DE4417237A1

DE4417237A1 - Lastkraftwagen

Info

Publication number: DE4417237A1
Application number: DE4417237A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Phys Dr Schmelz; Lothar Hofmann; Dagmar Schobert-Schaefer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2014-05-18
Also published as: DE4417237C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lastkraftwagen mit einem mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotor, einer an den Verbrennungsmotor angeschlossenen Abgasleitung und einer an der Abgasleitung angeschlossenen Einrichtung zur Stickoxid minderung im Abgas des Verbrennungsmotors. Unter Lastkraft wagen werden insbesondere Sattelzugmaschinen mit einem mit variabler Last und Drehzahl betreibbaren ladeluftgekühlten Turbodieselmotor verstanden. Solche Lastkraftwagen haben üblicherweise einen Achsstand von 2500 bis 4000 mm.

Zur Verminderung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe, im besonderen der Stickoxide, hat sich für Verbrennungsmotoren, die mit einem Luftüberschuß be trieben werden, wie z. B. Diesel- und Magermotoren, das System des geregelten Dieselkatalysators (GDK) als bisher vorteil hafteste Technik erwiesen. Diese im wesentlichen auf dem Ver fahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) beruhende Technik ist mittlerweile aus zahlreichen Veröffentlichungen und Patentanmeldungen, z. B. aus den Deutschen Patentanmeldun gen P 43 09 891.6 und P 43 10 926.8 und P 43 15 278.3, be kannt.

Beim SCR-Verfahren werden die Stickoxide zusammen mit Ammoni ak an einem selektiven Katalysator kontaktiert und kataly tisch zu umweltunbedenklichem Stickstoff und Wasser umge setzt. Es ist ebenso bekannt, daß bei dem GDK-System Ammoniak aufgrund der mit dem Ammoniakeinsatz verbundenen Gefahren, wie z. B. seine Giftigkeit und die durch Ammoniak hervorgeru fene Geruchsbelästigung, nicht im Fahrzeug mitgeführt werden darf. Das zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide erfor derliche Reduktionsmittel wird anstelle des Ammoniaks in Form einer wäßrigen Harnstofflösung im Fahrzeug mitgeführt. Aus dieser waßrigen Harnstofflösung kann der Ammoniak durch Hy drolyse der Harnstofflösung in der augenblicklich gerade be nötigten Menge erzeugt werden.

Ein GDK-System umfaßt in der Abgasleitung eines mit Luftüber schuß betriebenen Verbrennungsmotors in Strömungsrichtung des Abgases der Reihe nach eine Einlaufkammer, einen Hydrolyseka talysator, einen DeNO_x-Katalysator und einen Oxidationskata lysator sowie einen Vorratsbehälter für die wäßrige Harn stofflösung und verschiedene Sensoren und Regler zur Einstel lung der in das Abgas einzubringenden Harnstoffmenge und eine Eindüsvorrichtung für das Reduktionsmittel in das Abgas.

Aufgrund erwarteter europaweiter Emissionsgrenzwerte für den Schadstoffausstoß von mit Luftüberschuß betriebenen Verbren nungsmotoren, insbesondere LKW-Dieselmotoren, ist der weit verbreitete Einsatz des GDK-Systems in naher Zukunft wahr scheinlich. Dies bedeutet zum einen, daß bestehende Last kraftwagen mit dem GDK-System nachgerüstet werden müssen, und zum anderen, daß neue Lastkraftwagen mit GDK-System ausgelie fert werden müssen. Aufgrund der in Lastkraftwagen sehr be engten Platzverhältnisse (Unterbringung von Treibstofftank, Reserveradern, Druckluftbehältern, Batterien und Schalldämp fern) erscheint es unmöglich, auch noch das GDK-System an ge eigneter Stelle in der Nähe des Verbrennungsmotors unterzu bringen; zumal beispielsweise ein für einen 300 KW-ladeluft gekühlten Dieselmotor ausgelegtes GDK-System ein Volumen von etwa 200 l zuzüglich etwa 100 l Volumen für den Harnstofftank aufweist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen zum Alltagseinsatz tauglichen Lastkraftwagen mit einem GDK-System anzugeben, dessen Raumbedarf nicht etwa durch eine Beschnei dung des Tankvolumens oder den Verzicht auf einen zweiten Druckluftbehälter oder der übrigen Komponenten gedeckt wird.

Ferner soll das im Lastkraftwagen vorzusehende GDK-System in bestehende Lastkraftwagen einfach nachrüstbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in einer an einem mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmo tor angeschlossenen Abgasleitung angeschlossene Einrichtung zur Stickoxidminderung zylinderförmig aufgebaut ist und zwi schen einem Vorderrad und einem Hinterrad des Lastkraftwagens im wesentlichen parallel zu seiner Längsrichtung angeordnet ist. Dies repräsentiert eine erste Lösung der Aufgabe.

Eine zweite erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht vor, die Einrichtung zur Stickoxidminderung zylinderförmig aufzu bauen und weitgehend senkrecht zur Längsrichtung des Last kraftwagens liegend hinter dem Führerhaus des Lastkraftwagens anzuordnen.

Eine dritte erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sieht es vor, die Einrichtung zur Stickoxidminderung zylinderförmig aufzubauen und weitgehend senkrecht zur Längsrichtung des Lastkraftwagens liegend vor der Vorderachse des Lastkraftwa gens anzuordnen.

Auf diese Weise ist es gewährleistet, daß bei allen drei er findungsgemäßen Lösungen das GDK-System in einer kompakten Einheit in unmittelbarer Nähe des Verbrennungsmotors, der üblicherweise unterhalb des Führerhauses auf der Vorderachse des Lastkraftwagens angeordnet ist, anzuordnen. Bezüglich einer Nachrüstung des GDK-Systems erscheint derzeit die erste Lösung am vorteilhaftesten, weil auf diese Weise auf der ei nen Seite eines die Vorder- und die Hinterachse des Last kraftwagens verbindenden, im wesentlichen zur Fahrtrichtung ausgerichteten Rahmenteils das GDK-System und die Batterien und auf der anderen Seite dieses Rahmenteils der Kraftstoff behälter und das Reserverad mit darüber angeordneten Druck luftbehältern vorgesehen sind. Der Schalldämpfer wird in un mittelbarem Anschluß an das GDK-System angeordnet. Die zweite und die dritte Lösung setzen sich möglicherweise bei der Neu konstruktion des Lastkraftwagens durch. Insbesondere die dritte Lösung erfordert ein geringes Hervorziehen der Frontpartie des Lastkraftwagens im unteren Teil, wodurch sich insgesamt infolge einer nun strömungsgünstigeren Ausge staltung der Frontpartie ein gegenüber den Frontpartien heu tiger Lastkraftwagen günstigerer Luftwiderstandsbeiwert (cw- Wert) ergibt.

Ein in hohem Maße die Schadstoffe des Abgases umsetzendes GDK-System wird erhalten, wenn die im Lastkraftwagen vorgese hene Einrichtung zur Stickoxidminderung in Strömungsrichtung des Abgases der Reihe nach eine Einlaufkammer, einen Hydroly sekatalysator, einen DeNO_x-Katalysator und einen Oxidations katalysator umfaßt. Auf diese Weise kann das Abgas in der Einlaufkammer mit dem zur Umsetzung der Stickoxide erforder lichen Reduktionsmittel vermischt werden. Das Reduktionsmit tel wird dabei als wäßrige Harnstofflösung in die Einlaufkam mer eingedüst.

Eine besonders platzsparende Anordnung des Schalldämpfers er gibt sich, wenn dieser in die zylinderförmige Einrichtung zur Stickoxidminderung integriert ist und zuletzt in Strömungs richtung des Abgases angeordnet ist. Der Schalldämpfer muß dann nicht außerhalb der zylinderförmigen Einrichtung ange ordnet und mit Abgasleitungsstücken an die Einrichtung zur Stickoxidminderung angeschlossen werden.

Vorteilhafte Abmessungen für die zylinderförmige Einrichtung zur Stickoxidminderung ergeben sich bei einer maximalen Länge von etwa 2000 mm und einem maximalen Durchmesser von etwa 700 mm. Das sich auf diese Weise ergebende Volumen kann bei den meisten Lastkraftwagen zur Verfügung gestellt werden. Be sonders vorteilhafte Abmessungen ergeben sich für eine maxi male Länge von etwa 1500 mm und einem maximalen Durchmesser von etwa 450 mm. Eine solche Einrichtung zur Stickoxidminde rung ist damit auch in die derzeit betriebenen und gebauten Sattelzugmaschinen nachrüstbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich nung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Seitenaufsicht auf eine Sattelzugmaschine;

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Sattelzugmaschine gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer mit einer Einrichtung zur Stickoxidminderung ausgestatten Sattelzugmaschine;

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Sattelzugmaschine gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer weiteren mit einer Einrich tung zur Stickoxidminderung ausgestatten Sattelzugma schine; und

Fig. 6 eine Seitenansicht einer weiteren mit einer Einrich tung zur Stickoxidminderung ausgestatteten Sattelzug maschine.

In den Fig. 1 bis 5 gleiche Teile haben gleiche Bezugszei chen.

In Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Sattelzugmaschine 2 mit einer Gesamtlänge 11 von etwa 6000 mm dargestellt. Die Sattelzugmaschine 2 umfaßt ein Führerhaus 4 mit Windabweiser 6, eine Vorderachse 8 mit hier erkennbarem linken Vorderrad 10 und eine Hinterachse 12 mit hier erkennbarem linken Hin terrad 14. Der Achsstand, d. h. ein Abstand 12 zwischen der Vorderachse 8 und der Hinterachse 12 beträgt etwa 3500 mm. Ein Abstand 13 zwischen der Vorderachse 8 und der Frontpartie 16 beträgt etwa 1400 mm. Ein Abstand 14 zwischen der Hinter achse 12 und dem hinteren Ende 18 des Lastkraftwagens 2 be trägt etwa 1100 mm. Eine Höhe h₁ eines Sattels 20 für einen hier nicht weiter dargestellten Auflieger beträgt etwa 930 mm. Eine maximale Bodenfreiheit h₂ beträgt etwa 170 mm.

Zwischen einem Radkasten 22 des linken Vorderrads 10 und ei nem Radkasten 24 des linken Hinterrads 14 sind unter anderem ein Batteriekasten 26, Druckluftbehälter 28, ein Reserverad 30, ein Schalldämpfer 32 sowie ein aus dem Schalldämpfer 32 heraus führendes Endstück 34 einer hier nicht weiter darge stellten Abgasleitung angeordnet.

In der in Fig. 2 dargestellten Aufsicht auf den Lastkraftwa gen 2 gemäß der Fig. 1 erkennt man das Führerhaus 4, den Batteriekasten 26, die Druckluftbehälter 28, das Reserverad 30 und den Sattel 20. Die vorstehend genannten Teile werden von einem sich in Längsrichtung erstreckenden Rahmenteil 36 getragen. Weiter erkennt man eine in Fahrzeugmitte in Längs richtung verlaufende Antriebswelle 38 und einen in Längsrich tung des Lastkraftwagens 2 rechts des Rahmenteils 36 angeord neten Treibstoffbehälter 40. Das Rahmenteil 36 weist am hin teren Ende des Lastkraftwagens 2 eine Breite b₁ von etwa 800 mm auf.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Sattelzugmaschine re präsentiert eine derzeit in Europa üblicherweise gebaute Standardversion. Solche Sattelzugmaschinen haben ladeluftge kühlte Turbodieselmotoren mit einer Leistung von etwa 300 kW. Bei den hier vorherrschenden Platzverhältnissen ist es nicht erkennbar, an welcher Stelle der für ein GDK-System benötigte Raum bereitgestellt werden kann.

Die in Fig. 3 dargestellte Seitenansicht auf eine gegenüber den Fig. 1 und 2 modifizierte Sattelzugmaschine 42 zeigt eine Einrichtung 44 zur Stickoxidminderung im Abgas des hier nicht weiter dargestellten Turbodieselmotors der Sattelzugma schine 42. Bestandteile dieser Einrichtung 44 sind ein hinter dem linken Radkasten 22 angeordneter Harnstofftank 46, eine Eindüsvorrichtung 48 für eine im Harnstofftank 46 befindliche wäßrige Harnstofflösung, eine Einlaufkammer 50, ein Hydroly sekatalysator 52, ein erster DeNO_x-Katalysator 54, ein zwei ter DeNO_x-Katalysator 56 und ein Oxidationskatalysator 58. Die Einlaufkammer 50, der Hydrolysekatalysator 52, die DeNO_x- Katalysatoren 54, 56 und der Oxidationskatalysator 58 sind in der genannten Reihenfolgen zu einem Zylinder verbaut und wei sen in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Oxidationskata lysator 58 einen Schalldämpfer 60 mit daran angeschlossenem Endstück 34 der Abgasleitung auf. Der von den Teilen 50 bis 60 gebildete Zylinder hat im Ausführungsbeispiel eine Länge von etwa 1500 mm und einen Durchmesser von etwa 450 mm. Ober halb der Einrichtung 44 sind Batterien 62 angeordnet.

In Aufsicht gemäß Fig. 4 auf die Sattelzugmaschine 42 gemäß der Fig. 3 erkennt man die Anordnung der Einrichtung 44 zur Stickoxidminderung auf der linken Seite des sich in Längs richtung erstreckenden Rahmenteils 36. Die in der Fig. 3 oberhalb der Einrichtung 44 eingezeichneten Batterien 62 sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit eingezeich net. Sie befinden sich nach wie vor oberhalb der Einrichtung 44 und schließen bündig mit der Fahrzeugseite ab. Auf der rechten Seite des Rahmenteils 36 sind nun die Komponenten an gebracht, die zuvor auch auf der linken Seite des Rahmenteils 36 angeordnet waren. Dies sind die Druckluftbehälter 28 und das Reserverad 30. Der Treibstoffbehälter 40 ist in Richtung zum Führerhaus 4 versetzt worden.

Aufgrund der in den Fig. 3 und 4 beschriebenen Anordnung der Komponenten der Sattelzugmaschine 42 ist es möglich, diese mit einem GDK-System auszurüsten, das die Stickoxid im Abgas des Verbrennungsmotors mindert und es gleichzeitig nicht notwendig macht andere Komponenten, wie z. B. den Treibstoffbehälter 40, die Druckluftbehälter 28, das Reserve rad 30, die Batterien 62, einzusparen oder vom Volumen her kleiner auszuführen.

Bei der hier gezeigten Einrichtung 44 zur Stickoxidminderung wird im einzelnen das Abgas des hier nicht weiter dargestell ten Turbodieselmotors über ein Stück 64 der Abgasleitung in die Einlaufkammer 50 geführt. In dieser Einlaufkammer wird das Abgas mit einer in Ammoniak umwandelbaren Substanz, hier wäßrige Harnstofflösung, vermischt und tritt dann in den Hy drolysekatalysator 52 ein, in dem der Harnstoff zu Wasser und Ammoniak hydrolisiert. Daran anschließend tritt das nun mit Ammoniak beladene Abgas in den ersten DeNO_x-Katalysator 54 ein, in dem die Stickoxide nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion zusammen mit Ammoniak durch Kontak tierung an katalytisch aktivem Material zu Stickstoff und Wasser umgesetzt werden. Diese Funktion führt auch der zweite DeNO_x-Katalysator 56 aus. In dem daran anschließenden Oxida tionskatalysator 58 werden im Abgas befindliche Kohlenwasser stoffe und Kohlenmonoxid sowie noch im Abgas enthaltener Ammoniak oxidiert, bevor ein weitgehend schadstofffreies Ab gas den Schalldämpfer 60 erreicht und über das Endstück der Abgasleitung ins Freie ausgetragen wird.

Sämtliche Katalysatoren können als Waben- oder Plattenkataly satoren ausgeführt sein. Bezüglich der katalytisch aktiven Materialien ähnelt sich der Hydrolysekatalysator 52 und der Oxidationskatalysator 58. Hier kommen beispielsweise Edelme talle, wie z. B. Platin, Rhodium, Paladium, und/oder Metall oxide, wie z. B. Kupferoxid, Eisenoxid, Oxide der seltenen Erden, Oxide der Metalle der Übergangsreihen 3d und 4f, zum Einsatz. In den DeNO_x-Katalysatoren 54, 56 wird üblicherweise Titandioxid als Grundstoff mit Zusätzen von einem oder mehre ren der Substanzen Molybdänoxid, Wolframoxid, Vanadinpentoxid und V_xMo_yO_32-z mit x, y 1, x +y 12 und z 1 verwendet.

In der in Fig. 5 dargestellten Seitenansicht auf eine gegen über der Fig. 2 um eine Einrichtung zur Stickoxidminderung ergänzte Sattelzugmaschine 68 erkennt man die Einrichtung 44 zur Stickoxidminderung unterhalb des Führerhauses 4. Die zy linderförmige Einrichtung 44 ist quer zur Längsrichtung der Sattelzugmaschine 68 angeordnet. Die für diese Variante not wendigen Umkonstruktionen beschränken sich auf ein hier nicht weiter dargestelltes Verbindungsstück der Abgasleitung zwi schen Motor und der Einrichtung 44, einem Verbindungsstück 66 der Abgasleitung zwischen der Einrichtung 44 und dem Schall dämpfer 32 und geringe Umbauten am Führerhaus 4 und am Rand kasten 22′ des linken Vorderrades 10.

Eine besonders aerodynamische Ausführung einer gegenüber den Fig. 1, 3 und 5 in der Frontpartie 70 abgewandelten Sat telzugmaschinen 72 ergibt sich bei der hier in Fig. 6 darge stellten Anordnung der zylinderförmigen Einrichtung 44 zur Stickoxidminderung quer zur Längsrichtung und in Längsrich tung vor der Vorderachse 8. Ein Abstand l_3′ zwischen der Frontpartie 70 und der Vorderachse 8 beträgt nun etwa 1600 mm, wodurch sich eine Länge l_1′ der gesamten Sattelzug maschine 72 von etwa 6200 mm ergibt. Bei der hier gezeigten Ausführungsform müssen neue Verbindungsstücke der Abgaslei tung zwischen Motor und Einrichtung 44 und Einrichtung 44 und Schalldämpfer 32 eingesetzt werden.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen sind besonders einfach zu realisieren, wenn im Zuge eines Modell wechsels oder der Modellpflege Umkonstruktionen an der Sat telzugmaschine 68 bzw. 72 vorgenommen werden. Bezüglich einer Nachrüstung der Einrichtung 44 in derzeit im Betrieb befind liche Sattelzugmaschinen und einer Ausrüstung derzeit gebau ter Sattelzugmaschinen mit der Einrichtung 44 ist die gemäß der Fig. 3 und 4 beschriebene Ausführungsform am einfach sten zu realisiseren.

Claims

1. Lastkraftwagen (42) mit

a) einem mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotor,
b) einer an dem Verbrennungsmotor angeschlossenen Abgaslei tung (34), und
c) einer an der Abgasleitung (34) angeschlossenen Einrichtung (44) zur Stickoxidminderung im Abgas des Verbrennungsmo tors,

bei dem die Einrichtung (44) zur Stickoxidminderung zylinder förmig aufgebaut ist und zwischen einem Vorderrad (10) und einem Hinterrad (14) im wesentlichen parallel zu seiner Längsrichtung angeordnet ist.

2. Lastkraftwagen (68) mit

a) einem mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotor,
b) einer an dem Verbrennungsmotor angeschlossenen Abgaslei tung (34, 66),
c) einer an der Abgasleitung (34, 66) angeschlossenen Ein richtung (44) zur Stickoxidminderung im Abgas des Verbren nungsmotors,

bei dem die Einrichtung (44) zur Stickoxidminderung zylinder förmig aufgebaut ist und weitgehend senkrecht zu seiner Längsrichtung liegend hinter dem Führerhaus (4) des Last kraftwagens (68) angeordnet ist.

3. Lastkraftwagen (72) mit

a) einem mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotor,
b) einer an dem Verbrennungsmotor angeschlossenen Abgaslei tung (34),
c) einer an der Abgasleitung (34) angeschlossenen Einrichtung (44) zur Stickoxidminderung im Abgas des Verbrennungsmo tors,

bei dem die Einrichtung (44) zur Stickoxidminderung zylinder förmig aufgebaut ist und weitgehend senkrecht zu seiner Längsrichtung liegend vor seiner Vorderachse (8) des angeord net ist.

4. Lastkraftwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (44) zur Stickoxidminderung in Strömungsrich tung des Abgases der Reihe nach eine Einlaufkammer (50), ei nen Hydrolysekatalysator (52), einen Denox-Katalysator (54, 56) und einen Oxidationskatalysator (58) umfaßt.

5. Lastkraftwagen nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zuletzt in Strömungsrichtung des Abgases ein Schalldämpfer (60) angeordnet ist.

6. Lastkraftwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmige Einrichtung (44) zur Stickoxidminderung eine maximale Länge von etwa 2000 mm und einen maximalen Durchmesser von etwa 700 mm aufweist.

7. Lastkraftwagen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Länge etwa 1500 mm und der maximale Durchmesser etwa 450 mm beträgt.