DE19855385A1 - Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einem der Reduktion von NOX-Bestandteilen der Abgase dienenden Reduktionskatalysator, zu dem ein Abgasrohr führt. Die Vorrichtung umfaßt eine Reduktionsmittelzufuhr, eine Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung und eine Reduktionsmittel-Verdampfungseinrichtung, wobei die Reduktionsmitteldosierung und die zumindest teilweise -verdampfung mittels zumindest einer am Abgasrohr vorgesehenen Düse erfolgt. Der Düse kann ein Heizelement zugeordnet werden, wobei die Düse insgesamt auch als Heizdüse ausgebildet sein kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einem der Reduktion von NOX-Bestandteilen der Abgase dienenden Reduktionskatalysator, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für selbstzündende Brennkraftmaschinen oder Dieselmotoren.

Nachdem die Schadstoffgrenzwerte in den letzten Jahren immer niedriger angesetzt wurden, sind in den letzten Jahren verschiedenste Vorrichtungen zur Nachbehandlung von Abgasen von Brennkraftmaschinen entwickelt worden. Eine sehr effiziente Weise, Abgase nachzubehandeln, sind Katalysatorsysteme, die Harnstoff und/oder Ammoniak als Reduktionsmittel zur NOX-Konvertierung verwenden. Diese Lösung ist, obwohl sehr wirksam, jedoch relativ aufwendig, da das Reduktionsmittel zusätzlich zum Kraftstoff mitgeführt werden muß. Des weiteren müßte eine Infrastruktur zum Tanken von Harnstoff geschaffen werden. Daher wurden in den letzten Jahren Katalysatoren entwickelt, die auf einem NOX-Speicher-Reduktionsverfahren basieren und die die an Bord mitgeführten Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffes als Reduktionsmittel nutzen. Bei diesen Verfahren werden verschiedene Materialien, wie z. B. Alkalimetalle, dazu verwendet, Stickoxide zu speichern. Die herkömmliche Drei-Wege- Katalysatortechnik wird hierbei auch weiterhin verwendet, um die Stickoxide zu konvertieren. Diese Konvertierung erfolgt während der Regeneration des Speichers, d. h. in einer Phase, während der der Motor kurzfristig mit λ ≦ 1,0 betrieben wird, so daß die Konvertierung von NOX stattfinden kann. Anders ausgedrückt, erfolgt bei "magerem Abgas" die NOX-Speicherung, indem NO an einem Edelmetallkatalysator zu NO₂ oxidiert wird, welches NO₂ am NOX-Speicher über Nitratbildung adsorbiert wird. Wenn das Abgas als "fett" erfaßt oder eingestellt wird, findet eine Nitratzersetzung statt, so daß NO₂ freigesetzt wird, wobei eine Reduktion von NOX am Edelmetallkatalysator stattfindet. Die Wirksamkeit der katalytischen NOX- Reduktion ist im wesentlichen abhängig von der Aufbereitung des Reduktionsmittels am Katalysatoreintritt.

Aus der DE-A-444 41 261 ist eine Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher die Leistung des Katalysators über eine Dosiereinrichtung verbessert werden soll. Die Dosiereinrichtung ist als eine Kleinstmengendosier- Verdrängerpumpe ausgebildet, die auf einem zylindrischen Rotationskörper einen Gewindegang in der Form einer Nut aufweist, wobei zur Änderung der Förderleistung der Rotationskörper mit variabler Drehzahl angetrieben wird.

Neben der Dosierung des Reduktionsmittels ist dessen Zustand beim Eintritt in den Katalysator ein äußerst wichtiges Aufbereitungskriterium. Aus der DE-A-196 25 447 ist eine Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine mit einem Reduktionskatalysator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Diese gattungsgemäße Einrichtung umfaßt einen der Reduktion von NOX-Bestandteilen der Abgase dienenden Reduktionskatalysator, zu dem ein Abgasrohr führt. Das Reduktionsmittel wird über eine Reduktionsmittelzufuhr zugeführt und über ein steuerbares Ventil zudosiert. Die dosierte Reduktionsmittelmenge wird einem Rohrverdampfer mit Glühstiftkerze zugeführt, welcher als Reduktionsmittel- Verdampfungseinrichtung wirkt. Dieses bekannte System gewährleistet jedoch keine Reduktionsmittel- Gleichverteilung am Katalysatoreingang. Durch den in der Verdampfungseinrichtung bereitgestellten Hohlraum entsteht zudem ein gewisses Totvolumen, wodurch eine exakte Steuerung der Aufbereitung an Reduktionsmittel und somit der gesamten Nachbehandlung verhindert wird.

Es ist dementsprechend Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen derart weiterzubilden, daß eine verbesserte Reinigungsfunktion erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit dem Merkmal des Anspruches 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Insbesondere wird bei der erfindungsgemäßen Lösung eine verbesserte Reduktionsmittel-Gleichverteilung dadurch erzielt, daß das Reduktionsmittel mittels einer am Abgasrohr vorgesehenen Düse eingebracht wird. Durch die somit realisierte Direkteinspritzung des Reduktionsmittels unmittelbar flußaufwärts liegend des Reduktionskatalysators wird zudem eine exaktere Steuerung möglich, und zwar sowohl bezüglich der Reduktionsmittelmenge als auch der Reduktionsmittelaufbereitung.

Vorteilhafterweise wird die Zerstäubung oder Verdampfung des Reduktionsmittels dadurch unterstützt, daß die Düse eine Heizeinrichtung aufweist oder eine sogenannte Heizdüse ist, wobei insbesondere eine Heizdüse mit selbstregelnden Kaltleiter-Heizelementen bevorzugt ist. Bei einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform wird das Reduktionsmittel weitgehend verdampft und bei Temperaturen ausgegeben von ca. 300°C bis 360°C. Heizdüsen mit selbstregelnden Kaltleiter-Heizelementen sind insbesondere bevorzugt, da lediglich kurzfristige Regenerationsphasen erforderlich sind und da bei hohem Wirkungsgrad eine exakte Anpassung mittels geeigneter Auswahl an Materialien und somit Widerstands-Temperaturkennlinien möglich ist.

Da die Düse unmittelbar am Abgasrohr vorgesehen ist und ggf. selbst als Heizdüse beheizt wird, sollte die Düse vorteilhafterweise aus temperaturbeständigen Materialien gebildet sein. Zusätzlich und/oder alternativ können auch einzelne Wärmeentkopplungselemente, wie z. B. Isolierbuchsen oder dergleichen, vorgesehen sein, um einzelne, thermisch nicht so beständige Bestandteile vor den auftretenden Temperaturen von bis zu 360°C zu schützen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Düse in solch einer Weise am Abgasrohr angeordnet, daß sie das Reduktionsmittel im wesentlichen senkrecht zur Abgasbewegungsrichtung in das Abgasrohr einbringt. Durch diese Anordnung kann ein sehr hoher Grad an Gleichförmigkeit der Vermischung mit dem Abgas am Katalysatoreingang erreicht werden. Des weiteren kann zur verbesserten Durchmischung beispielhaft das Reduktionsmittel leicht außermittig eingebracht werden, so daß eine Abgasdrall- oder -rotationsbewegung veranlaßt wird.

Vorteilhafterweise ist die Düse in solch einer Weise am Abgasrohr angeordnet, daß sie im wesentlichen mit der Innenseite des Abgasrohres fluchtet. Durch diese Anordnungsweise wird die Querschnittsfläche des Abgasrohres nicht verändert, so daß die darin herrschenden Strömungsvorgänge einfach zu beherrschen sind.

Bevorzugt ist der Düse eine Beaufschlagungseinrichtung zugeordnet, z. B. in der Form einer Zahnradpumpe mit Druckregeler oder ähnlichem. Durch die Beaufschlagung des Reduktionsmittels kann, in Abhängigkeit von z. B. der Abgasgeschwindigkeit im Abgasrohr oder auch anderen Betriebsparametern des Motors, die Geschwindigkeit des eingebrachten Reduktionsmittels und somit die gleichmäßige Verteilung gesteuert werden. Des weiteren ermöglicht die Ausgestaltung mit Beaufschlagungseinrichtung eine optimierte Einspritzung, bei welcher die Verdampfungswirkung sowohl mittels Entspannung, Zerstäubung als auch Erwärmung stattfinden kann.

Um eine noch bessere Vermengung des Abgases mit dem Reduktionsmittel zu erzielen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Einrichtung an oder in dem Abgasrohr vorgesehen, die die Abgasströmung beeinflußen kann. Diese Einrichtung kann z. B. in der Form von einfachen Umlenkblechen oder auch komplexeren Systemen vorgesehen sein, um der Abgasströmung vor und/oder nach Einbringung des Reduktionsmittels ein gewisses Strömungsprofil zu verleihen, z. B. um eine Drallbeaufschlagung des Abgases zu erzielen oder auch um eine turbulente Strömung zu erzeugen.

Vorteilhafterweise umfaßt die Vorrichtung zusätzlich zu dem Reduktionskatalysator einen diesem vorgeschalteten Oxidationskatalysator, welcher zur Implementierung des Drei-Wege-Katalysatorprinzips zur NOX-Konvertierung erforderlich sein kann. Die Düsen oder Heizdüsen sollten bei dieser Ausgestaltung flußaufwärts liegend des Oxidationskatalysators angeordnet sein, so daß dieser Kohlenwasserstoffe umsetzt und somit Sauerstoff verbraucht.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Düsen am Abgasrohr angeordnet, wobei diese insbesondere bevorzugt regelmäßig angeordnet sind. Als regelmäßige Anordnung ist beispielhaft eine in radialer Richtung äquidistante Anordnung bevorzugt. Wenn beispielhaft drei Düsen zum Einsatz kommen, sollten diese bevorzugt um 120° beabstandet an einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet werden. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die Anordnung von mehreren Düsen nicht zwangsweise in einer Ebene erfolgen muß, sondern daß vielmehr eine gewisse Beabstandung in axialer Richtung vorteilhaft sein kann. Schließlich ist es auch möglich, mehrere Reduktionsmittel-Zufuhrdüsen bei einer radialen Position beabstandet voneinander vorzusehen, um ein im Abgasrohr vorliegendes Strömungsprofil zur gleichmäßigen Verteilung auszunutzen.

Schließlich ist es bevorzugt, daß, wenn mehr als eine Düse vorgesehen ist, diese jeweils über eine unabhängige Steuerung angesteuert werden kann. Diese Steuerung sollte sowohl die Austragsrate, den Düsenöffnungsgrad, die Zerstäubungsfunktion und ggf. die Heizelemente steuern können.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen gilt:

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschema einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht durch einen Teil der in Fig. 1 schematisch dargestellten Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch eine Heizdüse, welche bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommen kann.

In der schematischen Darstellung von Fig. 1 ist ein System zum Nachbehandeln von Abgasen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine als eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Abgase der Brennkraftmaschine werden in der gezeigten Ausführungsform über ein Abgasrohr zu einem Oxidationskatalysator 18 geführt, welcher optional ist und einen Bestandteil eines Drei-Wege-Katalysatorsystemes bildet. Nach dem Oxidationskatalysator treten die Abgase in einen Reduktionskatalysator 1.

Der Reduktionskatalysator 1 kann im wesentlichen in zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden, nämlich einem sogenannten Mager-Modus, während welchem eine NO-Oxidation an einem Edelmetall des Katalysators zu NO₂ erfolgt, welches NO₂ über Nitratbildung adsorbiert werden kann, so daß der Reduktionskatalysator als NOX-Speicher dient. Der zweite Modus ist der sogenannte Fett-Modus, d. h. der Oxidationskatalysator wird mit einem "fetten Abgas" beschickt. In diesem Modus werden die in dem Reduktionsmittelkatalysator 1 gespeicherten NOXe freigesetzt. Insbesondere werden die adsorbierten Nitrate zu NO₂ zersetzt, wobei eine Reduktion von NOX an einem Edelmetall des Katalysators stattfindet. Die Auswahl des Modus kann in Abhängigkeit von Betriebszuständen des Motors erfolgen, wobei die Motorsteuerung ggf. auch den Motor in solch einer Weise kurzfristig steuern kann, daß der eine oder der andere Modus ausgeführt wird, abhängig davon, ob eine Regeneration des Speicherkatalysators 1 erforderlich ist oder nicht. Zur Beurteilung, ob eine Regenerationsphase erforderlich ist, können vor und nach dem Katalysator Sensoren, z. B. Stickoxid- und/oder Drucksensoren 14, 15 im Abgasrohr vorgesehen sein. Erfindungsgemäß wird jedoch der Modus "Abgas fett" unterstützt oder insgesamt bereitgestellt, indem vor dem Reduktionskatalysator 1 ein Reduktionsmittel in die Abgasleitung 2 eingebracht wird. Zu diesem Zweck ist in der gezeigten Ausführungsform eine Düse 6 flußaufwärts liegend des Reduktionskatalysators 1 am Abgasrohr 2 angeordnet.

Die Düse 6 wird über eine Pumpe 10 versorgt, die beispielhaft mit dem Kraftstoffreservoir der Brennkraftmaschine verbunden ist. Eine Steuereinrichtung 12 steuert die Fördermenge der Pumpe 10 und das Durchsatzvolumen und die Zerstäubungsphase bzw. Einspritzrate der Düse 6, abhängig von ihr zugeführten Brennkraftmaschinen-Parametern, ggf. unter Berücksichtigung der mit den Sensoren 14, 15 erfaßten Abgaswerten. Um das Reduktionsmittel, welches in das Abgasrohr 2 über die Düse 6 eingebracht wird, besser aufzubereiten, ist der Düse 6 eine Heizeinrichtung 8 zugeordnet, welche ebenfalls über die Steuereinrichtung 12 gesteuert werden kann. Die Heizeinrichtung 8 ist in der bevorzugten Ausführungsform ein selbstregelnder Kaltleiter. Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung sind die Düse 6 und die Heizeinrichtung 8 als ein vorgefertigtes Element, nämlich eine sog. Heizdüse, vorgesehen.

Wie dargestellt, ist die Düse 6 im wesentlichen fluchtend zu der Innenseite des Abgasrohres 2 vorgesehen, so daß durch die Düse selbst die Abgasströmung im Abgasrohr 2 nicht beeinflußt wird. Das im Abgasrohr 2 strömende Abgas kann sich somit in besonders effizienter Weise mit dem aus der Düse 6 austretenden Reduktionsmittel vermengen, so daß ein praktisch homogenes Gemisch am Katalysatoreingang vorliegt.

Die Durchmischung wird durch die im wesentlichen senkrechte Einspritzung des Reduktionsmittels weiter erhöht. Um das Gemisch aus Reduktionsmittel, hier Dieselbrennstoff, und Abgas noch homogener zu gestalten, ist in der gezeigten Ausführungsform eine steuerbare Abgas-Umlenkeinrichtung 20 vorgesehen, welche die in dem Abgasrohr 2 vorliegende Abgasströmung drallbeaufschlagen oder turbulent gestalten kann. Die Umlenkeinrichtung 20 wird über eine Steuereinrichtung 22 gesteuert. Es sollte erwähnt werden, daß sowohl die Steuereinrichtung 12 als auch die Steuereinrichtung 22 Bestandteil der Motorsteuerung für die Brennkraftmaschine sein können, wie auch als diesbezüglich separat vorliegende Einrichtungen.

In Fig. 2 ist eine Anordnung einer Heizdüse 6, 8 an einem Abgasrohr 2 als Teil einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Abgasrohr 2 verjüngt sich trichterförmig nach der Einspeisung von Reduktionsmittel über die Düse 6 und mündet in dem Reduktionskatalysator 1. Die trichterförmige Verjüngung bildet eine die Abgasströmung beeinflussende Einrichtung 20, die eine Homogenisierung des Gemisches aus Reduktionsmittel und Abgas unterstützt.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist deutlich zu erkennen, daß die Düse 6 praktisch mit der Innenwandung des Abgasrohres 2 fluchtet und das Reduktionsmittel im wesentlichen senkrecht zur Abgasströmung in das Abgasrohr 2 einbringt. Das eingebrachte Reduktionsmittel wird durch die Abgasströmung umgelenkt, wobei eine entsprechend vorteilhafte Vermengung erreicht werden kann.

In Fig. 3 ist schließlich eine Heizdüse in einer Detailschnittansicht gezeigt, welche bei der erfindungsgemäßen Lösung zum Einsatz kommen kann. Die dargestellte Heizdüse umfaßt einen Ventilträger 31, der an seinem rechten Ende mit einer Reduktionsmittel- Anschlußeinrichtung versehen ist, die in einem Filter­ element 38 mündet. Von dem Filterelement 38 wird das Reduktionsmittel an Kaltleiter-Heizelementen 8 vorbeigeführt und am linken Ende mittels Entspannung aus der Düse entlassen. Zur Entspannung des Reduktionsmittels umfaßt die Düse eine Ventilgruppe 6, auf die nicht weiter im Detail eingegangen wird, da diese dem Fachmann geläufig ist. Die Heizelemente 8 können über einen Kontaktstift 37, beispielhaft über eine Batterie, gespeist werden. Als wichtigen Bestandteil der Heizdüse sind die Isolierbuchsen 32 und 33 zu erachten, mittels welchen die Heizdüsen auf die hohen thermischen Beanspruchungen im Abgasumfeld angepaßt werden können.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der erfindungsgemäßen Lösung eine Reduktionsmitteldosierung und -aufbereitung angegeben ist, die parameterabhängig optimiert werden kann bezüglich der Anzahl an Einbringungspunkten, der Anordnung mit optimierter Temperaturregelung sowie optimierter Schaltzeit. Somit kann bezüglich des Katalysatorquerschnitts eine möglichst gleichmäßige Verteilung des überwiegend oder insgesamt gasförmigen Reduktionsmittels und somit eine hohe NOX- Konvertierungsrate erzielt werden. Bei hoher NOX- Konvertierung wird eine verbrauchsgünstige und partikelarme Grundanpassung der Brennkraftmaschine und insbesondere der Einspritzanlage gewährleistet, so daß ein früher, verbrauchsoptimierter Einspritzbeginn und ein hoher Einspritzdruck für die Brennkraftmaschine realisierbar sind, so daß sich das vorgeschlagene System auch als besonders effizient für die Nachbehandlung von Abgasen eines Dieselmotores zeigt.

Obwohl die Erfindung vollständig anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte der Fachmann verstehen, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen im Rahmen der Ansprüche möglich sind. Beispielhaft können mehrere Düsen am Abgasrohr angeordnet werden, und zwar in axialer Richtung und/oder radialer Richtung beabstandet, wobei es dem Fachmann geläufig ist, daß diese mehreren Düsen gemeinsam gruppenweise oder einzeln angesteuert werden können. Schließlich kann auch durch die Anordnung der einen oder mehreren Düsen die Funktion einer Abgasströmungs-beeinflussenden Einrichtung erfüllt werden, indem z. B. die Abgasströmung durch das eingespritzte bzw. eingebrachte Reduktionsmittel drallbeaufschlagt, in Rotation versetzt oder turbulent gestaltet wird.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit einem der Reduktion von NOX- Bestandteilen der Abgase dienenden Reduktionskatalysator (1), zu dem ein Abgasrohr (2) führt, einer Reduktionsmittelzufuhr (4), einer Reduktionsmittel- Dosiereinrichtung (6, 10, 12) und einer Reduktionsmittel- Verdampfungseinrichtung (6, 8, 10, 12), dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktionsmitteldosierung und die zumindest teilweise Verdampfung mittels zumindest einer am Abgasrohr (2) vorgesehenen Düse (6) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (6, 8) eine Heizeinrichtung umfaßt, insbesondere eine Heizdüse (6, 8) mit selbstregelnden Kaltleiter- Heizelementen (8).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (6, 8) aus temperaturbeständigen Materialien gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (6, 8) das Reduktionsmittel im wesentlichen senkrecht zur Abgasbewegungsrichtung in das Abgasrohr (2) einbringt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (6, 8) im wesentlichen mit der Innenseite des Abgasrohres (2) fluchtet.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Düse (6, 8) eine Beaufschlagungseinrichtung (10, 12) zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abgasrohr (2) eine die Abgasströmung beeinflussende Einrichtung (20, 22) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reduktionskatalysator (1) ein Oxidationskatalysator (18) vorgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als einer Düse (6, 8) diese regelmäßig angeordnet sind, insbesondere zumindest äquidistant in radialer Richtung.

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als einer Düse (6, 8) eine jeweils unabhängige Steuerung (12) derselben vorgesehen ist.