DE102006023148A1

DE102006023148A1 - Vorrichtung zur Aufbereitung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102006023148A1
Application number: DE102006023148A
Authority: DE
Inventors: Rolf BRÜCK; Marc Brugger; Thomas HÄRIG; Peter Hirth; Ulf Klein
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-22
Also published as: JP2009537725A; TW200744742A; CN101443533A; US20090120078A1; RU2008149238A; EP2018470A1; WO2007131786A1; KR20090027635A

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) zur Aufbereitung von Abgas (2) einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend mindestens eine Zugabeleitung (4) zur Zugabe einer wässrigen Lösung, einen mit der Zugabeleitung (4) verbundenen Hydrolysekatalysator (5) und einen SCR-Katalysator (7), wobei der SCR-Katalysator (7) von Abgas (2) durchströmbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein stabförmiges Heizelement (9) ausgebildet ist, mittels dem mindestens eines der folgenden Bauteile beheizbar ist: a) zumindest Teile der Zugabeleitung (4) und b) der Hydrolysekatalysator (5). Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) erlaubt die Ausbildung einer eine durch ein stabförmiges Element (9) beheizbaren Zugabeleitung (4) und eines entsprechenden Hydrolysekatalysators (5), mit welchem eine wässrige Lösung, umfassend Harnstoff, verdampfbar ist und anschließend zu einem Ammoniak enthaltenden Gasstrom (22) hydrolysierbar ist in kompakter Bauweise. Dieser Gasstrom (22) dient als Reduktionsmittel im SCR-Prozess. Die kompakte Anordnung erlaubt den Einbau auch unter sehr begrenzten Platzverhältnissen. Durch den nicht von Abgas durchströmten Hydrolysekatalysator (5) kann das Volumen des Hydrolysekatalysators (5) entscheidend verringert werden, da hier deutlich kleinere Massenströme an Gas hydrolysiert werden müssen.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei insbesondere die Reduktion des Stickoxidgehalts des Abgases mittels einer selektiven katalytischen Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) im Vordergrund steht. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Bereitstellung von Reduktionsmitteln, die selektiv auf Stickoxide wirken wie insbesondere Ammoniak.
Das Abgas von Verbrennungskraftmaschinen weist Stoffe auf, deren Emission in die Umwelt unerwünscht ist. Beispielsweise dürfen in vielen Ländern Stickoxide (NO_x) nur bis zu einem gewissen Grenzwert im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen enthalten sein. Neben innermotorischen Maßnahmen, mit denen durch Wahl eines möglichst geeigneten Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine die Emission von Stickoxiden vermindert werden kann, haben sich Nachbehandlungsmethoden etabliert, mit denen eine weitere Absenkung der Stickoxidemission möglich ist.
Eine Möglichkeit, die Stickoxidemission weiter zu reduzieren, ist die so genannte selektive katalytische Reduktion. Hierbei erfolgt eine selektive Reduktion der Stickoxide zu molekularem Stickstoff (N₂) unter Einsatz eines Reduktionsmittels. Ein mögliches Reduktionsmittel ist Ammoniak (NH₃). Ammoniak wird dabei oft nicht in Form von Ammoniak gelagert, vielmehr wird ein Ammoniakvorläufer bevorratet, der im Bedarfsfall in Ammoniak umgesetzt wird. Mögliche Ammoniakvorläufer sind beispielsweise Harnstoff ((NH₂)₂CO), Amoniumcarbamat, Isocyansäure (HCNO), Cyanursäure und ähnliches. Insbesondere Harnstoff hat sich als einfach zu bevorraten erwiesen. Bevorzugt wird der Harnstoff in Form einer Harnstoff-Wasserlösung bevorratet. Harnstoff und insbesondere Harnstoff- Wasserlösung ist gesundheitlich unbedenklich, einfach zu verteilen und zu lagern. Unter dem Namen „Ad Blue" wird eine solche Harnstoff-Wasserstofflösung vertrieben.
Aus der DE 199 13 462 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Harnstoff-Wasserlösung stromaufwärts eines Hydrolysekatalysators in einen Teilstrom eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine eindosiert wird. Durch Auftreffen auf den Hydrolysekatalysator erfolgt im Betrieb eine Hydro- und Thermolyse des Harnstoffs zu Ammoniak, der in einem stromabwärts gelegenen SCR-Katalysator als Reduktionsmittel zum Einsatz kommt. Das hier beschriebene Verfahren weist den Nachteil auf, dass der Hydrolysekatalysator durch die Verdampfung der Harnstoff-Wasserlösung abgekühlt wird. Insbesondere dann, wenn große Mengen Ammoniak benötigt werden, kann es so zumindest in Bereichen des Hydrolysekatalysators zu einer so starken Abkühlung kommen, dass hier die Hydrolysereaktion nicht mehr oder nicht mehr vollständig abläuft. Zudem wird nach diesem Stand der Technik der Hydrolysekatalysator von Abgas durchströmt. Hierdurch liegen relativ große Massenströme vor, anhand derer der Hydrolysekatalysator entsprechend groß zu dimensionieren ist. Dies verursacht Kosten und benötigt Bauraum, der gerade bei modernen Automobilen häufig nicht so zur Verfügung steht.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest gelindert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine umfasst mindestens eine Zugabeleitung zur Zugabe einer wässrigen Lösung, einen mit der Zugabeleitung verbundenen Hydrolysekatalysator und einen SCR-Katalysator, wobei der SCR-Katalysator von Abgas durchströmbar ist. Erfindungsgemäß ist mindestens ein stabförmiges Heizelement ausgebildet, mittels dem mindestens eines der folgenden Bauteile beheizbar ist:

a) zumindest Teile der Zugabeleitung und
b) der Hydrolysekatalysator.

Unter einem stabförmigen Heizelement wird insbesondere ein elektrisch beheizbares Element verstanden, bei dem ein Heizleiter in einem entsprechenden Medium eingebetet ist. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Mantelrohr handeln, welches von innen durch den entsprechenden Heizleiter beheizt wird. In diesem Mantelrohr kann bevorzugt eine Heizpatrone wie beispielsweise eine keramische Heizpatrone ausgebildet sein, die ein keramisches Element mit einem in diesen eingebetteten Heizleiter umfasst.
Unter einem Hydrolysekatalysator wird ein durchströmbares Bauteil verstanden, welches eine Hydrolyse eines Reduktionsmittelvorläufers zu einem Reduktionsmittel katalysiert. Insbesondere wird unter einem Hydrolysekatalysator ein Bauteil verstanden, welches eine katalytische Beschichtung umfasst, mittels der die Hydrolyse von Harnstoff zu Ammoniak katalysiert werden kann. Die wässrige Lösung umfasst insbesondere mindestens einen Reduktionsmittelvorläufer eines Reduktionsmittels zum Einsatz im SCR-Verfahren. Unter einem Reduktionsmittelvorläufer wird insbesondere ein Stoff verstanden, welcher das Reduktionsmittel abspalten kann oder in dieses umgewandelt werden kann. Bevorzugt umfasst die wässrige Lösung zumindest Harnstoff. Weitere Inhaltsstoffe in der wässrigen Lösung sind möglich und erfindungsgemäß, insbesondere Stoffe, mittels derer der Gefrierpunkt der wässrigen Lösung herabgesetzt werden kann. Insbesondere handelt es sich hierbei um Ameisensäure und/oder Ammoniumformiat. Die Verbindung zwischen Zugabeleitung und Hydrolysekatalysator ist so ausgebildet, dass im Betrieb vollständig verdampfte Lösung in den Hydrolysekatalysator eintritt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst insbesondere einen SCR-Katalysator, der in der Abgasleitung ausgebildet ist und so von Abgas durchströmbar ist, während Zugabeleitung und Hydrolysekatalysator außerhalb der Abgasleitung ausgebildet sind und nicht von Abgas durchströmt werden. Hierdurch ist es möglich, Hydrolysekatalysatoren auszubilden, deren Volumen im Vergleich zu üblichen, von Abgas durchströmbaren Hydrolysekatalysatoren wesentlich verringert werden kann. So weisen übliche Hydrolysekatalysatoren ein Volumen von mindestens 500 ml und mehr auf, während gemäß der vorliegenden Erfindung der Hydrolysekatalysator weniger als 100 ml Volumen aufweisen kann.
Insbesondere wird die erfindungsgemäße Vorrichtung so betrieben, dass die Zugabeleitung so beheizbar ist, dass in ihr eine Verdampfung der wässrigen Lösung erfolgt. Bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der eine vollständige Verdampfung, d. h. eine Verdampfung von mindestens 90 Gewichts-%, bevorzugt von mindestens 95 Gewichts-% der wässrigen Lösung, besonders bevorzugt von mindesten 98 Gewichts-% der wässrigen Lösung erfolgt. Die Aufheizung erfolgt dabei im Wesentlichen über das stabförmige Heizelement. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise zur Aufbereitung der Abgase von stationären und/oder mobilen Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, insbesondere zur Aufbereitung der Abgase von Kraftfahrzeugen, wie insbesondere Automobilen, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, motorisierten Zweirädern und/oder so genannten All Terrain Vehicles, Wasser- und/oder Luftfahrzeugen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens eines der vorliegenden Bauteile um das stabförmige Heizelement herum ausgebildet:

a) zumindest Teile der Zugabeleitung und
b) der Hydrolysekatalysator.

Hierbei kann die Zugabeleitung insbesondere sich um das stabförmige Heizelement herum windend ausgebildet sein. Bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der die Zugabeleitung im Wesentlichen spiralförmig aufgebaut ist, wobei die Symmetrieachse der Spirale koaxial zur Längsachse des stabförmigen Heizelementes ausgebildet ist. Der Hydrolysekatalysator kann in Form eines Wabenkörpers ausgebildet sein, welcher um das stabförmige Heizelement herum ausgebildet ist, bevorzugt in Form eines ringförmigen Wabenkörpers begrenzt durch ein inneres und ein äußeres Mantelrohr, kann aber auch Kanäle umfassen, die direkt in das Heizelement und/oder in ein das Heizelement umgebendes Mantelrohr eingebracht werden.
Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt einen sehr kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, so dass auch bei Situationen mit nur kleinem Einbauraum wie beispielsweise insbesondere bei Kraftfahrzeugen eine effektive Verdampfung der wässrigen Lösung bei gleichzeitigem sehr kompaktem Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Zugabeleitung mindestens einen Kanal, der zumindest teilweise von einem Mantelrohr des Heizelementes gebildet ist.
Unter einem Mantelrohr wird hier insbesondere eine Hülle verstanden, die außerhalb der oder des elektrischen Heizleiters des stabförmigen Heizelements ausge bildet ist. Das Mantelrohr kann aus metallischem, keramischem, glasförmigem oder einem ähnlichen Material, welches Temperaturen von bevorzugt 400°C und mehr, besonders bevorzugt 600°C und mehr standhalten kann, hergestellt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mindestens eine Kanal in dem Mantelrohr ausgebildet.
Dies bedeutet insbesondere, dass in das Mantelrohr Kanäle eingebracht werden, beispielsweise durch abrasive Herstellungsverfahren und/oder direkt bei der Produktion des entsprechenden Mantelrohres, beispielsweise durch entsprechendes Extrudieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der mindestens eine Kanal innenseitig von dem Mantelrohr des Heizelementes und außenseitig von einer Hülse, die koaxial zum Heizelement ausgebildet ist, begrenzt.
Insbesondere handelt es sich hierbei um einen oder mehrere Kanäle, die im Wesentlichen spiralförmig um das stabförmige Heizelement herum ausgebildet sind und/oder die einen ringspaltförmigen Querschnitt aufweisen, der innenseitig vom Mantelrohr und außenseitig von der Hülse begrenzt wird. Bevorzugt ist auch eine Ausgestaltung, bei der sich der Querschnitt der Zugabeleitung, insbesondere des oder der Kanäle ändert. So kann beispielsweise ein ringspaltförmiger Kanal ausgebildet sein, dessen Durchmesser monoton oder streng monoton längs des stabförmigen Heizelementes steigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist außerhalb des Heizelementes eine Hülse ausgebildet, die zumindest teilweise mit mindestens einem der folgenden Bauteile in thermischem Kontakt steht:

a) zumindest Teilen der Zugabeleitung und
b) dem Hydrolysekatalysator.

So ermöglicht die Hülse, die radial außerhalb des Heizelementes und bevorzugt auch radial außerhalb zumindest von Teilen der Zugabeleitung und/oder des Hydrolysekatalysators, der Zugabeleitung des Hydrolysekatalysators und/oder des mindestens einen Kanals ausgebildet ist, die Einbringung von Wärme von außen. Insbesondere umfasst die Hülse einen weiteren Heizleiter und ist insbesondere als ein oder umfassend ein ringförmiges Heizelement ausgebildet. So kann eine sehr gleichmäßige Verteilung der Wärme um den stabförmigen Heizleiter herum gewährleistet werden, was zu sehr gleichmäßigen Verdampfungs- und/oder Hydrolyseergebnissen führt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Hülse beheizbar.
Hierzu weist die Hülse insbesondere ebenso wie das stabförmige Heizelement elektrische Anschlüsse auf, mittels derer die Hülse und/oder das stabförmige Heizelement mit Strom versorgt werden können. Dies erlaubt die Beheizung der entsprechenden Kanäle sowohl von innen, als auch von außen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der Hydrolysekatalysator einen ringförmigen Wabenkörper, der für ein Fluid durchströmbare Kanäle zwischen einem inneren Mantelrohr und einem äußeren Mantelrohr aufweist.
Hierbei umfasst der Wabenkörper bevorzugt mindestens eine zumindest teilweise strukturierte, insbesondere gewellte, metallische Lage, durch die die Hydrolysekanäle gebildet werden. Die Kanäle weisen eine die Hydrolyse eines Reduktionsmittelvorläufers zu einem Reduktionsmittel katalysierende Beschichtung auf. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der zumindest das innere Mantelrohr des Hydrolysekatalysators in thermischem Kontakt mit dem stabförmigen Heizelement steht, bevorzugt ähnlich mit diesem verbunden und/oder an diesem anliegend ausgebildet ist. Bevorzugt ist ein weiteres Heizelement radial außerhalb des Hydrolysekatalysators ausgebildet, mittels welchem durch das äußere Mantelrohr Wärme in den Hydrolysekatalysator eingetragen werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Hydrolysekatalysator zumindest teilweise von mindestens einem Hydrolysekanal gebildet, der zumindest teilweise von einem Mantelrohr des Heizelementes gebildet wird.
Hierbei kann der mindestens eine Hydrolysekanal ähnlich wie oben beschrieben ein Kanal als Verwirklichung der Zugabeleitung im Mantelrohr des Heizelementes ausgebildet werden oder beispielsweise innenseitig vom Mantelrohr des Heizelementes begrenzt werden. Bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, insbesondere können in diesem Fall die Kanäle bzw. die Zugabeleitung und der bzw. die Hydrolysekanäle ineinander übergehen, insbesondere den selben Kanal umfassen, welcher ggf. eine Änderung des durchströmbaren Querschnitts erfährt und welcher in zumindest einem Teilbereich eine Hydrolysebeschichtung aufweist.
Bevorzugt ist eine Ausbildungsform, bei der der Hydrolysekanal in dem Mantelrohr ausgebildet ist.
Insbesondere wird hierbei in der die Heizleiter des stabförmigen Heizelementes umgebenden Struktur, die hier als Mantelrohr bezeichnet wird, beispielsweise durch abrasive Techniken ein Kanal eingebracht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Hydrolysekanal innenseitig von dem Mantelrohr des Heizelementes und außenseitig von einer Hülse, die koaxial zum Heizelement ausgebildet ist, begrenzt.
Insbesondere ist die außen liegende Hülse ebenfalls beheizbar, so dass ein Wärmeeintrag sowohl von innen als auch von außen in den Hydrolysekanal erfolgt, so dass bei einer möglichst gleichmäßigen Temperierung eine möglichst vollständige Hydrolyse des Reduktionsmittelvorläufers zu Reduktionsmittel erfolgen kann. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Hülse in thermischem Kontakt zum Hydrolysekanal steht.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden, ohne dass sie auf die dort gezeigten Ausführungsbeispiele und Details beschränkt wäre. Es zeigen schematisch:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ein Detail eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt;
3 ein Detail eines ersten Ausführungsbeispiel in einer teilweise explodierten Schnittansicht;
4 ein Detail eines zweiten Ausführungsbeispiels in einer teilweise explodierten Ansicht;
5 ein Detail des zweiten Ausführungsbeispiels in einem Längsschnitt und
6 ein Ausführungsbeispiel eines Hydrolysekatalysators einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Aufbereitung eines Abgases 2 einer nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung 1 umfasst mindestens eine in 2 als ringspaltförmiger Kanal 3 Zugabeleitung 4. In 1 ist die Zugabeleitung 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Zugabeleitung 4 ist mit einem Hydrolysekatalysator 5 verbunden und dient der Zugabe einer wässrigen Lösung zu dem Hydrolysekatalysator 5. Die wässrige Lösung wird in einem Reservoir 6 bevorratet. Die wässrige Lösung umfasst mindestens einen Reduktionsmittelvorläufer, insbesondere Harnstoff. Unter einem Reduktionsmittelvorläufer wird ein Stoff verstanden, aus dem ein Reduktionsmittel abspaltbar ist oder zu welchem es reagieren kann. Das Reduktionsmittel ist zum Einsatz für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden (selective catalytic reduction, SCR) geeignet.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einen SCR-Katalysator 7, welcher vom Abgas 2 durchströmbar ist. Hierzu ist der SCR-Katalysator 7 in der Abgasleitung 8 ausgebildet, während der Hydrolysekatalysator 5 und die Zugabeleitung 4 außerhalb der Abgasleitung 8 ausgebildet sind. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mindestens ein stabförmiges Heizelement 9, mittels dem zumindest Teile der Zugabeleitung 4 und/oder des Hydrolysekatalysators 5 beheizbar sind.
Zugabeleitung 4 und Reservoir 6 sind durch eine Förderleitung 10 miteinander verbunden. Zusätzlich können nicht gezeigte Fördermittel ausgebildet sein, beispielsweise Pumpen, insbesondere Dosierpumpen, mit welchem die wässrige Lösung mindestens eines Reduktionsmittelvorläufers aus dem Reservoir 6 in die Zugabeleitung 4 förderbar ist.
Im Betrieb entsteht in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 durch Verdampfung der wässrigen Lösung in der Zugabeleitung 4 mittels des stabförmigen Heizelementes 9 und anschließende Hydrolyse im Hydrolysekatalysator 5 ein gasförmiges Stoffgemisch, welches mindestens ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden umfasst. Bevorzugt ist dies Ammoniak. Dieses gasförmige Stoffgemisch, welches insbesondere aufgrund der vollständigen Verdampfung der wässrigen Lösung in der Zugabeleitung 4 und anschließende Hydrolyse im Hydrolysekatalysator 5 hergestellt wird, wird in einem Mündungsbereich 11 in die Abgasleitung 8 eingespeist. Hier sind Mittel 12 zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Abgasleitung 8 im Mündungsbereich 11 vorgesehen, die verhindern, dass im Normalbetrieb Abgas 2 aus der Abgasleitung 8 in den Hydrolysekatalysator 5 und/oder die Zugabeleitung 4 gelangen. Die Mittel 12 erzeugen eine Beruhigungs- oder Totzone in der Strömung, die den entsprechenden Unterdruck im Mündungsbereich 11 bewirken.
2 zeigt schematisch im Längsschritt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei ist auf dem stabförmigen Heizelement 9, welches nach außen durch ein eine Mantelfläche 13 aufweisendes Mantelrohr 14 begrenzt ist, ein ringspaltförmiger Kanal 3 als Zugabeleitung 4 ausgebildet. Das Mantelrohr 14 kann hierbei stoffschlüssig mit dem stabförmigen Heizelement 9 verbunden oder Teil desselben sein. Der kreisringförmige Kanal 3 wird also im Inneren durch die Mantelfläche 13 begrenzt. Außerhalb des stabför migen Heizelementes 9 ist eine Hülse 15 ausgebildet. Die Hülse 15 begrenzt folglich den ringspaltförmigen Kanal 3 nach außen. Die Hülse 15 kann beheizbar sein, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung rings um den Kanal 3 erzeugen zu können. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ändert sich der Radius des Ringspaltes über die Länge der Hülse 15 bzw. des stabförmigen Heizelements 9. Hierbei wird beim kleinsten Durchmesser die wässrige Lösung 16 in den Ringspalt eingebracht, in den unterschiedlichen Bereichen des ringspaltförmigen Kanals 3 aufgewärmt, verdampft und überhitzt und verlässt den ringspaltförmigen Kanal 3 als gasförmiges Stoffgemisch 19. Anschließend wird das gasförmige Stoffgemisch 19 dem Hydrolysekatalysator 5 zugeführt, wo eine Hydrolyse des im gasförmigen Stoffgemisch enthaltenen Reduktionsmittelvorläufers zu Reduktionsmittel erfolgt. Das stabförmige Heizelement 9 und die Hülse 15 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel elektrische Anschlüsse 17 auf, mittels derer die Hülse bzw. das stabförmige Heizelement 9 mit einer entsprechenden Stromversorgung verbindbar sind. Hierbei kann der Heizleiter 18 welcher in dem stabförmigen Heizelement und/oder in der Hülse 15 ausgebildet ist, geregelt mit Strom versorgt werden.
3 zeigt dieses erste Ausführungsbeispiel in einer teilweise explodierten perspektivischen Ansicht. Hier sind auch die Heizleiter 18 in der Hülse 15 zu erkennen.
4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel im Detail. Das stabförmige Heizelement 9 ist von einem Mantelrohr 14 umgeben, welches auch einstückig mit dem stabförmigen Heizelement ausgebildet oder stoffschlüssig mit diesem verbunden sein kann. In das Mantelrohr 14 ist ein Kanal 3 eingelassen, welcher im ersten Bereich 20 als Zugabeleitung 4 für die wässrige Lösung 16 dient. Durch das stabförmige Heizelement 9 wird im ersten Bereich 20 die wässrige Lösung verdampft, so dass der zweite Bereich 21 des Kanals 3 von einem gasförmigen Stoffgemisch durchströmt wird. Der zweite Bereich 21 des Kanals 3 ist mit einer die Hydrolyse insbesondere von Harnstoff zu Ammoniak fördernden Beschichtung versehen und dient so als Hydrolysekanal 36 beziehungsweise als Hydrolysekatalysator 5.
Nach der Hydrolyse verlässt ein Dampfstrom 22 den Kanal 3, der Reduktionsmittel insbesondere Ammoniak umfasst. Über das Mantelrohr 14 kann eine Hülse 15 geschoben werden, wie durch den Pfeil 23 angedeutet. Diese Hülse 15 kann beispielsweise selber über entsprechende Heizleiter 18 verfügen, so dass auch die Hülse 15 beheizbar ist, so dass der Kanal 3 sowohl von außen als auch von innen beheizt wird. Alternativ oder kumulativ steht die Hülse 15 nach dem in Kontakt bringen mit dem Mantelrohr 14, welches bevorzugt stoffschlüssig erfolgt, insbesondere durch Verlöten, Verschweißen, Pressen oder ähnliches in thermischem Kontakt mit dem Mantelrohr 14. Dies kann beispielsweise durch die Stegbereiche 24 zwischen den einzelnen Windungen des Kanals 3 erreicht werden. Hierdurch kann bei genügend großer Wärmeleitfähigkeit durch die Stegbereiche 24 eine Beheizung auch durch die Hülse 15 erfolgen, ohne dass hier aktive Heizmittel ausgebildet sind. Die Hülse 15 weist eine Einschnürung 25 auf, die zur Reduzierung der Wärmeleitung in der Hülse 15 zwischen dem ersten Bereich 20 und dem zweiten Bereich 21 dient. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Hülse 15 in den Bereichen 20, 21 jeweils Teil einer eigenen Regelschleife ist, so dass also der Hydrolysekatalysator 5 und die Zugabeleitung 3 getrennt voneinander beheizt werden können. Unabhängig hiervon ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass das stabförmige Heizelement 9 und/oder die Hülse 15 unterschiedliche Heizzonen aufweisen, so dass die Heizleistung variabel gestaltet werden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass bevorzugt in Längsrichtung des stabförmigen Heizelementes 9 und/oder der Hülse 15 Bereiche ausgebildet sein können, die mit unterschiedlicher Heizleistung beaufschlagt werden können. So kann insbesondere den unterschiedlichen Vorgängen gerade bei der vollständigen Verdampfung der wässrigen Lö sung 16 Rechnung getragen werden. Hier finden zunächst eine Aufwärmung der wässrigen Lösung 16, dann eine Verdampfung und dann bevorzugt eine Überhitzung des entstehenden Dampfes statt, wobei jeweils unterschiedliche Wärmeeinträge nötig sind. Dem kann durch unterschiedliche Heizzonen des stabförmigen Heizelementes 9 und/oder der Hülse 15 Rechnung getragen werden. Insbesondere ist hier eine solche Gestaltung des stabförmigen Heizelementes 9 und/oder der Hülse 15 möglich und vorteilhaft, bei der im Betrieb in Abhängigkeit von den Betriebsparametern, insbesondere in Abhängigkeit von der zu verdampfenden Menge wässriger Lösung 16 eine Längenänderung der unterschiedlichen Heizzonen erreicht werden kann.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel im Längsschnitt. Hierbei sind der Übersichtlichkeit halber nur Ausschnitte schematisch gezeigt. Um ein stabförmiges im Wesentlichen um die Längsachse 26 rotationsförmiges Heizelement 9 mit elektrischen Anschlüssen 17 sind verschiedene Elemente ausgebildet. Direkt anschließend an das stabförmige Heizelement 9 ist ein Mantelrohr 14 ausgebildet. In das Mantelrohr 14 ist ein Kanal 3 eingebracht, beispielsweise erodiert, gefräst oder ähnliches. Zwischen den einzelnen Windungen des Kanals 3, welcher im Wesentlichen spiralförmig um die Längsachse 26 ausgebildet ist, sind Stegbereiche 24 vorgesehen. Das Mantelrohr 14 ist mit dem stabförmigen Heizelement 9 verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden, ist in thermischem Kontakt mit diesen und/oder ist in das stabförmige Heizelement 9 integriert. Außerhalb des Mantelrohres 14 ist eine Hülse 15 ausgebildet. Diese Hülse 15 ist ebenfalls mit elektrischen Anschlüssen 17 versehen und kann so zum Beheizen des Kanals 3 von außen dienen. Außerhalb der Hülse 15 ist ein erster thermischer Isolator 27 als dickwandige thermische Isolierung, beispielsweise auch in Form eines Materialblocks ausgebildet. Hierdurch soll die Wärmeabstrahlung nach außen verhindert werden. Weiterhin ist ein zweiter thermischer Isolator 28 ausgebildet, mit welchem insbesondere eine Förderleitung 10, über die der Kanal 3 mit einem Reser voir 6 verbindbar ist thermisch isoliert wird. Erster thermischer Isolator 27 und zweiter thermischer Isolator 28 können einstückig ausgebildet sein. Radial außerhalb des zweiten thermischen Isolators 28 ist ein Peltier-Element 29 ausgebildet. Unter einem Peltier-Element versteht man insbesondere ein elektrisches Bauteil, welches bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt die auf dem so genannten Peltier-Effekt beruht. Vorzugsweise umfasst ein Peltier-Element 29 ein oder mehrere Elemente aus p- und n-dotierten Halbleitermaterial, die abwechselnd über elektrisch leitendes Material miteinander verbunden sind. Das Vorzeichen der Temperaturdifferenz ist abhängig von der Richtung des Stromflusses, so dass sowohl eine Kühlung als auch eine Heizung mit einem Peltier-Element 29 realisierbar ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient das Peltier-Element 29 insbesondere zur Kühlung der Förderleitung 10 und ist folglich über die elektrischen Anschlüsse 17 entsprechend geschaltet. Zweiter thermischer Isolator 28 und Peltier-Element 29 sind bevorzugt ausschließlich im Bereich der Förderleitung 10 und deren Eintritt bzw. deren Verbindungsbereich mit dem Kanal 3 ausgebildet. Der Kanal 3 mündet bevorzugt in einen Hydrolysekanal 36. Hierbei kann der durchströmbare Querschnitt des Kanals 3 dem des Hydrolysekanals 36 entsprechen. Weiterhin kann der Querschnitt des Hydrolysekanals 36 größer sein als der des Kanals 3. Bevorzugt ist auch der mindestens eine Hydrolysekanal 36 ähnlich dem Kanal 3 im Mantelrohr 14 des stabförmigen Heizelements 9 ausgebildet.
6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Hydrolysekatalysators 5. Dieser umfasst einen ringförmigen Wabenkörper 30. Der ringförmige Wabenkörper 30 ist aus mindestens einer zumindest teilweise strukturierten Blechlage 31 aufgebaut, die der Übersichtlichkeit halber nur in einem Teilbereich eingezeichnet sind. Im vorliegenden Beispiel sind zusätzlich im Wesentlichen glatte Blechlagen 32 ausgebildet. Zumindest teilweise strukturierte Blechlagen 31 und im Wesentli chen glatte Blechlagen 32 bilden zusammen durchströmbare Hohlräume 33, die für ein Fluid durchströmbar sind. Die Blechlagen 31, 32 werden an ihrem äußeren Umfang durch ein äußeres Mantelrohr 34 und an ihrem inneren Umfang durch ein inneres Mantelrohr 35 begrenzt. Im Inneren des inneren Mantelrohres 35 wird bevorzugt ein stabförmiges Heizelement 9 ausgebildet. Hierbei kann das innere Mantelrohr 35 dem Mantelrohr 14 des stabförmigen Heizelementes 9 entsprechen oder die Blechlagen 30, 31 können direkt auf dem stabförmigen Heizelement 9 und/oder dem Mantelrohr 14 befestigt werden. Bevorzugt ist das äußere Mantelrohr 34 mit einer entsprechenden Hülse 15 verbunden, über die weiterhin Wärme in den ringförmigen Wabenkörper 30 eingebracht werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erlaubt die Ausbildung einer eine durch ein stabförmiges Element 9 beheizten Zugabeleitung 4 und eines entsprechenden Hydrolysekatalysators 5 mit welchem eine wässrige Lösung umfassend Harnstoff verdampfbar ist und anschließend zu einem Ammoniak enthaltenden Gasstrom 22 hydrolysierbar ist in kompakter Bauweise. Dieser Gasstrom 22 dient als Reduktionsmittel im SCR-Prozess. Die kompakte Anordnung erlaubt den Einbau auch unter sehr begrenzten Platzverhältnissen. Durch den nicht von Abgas durchströmten Hydrolysekatalysator 5 kann das Volumen des Hydrolysekatalysators 5 entscheidend verringert werden, da hier deutlich kleinere Massenströme an Gas hydrolysiert werden müssen.

1: Vorrichtung zur Aufbereitung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine
2: Abgas
3: Kanal
4: Zugabeleitung
5: Hydrolysekatalysator
6: Reservoir
7: SCR-Katalysator
8: Abgasleitung
9: Stabförmiges Heizelement
10: Förderleitung
11: Mündungsbereich
12: Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks
13: Mantelfläche
14: Mantelrohr
15: Hülse
16: Wässrige Lösung
17: Elektrischer Anschluss
18: Heizleitung
19: Gasförmiges Stoffgemisch
20: Erster Bereich
21: Zweiter Bereich
22: Dampfstrom
23: Pfeil
24: Stegbereich
25: Einschnürung
26: Längsachse
27: Erster thermischer Isolator
28: Zweiter thermischer Isolator
29: Peltier-Element
30: Ringförmiger Wabenkörper
31: Zumindest teilweise strukturierte metallische Lage
32: Im Wesentlichen glatte metallische Lage
33: Durchströmbarer Hohlraum
34: Äußeres Mantelrohr
35: Inneres Matelrohr
36: Hydrolysekanal

Claims

Vorrichtung (1) zur Aufbereitung von Abgas (2) einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend mindestens eine Zugabeleitung (4) zur Zugabe einer wässrigen Lösung, einen mit der Zugabeleitung (4) verbundenen Hydrolysekatalysator (5) und einen SCR-Katalysator (7), wobei der SCR-Katalysator (7) von Abgas (2) durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein stabförmiges Heizelement (9) ausgebildet ist, mittels dem mindestens eines der folgenden Bauteile beheizbar ist: a) zumindest Teile der Zugabeleitung (4) und b) der Hydrolysekatalysator (5).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens eines der folgenden Bauteile um das stabförmige Heizelement (9) herum ausgebildet ist: a) zumindest Teile der Zugabeleitung (4) und b) der Hydrolysekatalysator (5).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zugabeleitung (4) mindestens einen Kanal (3) umfasst, der zumindest teilweise von einem Mantelrohr (14) des Heizelementes (9) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der mindestens eine Kanal (3) in dem Mantelrohr (14) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der der mindestens eine Kanal (3) innenseitig von dem Mantelrohr (14) des Heizelementes (9) und außenseitig von einer Hülse (15), die koaxial zum Heizelement (9) ausgebildet ist, begrenzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der außerhalb des Heizelementes (9) eine Hülse (15) ausgebildet ist, die zumindest teilweise mit mindestens einem der folgenden Bauteile in thermischem Kontakt steht: a) zumindest Teile der Zugabeleitung (4) und b) der Hydrolysekatalysator (5).
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Hülse (15) radial außerhalb mindestens eines der folgenden Bauteile ausgebildet ist: a) zumindest von Teilen der Zugabeleitung (4) und b) des Hydrolysekatalysators (5).
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Hülse (15) beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hydrolysekatalysator (5) einen ringförmigen Wabenkörper (30) umfasst, der für ein Fluid durchströmbare Hohlräume (33) zwischen einem inneren Mantelrohr (35) und einem äußeren Mantelrohr (34) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der ringförmige Wabenkörper (30) mit seinem inneren Mantelrohr (35) zumindest teilweise mit dem stabförmigen Heizelement (9) in thermischem Kontakt steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hydrolysekatalysator (5) zumindest teilweise von mindestens einem Hydrolysekanal (36) gebildet wird, der zumindest teilweise von einem Mantelrohr (14) des Heizelementes (9) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der mindestens eine Hydrolysekanal (36) in dem Mantelrohr (14) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der der Hydrolysekanal (36) innenseitig von dem Mantelrohr (14) des Heizelementes (9) und außenseitig von einer Hülse (15), die koaxial zum Heizelement (9) ausgebildet ist, begrenzt wird.