DE10252734A1

DE10252734A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10252734A1
Application number: DE10252734A
Authority: DE
Inventors: Christian Walz; Heinrich Duetsch; Thorsten Mayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-05-27

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Reinigen von Abgasen einer Brennkraftmaschine vorgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß ein Reduktionsmittel (20) in fester Form in einen Abgaskanal eingebracht wird. Die beschriebene Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens weist eine Einblaseinrichtung (22) zum Einblasen des Reduktionsmittels (20) in Pulverform in den Abgaskanal auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen einer Brennkraftmaschine.

Zur Minderung von Stickoxiden (NO_X-Minderung) in sauerstoffreichen Abgasen wird die sogenannte selektive katalytische Reduktion eingesetzt, die sich insbesondere zur Minderung des NO_X-Gehaltes in sauerstoffreichen Abgasen von Kraftwerken bestens bewährt hat. Hierbei wird typischerweise gasförmiges Ammoniak als Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingebracht und mit den Stickstoffoxiden selektiv zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.

Bei Anwendung des Verfahrens im Fahrzeugbereich sollte jedoch das Mitführen von toxischem Ammoniakgas im Fahrzeug vermieden werden. Aus diesem Grunde werden derzeit verschiedene Substanzen erprobt, die ungiftig sind und erst im Bedarfsfall NH₃ freisetzen.

Ein bekanntes Verfahren sieht die Einspeisung von wäßriger Harnstofflösung in das Motorabgas vor, wobei erst durch Thermolyse und anschließende katalysierte Hydrolyse des Harnstoff das Reduktionsmittel Ammoniak freigesetzt wird. Dieses Verfahren steht im Bereich der Nutzfahrzeuge unmittelbar vor einem Serieneinsatz. Dabei ist jedoch zu beachten, daß Harnstoff/Wassersysteme mit zahlreichen Nachteilen behaftet sind.

Neben der Lösungsmittelproblematik (Gewicht und Volumen des Wassers) und den verfahrenstechnischen Schwierigkeiten einer kontrolliert dynamischen Dosierung dieses Reduktionsmittels in Aerosolform ist bei diesem Verfahren auf die mögliche Entstehung von unerwünschten Nebenprodukten, wie bspw. stickstoffhaltige Oligemere, und auf die Bildung des Zwischenproduktes Isacyansäure (HNCO) hinzuweisen. Insbesondere bei Abgastemperaturen unterhalb einer Temperatur von 150° C ist somit eine Dosierung nicht empfehlenswert, was den Einsatzbereich des gesamten SCR-Systems (SCR: selective catalytic reduction) erheblich einschränkt. Darüber hinaus steht dem Einsatz wäßriger Harnstofflösungen deren ungünstiger Gefrierpunkt entgegen.

Des weiteren ist zu beachten, daß die eutektische Temperatur in einem Stoffsystem Harnstoff/Wasser bei etwa –11,5° C liegt. Um den Anforderungen an die Wintertauglichkeit eines Betriebsstoffes in einem Kraftfahrzeug zu entsprechen, ist deshalb gegebenenfalls eine Zusatzheizung erforderlich. Auch die Dauerhaltbarkeit der Harnstofflösung könnte sich als problematisch erweisen.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Reduktionsmittel-Erzeugung umfaßt den Einsatz von Ammoniak-Generatoren. Diese werden zwar außerhalb der Abgasleitung doch im Fahrzeug selbst, d. h. on board, eingesetzt. Dabei können von ihrer Handhabbarkeit unbedenkliche stickstoffhaltige Feststoffe, wie bspw. Ammoniumcarbamat, verwendet werden, die bei einem Erhitzen NH₃ freisetzen und somit den NH₃-SCR-Prozeß in seiner einfachsten Art ermöglichen.

Der Bauraum dieser Reaktoren, die außerdem in druckfester Form ausgeführt werden müssen, ist allerdings verhältnismäßig groß, was bei dem eingeschränkten Platzangebot in Personenkraftwagen zu erheblichen Schwierigkeiten führt. Ein weiteres Problem bei diesen Systemen stellt der mangelnde Wärmeübergang von der Reaktorbeheizung auf den Feststoff dar. Außerdem kann es durch Abkühlung nach dem Betrieb zu Rückreaktion und auch zu unerwünschten Nebenreaktionen kommen, wodurch die Zuleitungen in dem Abgasstrang verstopfen können. Das Verhältnis von mitgeführtem Reduktionsmittel zu Bauraum ist als ähnlich ungünstig einzustufen wie bei der Verwendung von wäßriger Harnstofflösung.

Aus der Druckschrift DE 199 25 671 C2 ist ein Abgasemissionsreinigungsgerät für eine Brennkraftmaschine bekannt. Dieses weist einen NO_X-Katalysator zum Reduzieren oder Zersetzen von NO_X, eine Behälterkammer zum Speichern eines festen Reduktionsmittels und eine Kammer zum Erwärmen und Verflüssigen des Reduktionsmittels auf. Bei dieser Vorrichtung wird somit festes Reduktionsmittel zugeführt und nach dessen Verflüssigung als Reduktionsmittel in den Abgaskanal eingebracht.

Demgegenüber sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß das Reduktionsmittel in fester Form eingebracht wird.

Die direkte Einbringung des Reduktionsmittels in fester Form in den Abgaskanal bzw. den Abgasstrang bringt zahlreiche Vorteile, insbesondere im Vergleich zu der Dosierung von Harnstoff-Lösungen, mit sich, wie bspw. die Reduzierung des mitzuführenden Reduktionsmittelvorrats, die Wintertauglichkeit und die uneingeschränkte Lagerfähigkeit eines Feststoffes. Eine druckfeste Auslegung, zusätzliche Heizmaßnahmen zur Reduktionsmittelaufbereitung sowie Rückreaktionen, die zum Verstopfen des Dosiersystems führen können, entfallen im Gegensatz zu den NH₃-Reaktoren.

Die thermische Energie zur Aufbereitung wird durch das Abgas selbst aufgebracht, die in Anbetracht der sehr geringen Reduktionsmittelmenge keinen Einfluß auf die gesamte energetische Bilanz des Systems hat. Demzufolge ist lediglich der Bedarf für die Einbringung und gleichmäßige Verteilung in den Abgasstrang zu berücksichtigen. Ammoniakabspaltende Substanzen, die hierzu eingesetzt werden können, sind Feststoffe, wie z.B. Harnstoff und auch Ammoniumcarbonat, -carbamat, Cyanursäure usw..

Das Reduktionsmittel wird vorzugsweise als ein Pulver in den Abgaskanal eingeblasen. Dabei kann es vorgesehen sein, daß das Reduktionsmittel zunächst in Form von Prills bzw. Pellets vorliegt, diese Prills zunächst zu dem Pulver zerkleinert werden und das Reaktionsmittel in Pulverform dann in den Abgaskanal eingeblasen wird.

Die nachfolgend aufgeführte Tabelle verdeutlicht die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren.

Die Einbringung des Reduktionsmittels in fester Form hat somit gegenüber bekannten Varianten zahlreiche entscheidende Vorteile.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine weist eine Einblaseinrichtung zum Einblasen von Reduktionsmittel in Pulverform in den Abgaskanal auf.

Diese Vorrichtung ermöglicht die Realisierung eines zuverlässigen Dosierkonzeptes. Somit ist eine mechanisch zuverlässige und energetisch kostengünstige Einbringung des festen Reduktionsmittels möglich.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Behältnis zur Aufnahme des Reduktionsmittels auf. In diesem Fall dient vorteilhafterweise eine Fördereinrichtung, bspw. eine Dosierschnecke, zum Transportieren des Reduktionsmittels von dem Behältnis zu der Einblaseinrichtung.

In Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem eine Zerkleinerungseinrichtung zum Zerkleinern des Reduktionsmittels vor dem Einblasen in den Abgaskanal vorgesehen. Als Zerkleinerungseinrichtung dient bspw. eine Schlitzscheibe. In diesem Fall kann die Fördereinrichtung bereits eine erste Zerkleinerung des Reduktionsmittels bewirken.

Die erfindungsgemäße Verwendung der beschriebenen Vorrichtung sieht deren Einsatz zum Reinigen von Abgasen einer Brennkraftmaschine vor.

Für eine zuverlässige und dauerhaltbare Eindosierung des festen Reduktionsmittels ist es zweckmäßig, den Feststoff in möglichst fein verteilter Form mit hoher Gleichverteilung in den Abgasstrang einzubringen, um einen hohen Wirkungsgrad des Reduktionsmittels sicherzustellen. Dies wird am besten durch eine Einblasung des Reduktionsmittels als feines Pulver erreicht. Zu berücksichtigen ist jedoch, daß Personenkraftwagen im Gegensatz zu Lastkraftwagen über keine externe Pressluftquelle verfügen. Außerdem ist es nicht ratsam, ein von Anfang an fein verteiltes Pulver ständig in einem Vorratsbehälter mitzuführen, da dieses zu Verklumpungen neigt. Des weiteren ist die Schüttdichte und somit die Dosierkonstanz abhängig von dem Füllstand des Vorratsbehälters. Dieser sollte so dimensioniert sein, daß ein Nachfüllen in üblichen Wartungsintervallen möglich ist, d. h. daß dieser etwa 10–15 Kg fassen sollte.

Runde Prills mit einem Durchmesser von ca. 2mm, wie bspw. ein handelsüblicher Düngemittelharnstoff, sind dagegen unproblematisch zu lagern. Bei diesen findet kein Verklumpen statt, die Schüttdichte ist konstant und die Rieselfähigkeit ist ebenfalls gewährleistet. Daraus folgt, daß die Prills bzw. Pellets reproduzierbar und kontinuierlich dosiert, danach möglichst fein zerkleinert und anschließend in den Abgasstrang eingeblasen werden können.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zerkleinerungseinrichtung.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, dargestellt. Zu erkennen ist ein geschlossenes und vor Feuchtigkeit geschütztes Behältnis 12, eine Förderschnecke 14, eine Schlitzscheibe 16 und ein Einblaskanal 18.
In dem Behältnis 12 befindet sich das Reduktionsmittel in Form von Prills 20. Diese Prills werden über die Förderschnecke 14, die von einem ersten Motor angetrieben ist, hin zu der Schlitzscheibe 16 transportiert und dabei vorzerkleinert. Die Schlitzscheibe 16 trägt Flügel 22 und zerkleinert die vorzerkleinerten Prills mittels der vorgesehenen Schlitze bzw. Messer zu feinem Pulver. Die Flügel 22 bewirken ein Dispergieren und ein Einblasen des Pulvers über den Einblaskanal 18 in den Abgasstrang. Die Schlitzscheibe bzw. Messerscheibe 16 wird über eine Antriebswelle 24 von. einem zweiten Motor angetrieben.
Die Vorrichtung 10 besteht somit im wesentlichen aus zwei bewegten Teilen, nämlich der sich langsam drehenden Dosierschnecke 14 sowie der sich schnell drehenden, die Flügel 22 tragenden Schlitzscheibe 16. Beide bewegten Teile werden vorzugsweise von jeweils einem Elektromotor angetrieben. Wahlweise kann die schnell rotierende Schlitzscheibe 16 über den Riemenantrieb des Fahrzeugmotors angetrieben werden. Dadurch ist eine einfache und verschleißarme Funktion gewährleistet, was im Hinblick auf einen Dauerbetrieb im Fahrzeug vorteilhaft ist. Selbstverständlich kann zum Antrieb beider Teile auch ein einziger Motor vorgesehen sein.
Die nachfolgende Tabelle ergibt einen Überblick zu den Anforderungen an ein Feststoffdosiersystem für Personenkraftwagen und die Bearbeitung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die Tabelle verdeutlicht, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Einsatz in einem PKW sehr gut geeignet ist.
In 2 ist eine Schlitz- bzw. Messerscheibe 30 dargestellt. Im Einsatz wird diese in Richtung eines Pfeils 32 gedreht. Die Scheibe 30 trägt vier Flügel 34 und weist vier Schlitze 36 auf. Es können durchaus auch mehr Flügel und Schlitze vorgesehen sein. Ein Prill 38 wird mittels der Schlitze 36 zerkleinert und in Pulverform durch die Flügel 34 in Richtung des Abgaskanals befördert.
Bei der dargestellten Vorrichtung 10 handelt es sich um eine Dosiervorrichtung, bei der die Dosierung, Zerkleinerung und Luftförderung zugleich erfolgt. Das Reduktionsmittel befindet sich in dem geschlossenen und vor Feuchtigkeit geschützten Behältnis 12, von dem es über eine Förderschnecke 14 der Zerkleinerungs- und Einblaseinrichtung zugeführt wird. Im Falle der Verwendung von Prills 38 führt die Dosierschnecke 14 zudem die Funktion einer Vorzerkleinerung aus. Der eigentliche Zerkleinerungsmechanismus besteht vorzugsweise aus der schnell rotierenden Schlitzscheibe 16. Das Mahlgut wird durch die Schlitze 36 der Scheibe 16 gefördert und durch deren schnelle Rotation zerschlagen. An der Scheibe 16 sind die Flügel 34 montiert, die zum einen das Reduktionsmittel durch deren Prallwirkung nochmals zerkleinern und zudem die geforderte Gebläsefunktion übernehmen. Dadurch kann das Reduktionsmittel ohne die Unterstützung von externer Druckluft in den Abgasstrang eingebracht werden.
Die Dosierschnecke 14 wird vorzugsweise von einem stufenlos regelbaren Motor angetrieben, so daß eine Regelung des Massenstromes realisierbar ist. Das Schlagmesser wird von einem Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben. Nach Möglichkeit sollte die Drehzahl möglichst hoch sein, um die Funktion des Gebläses möglichst effektiv zu gestalten.

Claims

Verfahren zum Reinigen von Abgasen einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Reduktionsmittel (20, 38) in fester Form in einen Abgaskanal eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Reduktionsmittel (20, 38) als ein Pulver in den Abgaskanal eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Reduktionsmittel (20, 38) in Form von Prills (20, 38) vorliegt, diese Prills (20, 38) zunächst zu dem Pulver zerkleinert werden und dieses dann in den Abgaskanal eingeblasen wird.
Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einer Einblaseinrichtung (22) zum Einblasen von Reduktionsmittel (20, 38) in Pulverform in den Abgaskanal.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Behältnis (12) zur Aufnahme des Reduktionsmittels (20, 38).
Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer Fördereinrichtung (14) zum Transportieren des Reduktionsmittels (20, 38) von dem Behältnis (12) zu der Einblaseinrichtung (22).
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der als Fördereinrichtung (14) eine Dosierschnecke (14) dient.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem eine Zerkleinerungseinrichtung (16) zum Zerkleinern des Reduktionsmittels (20) vor dem Einblasen in den Abgaskanal vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der als Zerkleinerungseinrichtung (16) eine Schlitzscheibe (16) dient.
Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 9 zum Reinigen von Abgasen einer Brennkraftmaschine.