DE4436397A1 - Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen - Google Patents
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Description
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.
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.
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.
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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