DE10247987A1

DE10247987A1 - Anordnung und Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10247987A1
Application number: DE10247987A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ripper; Johannes Schaller; Wolfram Veigel; Hartmut Lueders; Christian Walz; Heinrich Duetsch; Thorsten Mayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-29
Also published as: WO2004036004A1

Abstract

Es wird eine Anordnung bzw. ein Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, mit einer Abgasleitung und mit einer Katalysatoranordnung, wobei im Bereich der Katalysatoranordnung Mittel zur Zufuhr eines Hilfsmittels vorgesehen sind und wobei zwischen den Mitteln zur Zufuhr des Hilfsmittels und einem Katalysator der Katalysatoranordnung eine Verteilungseinrichtung vorgesehen ist.

Description

Aus der DE 199 38 854 ist bereits eine Anordnung bekannt, bei der zwischen einer Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines Reduktionsmittels und einem katalytischen Konverter ein Diffusor 6 vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung wird jedoch das Reduktionsmittel zunächst in die Abgasleitung eingeführt, die einen kleineren Durchmesser als der katalytische Konverter hat, um anschließend über den Diffusor auf einen größeren Querschnitt zu verteilen.

Die erfindungsgemäße Anordnung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, mittels einer direkten Zufuhr des Hilfsmittels in die Katalysatoranordnung einen kompakten Aufbau bei gleichzeitiger gleichmäßiger Verteilung des zugeführten Hilfsmittels auf den gesamten Querschnitt des Katalysators zu gewährleisten. Dadurch wird bei minimiertem Einsatz von Reduktionsmittel ein hoher Stickoxid-Umsatz erzielt und ein Ammoniakschlupf weitgehend vermieden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Anordnung bzw. Verfahrens möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, als Verteilungseinrichtung eine Trägerstruktur vorzusehen, deren Einlassbereich eine Querschnittsfläche aufweist, die einen kleineren Flächeninhalt hat als die Querschnittsfläche ihres Auslassbereichs. Hierdurch wird eine sozusagen „Abgaswind"-geschützte Führung des Reduktionsmittels gewährleistet und eine Verengung bei hohen Abgas-Strömungsgeschwindigkeiten unterbunden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, innerhalb der insbesondere kegel- bzw. konusförmig ausgebildeten Trägerstruktur Kanäle vorzusehen, innerhalb denen eine Zwangsführung des Abgases erfolgt. Hierdurch wird insbesondere eine homogene Reduktionsmittelverteilung bei allen Motorbetriebspunkten ohne störende Harnstoffablagerungen im Abgastrakt erreicht. Ferner wird der Abgasdruck nicht ungünstig beeinflusst. Diese kanalgebundene Führung ist insbesondere bei kurzen Mischstrecken und großen Katalysatordurchmessern, wie sie bei kompakten Anordnungen anzutreffen sind, vorteilhaft.

Weiterhin ist es vorteilhaft, eine katalytisch aktive Beschichtung der Verteilungseinrichtung vorzusehen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Hydrolyse des Harnstoffs beschleunigt.

Das erfindungsgemäße System bzw. Verfahren kann für verschiedene Reduktionsmittel eingesetzt werden, ist also variabel im Einsatz. Als Reduktionsmittel kommen hierbei beispielsweise Harnstoff, aber auch andere Ammoniak abspaltende Substanzen, wie zum Beispiel Carbamat, in Frage; auch Ammoniakgas kann verwendet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Verteilungseinrichtung mit variierender Querschnittsfläche beabstandet zum Katalysator angeordnet, wobei deren größte Querschnittsfläche kleiner ist als die Querschnittsfläche des Katalysatorgehäuses der Katalysatoranordnung. Dadurch wird neben einer windgeschützten Führung des Reduktionsmittels außerdem eine zusätzliche Verwirbelung bzw. Vermischung des Mittels mit dem Abgas induziert, da sich am dem Katalysator zugewandten Ende der Verteilungseinrichtung eine Abrisskante des auf dem Katalysator zuströmenden Hilfsmittels ausbilden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus weiteren in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmalen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine mit einer Brennkraftmaschine verbundene Abgasnachbehandlungsanordnung, 2 eine Katalysatoranordnung, 3 die Katalysatoranordnung in einem alternativen Betriebszustand, 4 eine alternative Katalysatoranordnung und 5 Querschnittsansichten einer Verteilungseinrichtung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 illustriert eine über einen Abgaskrümmer 4 mit einer Brennkraftmaschine 2 verbundene Abgasnachbehandlungsanordnung 25. Hierbei ist eine Abgasleitung der Abgasnachbehandlungsanordnung 25 an den Abgaskrümmer 4 angeschlossen und führt über einen Abgasturbolader 7 zu einer Katalysatoranordnung 10, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Abgasleitung 6. Stromabwärts der Katalysatoranordnung 10 führt eine weitere Abgasleitung 8 zu einem nicht näher dargestellten Schälldämpfer und anschließend ins Freie. Die Hauptströmungsrichtung des Abgases in den Abgasleitungen 6 und 8 sowie in der Katalysatoranordnung 10 ist mit Pfeilen markiert, die mit Bezugszeichen 24 versehen sind. Im Gehäuse 22 der Katalysatoranordnung 10 ist ein im Wesentlichen den Querschnitts des Katalysatorgehäuses ausfüllender Katalysator 14 zur selektiven katalytischen Selektion von Stickoxiden eingebaut. Stromaufwärts des Katalysators 14 befindet sich in dem Katalysatorgehäuse 22 ein Oxidationskatalysator 12, wobei in einem Zwischenraum 20 zwischen dem Oxidationskatalysator 12 und dem SCR-Katalysator 14 („SCR" = „selectiv catalytic reduction") innerhalb des Gehäuses 22 eine Hilfsmittelzuvoranordnung 18 in Form eines Sprührohrs angeordnet ist, die zur dosierten Zufuhr beispielsweise einer Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgastrakt zur Unterstützung der selektiven katalytischen Reduktion dient. Ein hierzu ggf. erforderliches Dosierventil bzw. ein hierzu erforderliches Steuergerät zur Motorbetriebsparameter abhängigen Steuerung der Reduktionsmittelzufuhr sind nicht näher dargestellt. Ebenfalls in dem Zwischenraum 20 befindet sich eine im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Gehäuses 22 sich erstreckende Verteilungseinrichtung in Form eines Mischers 16. Der Mischer 16 ist sowohl von der Hilfsmittelzufuhranordnung 18 als auch vom Katalysator 14 beabstandet.
Die Anordnung dient zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere in sauerstoffreichen Abgasen. Hierbei wird eine wässrige Harnstofflösung in das Motorabgas eingespeist, das sich anschließend durch Thermolyse und anschließende ka talysierte Hydrolyse in das eigentliche Reduktionsmittel Ammoniak umwandelt. Zur Reduktionsmitteleinbringung wird ein nicht näher dargestelltes elektrisch ansteuerbares Ventil verwendet, welches je nach aktuellem Motorbetriebspunkt und Temperaturniveau des Katalysators die Eindosierung des Reduktionsmittels in den Abgastrakt übernimmt. Zur Erfassung verschiedener Parameter wie beispielsweise der Temperatur des Katalysators werden Sensoren an passender Stelle eingesetzt, die jedoch der einfachheithalber in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Die eingespritzte Harnstofflösung wird hierbei vorzugsweise mit Druckluft gemischt, bevor sie über die Hilfsmittelzufuhranordnung 18 in das Katalysatorgehäuse 22 eingebracht wird. Auch die Vorrichtungen zur Erzeugung eines derartigen Aerosols ist nicht näher dargestellt. Das Reduktionsmittel wird also in Form eines Aerosols eingedüst. Um hohe Stickoxidumsätze zu erreichen muss das Aerosol gleichmäßig verteilt auf den SCR-Katalysator 14 aufgebracht werden. Hierzu dient die sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Katalysatorgehäuses erstreckende Verteilungseinrichtung in Form eines Mischers 16.
In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle der wässrigen Harnstofflösung auch direkt insbesondere gasförmiges Amoniak in die Katalysatoranordnung eingebracht werden.
2 zeigt eine Katalysatoranordnung 30 ohne Verteilungseinrichtung. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen gleiche oder ähnliche Bestandteile wie in 1 dargestellt und werden nicht nochmals beschrieben. Vom in den Zwischenraum 20 hineinragenden Ende der Hilfsmittelzufuhranordnung 18 ausgehend erstreckt sich ein Sprühkegel 32 eines Reduktionsmittel-Luft-Aerosols.
Die Abbildung illustriert die räumliche Verteilung des Aerosols bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit des Abgases vom Oxidationskatalysator 12 über den Zwischenraum 20 hin zum SCR-Katalysator 14. In diesem Zustand erfolgt eine optimale Beaufschlagung des Katalysator 14 über den gesamten Querschnitt.
3 illustriert die gleiche Anordnung wie in 2, jedoch bei höheren Abgas-Strömungsgeschwindigkeiten. Dementsprechend ist der Sprühkegel 36 schmaler ausgebildet und bedeckt nur noch einen Innenbereich des Katalysators 14, was zu einer ineffizienten Arbeitsweise des Systems bzw. zu Ammoniakschlupf führt bzw. führen kann.
4 illustriert eine weitere erfindungsgemäße alternative Katalysatoranordnung 40. Im Unterschied zu 1, bei der die Verteilungseinrichtung 16 als Mischer beispielsweise in Form eines durchströmbaren Drahtgeflechts ausgebildet ist, weist die vorliegende Katalysatoranordnung 40 eine konisch geformte Verteilungseinrichtung 42 auf. Diese ist über Verstrebungen bzw. Befestigungsstangen 46 zentrisch in der Katalysatoranordnung angeordnet und am Gehäuse 22 befestigt. Der die bei Zufuhr von Reduktionsmittel auftretende räumliche Verteilung des Reduktionsmittels darstellende Sprühkegel ist mit Bezugszeichen 44 markiert. Die konische Verteilungseinrichtung 42 weist in der Zeichnung symbolisch dargestellte Kanäle 69 auf, die sich, in ihrem Querschnitt erweiternd, vom der Hilfsmittelzufuhranordnung 18 zugewandten Einlassbereich 50 ausgehend zum Auslassbereich 52 erstrecken, der dem Katalysator 14 zugewandt ist.
5 illustriert die Querschnittsansichten der konischen Verteileinrichtung im Einlassbereich (Bezugszeichen 50; Teilfigur a) bzw. im Auslassbereich (Bezugszeichen 52; Teilfigur b). Die konische Verteileinrichtung wird durch konisch geformte Bleche 54 bzw. 56 gebildet, die ineinander liegen und durch dazwischenliegende geknickte Bleche 60 bzw. 62 miteinander verbunden bzw. in Abstand zueinander gehalten werden. Die Zwischenräume zwischen den konischen Blechen einerseits und den geknickten Blechen andererseits bilden die in 4 symbolisch dargestellten Kanäle 69, in 5 jedoch mit Bezugszeichen 70 versehen.
Durch die konische Verteilungseinrichtung wird es möglich, eine homogene und gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels auf dem SCR-Katalysator 14 zu gewährleisten. Einer Verengung des Sprühkegels bei hoher Strömungsgeschwindigkeit des Abgases wird effektiv entgegengewirkt, eine signifikante Erhöhung des Abgasgegendrucks tritt nicht auf. Nach der durch das in die Katalysatoranordnung hineinragende Ende der Hilfsmittelzufuhranordnung definierten Eindüsstelle befindet sich jetzt zu die konisch aufgebaute Trägerstruktur 42, die von dem Aerosol durchströmt wird. Durch den kegel- bzw. konusförmigen Aufbau wird einer Verengung des Sprühkegels effektiv entgegengewirkt, da das Aerosol durch die Kanäle 69 bzw. 70 der Trägerstruktur zwangsgeführt und auf die nachfolgende Stirnfläche des SCR-Katalysators 14 aufgebracht wird. Außerdem entsteht am dem Katalysator 14 zugewandten Ende der konischen Struktur eine Abrisskante aufgrund der Tatsache, dass der größte Durchmesser der konischen Struktur kleiner ist als der Durchmesser des Katalysators und weil die konische Struktur zu dem Katalysator etwas beabstandet angeordnet ist. Diese Abrisskante erzeugt Turbulenzen und fördert somit zusätzlich eine Homogenisierung der Reduktionsmittelverteilung. Eine Er höhung des Abgasgegendrucks tritt nur unwesentlich auf, da trotz des Einbaus der konischen Struktur 42 der effektive Strömungsquerschnitt größer ist als der des Abgasrohrs 6 bzw. 8. Wenn man die Querschnittsfläche der Abgasleitung als erste Querschnittsfläche, die Querschnittsfläche der Katalysatoranordnung als zweite Querschnittsfläche, die Querschnittsfläche des Einlassbereichs 50 der Verteilungseinrichtung als dritte Querschnittsfläche und die Querschnittsfläche des Auslassbereichs 52 der Verteilungseinrichtung als vierte Querschnittsfläche bezeichnet, so ist der Flächeninhalt der dritten Querschnittsfläche beispielsweise gerade so groß wie die Querschnittsfläche des Aerosol haltigen Bereichs im Einlaßbereich der Verteilungseinrichtung bei maximalem Abgasvolumenstrom.
Durch eine geeignete Einbaulage, eine verbesserte Dimensionierung von Ein- und Austrittsdurchmesser der konischen Struktur, Zelligkeit und Länge der konischen Struktur kann das System optimal an die jeweilige Homogenisierungsaufgabe angepasst werden. Die Dimensionierung hängt hierbei vom Abgasvolumenstrom, der Länger der Mischstrecke und dem Katalysatordurchmesser ab. In einer alternativen Ausführungsform kann durch eine Beschichtung der Trägerstruktur mit einem hydrolyseaktiven Material (z.B. Aluminiumtrioxid oder Titandioxid bzw. Wolframtrioxid) die Hydrolyse des Harnstoffs in Ammoniak und Kohlendioxid beschleunigt werden, was eine Erhöhung des katalytischen Wirkungsgrads des Gesamtsystems bewirkt. Zudem wird die Bildung von Ablagerungen von Harnstoffzersetzungsprodukten auf der konischen Struktur unterbunden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können statt geknickter Bleche 60, 62 auch gewellte Bleche verwendet werden, die die ineinander verschachtelten konisch geformten Bleche 54, 56 usw. miteinander verbinden. In weiteren alternativen Ausführungsformen können abschnittsweise Durchlässe für das Abgas-Reduktionsmittel-Gemisch durch die konischen Bleche hindurch vorgesehen sein.

Claims

Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, mit Abgasleitung mit einer ersten Querschnittsfläche senkrecht zu einer Hauptstromrichtung des Abgases mit einem ersten Flächeninhalt und mit einer Katalysatoranordnung mit einer zweiten Querschnittsfläche senkrecht zu der Hauptstromrichtung des Abgases mit einem zweiten Flächeninhalt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich (20) der Katalysatoranordnung (10; 30) Mittel (18) zur Zufuhr eines Hilfsmittels vorgesehen sind und dass zwischen den Mitteln (18) zur Zufuhr eines Hilfsmittels und einem Katalysator (14) der Katalysatoranordnung (10; 30) eine Verteilungseinrichtung (16; 42) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungseinrichtung konisch geformt ist, wobei die Verteilungseinrichtung im den Mitteln zur Zufuhr zugewandten Einlassbereich (50) eine dritte Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptstromrichtung des Abgases mit einem dritten Flächeninhalt und im den Mitteln zur Zufuhr abgewandten Auslassbereich (52) eine vierte Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptstromrichtung des Abgases mit einem vierten Flächeninhalt aufweist, wobei der vierte Flächeninhalt größer ist als der dritte Flächeninhalt.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Flächeninhalt kleiner ist als der zweite Flächeninhalt und dass der Auslassbereich zum Katalysator (14) beabstandet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungseinrichtung sich vom Einlassbereich hin zum Auslassbereich erstreckende Kanäle (70) aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Flächeninhalt größer ist als der erste Flächeninhalt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Flächeninhalt durch den Flächeninhalt der Querschnittsfläche des Katalysators senkrecht zur Hauptstromrichtung des Abgases gegeben ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Mitteln zur Zufuhr eines Hilfsmittels ein weiterer Katalysator (12) vorgelagert ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Katalysator (12) in einem Gehäuse (22) der Katalysatoranordnung integriert ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungseinrichtung katalytisch beschichtet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoranordnung unmittelbar stromabwärts eines Abgasturboladers (7) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden dient.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel ein Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden ist.
Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, bei dem Abgas entlang einer Hauptstromrichtung durch eine Abgasleitung mit einer ersten Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptstromrichtung des Abgases mit einem ersten Flächeninhalt strömt, wobei das Abgas in einem weiteren Schritt durch eine Katalysatoranordnung mit einer zweiten Querschnittsfläche senkrecht zu der Hauptstromrichtung des Abgases mit einem zweiten Flächeninhalt strömt, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich (20) der Katalysatoranordnung (10; 30) ein Hilfsmittel zugeführt wird und dass vor dem Eintritt des Hilfsmittels in einen Katalysator (14) der Katalysatoranordnung (10; 30) das Hilfsmittel mittels einer Verteilungseinrichtung (16; 42) mit dem Abgas verteilt wird.