestaltung führt zu einer sehr kompakten Baueinheit, die sich durch geringe Wärmeverluste und einen hohen Freiheitsgrad hinsichtlich der Platzierung des System im Fahrzeug auszeichnet.
Die Klappe des Strömungsteilers kann bspw. pneumatisch, insbesondere elektro-pneumatisch angesteuert sein. So besteht insbesondere die Möglichkeit, bereits in einem Kraftfahrzeug bestehende Pneumatikvorrichtungen zur Ansteuerung der Abgasreinigungsanlage zu verwenden. Alternativ sind auch andere Ansteuerungen möglich, bspw. mittels Elektromagnet oder elektrischem Stellmotor oder dgl.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass die Abgasnachbehandlungseinheit wenigstens einen Speicherkatalysator umfasst, der mit dem Strömungsteiler und der Zuführeinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist. Insbesondere kann die Abgasnachbehandlungseinheit einen oder mehrere NO_x-Speicherkatalysatoren, einen oder mehrere Par tikelfilter und/oder wenigstens einen Oxidationskatalysator umfassen.
Weiterhin kann eine Ausgestaltung darin bestehen, dass in die Abgasnachbehandlungseinheit ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (sog. SCR-System) zur Reduzierung der NO_x-Anteile im Abgas integriert ist. Hierbei wird dem Abgas typischerweise wässrige Harnstofflösung zugeführt, so dass durch eine Thermolyse und anschließende katalysierte Hydrolyse des Harnstoffs das eigentliche Reduktionsmittel Ammoniak (NH₃) freigesetzt wird. Eine solche Vorrichtung lässt sich in vorteilhafter Weise mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage kombinieren und führt zu einer weitgehenden Minimierung der unerwünschten und schädlichen Abgasbestandteile.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann in einer Beschichtung des in der Abgasnachbehandlungseinheit enthaltenen Partikelfilters mit einer NO_x speichernden und/oder mit einer oxidierenden katalytischen Substanz bestehen. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich eine besonders effektive und kompakte Abgasreinigungsanlage realisieren.
Die aktive Substanz kann in einer Ausführungsform der Erfindung ein Reduktionsmittel bzw. ein desulfatisierendes Mittel umfassen. Ein solches Reduktionsmittel kann bspw. verdampfter oder zerstäubter Kraftstoff sein. Mittel zur Dessulfatisierung (Entschwefelung) des Abgases sind. bekannt und dienen zur weiteren Verbesserung der Reinigungswirkung des Abgases.
Zur weiteren Verbesserung der Effektivität der Abgasreinigungsanlage kann es von Vorteil sein, im Abgasstrom bzw. in der Abgasnachbehandlungsanlage ein zusätzliches Heizelement bzw. einen zusätzlichen Brenner vorzusehen. Das Heizelement kann bspw. elektrisch betrieben sein und ggf. über eine katalytische Beschichtung verfügen. Mit einem solchen Heizelement bzw. einem Brenner kann der Abgasstrom bei Bedarf auf Temperaturen aufgeheizt werden, bei denen eine Reinigungswirkung optimiert ist bzw. überhaupt stattfindet. So setzt bspw. die katalytische Reinigungswirkung erst bei erhöhten Abgastemperaturen ein, die unmittelbar nach einem Start der Brennkraftmaschine noch nicht erreicht werden. Eine katalytische Beschichtung des Heizelements kann zur Initiierung des katalytischen Reinigungsprozesses bereits vor der Abgasnachbehandlungseinheit dienen. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines elektrisch beheizbaren Katalysators, da er nur einen kleinen Teilstrom aufheizen muss. Der Strombedarf dafür ist erheblich geringer als derjenige zur Aufheizung des vollen Abgasstroms. Das Bordnetz wird somit weniger belastet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Abgasstrom durch eine Abgasnachbehandlungseinheit geleitet wird und bei welchem dem Abgasstrom während einer Regenerationsphase eingangsseitig der Abgasnachbehandlungseinheit eine aktive Substanz zugeführt wird, sieht vor, dass der Abgasstrom in der Regenerationsstellung eingangsseitig der Abgasnachbehandlungseinheit mittels eines verstellbaren Strömungsteilers in zwei bzw. drei Teilströme aufgeteilt wird, wobei einer der Teilströme mit einer aktiven Substanz zur Regeneration der Abgasnachbehandlungseinheit beaufschlagt wird. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist gegenüber bekannten Systemen nur eine sehr geringe Menge an aktiver Substanz zur Regeneration der Abgasnachbehandlungseinheit notwendig, da nur ein kleinerer Teilstrom mit der aktiven Substanz beaufschlagt wird und auf diese Weise durch den variabel verstellbaren Strömungsteiler eine nahezu kontinuierliche Regeneration der Abgasnachbehandlungseinheit im Fahrbetrieb möglich ist. Es sind auf diese Weise keine Phasen notwendig, während der die gesamte Abgasnachbehandlungseinheit auf einmal gereinigt wird, und während der eine relativ große Menge an aktiver Substanz zugeführt werden muss.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Strömungsteiler die Stellung der Regeneration einnimmt, wenn die Abgasnachbehandlungseinheit zur Regeneration aktiviert wird. Durch die variable Verstellbarkeit des Strömungsteilers kann dabei ein variabler Anteil der Abgasnachbehandlungseinheit regeneriert werden. Dadurch dass die aktive Substanz nur einem der beiden bzw. der drei Teilströme zugeführt wird, vorzugsweise dem kleineren, ist eine nur geringe Anfettung des Abgases notwendig, wodurch ein Kraftstoffverbrauch nur unwesentlich erhöht wird.
Der Abgasstrom kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens einen Speicherkatalysator, wenigstens einen Partikelfilter und/oder einen oder mehrere Oxidationskatalysator durchströmen. Einzelne oder mehrere dieser Teile können elektrisch beheizbar sein. Die Reinigungswirkung kann auf diese Weise mit einer besonders kompakten Abgasreinigungsanlage sehr effektiv sein.
Die Zuführung der aktiven Substanz kann zur Regeneration des wenigstens einen Partikelfilters und/oder des wenigstens einen NO_x-Speichers dienen. Wahlweise oder zusätzlich kann mittels Zuführung der aktiven Substanz der Partikelfilter und/oder der NO_x-Speicher entschwefelt werden.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Abgasnachbehandlungseinheit im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine;
2 ein schematischer Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinheit mit einem schwenkbaren Strömungsteiler;
3 die pbgasnachbehandlungseinheit gemäß 2 mit einem geschwenkten Strömungsteiler;
4 ein schematischer Längsschnitt einer alternativen Ausführungsform der Abgasnachbehandlungseinheit;
5 die Abgasnachbehandlungseinheit gemäß 4 mit geschwenktem Strömungsteiler;
6 ein schematischer Detailschnitt des schwenkbaren Strömungsteilers der Abgasnachbehandlungseinheit;
7 ein schematischer Querschnitt des Strömungsteilers;
8 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen schwenkbaren Strömungsteiler und
9 eine weitere Ansicht des Strömungsteilers.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden anhand der 1 bis 9 bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei sind gleiche Teile grundsätzlich mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher teilweise nicht mehrfach erläutert.
1 verdeutlicht in einer schematischen Darstellung die Anordnung einer Abgasnachbehandlungseinheit 6 im Abgaskanal 24 einer Brennkraftmaschine 2. Diese weist eingangsseitig einen Einlasskanal 21 zur Zufuhr von Frischgas 23 sowie ggf. eine darin angeordnete verstellbare Drosselklappe 22 zur Regu lierung der Frischgaszufuhr auf. Die Drosselklappe ist bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung allerdings nur optional. In einem Abgaskanal 24 ist ein in einem Gehäuse 67 untergebrachtes Abgasreinigungssystem angeordnet, das zur Reinigung/ Rußfilterung des Abgases der Brennkraftmaschine 2 und/ oder zur katalytischen Umwandlung schädlicher Verbrennungsprodukte vorgesehen ist. Das Abgasreinigungssystem kann bspw. einen oder mehrere Partikelfilter, einen oder mehrere Oxidationskatalysatoren, einen oder mehrere Speicherkatalysatoren und/ oder ein sog. SCR-System (System zur selektiven katalytischen Reduktion) umfassen. Die genannten Module können wahlweise in beliebiger Reihenfolge hintereinander angeordnet sein und/oder zumindest teilweise in integrierter Bauform ausgebildet sein.
Eingangsseitig der als Abgasnachbehandlungseinheit 6 charakterisierten Einheit aus einem oder mehreren Katalysatoren bzw. Partikelfiltern 68, 69 ist ein verstellbarer Strömungsteiler 8 vorgesehen, der erfindungsgemäß eine Zuführeinrichtung 10 zur variablen Zudosierung einer aktiven Substanz mittels einer verstellbaren Dosiereinrichtung 103 aufweist. Die aktive Substanz ist vorzugsweise ein Mittel zur Regeneration des Partikelfilters bzw. des NO_x-Speichers und/oder zur Desulfatisierung der genannten Bauteile.
Eine zentrale Steuereinheit 4 der Brennkraftmaschine 2 weist Eingänge für Sensorsignale 41 sowie Ausgänge für Stellsignale 42 auf. Als Sensorsignale können bspw. die Werte eines Drehzahlsensors, eines Luftmassensensors, von Temperatursensoren o. dgl.
verarbeitet werden. Vorzugsweise wird auch ein Differenzdruck Δp zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite der Abgasnachbehandlungseinheit 6 gemessen. Einige der Stellsignale sind beispielhaft angedeutet. So steuert bspw. ein Stellsignal 43 einen Aktor 44 zur Justierung der Drosselklappe 22 in Abhängigkeit der entsprechenden Eingangssignale 41. Weiterhin steuert ein Stellsignal 45 einen Aktor 46 des Strömungsteilers 8, der bspw. auf pneumatischem, elektromagnetischem oder elektromotorischem Weg verstellt werden kann. Weiterhin ist ein Stellsignal 47 zur Steuerung eines Aktors 48 für die Dosiereinrichtung 103 vorgesehen, mittels derer eine variable Menge an aktiver Substanz in den Abgasstrom 61 vor der Rbgasnachbehandlungseinheit zugeführt werden kann. Der Abgasstrom 62 nach der Abgasnachbehandlungseinheit 6 wird entweder durch weitere Abgasnachbehandlungseinheiten, bspw. weitere Katalysatoren, oder zu einem Auslass geleitet, der ins Freie führt.
Die 2 und 3 zeigen jeweils in einem schematischen Längsschnitt die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinheit 6, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Gehäuse 67 einen ersten Katalysator bzw. Partikelfilter 68, sowie einen zweiten Katalysator bzw. Partikelfilter 69 aufweist. Die Katalysatoren bzw. Partikelfilter 68, 69 weisen jeweils axial verlaufende Strömungskanäle 70 auf, durch die der Abgasstrom 61 hindurch strömt. Im Abgaskanal 24 vor dem ersten Katalysator 68 ist ein verstellbarer Strömungsteiler 8 angeordnet, der für eine Aufteilung des Abgasstroms 61 in zwei oder drei Teilströme sorgen kann. In einer Be ladestellung (2) der Abgasnachbehandlungseinheit 6 befindet sich der als schwenkbare Klappe 83 ausgebildete Strömungsteiler 8 in einer Mittelstellung, so dass ein oberer und unterer Teilbereich der Katalysatoren bzw. Partikelfilter 68, 69 jeweils etwa mit einem gleichen Abgasmassenstrom beaufschlagt wird. In dieser Stellung wird keine aktive Substanz zugeführt.
Zur Regeneration wird die Klappe 83 um eine Schwenkachse 84 in eine Richtung nach oben oder unten geschwenkt (vgl. 3) und befindet sich dabei in einer Regenerierstellung. In dieser Stellung strömt ein größerer Teil des Abgasstroms 61 unterhalb der schwenkbaren Klappe 83 vorbei, wird dabei teilweise durch ein fest installiertes Strömungsleitblech 63 geführt und strömt in einen unteren Teil der Katalysatoren bzw. Partikelfilter 68, 69. Ein kleinerer Teil des Abgases strömt durch einen Durchlass 89 in einer Hohlwelle 85 der schwenkbaren Klappe 83. In dieser Regenerierstellung wird eine aktive Substanz, beim NO_x-Speicher bspw. verdampfter Kraftstoff, über die Hohlwelle 85 und deren Durchlass 89 der Klappe 83 zudosiert und strömt zwischen deren in Strömungsrichtung sich öffnenden Leitblechen 86 (vgl. 6) in einen kleineren oberen Teil der Katalysatoren bzw. Partikelfilter 68, 69. Eine Rückmischung innerhalb der Komponenten ist weitgehend ausgeschlossen, da alle gebräuchlichen Komponenten wie Katalysatoren, Partikelfilter etc. eine Kanalstruktur mit Strömungskanälen 70 aufweisen, die nur eine Strömung in axialer Richtung erlauben. Ist die obere Seite regeneriert, wie es in 3 dargestellt ist, wird die Klappe 83 so gestellt, dass der untere Teil der Abgasnachbehandlungseinheit 6 regeneriert werden kann.
Falls das Teilstromverhältnis variiert werden soll, kann die Klappe 83 leicht von einer der beiden Anschlagstellungen in Richtung zur Mittelstellung verschwenkt werden. Durch die oberhalb des oberen Leitblechs 86 bzw. unterhalb des unteren Leitblechs entstehende Spaltöffnung strömt dann Abgas in den oberen bzw. unteren Teil der Katalysatoren bzw. Partikelfilter und das Teilstromverhältnis wird kleiner. Versuche haben gezeigt, dass dann fast bis zur Mittelstellung der Klappe 83 (Beladestellung) der Dosierstrom nur in den zu regenerierenden Pfad gelangt. Es kann sinnvoll sein, nur die erste Abgasnachbehandlungskomponente 68 im Teilstrom und die zweite Komponente 69 im Vollstrom zu betreiben. In diesem Fall wird ein Abstand zwischen den Komponenten 68, 69 so groß gewählt, dass sich in ihm die Teilströme 81 und 82 wieder vereinigen und die Komponente 69 homogen durchströmt wird. Soll dagegen auch die Komponente 69 im Teilstrom betrieben werden, so muss der Abstand sehr klein gewählt sein. Der Abstand ist im Idealfall gleich Null.
Der Größe des Abstandes zwischen den beiden Komponenten 68, 69 kommt eine wichtige Bedeutung zu. Ist er nicht vorhanden oder sehr klein, wird auch die Komponente 69 im Teilstrom betrieben. Ist der Abstand jedoch größer als ca. 0,5 ... 1 mm, findet im Spalt eine Vermischung der Teilströme 81, 82 statt, die durch das Druckgefälle verursacht wird. Die Komponente 69 wird dann homogen und über ihren gesamten Querschnitt gleichmäßig angeströmt. Sie be findet sich somit im Vollstrom und verhält sich so, als wäre sie in einem getrennten Gehäuse an der Stelle 62 eingebaut.
Die 4 und 5 zeigen entsprechende Darstellungen einer alternativen Abgasnachbehandlungseinheit 6, bei der das der Klappe 83 nachgeordnete Strömungsleitblech 63 in einer einzigen parallel zur Strömungsrichtung angeordneten Blechscheibe besteht. Die Gestalt des festen Strömungsleitblechs 63 begünstigt die Strömungsführung in der Regenerierstellung (5) geringfügig. In der Beladestellung (4) ist die Strömungsführung dagegen nicht so günstig wie in der Ausführungsform gemäß den 2 und 3 mit dem V-förmig gestalteten Strömungsleitblech 63, das aus einer ersten und zweiten Blechscheibe 64, 65 besteht.
6 verdeutlicht eine Detailansicht des vorderen Bereichs der Abgasnachbehandlungseinheit 6 mit der schwenkbaren Klappe 83 und dem V-förmigen Strömungsleitblech 63. In einem Bereich vor der Klappe 83 bis ungefähr zu deren Schwenkachse 84 reichend ist jeweils ober- und unterhalb der Hohlwelle 85 ein Klappenflügel 88 angeordnet. Diese symmetrisch zu einer Mittelachse des Abgaskanals 24 angeordneten Klappenflügel 88 lenken den Abgasstrom 61 von der Brennkraftmaschine auf die Hohlwelle 85 und stellen sicher, dass der zudosierte Strom ausschließlich in den zu regenerierenden Pfad gelenkt wird. Zahlreiche Tests mit der schwenkbaren Klappe haben jedoch gezeigt, dass die Klappenflügel 88 für einen einwandfreien Betrieb der Anlage nicht zwingend erforderlich sind.
Die Hohlwelle 85 ist in der Detailansicht der 6 in einem Schnitt durch den Durchlass 89 gezeichnet. Die Hohlwelle 85 weist eine Öffnung 102 der Zuführeinrichtung 10 auf, die eine Zudosierung einer aktiven Substanz ermöglicht (vgl. 8). Die beiden Leitbleche 86 der Klappe 83 leiten den Hauptteil des Abgasstroms 61 (zweiter Teilstrom 8a) in den unteren Teil der Katalysatoren bzw. Partikelfilters 68, 69 zur Abgasnachbehandlung. Der kleinere Teil des Abgasstroms (erster Teilstrom 81) tritt links in den Ausschnitt der Hohlwelle 85 ein und rechts zwischen den Leitblechen 86 wieder heraus. Dabei reißt dieser Abgasstrom den Dosierstrom, der von unten in axialer Richtung in die Mitte der Hohlwelle 85 eingebracht wird, mit in den oberen Teil der Anordnung.
Die Vermischung des Abgases mit dem Dosierstoff (aktive Substanz 101) ist bei dieser Klappe besonders vorteilhaft. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit und die geringe Größe der Öffnung in der Hohlwelle 85 werden Wirbel erzeugt, die der Durchmischung förderlich sind. Treten die Wirbel nicht auf, können sie durch geeignete Maßnahmen bei der Gestaltung des Fensters künstlich induziert werden. Die Einbringung des Gemisches in der Mitte zwischen den Klappenflügeln ist insofern sehr günstig, als das Dosiermittel wenig Kontakt zu den relativ kalten Gehäusewänden bekommt. Bei verdampftem Dieselkraftstoff als Reduktionsmittel könnte es sonst zur Auskondensation von flüssigem Dosierstoff kommen.
Der Teil des Gehäuses, in dem die Klappe 83 eingebaut ist, kann zylindrisch oder – wie gezeichnet – leicht konisch ausgeführt sein.
7 zeigt nochmals einen Querschnitt durch die Klappe 83, die mittels der schwenkbaren Hohlwelle 85 um die Schwenkachse 84 gedreht werden kann. In der Mitte der Hohlwelle ist eine Öffnung 102 vorgesehen, die anhand der 8 verdeutlicht wird. Eine Zuführleitung 104 dient zur Zuführung der aktiven Substanz 101 zur Öffnung 102 zwischen den beiden Leitblechen 86, die gleichzeitig den Durchlass 89 für den Abgasstrom bildet.
9 zeigt nochmals eine Draufsicht von oben auf die Klappe 83 des Strömungsteilers 8 und verdeutlicht die längliche Kontur der Öffnung 102 an der den Leitblechen 86 abgewandten Rückseite der Hohlwelle 85.

Claims

Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinheit und einer Zuführeinrichtung zum Zuführen einer aktiven Substanz zu einer Eingangsseite der Abgasnachbehandlungseinheit zu deren Regeneration, dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig der Abgasnachbehandlungseinheit (6) wenigstens ein verstellbarer Strömungsteiler (8) zur variablen Aufteilung des Abgasstroms (61) in wenigstens zwei Teilströme (81, 82) vorgesehen ist, der mit der Zuführeinrichtung (10) derart gekoppelt ist, dass die dem Abgasstrom (61) zugeführte aktive Substanz (101) wahlweise in beide oder weitestgehend in nur einen der wenigstens zwei Teilströme (81, 82) einbringbar ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der verstellbare Strömungsteiler (8) eine schwenkbare Klappe (83) umfasst, die im Abgasstrom (61) vor der Abgasnachbehandlungseinheit (6) angeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (10) in einer um eine Schwenkachse (84) der Klappe (83) schwenkbare Hohlwelle (85) des Strömungsteilers (8) integriert ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die schwenkbare Hohlwelle (85) der Klappe (83) eine Öffnung (102) zur Zuführung der aktiven Substanz (101) in den Abgasstrom (61 bzw. 81) aufweist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (102) in der schwenkbaren Hohlwelle (85) mit einer Dosiereinrichtung (103) in Verbindung steht.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbare Klappe (83) des Strömungsteilers (8) wenigstens zwei an der Hohlwelle (85) befestigte Leitbleche (86) aufweist, deren Oberflächen in Strömungsrichtung einen sich vergrößernden Abstand aufweisen.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der schwenkbaren Klappe (83) und vor der Abgasnachbehandlungseinheit (6) ein Strömungsleitblech (63) angeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitblech (63) eine einzige Blechscheibe (64) umfasst, die parallel zur Strömungsrichtung des Abgases und deren Oberfläche parallel zur Schwenkachse (84) der Klappe (83) angeordnet ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitblech (63) wenigstens zwei V-förmig angeordnete Blechscheiben (64,65) umfasst, deren beabstandete freie Enden (66) annähernd bündig mit den freien Enden (87) der Leitbleche (86) der schwenkbaren Klappe (83) in deren Mittelstellung abschließen.
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (6) zusammen mit dem verstellbaren Strömungsteiler (8) und der Zuführeinrichtung (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (67) integriert ist.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (67) im Bereich vor der Abgasnachbehandlungseinheit (6), ausgehend von einem Abgaskanal (24) kleineren Durchmessers eine sich konisch erweiternde Kontur aufweist.
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (6) wenigstens einen Speicherkatalysator umfasst, der mit dem Strömungsteiler (8) und der Zuführeinrichtung (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (67) untergebracht ist.
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (6) ein System zur selektiven katalytischen Reduktion zur Reduzierung der NO_x-Anteile im Abgas umfasst.
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (6) einen Partikelfilter umfasst.
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (6) einen Oxidationskatalysator umfasst, der ggf. elektrisch beheizbar ist.
Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (68, 69) der Abgasnachbehandlungseinheit (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (67) angeordnet sind.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (68, 69) der Rbgasnachbehandlungseinheit (6) in einem Abstand von weniger als ca. 0,5 mm hintereinander angeordnet sind.
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (68, 69) der Abgasnachbehandlungseinheit (6) in einem Abstand von mehr als ca. 0,5 bis 1 mm hintereinander angeordnet sind.
Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Substanz (101) ein Reduktionsmittel umfasst.
Verfahren zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Abgasstrom durch eine Abgasnachbehandlungseinheit geleitet wird, und bei dem dem Abgasstrom während einer Regenerationsphase eingangsseitig der Abgasnachbehandlungseinheit eine aktiven Substanz zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom (61) in der Regenerationsstellung eingangsseitig der Abgasnachbehandlungseinheit (6) mittels wenigstens eines verstellbaren Strömungsteilers (8) in wenigstens zwei Teilströme (81, 82) aufgeteilt wird, wobei wahlweise nur einer der Teilströme (81, 82) oder beide Teilströme (81, 82) mit einer aktiven Substanz zur Regeneration der Abgasnachbehandlungseinheit (6) beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 20 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsteiler (8) die Stellung der Regeneration einnimmt, wenn die Abgasnachbehandlungseinheit (6) zur Regeneration aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströme (81, 82) variabel aufteilbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Substanz (101) nur einem der wenigstens zwei Teilströme (81, 82) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in einer mittle ren Stellung der Klappe (83) zwei gleich große Teilströme (81, 82) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , dass die aktive Substanz (101) in dir mittleren Stellung der Klappe (83) beiden Teilströmen (81, 82) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25 , dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Substanz (101) abwechselnd beiden Teilströmen (81, 82) während eines periodischen Schwenkens der Klappe (83) über die Mittelstellung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (83) zwischen beiden Anschlagstellungen hin- und her geschwenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (83) in einem begrenzten Winkelbereich zwischen beiden Anschlagstellungen hin- und her geschwenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass in einer unteren oder einer oberen Anschlagstellung der Klappe (83) zwei unterschiedlich große Teilströme (81, 82) gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Zuführung der aktiven Substanz (101) ein Partikelfilter und/oder ein NO_x-Speicher regeneriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Zuführung der aktiven Substanz (101) der Partikelfilter und/oder der NO_x-Speicher desulfatisiert wird.