DE4436397A1 - Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen - Google Patents

Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen

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Description

Stand der Technik
Selbstzündende Brennkraftmaschinen neigen wegen des hohen Sauerstoffüberschusses, mit dem sie betrieben werden, zu ei­ ner hohen NOX-Emission. Dies tritt verstärkt bei selbstzün­ denden Brennkraftmaschinen auf, die mit Direkteinspritzung in den Hauptbrennraum arbeiten. Um diese Emission zu senken, steht eine Möglichkeit der nachträglichen NOX-Reduktion mit­ tels eines Reduktionskatalysators zur Verfügung. Dazu eignen sich zum Beispiel Katalysatorsysteme auf Zeolith-Basis. Diese Katalysatorsysteme eigenen sich vor allen Dingen für den Einsatz bei relativ niedrigen Abgastemperaturen, wie sie bei Abgasen von selbstzündenden Brennkraftmaschinen auftre­ ten. Die Temperaturen dieser Abgase sind weit geringer als bei den Abgasen von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Diese niedrige Abgastemperatur erschwert das Anspringen der Reaktion eines Reduktionskatalysators.
Zur Förderung des Reduktionsprozesses wurde bereits durch die Veröffentlichung F. Schäfer und R. van Basshuysen, "Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von PKW-Verbrennungsmotoren", Seite 115, Springer-Verlag, vorgeschlagen, Reduktionsmittel in Form von wäßriger Harnstofflösung stromaufwärts eines NOX-Reduk­ tionskatalysators in das Abgas einzugeben unter Verwendung eines elektrisch gesteuerten Ventils gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Der Eintrag des von dem elektrisch ge­ steuerten Dosierventil abgegebenen Harnstoffes erfolgt mit Druckluft, die zugleich dazu verwendet wird, den geschlosse­ nen Harnstoffvorratsbehälter auf einen Förderdruck vorzu­ spannen, damit am elektrisch gesteuerten Ventil ein für die Zumessung notwendiges konstantes Druckgefälle auftritt. Die­ ses Druckgefälle muß zudem die fein verteilte Aufbereitung des Harnstoffes gewährleisten, derart, daß spätestens im Ka­ talysator durch Zerfall der Harnstoffverbindung in Verbin­ dung mit Wärmeeinwirkung das für die gewünschte Reduktion der NOX-Bestandteile im Abgas erforderliche NH₃-Gas ent­ steht. Diese Einrichtung ist hohen Abgastemperaturen ausge­ setzt, und es besteht die Gefahr, daß das elektrisch gesteu­ erte Dosierventil, insbesondere bei intermittierender Betä­ tigung, verklebt. Mit der beim Stand der Technik vorgesehe­ nen Luftumfassung der Austrittsöffnung des elektrisch ge­ steuerten Dosierventils ist noch nicht sichergestellt, daß die erforderliche Feinverteilung des dosierten Harnstoffes im erwünschten Maße auftritt. Insbesondere durch die beim Stand der Technik vorgesehene lange Leitungsverbindung zwi­ schen Zumeßstelle und Eintrittsstelle des zugemessenen Harn­ stoffs in das Abgas besteht hier die Gefahr, daß sich be­ reits fein verteilter Harnstoff wieder rekombiniert zu gro­ ßen Tropfen und daß eine unregelmäßige Zumeßrate auftritt.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Lösung mit den kennzeichnenden Merkma­ len des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß mit Hilfe des Steuerventils und des damit gesteuerten Druck­ luftstromes über die Austrittsöffnung Luft und Reduktions­ mittel fein verteilt in das Abgas eingebracht werden, ohne daß sich Tröpfchenteilchen wieder zusammenballen, da eine weitere Aufbereitung von auf Luft fein verteiltem Reduk­ tionsmittel im warmen Abgas erfolgt. Auf diese Weise kann die einzubringende Reduktionsmittelmenge exakt vorgesteuert werden, und es sorgt die zugeführte Druckluft über den Aus­ tragvorgang an der Austrittsöffnung des Steuerventils für die gute Aufbereitung der Harnstofflösung.
In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ein­ richtung wird das Steuerventil gekühlt gemäß Patentanspruch 2. Dabei ist es vorteilhaft, zugleich auch das Dosierventil zu kühlen, das gemäß Patentanspruch 3 zusammen mit dem Steu­ erventil in einem gemeinsamen Trägergehäuse angeordnet ist. Durch die Möglichkeit der Vorlagerung vor der Austrittsstel­ le des Dosierventils ergibt sich beim Öffnen des Steuerven­ tils ein sich an dem drosselnden Übergang zum abgasführenden Teil des Abgassystems der Brennkraftmaschine stark verwir­ belnder Luftstrom, der das Reduktionsmittel optimal aufbe­ reitet. In vorteilhafter Weise dient als Reduktionsmittel Harnstoff in wäßriger Lösung, der auch ohne die Gefahr ei­ ner Verklebung von Zumeßquerschnitten bei der erfindungsge­ mäßen Lösung verwendet werden kann und einen hohen Grad an Unterstützung für die Reduktion im Reduktionskatalysator bietet.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung und Fig. 2 die Ausgestal­ tung des kombinierten Dosier- und Steuerventils im Detail ohne die zugehörige Kühleinrichtung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Von einer selbstzündenden Dieselbrennkraftmaschine, die mit Direkt- oder mit Indirekteinspritzung arbeiten kann, ist le­ diglich ein Teil des Auspuffsystems dargestellt. Von diesem mündet ein Abgasrohr 1 in einen Reduktionskatalysator 2, der zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases dient und zu diesem Zweck möglichst nahe am Austritt des Abgases aus den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dies ist deshalb wichtig, weil die Abgastemperatur im Abgas von selbstzündenden Brennkraftmaschinen relativ niedrig ist und eine mit zunehmender Entfernung vom Brennraum nach Aus­ tritt abnehmender Temperatur die Arbeitsfähigkeit eines Ka­ talysators senkt. Als Katalysator kann beispielsweise der sog. DENOX-Katalysator, der auf Zeolithbasis aufgebaut ist, Anwendung finden. Diese Katalysatoren haben eine relativ niedrige Betriebstemperatur, bei denen ein Reduktionsvorgang ausgeführt werden kann. Diesem Katalysator nachgeschaltet kann gegebenenfalls auch ein Oxidationskatalysator angewen­ det werden, der dann auch eventuelle unverbrannte Bestand­ teile im Abgas nachverbrennen kann.
Stromaufwärts des Reduktionskatalysators 2 ist in die Wand des Abgasrohres 1 eine Dosiereinrichtung 4 eingesetzt. Diese weist ein Steuerventil 5, ein Dosierventil 6 und eine Kühl­ einrichtung 7 auf. Die Kühleinrichtung ist als ein einen ge­ meinsamen Trägerkörper 8 von Dosierventil 6 und Steuerventil 5 umgebender Kühlmantel 9 ausgeführt, der von dem Kühlwas­ serkreislauf der Brennkraftmaschine entnommenen Kühlwasser durchflossen wird und für eine intensive Kühlung der Dosier­ einrichtung 4 sorgt, die den heißen Abgasen am Abgasrohr 1 ausgesetzt ist.
Das Dosierventil 6 dient der Dosierung von einem Reduktions­ mittel, das im vorliegenden Falle vorzugsweise eine wäßrige Harnstofflösung ist, aus der NH₃ zur Reduktion abgespaltet werden kann. Diese Harnstofflösung wird in einem Harnstoff­ behälter 11 vorgelagert, der über eine Leitung 12 mit dem Dosierventil 6 verbunden ist. Das Dosierventil ist dabei ein elektrisch gesteuertes Ventil und erhält seine Ansteuerung von einem Steuergerät 14 über die Verbindung 15. Das Steuer­ gerät gibt dabei Öffnungssignale an das Dosierventil 6 ab in Abhängigkeit von vorzugsweise in einem Kennfeld gespeicher­ ten Werten als Parameter der Brennkraftmaschine, aus denen die Menge der einzubringenden Harnstofflösung in das Abgas ableitbar ist. Als wesentliche Parameter sind in erster Li­ nie die Menge des in die Brennkraftmaschine eingebrachten Kraftstoffs Qk und die Drehzahl n zu werten, die in einer Abgasmenge pro Zeiteinheit resultieren entsprechend der zur optimalen Umsetzung der NOX-Bestandteile der Harnstoff zuge­ messen wird. Dabei kann anhand von übrigen Parametern, wie zum Beispiel der Abgastemperatur T selbst, auf die NOX-Be­ standteile im Abgas geschlossen werden, die es mit Hilfe der Menge von eingebrachtem Harnstoff bzw. von NH₃ zu reduzieren gilt.
Das Steuerventil 5 dient der Steuerung des Öffnungszeitpunk­ tes und der Zufuhr von Druckluft, die zur Feinverteilung des Harnstoffes in dieser Druckluft dient und dessen Förderung in das Abgas feinverteilt unterstützt. Die Druckluft wird dem Steuerventil über eine Druckluftleitung 16 zugeführt, die mit einem Druckluftbehälter 18, der von einem Kompressor 19 versorgt wird, abführt. In der Druckluftleitung ist zur Steuerung eines gleichmäßigen Druckes ein Druckbegrenzungs­ ventil 20 vorgesehen, das den Druck der dem Steuerventil 5 zugeführten Luft auf 3 bar reduziert. Mit dem Druckluftbe­ hälter 18 ist ferner der freie Luftraum 21 des Harnstoffbe­ hälters 11 verbunden, der als nach Füllung dicht verschließ­ barer Behälter ausgebildet ist. Der Druck in diesem Luftraum wird mit Hilfe eines in der Zuleitung 22 angeordneten Druck­ begrenzungsventils 23 auf 5 bar eingestellt. Mit Hilfe die­ ses Druckes steht eine Druckdifferenz zur Förderung von Harnstoff über das Dosierventil in den Bereich des von der Druckluft beaufschlagten Steuerventils zur Verfügung. Damit wird erreicht, daß einmal bei Öffnen des Dosierventils 6 Harnstoff austreten kann und zum anderen der austretende Harnstoff über die Austrittsöffnung bereits fein zerstäubt werden kann und sich schnell mit der dort bei noch geschlos­ senem Steuerventil vorhandenen Druckluft mischen kann. Bei anschließendem Öffnen des Steuerventils wird dieses Harn­ stoff-Luftgemisch noch weiter aufbereitet durch die an der Austrittsöffnung des Steuerventils hervorgerufenen Turbulen­ zen. In der Verweilzeit innerhalb des Steuerventils strom­ aufwärts der Austrittsöffnung derselben erfährt das Luft- Harnstoffgemisch auch noch eine Temperaturaufbereitung auf­ grund der Basiswärme des Trägerkörpers, die er trotz Kühlung vom Abgassystem her erhält.
Der Fig. 2 ist der Aufbau von Steuerventil und Dosierventil entnehmbar. Wie erwähnt ist ein gemeinsamer Trägerkörper 8 vorgesehen, bei dem in einer Längsbohrung eine Führungshülse 25 angeordnet ist mit einer stirnseitigen, kegelförmig ver­ laufenden Austrittsöffnung 26, die im Bereich ihres kegel­ förmigen Verlaufs einen Ventilsitz für eine Dichtfläche 28 einer Ventilnadel 29 bildet. Diese Dichtfläche befindet sich dabei auf einem Kopf 30, derart, daß die Ventilnadel als nach außen öffnende Ventilnadel ausgestaltet ist. Innerhalb der Führungshülse ist an der Ventilnadel ein dicht in der Führungshülse geführter Führungsschaft 31 und ein zwischen diesem und dem Kopf 30 verjüngter Teil 32 ausgebildet, zwi­ schen dem und der Führungshülse ein Ringraum 33 als Vorla­ gerraum freibleibt. In diesen mündet eine Verbindungsbohrung 34, die im Winkel zur Längsachse der Ventilnadel im Träger­ körper 8 zu dem Dosierventil 6 führt. Sie mündet in einen das austrittsseitige Ende 36 des Dosierventils umgebenden Raum 37, von dem senkrecht zur Längsachse des Dosierventils 6 eine Verbindungsbohrung 38 zu einem Ringraum 39 führt. Dieser umfaßt das jenseits vom Kopf 30 aus der Führungshülse austretende Ende 40 der Ventilnadel 29. An diesem Ende weist die Ventilnadel einen Federteller 42 auf, zwischen dem und dem Gehäuse eine Druckfeder 43 eingespannt ist unter deren Einwirkung die Ventilnadel mit ihrem Kopf 30 in Schließstel­ lung gebracht wird.
Als Dosierventil 6 dient vorzugsweise ein übliches Ein­ spritzventil, wie es zum Beispiel bei einer Niederdruck-Ben­ zineinspritzanlage Verwendung findet, mit entsprechend ange­ paßter Austrittsöffnung, die dieses Ventil geeignet macht, die erforderlichen kleinsten Mengen an Harnstoff in der Zeiteinheit der getakteten Ansteuerung dieses Magnetventils zuzumessen. Die Ventilnadel 29 als Teil des Steuerventils wird von einem Anker 44 über einen Stößel 45, der in dem Trägergehäuse geführt ist, betätigt, wobei der Anker Teil eines an sich bekannten Magneten ist, der hier nicht näher beschrieben werden braucht. Der Ringraum 39 bildet den Drucklufteintrittsraum, der über eine im Trägerkörper 8 ver­ laufende Druckleitung 47 in nicht näher gezeigter Weise mit der Druckluftleitung 16 verbunden ist. Mit dieser Luftzufuhr wird die Ventilnadel gänzlich von Druckluft umfaßt und diese Druckluft umfaßt auch weiterhin das austrittsseitige Ende des Dosierventils 6 unter Aufnahme des an diesem Ende aus­ tretenden Harnstoffs und Weiterförderung desselben in den Ringraum 33.
Im Betrieb wird das Dosierventil 6 über eine vorgegebene Zeit aufgesteuert zur Eingabe von entsprechenden Harnstoff­ mengen in den Vorlagerraum 33 bei sonst noch geschlossener Ventilnadel 29. Im Anschluß daran wird durch die Stellbewe­ gung des Ankers 44 die Ventilnadel aufgestoßen und der vor­ gelagerte Harnstoff zusammen mit der Druckluft am Spalt zwi­ schen Ventilsitz und Dichtfläche hinaus in das Abgas geför­ dert. Die hohe Austrittsgeschwindigkeit an diesem Austritt fördert die weitere Aufbereitung des eingebrachten Harn­ stoffs. Zugleich erfolgt danach eine Spülung auch des Do­ sierventils mit Druckluft, so daß bis zur nächsten Harnstoffeingabe der zuvor zugemessene Harnstoff weitge­ hendst ausgetragen ist und somit die Gefahr eines Verklebens von Dosierventil und Steuerventil vermieden wird. Durch den Luftstrom ergibt sich zudem eine Zwischenkühlung, die anson­ sten hauptsächlich durch den Kühlwassermantel 9 übernommen wird.
Wird eine Einbringung von Reduktionsmittel wegen Stop der zugehörigen Brennkraftmaschine nicht mehr benötigt, so wird vorteilhaft das Steuerventil noch weitere Zeit angesteuert, um eine nachträgliche Erhitzung bis zur beginnenden Tempera­ turabsenkung des Abgassystemes zu vermeiden. Dies gilt auch für die Steuerung des Kühlwasserkreislaufes und der Versor­ gung des Kühlwassermantels.
Vorstehend wurde als Reduktionsmittel vorzugsweise Harnstoff verwendet wegen der zu erwartenden hohen Effizienz bei ge­ ringer Bevorratungsmenge. Statt dessen ist es auch bekannt, als Reduktionsmittel Kraftstoff zu verwenden, der hier an­ stelle von Harnstoff gleichermaßen eingebracht werden kann und wofür die beschriebene Einrichtung ebenfalls sehr gut geeignet ist.

Claims (9)

1. Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer selbst­ zündenden Brennkraftmaschine mit einem Abgassammelsystem (1), in dem ein Reduktionskatalysator (2) zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgase s der Brennkraftmaschine ange­ ordnet ist, mit einer Dosiereinrichtung bestehend aus einem elektrisch gesteuerten Dosierventil (6) zum dosierten Ein­ bringen eines Reduktionsmittels in den Strom des dem Kataly­ sator (2) zugeführten Abgas in Abhängigkeit von in einem Kennfeld gespeicherten Werten des NOx-Gehalts im Abgas bei verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und des Katalysators und aus einer von einem Ventil (5) gesteu­ erten Luftzufuhr aus einer Druckluftquelle (18), mit der die an der Austrittsseite (36) des elektrisch gesteuerten Do­ sierventils (6) austretenden Reduktionsmittelmengen fein mit Luft verteilt dem Abgas zugeführt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventil zur Steuerung der Luftzufuhr ein elektrisch gesteuertes Steuerventil (5) ist, das stromab­ wärts der Austrittsöffnung des Dosierventils (6) angeordnet ist, und dessen Austrittsöffnung (26) unmittelbar in das Ab­ gas der Brennkraftmaschine mündet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (5) von einem diesen aufnehmenden Körper (8) umströmenden Kühlmedium gekühlt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (5) und das Dosierventil (6) in einem ge­ meinsamen Trägerkörper (8) angeordnet sind und das Dosier­ ventil (6) über diesen Trägerkörper (8) ebenfalls von dem Kühlmedium gekühlt wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (5) eine Ventilnadel (29) aufweist, die von einem Anker (44) eines Magneten betätigt wird und in einer Führung (25) dicht geführt wird, die einen Vorlagerraum (33) von einem Drucklufteintrittsraum (39) trennt, und das Do­ sierventil (6) mit seinem Austritt unmittelbar mit dem Vor­ lagerraum (33) verbunden ist und der Drucklufteintrittsraum (39) zugleich mit einem den Austrittsteil (36) des Dosier­ ventils (6) umgebenden Ringraum (37) verbunden ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (29) mit ihrem einen Ende in den Druckluft­ eintrittsraum (39) ragt und dort von einer Feder (43) in Schließrichtung beaufschlagt wird und das Ende des Ankers (44) ebenfalls in den Drucklufteintrittsraum (39) ragt und dort in Anlage mit der Ventilnadel (29) kommt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (29) auf der dem Drucklufteintrittsraum (39) abgewandten Seite eine Dichtfläche (28) aufweist, mit der sie unter Einwirkung der Feder (43) in Anlage an einen Ven­ tilsitz (27) bringbar ist und zwischen Führung (25) und Ven­ tilsitz (27) mit dem Gehäuse (8) als Vorlagerraum einen Ringraum (33) bildet, in den eine Verbindungsbohrung (34) von dem Austrittsteil des Dosierventils (6) her einmündet.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Kühlwasser aus dem Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine dient.
8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Versorgung des Dosierventils ein Vorratsbehälter (11) für Reduktionsmittel vorgesehen ist, der als geschlossener, mit der Druckluftquelle verbun­ dener Behälter ausgeführt ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, das als Reduktionsmittel Harnstoff in wäßriger Lösung dient.
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