WO2007023039A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie verfahren zum betreiben einer abgasnachbehandlungsvorrichtung - Google Patents

Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie verfahren zum betreiben einer abgasnachbehandlungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit Luftüberschuss mit einem Abgassystem (18) in einem Kraftfahrzeug, in dem ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit einer Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels (11) in den Reduktionskatalysator, sowie einem Vorratstank (10) zur Aufbewahrung des Reduktionsmittels (11). Es wird vorgeschlagen, dass der Vorratstank (10) so angeordnet ist, dass er in gezieltem Wärmekontakt mit einem Abgasrohr (12) des Abgassystems (18) steht. Dieser Wärmekontakt kann wahlweise eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung.

Description

Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie einem Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehand- lungsvorrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Zur Verminderung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide hat sich für solche Verbrennungsmotoren, die mit Luftüberschuss betrieben werden, ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion („SCR") als vorteilhaft erwiesen. Bei diesem Verfahren werden Stickoxide zusammen mit Ammoniak in einem selektiven Katalysator zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Das zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide notwendige Reduktionsmit- tel wird anstelle des Ammoniaks in Form einer wässrigen Harnstofflösung in einem Vorratstank im Fahrzeug mitgeführt, aus der das Ammoniak durch Thermolyse und Hydrolyse der Harnstoff lösung in der jeweils zur Umsetzung benötigten Menge freigesetzt werden kann. Die wässrige Harnstofflösung wird durch eine Dosiervorrich- tung in den Reduktionskatalysator eingebracht. Die wässrige Harn- stofflösung hat den Nachteil, dass sie bei Unterschreitung von etwa -110C gefriert. Bei tiefen Temperaturen steht die Harnstofflösung beim Kaltstart somit nicht zur Verfügung, da sie noch gefroren ist.
Bei Nutzfahrzeugen ist es bekannt, den Vorratstank über das sich erwärmende Kühlerwasser aufzutauen. Dies erweist sich bei Personenkraftwagen schwieriger, weil der Vorratstank oft in einer großen Entfernung zum Motor angeordnet ist. Eine möglicherweise denkbare elektrische Tankbeheizung benötigt jedoch eine sehr hohe elektri- sehe Leistung, die beim Fahrzeugstart nicht vorliegt.
Vorteile der Erfindung
Bei einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist ein Vorratstank zur Aufbewahrung von Reduktionsmittel so angeordnet, dass er in gezieltem Wärmekontakt mit einem Abgasrohr eines Abgassystems steht. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung dient dabei zum Nachbehandeln von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit Luftüberschuss und umfasst ein Abgassystem in einem Kraftfahrzeug, in dem ein Reduktionskatalysator, beispielsweise eine wässri- ge Harnstofflösung, zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, sowie eine Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels in den Reduktionskatalysa- tor. Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass bei gefrorenem Reduktionsmittel mit einem geringen Aufwand an elektrischer Leistung ein ausreichender Anteil an Reduktionsmittel aufgetaut wird, so dass nach einer gewissen Zeit eine Eindüsung zur Stickoxidreduzierung beginnen kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Vorratstank wenigstens in seinem bodennahen Bereich auf einem Stabilisierungsträger montiert. Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Vorratstank beispielsweise auf ein Blech gestellt ist, um dem Vorratstank genügend Stabilität zu verleihen. Der Vorratstank selbst ist bevorzugt aus Kunststoff gebildet. Zweckmäßigerweise ist der Stabilisierungsträger aus einem gut wärmeleitfähigen Material gefertigt, wodurch auch ein günstiger Wärmeübergang zwischen dem Abgasrohr und dem Vorratstank erreicht wird.
Der Stabilisierungsträger kann seitlich an der Tankwand hochgeführt sein, so dass es auch an einer Seitenwand des Vorratstanks zu einem Auftauen des gefrorenen Reduktionsmittels kommt. Somit schwimmt der gefrorene Körper in dem aufgetauten wässrigen Re- duktionsmittel und kann je nach Entnahme von wässrigem Reduktionsmittel nach unten absinken. Es bleibt somit über die bereits aufgetaute Flüssigkeit ein steter Kontakt zum Stabilisierungsträger, d.h. der gefrorene Körper kann permanent auftauen, und es bilden sich keine isolierenden Luftpolster.
In einer Weiterbildung sind der Vorratstank und das Abgasrohr über ein gut wärmeleitfähiges Wärmeübertragungselement verbunden. Das Wärmeübertragungselement kann beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet sein. Zum Ausgleich von Relativbewegungen zwischen dem Abgasrohr und dem Vorratstank ist das Verbindungsglied vorzugsweise flexibel ausgebildet, beispielsweise aus einer Metalllitze. Besonders bevorzugt ist das Wärmeübertragungselement aus einem geflochtenen Kupferkabel gebildet. Das Wärmeübertragungselement kann günstigerweise auf einem freien Ende mit dem Abgasrohr verbunden - A -
sein, und auf dem anderen Ende mit dem Vorratstank, vorzugsweise mit dem Stabilisierungsträger. Dadurch wird günstigerweise eine Wärmeübertragung zwischen dem heißen Abgasrohr und dem Vorratstank gefördert. Bevorzugt steht das Wärmeübertragungselement mit einem bodennahen Bereich des Vorratstanks in Verbindung, so dass das sich in dem Vorratstank befindende Reduktionsmittel von unten her auftaut. Zum Absaugen des Reduktionsmittels kann eine Schlauchleitung vorgesehen sein, die so angeordnet ist, dass sie an einem freien Ende auf dem Tankboden zu liegen kommt. Somit kann erreicht werden, dass das sich in dem bodennahen Bereich des Vorratstanks befindende, aufgetaute Reduktionsmittel zuerst absaugbar ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Ab- gasnachbehandlungsvorrichtung wird der Vorratstank bedarfsabhängig über Abwärme des Abgassystems beheizt. Bevorzugt wird dabei die Abwärme eines Abgasrohrs genutzt.
Das Wärmeübertragungselement kann über ein bevorzugtes Verbin- dungsglied an den Stabilisierungsträger angeschlossen sein. Das Verbindungsglied kann abhängig von einem Temperaturunterschied zwischen dem Stabilisierungskörper und dem Wärmeübertragungselement zugeschaltet oder unterbrochen werden, z.B. über ein Bimetall- und/oder ein Dehnstoffelement. Hat der Stabilisierungsträger eine Temperatur über z.B. 1O0C erreicht, so unterbricht das Verbindungsglied die Verbindung zwischen Wärmeübertragungselement und Stabilisierungsträger. Das hat den Vorteil, dass der Vorratstank und das wässrige Reduktionsmittel nicht durch eine permanente Wärmezufuhr, also auch im Sommer, nicht geschädigt werden. Die Wärmezufuhr erfolgt sinnvollerweise nur bei niedrigen Außentemperaturen
Eine erfindungsgemäße Auftaustrategie kann wie folgt ablaufen:
Es kann zunächst vorgesehen sein, dass das in dem Vorratstank eingefrorene Reduktionsmittel über eine Heizung einer Schlauchleitung aufgetaut wird. Mit Hilfe der Schlauchleitung kann das Reduktionsmittel vom Vorratstank zu einer Vorrichtung zum Einbringen des Reduktionsmittels in den Reduktionskatalysator transportiert werden. Die Schlauchleitung ist bevorzugt so angeordnet, dass sie mit einem freien Ende Reduktionsmittel aus einem bodennahen Bereich des Vorratstanks entnimmt. Bevorzugt ist die Schlauchleitung elektrisch beheizbar. Nach dem Start des Kraftfahrzeugs kann die Schlauchlei- tung elektrisch beheizt werden, um einen Auftauvorgang gefrorenen Reduktionsmittels in dem Vorratstank zu initiieren. Die Schlauchleitung kann Wärme nach innen und außen abgeben, so dass das gefrorene Reduktionsmittel in einem Bereich in und um die Schlauchleitung schmelzen kann. Günstigerweise wird die Beheizung durch die Schlauchleitung so ausgelegt, so dass nur wenig elektrische Leistung verbraucht wird. Die Heizung der Schlauchleitung wird vorzugsweise deaktiviert, sobald das Abgassystem eine Auftautemperatur für das Reduktionsmittel erreicht hat. Der weitere Auftauvorgang wird dann über die fahrzeugeigene Abwärme fortgesetzt, so dass vorteilhafterweise eine elektrische Auftauleistung für den Vorratstank reduziert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zudem vermieden werden, dass die weitere Eindüsung des Reduktionsmittels nach einem anfänglichen Auftau- und Absaugvorgang wieder eingestellt werden muss, weil sich nur noch Luft in der Schlauchlei- tung und in einem bodennahen Absaugbereich befindet. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn eine Auftauleistung der elektrisch beheizbaren Schlauchleitung geringer ist als eine Absaugleistung, so dass bei dem ersten Auftauvorgang durch die beheizbare Schlauchleitung nur eine geringe Menge an Reduktionsmittel aufge- taut wird, die relativ schnell nach einer nur kurzen Betriebszeit über die Schlauchleitung abgesaugt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Auftauvorgang vorteilhafterweise beschleunigt, und es ist keine Unterbrechung der Eindüsung mehr erforderlich.
Um die Auftauleistung zu fördern, wird günstigerweise ein Wärmeübertragungselement bereitgestellt, das wie oben beschrieben ausgebildet ist.
Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in Ansprüchen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus nachfolgend anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Im Folgenden zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Vorratstanks einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung; Fig. 2 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung; und Fig. 3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit seitlich hochgezogenem Stabilisierungskörper. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Gleiche Elemente werden in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Vorratstanks 10 dargestellt. Der Vorratstank 10 ist Bestandteil einer Abgasnachbehand- lungsvorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit Luftüberschuss mit einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs, in dem ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Mit Hilfe einer Vorrichtung wird Reduktionsmittel 11 in den Re- duktionskatalysator eingebracht oder eingedüst. Das Reduktionsmittel 11 wird in dem gezeigten Vorratstank 10 aufbewahrt. Problematisch bei dem meist in Form einer wässrigen Harnstofflösung bereitgestellten Reduktionsmittel 11 ist, dass dieses bereits bei Temperaturen um -110C einfriert. Erfindungsgemäß wird ein Auftauvorgang des gefrorenen Reduktionsmittels durch eine spezielle Anordnung des Vorratstanks innerhalb des Kraftfahrzeugs beschleunigt. Insbesondere ist der Vorratstank 10 in der Nähe der heißen Abgasanlage angeordnet.
In seinem bodennahen Bereich 14 ist der Vorratstank 10 auf einem Stabilisierungsträger 15 montiert, der bevorzugt aus Blech gebildet ist. Ein Deckel 19 des Vorratstanks 10 weist eine Öffnung 20 auf zur Aufnahme einer nicht gezeigten Schlauchleitung. In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Der Vorratstank 10 ist so angeordnet, dass er in gezieltem Wärmekontakt mit einem Abgasrohr 12 eines Abgassystems 18 steht. Dabei sind der Vorratstank 10 und das Abgasrohr 12 über ein gut wärmeleitfähiges Wärmeübertragungselement 13 verbunden. Zum Ausgleich von Relativbewegungen zwischen dem Abgasrohr 12 und dem Vorratstank 10 ist das Wärmeübertragungselement 13 flexibel ausgebildet, und zwar aus einer Metalllitze. Insbesondere ist das Wärmeübertragungselement 13 aus einem gefochtenen Kupferkabel gebildet.
Das Wärmeübertragungselement 13 kann über ein Verbindungselement 16 wahlweise mit dem Stabilisierungsträger 15 verbunden oder davon getrennt werden. Diese Verbindungselement 16 unterbricht oberhalb einer vorgegebenen Temperatur des Stabilisierungsträgers 15 den Wärmeübergang zwischen dem Wärmeübertragungselement 13 und dem Stabilisierungsträger 15. Unterhalb einer vorgegebenen Temperatur des Stabilisierungskörpers 15 verbindet das Verbindungselement 16 das Wärmeübertragungselement 13 mit dem Stabi- lisierungskörper 15.
Das Reduktionsmittel 11 wird von dem Vorratstank 10 über eine beheizbare Schlauchleitung 17 in einen nicht gezeigten Reduktionskatalysator eingebracht. Die Schlauchleitung 17 ist insbesondere so innerhalb des Vorratstanks 10 angeordnet, dass sie mit einem freien Ende auf einem bodennahen Bereich 14 des Vorratstanks 10 zu liegen kommt, so dass das Reduktionsmittel 11 aus dem bodennahen Bereich 14 abgesaugt wird. In einem Deckel 19 des Vorratstanks 10 ist eine Öffnung 20 angeordnet zur Aufnahme der Schlauchleitung 17. Bei Temperaturen unter -110C kann es ein, dass sich das Reduktionsmittel 11 in gefrorenem Zustand befindet, so dass das Reduktionsmittel 11 aufgetaut werden muss, bevor es abgesaugt werden kann. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Abgasnachbehandlungsvorrichtung wird der Vorratstank 10 bedarfsabhängig, also in gefrorenem Zustand des Reduktionsmittels 11 , über Abwärme des Abgassystems 18 beheizt. Eine Heizung der Schlauchleitung 17 wird deaktiviert, sobald das Abgassystem 18 eine Auftautemperatur für das Reduktionsmittel 11 erreicht. In einem ersten Auftauvorgang wird zunächst die Schlauchleitung 17 elektrisch beheizt. Entfernt von der Schlauchleitung 17 liegt das Reduktionsmittel 11 als gefrorener Körper 22 vor, während benachbart zur Schlauchleitung 17 das Reduktionsmittel 11 als Flüssigkeit 23 vor- liegt. Dadurch, dass der Vorratstank 10 so angeordnet ist, dass er in gezieltem Wärmekontakt mit einem Abgasrohr 12 des Abgassystems 18 steht, kann der Vorratstank 10 über eine vom Abgasrohr 12 stammende Wärmeleitung beheizt werden, sobald das Abgasrohr 12 heiß ist. Ein Wärmefluss zwischen dem Abgasrohr 12 und dem Vorrats- tank 10 erfolgt in Pfeilrichtung 21. Der Wärmeübergang wird durch die oben geschilderte spezielle Ausgestaltung des Wärmeübertragungselements 13 sowie durch den aus Blech gebildeten Stabilisierungsträger 15 unterstützt.
Sobald das Abgasrohr 12 die zum Auftauen ausreichende Temperatur erreicht, kann die elektrische Heizung der Schlauchleitung 17 ausgeschaltet werden und der Auftauvorgang über fahrzeugeigene Abwärme fortgesetzt werden. Durch eine Kombination der beiden Auftauvorgänge kann somit vorteilhafterweise die elektrische Auftau- leistung für den Vorratstank 10 reduziert werden. Dadurch, dass das Reduktionsmittel 11 über die Schlauchleitung 17 aus einem bodennahen Bereich 14 des Vorratstanks 10 entnommen wird, wird zunächst das sich am Boden befindende aufgetaute Reduktionsmittel 11 abgesaugt. Dadurch, dass der erste Auftauvorgang kontinuierlich über die Abwärme des Abgassystems fortgesetzt wird, ist die Auftauleistung stets höher als die Absaugleistung. Es kann somit verhindert werden, dass Luft in die Schlauchleitung 17 gerät, so dass dadurch verursachte Schädigungen des Systems unterbunden werden.
Der Stabilisierungsträger 15 kann auch seitlich an der Tankwand hochgeführt sein, wie in Fig. 3 gezeigt ist, so dass es auch an der Seitenwand zu einem Auftauen kommt. Somit schwimmt der gefrorene Körper 22 des Reduktionsmittels 11 in der bereits aufgetauten Flüssigkeit 23. Wird Flüssigkeit 23 entnommen, so kann der gefrorene Körper 22 in Richtung Boden folgen, wodurch ein steter Kontakt zum Stabilisierungsträger 15 vorhanden bleibt und sich keine isolierenden Lufthohlräume ausbilden können. Die Schlauchleitung 17 ist hier nicht explizit ausgeführt, entspricht jedoch der in Fig. 2.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit Luftüberschuss mit einem Abgassystem (18) in einem Kraftfahrzeug, in dem ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit einer Vorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels (11 ) in den Reduktionskatalysator, sowie einem Vorratstank (10) zur Aufbewahrung des Reduktionsmittels (11 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratstank (10) so angeordnet ist, dass er in gezieltem Wärmekontakt mit einem Abgasrohr (12) des Abgassystems (18) steht.
2. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratstank (10) und das Abgasrohr (12) über ein gut wärmeleitfähiges Wärmeübertragungselement
(13) verbunden sind.
3. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungselement (13) flexibel ausgebildet ist.
4. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsglied (16) zum Ein- oder Ausschalten des Wärmekontakts zwischen dem Wärmeübertragungselement (13) und dem Vorratstank (10) vorgesehen ist.
5. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertra- gungselement (13) aus einer Metalllitze gebildet ist.
6. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratstank (10) benachbart zu heißen Bereichen einer Abgasan- läge () angeordnet ist.
7. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratstank (10) wenigstens in seinem bodennahen Bereich (14) auf einem Stabilisierungsträger (15) montiert ist.
8. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisierungsträger (15) seitlich an einer Tankwand (24) des Vorratstanks (10) vorgesehen ist.
9. Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit Luftüberschuss mit einem Abgassystem (18), wobei Reduktionsmittel (11 ) aus einem Vorratstank (10) in einen Reduktionskatalysator zur Reduktion von NOx-Bestandteilen des Abgases der Brennkraftmaschine eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratstank (10) bedarfsabhängig über Abwärme des Abgassystems (18) beheizt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizung einer Schlauchleitung (17), mit der das Reduktionsmittel (11 ) vom Vorratstank (10) zu einer Vorrichtung zum Einbringen des Reduktionsmittels (11 ) in den Reduktionskataly- sator transportiert wird, deaktiviert wird, sobald das Abgassystem (18) eine Auftautemperatur für das Reduktionsmittel (11 ) erreicht.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich- net, dass das aufgetaute Reduktionsmittel (11 ) aus einem bodennahen Bereich (14) des Vorratstanks (10) entnommen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmekontakt zwischen dem Vorrats- tank (10) und dem Abgassystem (18) durch ein Verbindungselement (16) temperaturabhängig wahlweise unterbrochen oder hergestellt werden kann.
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