DE10313998A1

DE10313998A1 - Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak an einen in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingeschalteten Reduktionskatalysator

Info

Publication number: DE10313998A1
Application number: DE10313998A
Authority: DE
Inventors: Hermann-Josef Schulte; Jochen Dipl.-Ing. Koll; Franz Dipl.-Ing. Kraft
Original assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Eine Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak NH¶3¶ an einen in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eingeschalteten Reduktionskatalysator, umfassend einen ausgangsseitig mit dem Abgasstrang über eine Zuführleitung 12 verbundenen Behälter 2, enthaltend einen unter Wärmezufuhr NH¶3¶ abspaltenden Precursor 3, 3', 3'', insbesondere Ammoniumcarbamat, wobei die Zuführleitung 12 in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Reduktionskatalysator in den Abgasstrang mündet, und umfassend eine Heizeinrichtung 4 zum Herbeiführen einer thermolytischen NH¶3¶-Abspaltung des NH¶3¶-Precursors 3, 3', 3'', ist dadurch bestimmt, dass die Vorrichtung 1 eine in dem Behälter 2 angeordnete, elektrische Heizeinrichtung 4 umfasst, die an eine Steuereinheit zum Ansteuern der Heizeinrichtung 4 angeschlossen ist, und dass die Heizeinrichtung 4 und der NH¶3¶-Precursor 3, 3', 3'' in dem Behälter 2 dergestalt zueinander angeordnet ist, dass eine Erwärmung des NH¶3¶-Precursors 3, 3', 3'' zur thermolytischen NH¶3¶-Abspaltung zumindest weitestgehend durch einen unmittelbaren Wärmeübergang von zumindest einer erwärmten Oberfläche 6 der Heizeinrichtung 4 auf den NH¶3¶-Precursor 3, 3', 3'' erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak (NH₃) an einen in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors eingeschalteten Reduktionskatalysator, umfassend einen ausgangsseitig mit dem Abgasstrang über eine Zuführleitung verbundenen Behälter, enthaltend einen unter Wärmezufuhr NH₃ abspaltenden Precursor, insbesondere Ammoniumcarbamat, wobei die Zuführleitung in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Reduktionskatalysator in den Abgasstrang mündet, und umfassend eine Heizeinrichtung zum Herbeiführen einer thermolytischen NH₃-Abspaltung des NH₃-Precursors.
Neben Kohlenmonoxid (CO), Partikeln und Kohlenwasserstoffen (HC) gehören insbesondere die Stickstoffoxide (NO_x) zu den umweltgefährdenden direkt emittierten Primärschadstoffen, die beim Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, entstehen. Ein Einsatz von Dreiwegekatalysatoren, wie sie bei Ottomotoren und Gasmotoren verwendet werden, sind aufgrund eines Sauerstoffüberschusses im dieselmotorischen Abgas nicht einsetzbar. Aus diesem Grunde wurde zur Reduktion der Stickoxidemission bei Dieselmotoren ein selektiv arbeitender SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction-Katalysator) entwickelt, in dem mit einem zugeführten Reduktionsmittel, nämlich Ammoniak (NH₃) die ausgestoßenen Stickstoffoxide zu lufteigenem N₂ und H₂O reduziert werden.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges ist aus der DE 197 20 209 C1 bekannt. Diese Entstickungseinrichtung umfasst einen gasdichten und druckfesten Konverter, in dem sich ein thermolytisch NH₃-abspaltender Stoff oder ein thermolytisch NH₃-abspaltendes Stoffgemisch – ein sogenannter NH₃-Precursor – befindet. Als Stoff kann beispielsweise Ammoniumcarbamat vorgesehen sein. Der Konverter ist über eine Zuführleitung mit dem Abgasstrang eines Dieselmotors verbunden, wobei die Zuführleitung in den Abgasstrang in Strömungsrichtung des Abgases vor der Eingangsseite eines SCR-Katalysators mündet. Als Dosiereinrichtung ist ein Taktventil vorgesehen, welches durch eine Steuereinheit angesteuert ist, so dass in Abhängigkeit bestimmter Motorbetriebskenndaten die benötigte NH₃-Menge in den Abgasstrom eingedüst werden kann. Der Konverter besteht im Wesentlichen aus einem druckfesten Reaktionsbehälter, der von einer als Wärmeschlange ausgebildeten Heizeinrichtung umgeben ist. Die Heizeinrichtung ist über eine Zuleitung und eine Ableitung in den Kühlwasserkreislauf des Dieselmotors eingebunden.
Durch Aufheizen des beispielsweise als NH₃-Precursor eingesetzten Ammoniumcarbamats zersetzt sich dieses in NH₃ und CO₂. Dieses Gasgemisch sammelt sich in dem druckfesten Reaktionsbehälter bis zum Aufbau eines entsprechenden Innendruckes an. Bei Erreichen eines bestimmten Innendruckes in dem Reaktionsbehälter stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, so dass weiteres Ammoniumcarbamat nicht zersetzt wird. Unter Betriebsbedingungen des Motors, bei dem das die Heizeinrichtung durchströmende Kühlwasser in der Regel eine Temperatur zwischen 80 und 100°C aufweist, herrscht in dem Reaktionsbehälter ein dem Gleichgewichtszustand entsprechender Druck, der bei Ammoniumcarbamat bei etwa 3–4 bar liegt. Damit eine ausreichende NH₃-Menge zum Eindüsen in den Abgasstrom bei einem dynamischen Betrieb des Dieselmotors bereitgestellt werden kann, dient der Konverter gleichfalls als Reaktionsgasspeicher, um eine bestimmte Reaktionsgasmenge bzw. das darin enthaltene NH₃ zu bevorraten.
Dieses vorbekannte System arbeitet somit nach dem Prinzip, dass in dem Konverter eine gewisse NH₃-Menge, unter einem gewissen Druck stehend, bevorratet wird, aus der dann die jeweils benötigte NH₃-Dosis zum Entsticken der Abgase in den Abgasstrang entnommen wird. Von Vorteil gegenüber einem Mitführen von NH₃ in Druckflaschen ist bei diesem vorbekannten System, dass nur eine relativ geringe NH₃-Menge verglichen mit einer in Druckflaschen Mitgeführten vorhanden ist.
Bekannt sind ferner solche Vorrichtungen, mit denen eine "just-in-time"-Abspaltung von NH₃ von einem NH₃-Precursor zur NO_x-Reduktion vorgenommen wird. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus DE 34 22 175 A1 bekannt. Die Erzeugung des NH₃ erfolgt durch Erhitzen des NH₃-Precursors, wobei jeweils nur eine solche NH₃-Menge gebildet wird, wie dieses, dem jeweiligen Lastzustand des Motors entsprechend, benötigt wird. Gemäß DE 34 22 175 A1 erfolgt eine Dosierung der jeweils benötigten NH₃-Menge durch Steuern der Heizleistung. Durch Steuern der Heizleistung wird der Abspaltungsprozess zum Freisetzen des NH₃ aus dem NH₃-Precursor beschleunigt oder verlangsamt oder gänzlich unterbunden. Bevorratet wird der NH₃-Precursor gemäß diesem Stand der Technik in einem Behälter, dem eine beheizbare Zersetzungskammer nachgeschaltet ist, in der die Thermolyse des NH₃-Precursors erfolgt. Ausgangsseitig ist diese Zersetzungskammer über eine Zuführleitung mit dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine verbunden. Als Heizeinrichtungen sind elektrische Widerstandsheizungen oder Infrarotstrahler vorgeschlagen worden.
Zwar ist die Verwendung dieser vorbekannten Vorrichtung für stationäre Anlagen, welche im allgemeinen nur wenigen Lastwechseln und wenn dann nur vorherbestimmten Lastwechseln unterworfen sind, geeignet. Für einen Einsatz im mobilen Bereich, wie beispielsweise bei Nutzfahrzeugen oder Personenkraftwagen, ist der Einsatz dieser vorbekannten Technologie unzweckmäßig, da die Reaktionszeit des Systems zu langsam und somit das System zu träge ist, um den im Straßenverkehr unerwartet in schneller Folge auftretenden Motorlastwechseln mit entsprechend unterschiedlichen NO_x-Emissionen gerecht werden zu können. Wird nämlich der Motorbetriebszustand zu einer bestimmten Zeit erfasst und daraus eine bestimmte NH₃-Dosierung berechnet, muss zunächst der NH₃-abspaltende Stoff zur Produktion des NH₃-Gasgemisches der Zersetzungskammer zugeführt und darin erwärmt werden. Im Straßenverkehr, insbe sondere im Stadtverkehr unterliegt ein Motor jedoch ständigen, vor allem unvorhergesehenen Lastwechseln, so dass die letztendlich zugeführte NH₃-Menge nicht an einen zwischenzeitlich geänderten Motorbetriebszustand angepasst ist. Wird zu wenig NH₃ zugeführt, ist auch die damit mögliche NO_x-Reduktion nur begrenzt durchführbar. Ist das zugeführte NH₃ überdosiert, tritt nicht oxidiertes NH₃ aus dem Katalysator aus.
Ausgehend von dem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte, gattungsgemäße Vorrichtung dergestalt weiterzubilden, dass mit dieser die Bereitstellung einer benötigten NH₃-Dosis zum Zuführen an einen in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingeschalteten Reduktionskatalysator möglich ist und sich diese Vorrichtung insbesondere für einen Einsatz bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine eignet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine in dem Behälter angeordnete, elektrische Heizeinrichtung umfasst, die an eine Steuereinheit zum Ansteuern der Heizeinrichtung angeschlossen ist, und dass die Heizeinrichtung und der NH₃-Precursor in dem Behälter dergestalt zueinander angeordnet ist, dass eine Erwärmung des NH₃-Precursors zur thermolytischen NH₃-Abspaltung zumindest weitestgehend durch einen unmittelbaren Wärmeübergang von zumindest einer erwärmten Oberfläche der Heizeinrichtung auf den NH₃-Precursor erfolgt.
Diese Vorrichtung vereint in einen Behälter den NH₃-Precursor und die Heizeinrichtung, wobei beide zweckmäßigerweise in unmittelbarem Kontakt zueinander angeordnet sind. Bei der Heizeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine elektrische Widerstandsheizung handeln, an deren Heizelement, beispielsweise eine Heizplatte der NH₃-Precursor unmittelbar anliegt. Der NH₃-Precursor kann grundsätzlich in flüssiger oder in fester Form vorliegen. Aus Praktikabilitätsgründen wird jedoch der Einsatz eines in fester Form vorliegenden NH₃-Precursors bevorzugt. Bei diesem kann es sich um einen Pressling handeln, dessen eine Stirnseite an dem Heizelement der Heizeinrichtung anliegt.
Durch den unmittelbaren Wärmeübergang von der Heizeinrichtung bzw. dessen Heizelement auf das angrenzende NH₃-Precursormaterial ist es möglich, innerhalb kürzester Zeit eine dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine entsprechende NH₃ enthaltene Reaktionsgasmenge zur Verfügung zu stellen, damit die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide an dem Reduktionskatalysator reduziert werden können. Infolge des weitestgehend unmittelbaren Wärmeüberganges – etwa durch unmittelbares Angrenzen des NH₃-Precursors an die Oberfläche des Heizelementes – ist nicht nur eine rasche Erwärmung der an das Heizelement grenzenden Bereiche des NH₃-Precursors gegeben, sondern eine Erwärmung dieser Bereiche lässt sich auch mit einem geringen Energieaufwand realisieren. Derartige Heizeinrichtungen sind rasch reagierend konzipierbar, so dass mit dieser Vorrichtung die jeweils benötigte Reaktionsgas- bzw. NH₃-Menge just-in-time produziert werden kann, um in Abhängigkeit vor der Lastsituation die jeweils benötigte NH₃-Menge zur Verfügung stellen zu können. Ausgenutzt werden kann bei Einsatz dieser Vorrichtung die NH₃-Speicherähigkeit des Reduktionskatalysators dergestalt, dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine, beispielsweise des Dieselmotors dafür Sorge getragen wird, dass die NH₃-Beladung des Reduktionskatalysators erfasst und auf einem solchen Niveau gehalten wird, dass auch bei sprunghaften Lastwechseln eine zum Entsticken der dabei entstehenden Stickoxide ausreichende NH₃-Menge zur Verfügung steht, wobei in dieses Regelungsverfahren als Kenngrößen die Speicherfähigkeit des Reduktionskatalysators hinsichtlich einer NH₃-Beladung und die Trägheit der NH₃ generierenden Vorrichtung eingehen. Durch Ausnutzen der NH₃-Speicherfähigkeit des Reduktionskatalysators kann somit die beschriebene Vorrichtung zum Generieren von NH₃ grundsätzlich kleiner ausgelegt werden, da NH₃-Spitzenbedarfe auch durch das in dem Reduktionskatalysator gespeicherte NH₃ mit abgedeckt werden können.
Das Vorsehen einer elektrischen Heizeinrichtung ist nicht nur zweckmäßig hinsichtlich ihres raschen Ansprechverhaltens, sondern auch aufgrund der einfachen Ansteuerung. Zu diesem Zweck ist die Heizeinrichtung an eine Steuereinheit angeschlossen, über die die Heizeinrichtung angesteuert ist. Dies kann beispielsweise durch ein EIN- und AUS-Schalten und/oder durch Ändern der Heizleistung erfolgen.
Eine solche just-in-time NH₃-Produktion ist auch im Hinblick auf sicherheitsrelevante Anforderungen angestrebt, da dann die Menge des in gasförmiger Phase vorliegenden NH₃ auf ein Minimum reduziert ist.
Für den Fall, dass in dem Behälter als NH₃-Precursor ein Feststoff, insbesondere ein stabförmiger Pressling enthalten ist, ist es zweckmäßig, diesen mittels eines Kolben zur Oberfläche des Heizelementes hin mit einem gewissen Anpressdruck zu beaufschlagen. Es ist dann sichergestellt, dass der NH₃-Precursor in jedem Betriebszustand der Vorrichtung und bei Einsatz einer solchen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug auch bei unwegsamen Wegstrecken in Kontakt mit der Oberfläche des Heizelementes steht. Bei einer solchen Konzeption ist es zweckmäßig, den Behälter durch einen Kolben in zwei gasdicht voneinander getrennte Behälterabschnitte zu teilen. In dem einem Behälterabschnitt befindet sich der NH₃-Precursor zusammen mit der Heizeinrichtung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der andere Behälterabschnitt an eine externe Einrichtung zum Bereitstellen des benötigten bzw. gewünschten Anpressdruckes angeschlossen, etwa durch Druckbeaufschlagen dieses Behälterabschnittes. Dies kann beispielsweise ein externer Druckspeicher sein, beispielsweise nach Art einer Stickstofffeder ausgebildet. Befindet sich die Vorrichtung an Bord eines Kraftfahrzeuges, welches über ein Druckluftsystem verfügt, wie beispielsweise Lastkraftwagen, kann dieser Behälterabschnitt ebenfalls an das Druckluftsystem angeschlossen sein. Es wird dann über den Kompressor einer solchen Druckluftanlage der notwendige Druck bereitgestellt. Gegebenenfalls kann zwischen der Druckluftanlage und diesem Behälterabschnitt ein Druckreduzierventil angeordnet sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, den vorbeschriebenen Behälterabschnitt an ein Hydrauliksystem anzuschließen, um über dieses den gewünschten Anpressdruck bereitzustellen. Gleichfalls besteht die Möglichkeit, diesen Behälterabschnitt mit einem unter Überdruck stehenden Medium zu befüllen, beispielsweise Stickstoff, so dass der notwendige Anpressdruck aus diesem Behälterabschnitt selbst heraus bereitgestellt wird. Der in dem als Gasraum anzusprechenden Behälterabschnitt durch seine Befüllung etwa mit Stickstoff herrschende Druck kann im Hinblick auf einen Verbrauch des in dem anderen Behälterabschnitt enthaltenen Ammoniumcarbamates und einer damit einhergehenden Volumenabnahme ausgewertet werden. Ein Verbrauch von Ammoniumcarbamat führt zu einer Vergrößerung des Gasraumes und somit zu einer Druckabnahme, die proportional zur Volumenzunahme des Gasraumes und entsprechend zur Volumenabnahme des anderen Behälterabschnitts mit dem Ammoniumcarbamat bei einem Ammoniumcarbamatverbrauch ist.
Eine Druckbeaufschlagung des vorzugsweise als Pressling eingesetzten NH₃-Precursors kann auch auf mechanischem Wege erfolgen. Beispielsweise kann ein Scheren- oder Spindelantrieb vorgesehen sein, um entweder unmittelbar auf den den Behälter in die beiden Behälterabschnitte trennenden Kolben oder über eine Andruckscheibe auf den Kolben zu wirken. Ein Aktor zum Antreiben einer solchen Andrückeinrichtung befindet sich zweckmäßigerweise außerhalb des Behälters und ist über eine lösbare Kupplung mit der Andrückeinrichtung verbunden. Der Antrieb erfolgt zweckmäßigerweise über ein selbsthemmendes Getriebe, beispielsweise ein Spindelantrieb zum Antreiben einer Schere. Bei Einsatz eines solchen mechanischen Andrücksystems kann ein Drucksensor zwischen dem Kolben und der Andrückeinrichtung angeordnet sein, um über den erfassten Druck den Aktor einer solchen mechanischen Andrückeinrichtung anzusteuern.
Als Kolben zum Trennen des Behälters in die beiden vorbeschriebenen Behälterabschnitte dient zweckmäßigerweise ein Rollkolben. Die sich daraus ergebenden Vorteile betreffen insbesondere die Gasdichtheit zwischen den beiden Behälterabschnitten und seine Leichtgängigkeit.
Die Heizeinrichtung verfügt zweckmäßigerweise über eine Heizplatte als Heizelement an der der NN₃-Precursor, vorzugsweise als Pressling ausgebildet, anliegt. Die Heizplatte kann über Kanäle und/oder über kanalartige Vertiefungen verfügen, über die das bei einem Betrieb der Heizeinrichtung gebildetes Reaktionsgas von der Kontaktfläche zwischen dem Heizelement und dem Pressling wegströmen kann. Grundsätzlich ist der Einsatz derartiger Kanäle oder kanalartigen Vertiefungen nicht notwendig, da das durch die Thermolyse gebildete NH₃ enthaltene Reaktionsgas allein aufgrund des bei der Thermolyse entstehenden Druckes von dem Ort seiner Entstehung bestrebt ist zu entweichen. Dies kann jedoch mitunter zur Folge haben, dass bei der Thermolyse der NH₃-Precursorpressling je nach bereitgestelltem Gegendruck durch die Andrückeinrichtung kurzseitig von der Oberfläche des Heizelementes abgehoben wird. Daher ist das Vorsehen von Kanälen und/oder kanalartigen Vertiefungen zweckmäßig, um das durch Thermolyse gebildete Reaktionsgas über diese Wegsamkeiten von dem Ort ihrer Entstehung wegführen zu können. Da in aller Regel bei einem Betrieb der Heizeinrichtung der Ausgang des Behälters zum Einbringen des durch die Thermolyse abgespaltenen NH₃ in den Ab gasstrang geöffnet ist, besteht ein nicht unerhebliches Druckgefälle zwischen dem bei der Thermolyse entstehenden Gasdruck und den im Abgasstrom befindlichen Druck, so dass diese Druckdifferenz ein selbsttätiges Wegströmen des durch die Thermolyse gebildeten Reaktionsgases von dem Ort seiner Entstehung begünstigt. Als Kanäle können beispielsweise solche vorgesehen sein, die eine als Heizplatte konzipiertes Heizelement durchgreifen und somit eine Wegsamkeit für das gebildete Reaktionsgas zwischen der Oberfläche, an der der NH₃-Precursorpressling anliegt, und beispielsweise der gegenüberliegenden Oberfläche, die den Bereich des Ausgangs des Behälters zugeordnet ist, geschaffen ist. Zusätzlich oder auch anstelle derartiger Kanäle können auch kanalartige Vertiefungen, die in die zum NH₃-Precursorpressling weisende Oberfläche des Heizelementes eingebracht sind, vorgesehen sein. Auch diese kanalartigen Vertiefungen münden in den nicht von dem NH₃-Precursorpressling eingenommenen Bereich des Behälters.
Die beschriebene Vorrichtung umfasst eine Heizeinrichtung mit zumindest einer erwärmbaren Oberfläche, die beispielsweise – wie oben beschrieben – als Heizplatte ausgebildet sein kann. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Heizeinrichtung mehrere erwärmbare Oberflächen zugeordnet sind, denen jeweils ein eigener NH₃-Precursorpressling zugeordnet ist. Die erwärmbaren Oberflächen einer solchen Heizeinrichtung können gemeinsam oder auch unabhängig voneinander ansteuerbar sein. In einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung insgesamt über mehrere Behälter mit einer eigenen Heizeinrichtung verfügt, die dann gemeinsam und/oder kaskardenartig betrieben werden können. Bei Einsatz mehrerer unabhängig voneinander ansteuerbarer Heizeinrichtungen oder bei Vorsehen einer Heizeinrichtung mit mehreren unabhängig voneinander ansteuerbaren Heizelementen kann eine Regelung der NH₃-Produktion in einem größeren Umfange an dynamische Motorlastsituationen angepasst werden.
Der Behälter einer solchen vorbeschriebenen Vorrichtung weist zweckmäßigerweise eine Schnittstelle zum Öffnen desselben auf. Nach Verbrauch des darin enthaltenen NH₃-Precursors kann dieser geöffnet werden, mit neuem NH₃-Precursor befüllt und anschließend wieder verschlossen werden. Ein solcher Behälter eignet sich auch, im Rahmen eines Mehrwegesystems eingesetzt zu werden. Der Behälter bildet dann ein in sich geschlossenes System, aus dem lediglich dann NH₃ enthaltenes Reaktionsgas entweicht, wenn der Behälter über eine Kupplung an die zum Abgasstrang führende Zuführleitung angeschlossen ist. Ein Benutzer ist bei einer solchen Ausgestaltung somit in keinem Zeitpunkt entweichendem NH₃ ausgesetzt. Bei Vorsehen einer solchen Konzeption, bei der der Behälter als Wechselbehälter ausgebildet ist, ist die Verbindung der beiden Behälterteile zweckmäßigerweise so vorgesehen, dass ein Öffnen nicht ohne weiteres und nur mit bestimmtem Werkzeug möglich ist. Dieses kann beispielsweise durch Einsatz eines Spannringes oder einer entsprechenden Umbördelung realisiert sein, durch die die beiden miteinander zu verbindenden Flansche der Behälterteile formschlüssig verbunden sind. Ein Öffnen und eine Neubefüllung des Behälters erfolgt dann werksseitig, was auch den Vorteil mit sich bringt, dass ein Öffnen der Behälter im abgekühlten Zustande erfolgen kann. Der Wechsel eines Behälters an einem im Betrieb befindlichen Kraftfahrzeug oder an einem Kraftfahrzeug, das sich auf Betriebstemperatur befindet, ist ohne weiteres möglich, da lediglich die Anschlüsse durch Zusammenführen der komplementären Kupplungsteile hergestellt werden müssen. Die Kupplungsteile sind insbesondere bei Integration des Magnetventils in dem Behälter beim Anschließen vollkommen drucklos. Ferner kann vorgesehen sein, das Magnetventil als integralen Bestandteil des Behälters auszubilden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak an einen in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eingeschalteten Reduktionskatalysator in einer schematisierten, zum Teil geschnittenen Darstellung in einer ersten Betriebsstellung eines der Vorrichtung zugehörigen Behälters,
2 die Vorrichtung der 1 mit dem Behälter in einer weiteren Betriebsstellung,
3 eine Vorrichtung entsprechend 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
4 eine Vorrichtung entsprechend 1 mit einem Behälter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Eine Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak (NH₃) an einen in den Abgasstrang eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeuges eingeschalteten Reduktionskatalysator ist in 1 insgesamt mit den Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Diese Vorrichtung 1 umfasst einen Behälter 2 zum Erzeugen von Ammoniak (NH₃) durch thermolytisch Zersetzung eines NH₃-Precursors, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiels Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3', 3'' als NH₃-Precursor eingesetzt sind. Die Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3', 3'' sind scheibenförmige Körper und durch Pressen von pulverförmigem Ammoniumcarbamat in ihre in den Figuren gezeigte Form gebracht. Die Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3', 3'' weisen eine runde Querschnittsfläche auf. In dem Behälter 2 sind drei Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3', 3'' angeordnet, wobei von dem zu unterst liegenden Ammoniumcarbamatpresslingen 3 bereits eine gewisse Menge verbraucht worden ist. In dem Behälter 2 ist ferner eine insgesamt mit den Bezugszeichen 4 gekennzeichnete Heizeinrichtung angeordnet. Bei der Heizeinrichtung 4 handelt es sich um eine elektrische Widerstandsheizung, von der in 1 die Heizplatte 5 im Querschnitt schematisiert und ohne die elektrischen Bestandteile gezeigt ist. Die in 1 dargestellte obere Oberseite der Heizplatte 5 stellt bei diesem Ausführungsbeispiel die durch die Heizeinrichtung erwärmbare bzw. erwärmte Oberfläche 6 dar. Auf dieser Oberfläche 6 liegt die Unterseite des jeweils untersten Ammoniumcarbamatpresslings 3, 3' oder 3'' an, je nachdem wieviel Ammoniumcarbamat durch den Betrieb der Vorrichtung 1 verbraucht ist. Die Heizplatte 5 ist in nicht näher dargestellter Weise über ein Anschlusskabel 7 und einen Steckverbinder 8 in ebenfalls nicht näher dargestellter Art und Weise an eine Steuereinheit angeschlossen. Über die Steuereinheit wird die Heizeinrichtung 4 angesteuert, wobei diese Ansteuerung durch ein getaktetes EIN- und AUS-Schalten und/oder auch durch Leistungsänderung erfolgen kann.
Die Heizplatte 5 der Heizeinrichtung 4 weist eine Vielzahl von diese durchbrechende Kanäle K, zweckmäßigerweise mit kreisrundem Querschnitt auf. Mehrere Kanäle K bilden jeweils eine Ringstruktur aus, so dass insgesamt die Kanäle K der Heizplatte 5 in mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Ringstrukturen angeordnet sind. Zusätzlich sind in die Oberseite 6 der Heizplatte 5 kanalartige Vertiefungen KV einge bracht, die eine radiale Erstreckung aufweisen. Die Kanäle K und die kanalartigen Vertiefungen KV dienen als Wegsamkeit zur Verbindung der Oberseite 6 der Heizplatte 5 mit dem Ausgangsbereich 9 des Behälters 2. Der Ausgangsbereich 9 des Behälters 2 ist derjenige Bereich, von dem das durch Betrieb der Vorrichtung 1 erzeugte Reaktionsgas von dem Behälter 2 abgezogen werden kann. Dem Ausgangsbereich 9 ist daher auch der eigentliche Ausgang 10 des Behälters 2 zugeordnet. Der Ausgang 10 ist über eine Schnellkupplung 11 mit einer Zuführleitung 12 verbunden, die in den Abgasstrang des Dieselmotors in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Reduktionskatalysator mündet. Bei der Schnellkupplung 11 handelt es sich um eine solche, bei der deren beide Kupplungsteile 13, 13' grundsätzlich gasdicht verschlossen sind. Diese öffnen erst, wenn beide Kupplungsteile 13, 13' bestimmungsgemäß abgedichtet miteinander verbunden sind. Eingeschaltet in die Zuführleitung 12 ist ein Magnetventil 14. Dieses ist bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung des durch die Thermolyse gebildeten Reaktionsgases hinter der Kupplung 11 angeordnet.
In dem Behälter 2 ist ein Rollkolben 15 angeordnet, der das Behälterinnere in einen ersten Behälterabschnitt 16 und in einen zweiten Behälterabschnitt 17 unterteilt. Durch den Rollkolben 15 sind beide Behälterabschnitte 16, 17 gasdicht voneinander getrennt. In dem ersten Behälterabschnitt 16 befinden sich die Heizeinrichtung 4 und die Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3', 3'' sowie der Ausgang 10. In dem anderen Behälterabschnitt 17 ist eine insgesamt mit den Bezugszeichen 18 gekennzeichnete Andrückeinrichtung enthalten, mit der die Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3', 3'' zur Oberfläche 6 der Heizeinrichtung 4 hin unter Druck gesetzt werden. Dieses dient dem Zweck, dass die untere Oberfläche des zuunterst liegenden Ammoniumcarbamatpresslings 3 unter einer gewissen Vorspannung stehend auf der Oberseite 6 der Heizeinrichtung 4 anliegt, was die Reaktionsfreudigkeit der Vorrichtung 1 zum Bereitstellen der benötigten Reduktionsmenge (NH₃) unterstützt. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist als Andrückeinrichtung 18 eine mechanisch arbeitende eingesetzt. Diese umfasst eine Spreizschere 19, die durch eine Gewindespindel 20 antreibbar ist. Durch den Antrieb über die Gewindespindel 20 ist ein Spindeltrieb ausgebildet, wodurch dieser Antrieb selbsthemmend ist. Eine Rückstellung ist somit nur durch entsprechendes Antreiben der Gewindespindel 20 möglich. Die Spreizschere 19 verfügt an ihrem der Gewindespindel 20 gegenüberliegenden Ende über eine Andruckscheibe 21, die auf der Rückseite des Rollkolbens 15 und somit an der Oberseite des zu oberliegenden Ammoniumcarbamatpresslings 3' anliegt. Die Gewindespindel 20 ist aus dem Behälter 2 herausgeführt und über eine lösbare Kupplung 22 an einen Elektromotor 23 als Aktor angeschlossen. Der Elektromotor 23 ist in nicht näher dargestellter Art und Weise an eine Steuereinheit angeschlossen, über die eine Ansteuerung des Elektromotors 23 zum Betätigen der Andrückeinrichtung 18 erfolgt. Bei dieser Steuereinheit kann es sich auch um dieselbe Steuereinheit handeln, die eingesetzt wird, um die Heizeinrichtung 4 anzusteuern. Die Öffnung, durch die die Gewindespindel 20 aus dem Behälter 2 herausgeführt ist, dient gleichzeitig zur Belüftung des Behälterabschnittes 17.
Um jeweils einen gleichbleibenden Anpressdruck zwischen dem jeweils zu unterstliegenden Ammoniumcarbamatpressling 3, 3' bzw. 3'' auf der Oberseite 6 der Heizeinrichtung 4 einstellen zu können, verfügt die Andrückeinrichtung 18 über Mittel, um den über die Andrückeinrichtung 18 ausgeübten Druck zu erfassen. Dies kann beispielsweise durch Auswerten von Kenndaten des Elektromotors 23, beispielsweise seiner Stromaufnahme erfolgen. Gleichfalls kann vorgesehen sein, zwischen der Andruckscheibe 21 und der Rückseite des Rollkolbens 15 einen Drucksensor einzusetzen, über den der von der Andrückeinrichtung 18 auf die Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3', 3'' ausgeübte Druck erfassbar ist. Die Ausgangssignale eines solchen Drucksensors beaufschlagen die Steuereinheit zum Ansteuern des Elektromotors 23, so dass dieser entsprechend dem erfassten aktuellen Druck angesteuert werden kann.
Der Behälter 2 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrteilig aufgebaut und umfasst einen oberen Deckelabschnitt 24, einen zylindrischen mittleren Abschnitt 25 und einen dem Ausgang zugehörigen Abschnitt 26. Der mittlere Abschnitt 25 ist durch jeweils eine Flanschverbindung mit dem Deckelabschnitt 24 bzw. mit dem unteren Abschnitt 26 verbunden. Zum Abdichten der Verbindung zwischen dem mittleren Abschnitt 25 und dem Deckelabschnitt 24 dient das Ende des Rollkolbens 15, das zwischen den zueinanderweisenden Flanschseiten eingespannt gehalten ist. Verschlossen ist die Verbindung zwischen dem mittleren Abschnitt 25 und dem Deckelabschnitt 24 durch einen Spannring 27. Die Verbindung zwischen dem mittleren Abschnitt 25 und dem unteren Abschnitt 26 ist entsprechend aufgebaut, wobei zur Abdichtung zwischen den zueinanderweisenden Flanschseiten ein Dichtring 28 eingesetzt ist. Auch diese Verbindung ist durch einen Spannring 29 gasdicht verschlossen. Die Spannringe 27, 29 sind so ausgelegt, dass diese sich nicht ohne weiteres öffnen lassen. Ein Öffnen des Behälters 2 ist von einem Benutzer der Vorrichtung 1 nicht vorgesehen. Der Behälter 2 ist als Wechselbehälter konzipiert. Nach Verbrauch des in dem Behälter 2 enthaltenen Ammoniumcarbamats wird dieser durch Lösen der Schnellkupplung 11, der Kupplung 22 und durch Abziehen des Steckverbinders 8 von den kraftfahrzeugseitigen Bestandteilen der Vorrichtung 1 gelöst und gegen einen Befüllten getauscht.
Die Andrückeinrichtung 18 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls eingesetzt, um die Heizeinrichtung 4 bestimmungsgemäß positioniert in dem Behälterabschnitt 16 zu halten. Die Heizeinrichtung 4 verfügt über an ihrer von der Oberfläche 6 gegenüberliegenden Seite und über radial angeordnete Zapfen Z zum Zentrieren der Heizplatte 5 in dem Behälter 2 und zum Beabstanden derselben von dem unteren Abschluss des Behälters 2. Die an der der Oberfläche 6 gegenüberliegenden Seite angeformten Zapfen Z dienen zum Bereitstellen des Ausgangsbereiches 9, der als Sammler für das durch die Kanäle K und die kanalartigen Vertiefungen KV herangeführte Reaktionsgas dient. Durch den über die Andrückeinrichtung 18 auf die Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3, 3'' ausgeübten Druck wird ebenfalls die Heizplatte 5 in ihrer in den Figuren gezeigten Position gehalten. In die Innenseite des unteren Abschnittes 26 des Behälters 2 ist eine Nut N eingebracht der Heizplatte 5, in die einer der radial abragenden Zapfen Z zum codierten Einsetzen und zum Bereitstellen einer Verdrehsicherung eingreift, wie dies in 1 dargestellt ist.
Bei einem Betrieb des Dieselmotors wird auf direkte oder indirekte Weise der NO_x-Gehalt des Abgases bestimmt, um in Abhängigkeit von diesem Wert über die Vorrichtung 1 eine bestimmte NH₃-Menge als Teil des durch die Thermolyse gebildeten Reaktionsgases vor dem Reduktionskatalysator in den Abgasstrang einzubringen, damit eine ausreichende NH₃-Menge zur Reduktion der im Abgasstrom enthaltene Stickoxide zur Verfügung steht. Solange die Vorrichtung 1 außer Betrieb ist, ist das Magnetventil 14 geschlossen. Mit der Ansteuerung der Heizeinrichtung 4 zum thermolytischen Zersetzen von Ammoniumcarbamat zum Erzeugen des benötigten NH₃ wird das Magnetventil 14 geöffnet. Die Heizeinrichtung 4 ist ausgelegt, damit die Oberseite 6 des Heizelementes 5 rasch, zweckmäßigerweise quasi spontan ihre Betriebstemperatur hat, so dass das unter dem Druck der Andrückeinrichtung 18 an dieser Oberseite 6 anliegende Ammoniumcarbamat des Ammoniumcarbamatpresslings 3 (vgl. 1) thermolytisch zersetzt wird. Diese thermolytische Zersetzung hat einen Druckaufbau in dem unteren Behälterabschnitt 16 zur Folge. Da durch die geöffnete Schnellkupplung 11 und das geöffnete Magnetventil 14 eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Behälterabschnitt 16 und dem Abgasstrang besteht, besteht zum Abgasstrang hin ein Druckunterschied, so dass das an der Oberfläche 6 gebildete Reaktionsgas unterstützt durch die geschaffenen Wegsamkeiten der Kanäle K sowie der kanalartigen Vertiefung KV in den als Sammler dienenden ausgangsseitigen Bereich 9 des Behälters 2 und durch den Ausgang 10 in den Abgasstrang wegströmen kann. Die Dimensionierung der zum Wegführen des gebildeten Reaktionsgases notwendigen Wegsamkeiten bilden einen möglichst geringen Gegendruck aus. Dies kann beispielsweise durch entsprechend große Strömungsquerschnitte erreicht werden.
Bei dem vorbeschriebenen Verfahren wird somit das gebildete Reaktionsgas ohne eine Speicherung dem Abgasstrang zugeführt. Ebenfalls ist ein Druckaufbau in dem unteren Behälterabschnitt 16 durch die bei einer Bestromung der Heizeinrichtung 4 einsetzende Thermolyse nicht gegeben. Das Magnetventil 14 wird erst nach dem Ausschalten der Heizeinrichtung 4 geschlossen.
Durch das unmittelbare Angrenzen der Unterseite des Ammoniumcarbamatpresslings 3 auf der Oberseite 6 der Heizplatte 5 ist eine sehr rasche Erwärmung des Ammoniumcarbamats gegeben, da lediglich ein einziger Wärmeübergang überwunden werden muss, und zwar derjenige von dem Heizelement 5 auf das Ammoniumcarbamat. Begünstigt wird dieser Wärmeübergang durch den von der Andrückeinrichtung 18 bereitgestellten Anpressdruck mit dem der Ammoniumcarbamatpressling 3 mit seiner Unterseite auf der Oberseite 6 der Heizplatte 5 anliegt. Dieses hat auch zur Folge, dass der Ammoniumcarbamatpressling 3 immer mit einer glatten Unterseite an die Oberseite 6 der Heizplatte 5 grenzt. Gegebenenfalls bei der Herstellung des Presslings 3, 3', 3'' vorhandene oder bei seiner späteren Handhabung gebildete Oberflächenunebenheiten werden, wenn diese unregelmäßige Oberfläche in Kontakt mit der Oberseite 6 der Heizplatte 5 bei einem Betrieb der Heizeinrichtung 4 kommt, egalisiert.
Infolge der thermolytischen Zersetzung des Ammoniumcarbamats an der Oberseite 6 der Heizplatte 4 und dem weggeführten Gas reduziert sich der durch die Andrückeinrichtung 18 zunächst bereitgestellte Anpressdruck. Dieser Ammoniumcarbamatverbrauch ist beispielsweise durch den Drucksensor zwischen der Andrückplatte 16 und der Rückseite des Rollkolbens 15 detektierbar, so dass durch den detektierten Druckabfall der Elektromotor 23 zum Antreiben der Gewindespindel 20 und zum Spreizen der Schere 19 solange angesteuert wird, bis der gewünschte Anpressdruck wiederhergestellt ist. Durch die Andrückeinrichtung 18 des dargestellten Ausführungsbeispiels ist es ebenfalls möglich, an diese einen Wegaufnehmer zu koppeln, um über diesen auf den aktuellen Ammoniumcarbamatvorrat in dem Behälter 2 schließen zu können. Zu diesem Zweck können diskrete Sensoren eingesetzt werden; gleichfalls ist es möglich, eine Wegaufnahme durch Auswerten von Kenndaten des Elektromotors zur Errechnung des zurückgelegten Weges zu erfassen. Handelt es sich bei dem Elektromotor 23 um einen kommutierten Gleichstrommotor, kann eine Wegaufnahme bzw. eine Positionsbestimmung der Andrückscheibe 21 über eine Erfassung der Stromrippe) (rippel counting) erfolgen.
2 zeigt die Vorrichtung der 1 mit einem weitgehend verbrauchtem Ammoniumcarbamatvorrat. Die Ammoniumcarbamatpresslinge 3, 3' sind verbraucht; es liegt nunmehr der Rest des Ammoniumcarbamatpresslings 3'' auf der Oberseite 6 der Heizplatte 5 an. Die Spreizschere 19 ist weitgehend ausgefahren und beaufschlagt die Rückseite des Ammoniumcarbamatpresslings 3'' nach wie vor mit dem gewünschten Anpressdruck.
Der Behälter 2 der Vorrichtung 1 ist in einer dem Kraftfahrzeug zugeordneten Wechselstation aufgenommen. Dabei sind die jeweiligen Schnittstellen zwischen dem Behälter und dem kraftfahrzeugseitigen Bestandteilen der Vorrichtung dergestalt konzipiert, dass beim Einsetzen bzw. Herausnehmen des Behälter 2 aus einer solchen Station die notwendigen Verbindungs- und/oder Versorgungsleitungen selbsttätig zusammenge führt bzw. hergestellt werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung. Bei dieser Vorrichtung 30 zum Zuführen von Ammoniak an einen in den Abgasstrang eines Dieselmotors eingeschalteten Reduktionskatalysator sind zwei Behälter 31, 31' vorgesehen, in denen eine Thermolyse von Ammoniumcarbamat erfolgt. Die Behälter 31, 31' sind grundsätzlich aufgebaut wie der zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel beschriebene Behälter 2. Im Unterschied zu dem Behälter 2 sind die Behälter 31, 31' mit ihrem der jeweiligen Heizeinrichtung gegenüberliegenden Behälterabschnitt an das Druckluftsystem des Lastkraftwagens angeschlossen, in dem diese Vorrichtung 30 eingesetzt ist. Das Druckluftsystem ist mit dem Bezugszeichen 32 in 3 gekennzeichnet. Über das Druckluftsystem 32, zu dem ebenfalls ein Kompressor zum Bereitstellen des notwendigen Luftdruckes in dem System gehörig ist, wird dieser hintere Behälterabschnitt mit dem zum Bereitstellen eines Anpressdruckes zwischen dem Ammoniumcarbamat und der zum Ammoniumcarbamat weisenden Seite der Heizelemente beaufschlagt. Angeschlossen ist dieser Behälterabschnitt zweckmäßigerweise an den Drucklufttank des Druckluftsystems 32.
Bei der Vorrichtung 30 sind zwei Behälter 31, 31' eingesetzt, die jeweils über eine eigene Heizeinrichtung verfügen. Die Heizeinrichtungen der beiden Behälter 31, 31' sind unabhängig voneinander ansteuerbar und können somit einzeln oder gemeinsam oder auch mit unterschiedlicher Leistung angesteuert werden, um dem Bedarf an NH₃ bei einem bestimmten Lastzustand des Dieselmotors, insbesondere bei einem raschen Lastwechsel gerecht zu werden. Die Heizeinrichtungen sind zu diesem Zweck an eine gemeinsame Steuereinheit angeschlossen.
4 zeigt in einer weiteren Ausgestaltung einen Behälter 33, der grundsätzlich aufgebaut ist wie der Behälter 2 der Vorrichtung 1. Aus diesem Grunde sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Unterschied zu dem Behälter 2 der Vorrichtung 1 ist bei dem Behälter 33 der Rollkolben 34 im Bereich des Ausgangs 35 des Behälter 33 gehalten. Der Behälter 33 verfügt lediglich über eine Schnittstelle, durch den der Behälter 33 in die beiden Behälterteile 36 und 37 geteilt ist. Der Vorteil dieser Konzeption liegt darin, dass der in dem Behälter 2 ver bleibende Raum auf ein Minimum reduziert und dass der Behälter 2 grundsätzlich nur eine Schnittstelle aufweisen muss. Somit ist in dem Behälter auch der Raum auf ein Minimum reduziert, in dem sich bei einem Abkühlen des Behälter 2 aus dem gebildeten Reaktionsgas Ammoniumcarbamat zurückbilden kann.
Anstelle der in 3 beschriebenen Vorrichtung 30 kann auch eine solche konzipiert sein, bei der ein einziger Behälter eingesetzt wird, dessen Heizeinrichtung entweder eine einzige Heizplatte mit zwei einander gegenüberliegenden Heizflächen oder auch zwei einzelne, insbesondere auch unabhängig voneinander ansteuerbare Heizplatten aufweist. Zum Bereitstellen eines möglicherweise gewünschten Anpressdruckes des Ammoniumcarbamats auf der jeweiligen erwärmten Oberfläche ist dieser Behälter mit zwei Kolben, zweckmäßigerweise als Rollkolben ausgebildet, ausgestattet.
Von Vorteil bei einer Anordnung von zwei oder auch mehreren Behältern als Teil einer vorbeschriebenen Vorrichtung ist, dass nicht nur Spitzenbedarfe des benötigten NH₃ bereitgestellt werden können, sondern insbesondere lässt sich auf diese Art und Weise auch ein in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehender Einbauraum effektiver ausnutzen. Für den Fall, dass die Behälter als Wechselbehälter ausgebildet sind, sind diese naturgemäß bei Einsatz von mehreren Behältern kleiner und somit auch leichter, so dass grundsätzlich deren Handhabung vereinfacht ist.
Anstelle der beschriebenen Andrückeinrichtung, die mechanisch wirkend als Spreizschere beschrieben ist, können ebenfalls andere Einrichtungen zum Einsatz gelangen, wie beispielsweise Spindeln, insbesondere Teleskopspindeln oder dergleichen.
In einem weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Magnetventil dem Behälter zugeordnet und mit der Heizeinrichtung in wärmeleitender Verbindung gehalten. Bei dieser Ausgestaltung wird die durch die Heizeinrichtung bei ihren Betrieb bereitgestellte Wärme ausgenutzt, um bei einem Betriebsstillstand gegebenenfalls aus dem Reaktionsgasgemisch zurückgebildetes Ammoniumcarbamat, das sich in dem Magnetventil abgelagert hat, erneut thermolytisch zu zersetzen und somit die Betriebsfähigkeit des Magnetventils in jedem Falle sicherzustellen.
Ammoniumcarbamat ist zum Betreiben der beschriebenen Vorrichtung das bevorzugte NH₃-Precursormaterial. Vorteilhaft bei Einsatz von Ammoniumcarbamat ist, dass seine thermolytische Zersetzung in nennenswertem Umfange bereits bei Temperaturen oberhalb von 70°C einsetzt. Diese relativ niedrige Thermolysetemperatur hat auch zum Vorteil, dass durch das zweckmäßigerweise auf eine höhere Temperatur erwärmte Reaktionsgas ohne weiteres im ausgangsseitigen Bereich des Behälters und/oder in der Zuführleitung und/oder in in die Zuführleitung eingeschalteten Ventilen oder dergleichen ggf. zurückgebildetes Ammoniumcarbamat bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung thermolytisch zersetzt und somit aufgelöst wird und auf diese Weise die für die Zuführung des Reaktionsgases notwendigen Wegsamkeiten freigespült werden.
Aus der Beschreibung der Erfindung wird deutlich, dass mit den beschriebenen Vorrichtungen mit einem Minimum an Hardware-Aufwand eine just-in-time-Produktion von NH₃ aus einem NH₃-Precursor, insbesondere Ammoniumcarbamat möglich ist und dieses auch in einer solchen Menge möglich ist, dass eine wirksame Stickoxidreduktion an den Reduktionskatalysator auch dann vorgenommen werden kann, wenn die Brennkraftmaschine, beispielsweise der Dieselmotor auch über längerer Zeit unter Volllast betrieben wird. Ausgenutzt werden kann bei einem Betrieb dieser Vorrichtung vorteilhafterweise auch die Speicherfähigkeit des Reduktionskatalysators hinsichtlich des Reduktionsmittels (NH₃).

1: Vorrichtung
2: Behälter
3, 3', 3'': Ammoniumcarbamatpressling
4: Heizeinrichtung
5: Heizplatte
6: Oberfläche
7: Anschlusskabel
8: Steckverbinder
9: Ausgangsbereich
10: Ausgang
11: Schnellkupplung
12: Zuführleitung
13, 13': Kupplungsteil
14: Magnetventil
15: Rollkolben
16: erster Behälterabschnitt
17: zweiter Behälterabschnitt
18: Andrückeinrichtung
19: Spreizschere
20: Gewindespindel
21: Andruckscheibe
22: Kupplung
23: Elektromotor
24: Deckelabschnitt
25: mittlerer Abschnitt
26: Abschnitt
27: Spannring
28: Dichtring
29: Spannring
30: Vorrichtung
31, 31': Behälter
32: Druckluftsystem
33: Behälter
34: Rollkolben
35: Ausgang
36: Behälterteil
37: Behälterteil
K: Kanal
KV: kanalartige Vertiefung
N: Nut
Z: Zapfen

Claims

Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak (NH₃) an einen in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors eingeschalteten Reduktionskatalysator, umfassend einen ausgangsseitig mit dem Abgasstrang über eine Zuführleitung (12) verbundenen Behälter, enthaltend einen unter Wärmezufuhr NH₃ abspaltenden Precursor (3, 3', 3''), insbesondere Ammoniumcarbamat, wobei die Zuführleitung (12) in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Reduktionskatalysator in den Abgasstrang mündet, und umfassend eine Heizeinrichtung (4) zum Herbeiführen einer thermolytischen NH₃-Abspaltung des NH₃-Precursors (3, 3', 3''), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1, 30) eine in dem Behälter (2; 31, 31') angeordnete, elektrische Heizeinrichtung (4) umfasst, die an eine Steuereinheit zum Ansteuern der Heizeinrichtung (4) angeschlossen ist, und dass die Heizeinrichtung (4) und der NH₃-Precursor (3, 3', 3'') in dem Behälter (2) dergestalt zueinander angeordnet ist, dass eine Erwärmung des NH₃-Precursors (3, 3', 3'') zur thermolytischen NH₃-Abspaltung zumindest weitestgehend durch einen unmittelbaren Wärmeübergang von zumindest einer erwärmten Oberfläche (6) der Heizeinrichtung (4) auf den NH₃-Precursor (3, 3', 3'') erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zur Thermolyse erwärmte Oberfläche (6) der Heizeinrichtung (4) in unmittelbarem Kontakt mit dem NH₃-Precursor (3, 3', 3'') steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Behälter (2) enthaltene NH₃-Precursor ein Feststoff, insbesondere eine stabförmiger Pressling (3, 3', 3'') ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff druckbeaufschlagt an der zumindest einen erwärmten Oberfläche (6) der Heizeinrichtung (4) anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) durch einen Kolben in zwei gasdicht voneinander getrennte Behälterabschnitte (16, 17) geteilt ist, wobei in dem einen Behälterabschnitt (16) der NH₃-Precursor (3, 3', 3'') und die Heizeinrichtung (4) angeordnet sind und der andere Behälterabschnitt an eine den zum Andrücken des NH₃-Precursors an die erwärmte Oberfläche der Heizeinrichtung notwendigen Anpressdruck bereitstellende Einrichtung angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) durch einen Kolben in zwei gasdicht zueinander getrennte Behälterabschnitte (16, 17) geteilt ist, wobei in dem einen Behälterabschnitt (16) der NN₃-Precursor (3, 3', 3'') und die Heizeinrichtung (4) und in dem anderen Behälterabschnitt (17) eine mechanisch auf den NH₃-Precursor (3, 3', 3'') arbeitend ausgelegte Andrückeinrichtung (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktor zum Antreiben der Andrückeinrichtung (18), beispielsweise ein Elektromotor (23), außerhalb des Behälters (2) angeordnet und über eine lösbare Kupplung (22) an die im Behälter (2) befindliche Andrückeinrichtung (18) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) durch einen Kolben in zwei gasdicht voneinander getrennte Behälterabschnitte (16, 17) geteilt ist, wobei in dem einen Behälterabschnitt (16) der NH₃-Precursor (3, 3', 3'') und die Heizeinrichtung (4) angeordnet sind und der andere Behälterabschnitt mit einem unter Druck stehenden Gas, beispielsweise Stickstoff befüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mit Stickstoff gefülltem Behälterabschnitt ein Drucksensor zum Erfassen des Innendruckes dieses Behälterabschnittes angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben ein Rollkolben (15) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (4) eine im Bereich des in die Verbindungsleitung (12) mündenden Ausgangs des Behälters an (2) geordnete Heizplatte (5) umfasst, an deren einer Oberfläche (6) der NH₃-Precursor (3, 3', 3'') anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizplatte (5) eine Vielzahl von in der Oberfläche (6), an der der NH₃-Precursor (3, 3', 3'') anliegt, mündende, diese Oberfläche (6) mit dem Ausgangsbereich (9) des Behälters (10) verbindende Kanäle (K) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die an den NH₃-Precursor (3, 3', 3'') grenzende Oberfläche (6) der Heizplatte (5) der Heizeinrichtung (4) kanalartige Vertiefungen (KV) aufweist, deren Ausgang in den Ausgangsbereich (9) des Behälters (2) münden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) mit seinem Inhalt von den übrigen Bestandteilen der Vorrichtung (1) lösbar ist und der Ausgang des Behälters (2) mittels einer Kupplung (13) an die Zuführleitung (12) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) eine Schnittstelle zum Öffnen des Behälters (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung mehrere unabhängig voneinander ansteuerbare Heizelemente umfasst und dass jedem Heizelement eine eigener NH₃-Precursorvorrat zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (30) mehrere Behälter (31, 31') mit jeweils einer Heizeinrichtung umfasst.