DE4436397B4 - Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einem Abgassammelsystem (1), in dem ein Reduktionskatalysator (2) zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit einer Dosiereinrichtung bestehend aus einem elektrisch gesteuerten Dosierventil (6) zum dosierten Einbringen eines Reduktionsmittels in den Strom des dem Katalysator (2) zugeführten Abgases 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 gesteuerten Luftzufuhr aus einer Druckluftquelle (18), mit der die an der Austrittsseite (36) des elektrisch gesteuerten Dosierventils (6) austretenden Reduktionsmittelmengen fein mit Luft verteilt dem Abgas zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zur Steuerung der Luftzufuhr ein elektrisch gesteuertes Steuerventil (5) ist, das stromabwärts der Austrittsöffnung des Dosierventils (6) angeordnet ist, und dessen Austrittsöffnung (26) unmittelbar in das Abgas der Brennkraftmaschine mündet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
  • Selbstzündende Brennkraftmaschinen neigen wegen des hohen Sauerstoffüberschusses, mit dem sie betrieben werden, zu einer hohen NOX-Emission. Dies tritt verstärkt bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen auf, die mit Direkteinspritzung in den Hauptbrennraum arbeiten. Um diese Emission zu senken, steht eine Möglichkeit der nachträglichen NOX-Reduktion mittels 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 auftreten. 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, „Die Verbrennungskraftmaschine, Bd. 7, Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von Pkw-Verbrennungs-Motoren", Seite 115, Springer-Verlag, Wien 1993, vorgeschlagen, Reduktionsmittel in Form von wässriger Harnstofflösung stromaufwärts eines NOX-Reduktionskatalysators in das Abgas einzugeben unter Verwendung eines elektrisch gesteuerten Dosierventils gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Der Eintrag des von dem elektrisch gesteuerten Dosierventil abgegebenen Harnstoffes erfolgt mit Druckluft, die zugleich dazu verwendet wird, den geschlossenen Harnstoffvorratsbehälter auf einen Förderdruck vorzu spannen, damit am elektrisch gesteuerten Dosierventil ein für die Zumessung notwendiges konstantes Druckgefälle auftritt. Dieses Druckgefälle muss zudem die fein verteilte Aufbereitung des Harnstoffes gewährleisten, derart, daß spätestens im Katalysator durch Zerfall der Harnstoffverbindung in Verbindung mit Wärmeeinwirkung das für die gewünschte Reduktion der NOX-Bestandteile im Abgas erforderliche NH3-Gas entsteht. Diese Einrichtung ist hohen Abgastemperaturen ausgesetzt, und es besteht die Gefahr, daß das elektrisch gesteuerte Dosierventil, insbesondere bei intermittierender Betätigung, verklebt. Mit der beim Stand der Technik vorgesehenen Luftumfassung der Austrittsöffnung des elektrisch gesteuerten 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 zwischen Zumessstelle und Eintrittsstelle des zugemessenen Harnstoffs in das Abgas besteht hier die Gefahr, daß sich bereits fein verteilter Harnstoff wieder rekombiniert zu großen Tropfen und daß eine unregelmäßige Zumeßrate auftritt.
  • Aus der DE 42 21 363 A1 ist eine Vorrichtung zum Reinigen eines Abgases bekannt, bei der flüssiger Kohlenwasserstoff unter Verwendung von Druckluft dem Abgastrakt zugeführt wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zuführ von Reduktionsmittel in den Abgastrakt zu verbessern.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Lösung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß mit Hilfe des Steuerventils und des damit gesteuerten Druckluftstromes über die Austrittsöffnung Luft und Reduktionsmittel fein verteilt in das Abgas eingebracht werden, ohne daß sich Tröpfchenteilchen wieder zusammenballen, da eine weitere Aufbereitung von auf Luft fein verteiltem Reduktionsmittel im warmen Abgas erfolgt. Auf diese Weise kann die einzubringende Reduktionsmittelmenge exakt vorgesteuert werden, und es sorgt die zugeführte Druckluft über den Austragvorgang an der Austrittsöffnung des Steuerventils für die gute Aufbereitung der Harnstofflösung.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird das Steuerventil gekühlt gemäß Patentanspruch 2. Dabei ist es vorteilhaft, zugleich auch das Dosierventil zu kühlen, das gemäß Patentanspruch 3 zusammen mit dem Steuerventil in einem gemeinsamen Trägergehäuse bzw. Trägerkörper angeordnet ist. Durch die Möglichkeit der Vorlagerung vor der Austrittsstelle des Dosierventils ergibt sich beim Öffnen des Steuerventils ein sich an dem drosselnden Übergang zum abgasführenden Teil des Abgassystems der Brennkraftmaschine stark verwirbelnder Luftstrom, der das Reduktionsmittel optimal aufbereitet. In vorteilhafter Weise dient als Reduktionsmittel Harnstoff in wässriger Lösung, der auch ohne die Gefahr einer Verklebung von Zumeßquerschnitten bei der erfindungsgemäßen 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 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung und 2 die Ausgestaltung 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 lediglich ein Teil des Auspuffsystems bzw. Abgassammelsystems dargestellt. Von diesem mündet ein Abgasrohr 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 Austritt abnehmender Temperatur die Arbeitsfähigkeit eines Katalysators 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 angewendet werden, der dann auch eventuelle unverbrannte Bestandteile 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 Kühleinrichtung 7 auf. Die Kühleinrichtung ist als ein einen gemeinsamen Trägerkörper 8 von Dosierventil 6 und Steuerventil 5 umgebender Kühlmantel 9 ausgeführt, der von dem Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine entnommenen Kühlwasser durchflossen wird und für eine intensive Kühlung der Dosiereinrichtung 4 sorgt, die den heißen Abgasen am Abgasrohr 1 ausgesetzt ist.
  • Das Dosierventil 6 dient der Dosierung von einem Reduktionsmittel, das im vorliegenden Falle vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung ist, aus der NH3 zur Reduktion abgespaltet werden kann. Diese Harnstofflösung wird in einem Harnstoffbehälter 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 gespeicherten Werten als Parameter der Brennkraftmaschine, aus denen die Menge der einzubringenden Harnstofflösung in das Abgas ableitbar ist. Als wesentliche Parameter sind in erster Linie 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 zugemessen wird. Dabei kann anhand von übrigen Parametern, wie zum Beispiel der Abgastemperatur T selbst, auf die NOX-Bestandteile 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 Öffnungszeitpunktes 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 diese von einer Druckluftquelle 18, insbesondere von einem Druckluftbehälter, der von einem Kompressor 19 versorgt wird, abführt. In der Druckluftleitung ist zur Steuerung eines gleichmäßigen Druckes ein Druckbegrenzungsventil 20 vorgesehen, das den Druck der dem Steuerventil 5 zugeführten Luft auf 3 bar reduziert. Mit der Druckluftquelle 18 ist ferner der freie Luftraum 21 des Vorratsbehälters 11 für das Reduktionmittel verbunden, der als nach Füllung dicht verschließbarer Behälter ausgebildet ist. Der Druck in diesem Luftraum wird mit Hilfe eines in der Zuleitung 22 angeordneten Druckbegrenzungsventils 23 auf 5 bar eingestellt. Mit Hilfe dieses 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 geschlossenem Steuerventil vorhandenen Druckluft mischen kann. Bei anschließendem Öffnen des Steuerventils wird dieses Harnstoff-Luftgemisch noch weiter aufbereitet durch die an der Austrittsöffnung des Steuerventils hervorgerufenen Turbulenzen. In der Verweilzeit innerhalb des Steuerventils stromaufwärts der Austrittsöffnung derselben erfährt das Luft-Harnstoffgemisch auch noch eine Temperaturaufbereitung aufgrund der Basiswärme des Trägerkörpers, die er trotz Kühlung vom Abgassystem her erhält.
  • Der 2 ist der Aufbau von Steuerventil und Dosierventil entnehmbar. Wie erwähnt ist ein gemeinsamer Trägerkörper 8 vorgesehen, bei dem in einer Längsbohrung eine Führung 25 in Form einer Führungshülse angeordnet ist mit einer stirnseitigen, kegelförmig verlaufenden Austrittsöffnung 26, die im Bereich ihres kegelförmigen 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, zwischen dem und der Führungshülse ein Ringraum 33 als Vorlagerraum freibleibt. In diesen mündet eine Verbindungsbohrung 34, die im Winkel zur Längsachse der Ventilnadel im Trägerkörper 8 zu dem Dosierventil 6 führt. Sie mündet in einen das austrittsseitige Ende bzw. die Austrittsseite 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 Schließstellung gebracht wird.
  • Als Dosierventil 6 dient vorzugsweise ein übliches Einspritzventil, wie es zum Beispiel bei einer Niederdruck-Benzineinspritzanlage Verwendung findet, mit entsprechend angepaßter 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 verlaufende 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 austretenden Harnstoffs und Weiterförderung desselben in den Ringraum 33.
  • Im Betrieb wird das Dosierventil 6 über eine vorgegebene Zeit aufgesteuert zur Eingabe von entsprechenden Harnstoffmengen in den Vorlagerraum 33 bei sonst noch geschlossener Ventilnadel 29. Im Anschluß daran wird durch die Stellbewegung des Ankers 44 die Ventilnadel aufgestoßen und der vorgelagerte Harnstoff zusammen mit d r Druckluft am Spalt zwischen Ventilsitz (27) und Dichtfläche (28) hinaus in das Abgas gefördert. Die hohe Austrittsgeschwindigkeit an diesem Austritt fördert die weitere Aufbereitung des eingebrachten Harnstoffs. Zugleich erfolgt danach eine Spülung auch des Dosierventils mit Druckluft, so daß bis zur nächsten Harnstoffeingabe der zuvor zugemessene Harnstoff weitgehendst 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 Temperaturabsenkung des Abgassystemes zu vermeiden. Dies gilt auch für die Steuerung des Kühlwasserkreislaufes und der Versorgung des Kühlwassermantels.
  • Vorstehend wurde als Reduktionsmittel vorzugsweise Harnstoff verwendet wegen der zu erwartenden hohen Effizienz bei geringer Bevorratungsmenge. Stattdessen ist es auch bekannt, als Reduktionsmittel Kraftstoff zu verwenden, der hier anstelle 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 selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einem Abgassammelsystem (1), in dem ein Reduktionskatalysator (2) zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit einer Dosiereinrichtung bestehend aus einem elektrisch gesteuerten Dosierventil (6) zum dosierten Einbringen eines Reduktionsmittels in den Strom des dem Katalysator (2) zugeführten Abgases 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 gesteuerten Luftzufuhr aus einer Druckluftquelle (18), mit der die an der Austrittsseite (36) des elektrisch gesteuerten Dosierventils (6) austretenden Reduktionsmittelmengen fein mit Luft verteilt dem Abgas zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zur Steuerung der Luftzufuhr ein elektrisch gesteuertes Steuerventil (5) ist, das stromabwärts der Austrittsöffnung des Dosierventils (6) angeordnet ist, und dessen Austrittsöffnung (26) unmittelbar in das Abgas der Brennkraftmaschine mündet.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (5) von einem Körper (8) aufgenommen wird, der von einem Kühlmedium umströmbar ist, so daß das Steuerventil gekühlt werden kann.
  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 Dosierventil (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 Dosierventil (6) mit seinem Austritt unmittelbar mit dem Vorlagerraum (33) verbunden ist und der Drucklufteintrittsraum (39) zugleich mit einem die Austrittsseite (36) des Dosierventils (6) umgebenden Ringraum (37) verbunden ist.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (29) mit ihrem einen Ende in den Drucklufteintrittsraum (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 Ventilsitz (27) bringbar ist und zwischen Führung (25) und Ventilsitz (27) mit dem Trägerkörper (8) als Vorlagerraum einen Ringraum (33) bildet, in den eine Verbindungsbohrung (34) von der Austrittsseite 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, dadurch gekennzeichnet, daß zur Versorgung des Dosierventils (6) ein Vorratsbehälter (11) für Reduktionsmittel vorgesehen ist, der als geschlossener, mit der Druckluftquelle (18) verbundener Behälter ausgeführt ist.
  9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das als Reduktionsmittel Harnstoff in wässriger Lösung dient.
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