DE102010021438A1

DE102010021438A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010021438A1
Application number: DE102010021438A
Authority: DE
Inventors: Alexander Schneider
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: WO2011147556A1; DE102010021438B4

Abstract

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1), insbesondere für einen Dieselmotor, welche von einem Abgasstrom in einer Abgasstromrichtung durchströmbar ist und einen Abgaseinlass (10), ein Reduktionsmittelzugabesystem zur Zugabe von Reduktionsmittel in den Abgasstrom, einen Stickoxid-Reduktionskatalysator (22) und einen Abgasauslass (32) aufweist, wobei das Reduktionsmittelzugabesystem wenigstens zwei Reduktionsmittelzugabevorrichtungen, insbesondere Einspritzdüsen (15), aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Abgasnachbehandlungsvorrichtungen finden beispielsweise bei der Behandlung von Abgasen, die von einem Dieselmotor erzeugt werden, Verwendung. Ein Beispiel für eine derartige Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist aus der DE 10 2008 009 564 A1 bekannt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß der DE 10 2008 009 564 A1 weist eine Einleitvorrichtung, einen Hydrolysekatalysator, sowie einen SCR-Katalysator (Stickoxid-Reduktionskatalysator) auf. Die Einleitvorrichtung ist in ihrem Inneren als Venturidüse zur Einleitung von Harnstoff in den durch sie strömenden Abgasstrom ausgebildet. Der einzuleitende Harnstoff liegt in Form von Harnstoffpellets vor, welche über einen von einem externen Kompressor erzeugten Luftstrom gefördert werden und vor der Einleitung in den Abgasstrom in einem Thermolysereaktor in Ammoniak und Isocyansäure zersetzt werden.
Neben einem komplizierten Aufbau benötigt die Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß der DE 10 2008 009 564 A1 auch eine relativ große Energiemenge, insbesondere da der Thermolysereaktor auf ca. 250° bis 400° aufgeheizt werden muss. Außerdem ist eine Handhabung der Harnstoffpellets beim Nachfüllen der im Fahrzeug befindlichen Vorräte für den Fahrer umständlich.
Aus der EP 1 556 587 B1 ist eine weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtung bekannt, welche einen Abgaseinlass, ein Reduktionsmittelzugabesystem zur Zugabe von Reduktionsmittel in den Abgasstrom, einen Stickoxid-Reduktionskatalysator und einen Abgasauslass aufweist. Der in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung eintretende Abgasstrom gelangt nach Durchlaufen eines Partikelfilters in ein Sammelrohr, in dem druckluftunterstützt eine Harnstoff-Wasser-Lösung eingeblasen wird. Hierzu ist an einem Ende des Sammelrohres in dessen Mitte eine Zuleitung für die Harnstoff-Wasser-Lösung angeordnet, aus der die Lösung in den Abgasstrom eingeblasen wird. Zur Verbesserung der Freisetzung von Ammoniak ist stromabwärts der Zuleitung ein Hydrolysekatalysator angeordnet.
Auch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß der EP 1 556 587 B1 weist einen relativ hohen Energiebedarf auf, da der Hydrolysekatalysator energieintensiv ist. Ferner kann es zu Ablagerungen im Einlassbereich der Harnstoff-Wasser-Lösung kommen, da sich Polymerisate, welche aus der Harnstoff-Wasser-Lösung gebildet werden, wenn diese nicht schnell genug in ihrer Gesamtheit erwärmt wird, anlagern können.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung anzugeben, die energieeffizient wirkt und möglichst wenig Ablagerungen bildet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, insbesondere für einen Dieselmotor, welche von einem Abgasstrom in einer Abgasstromrichtung durchströmbar ist und einen Abgaseinlass, ein Reduktionsmittelzugabesystem zur Zugabe von Reduktionsmittel in den Abgasstrom, einen Stickoxid-Reduktionskatalysator und einen Abgasauslass aufweist, wobei das Reduktionsmittelzugabesystem wenigstens zwei Reduktionsmittelzugabevorrichtungen, insbesondere Einspritzdüsen, aufweist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen in etwa ringkammerförmigen Reduktionsmittelzugabebereich auf, in dem die Zugabe des Reduktionsmittels in den Abgasstrom erfolgt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Reduktionsmittelzugabebereich durch eine in etwa röhrenförmige Abgaszuführvorrichtung und eine hierzu konzentrisch angeordnete, in etwa röhrenförmig ausgebildete Reduktionsmittelzugabebereich-Begrenzungsvorrichtung gebildet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Abgaszuführvorrichtung und/oder die Reduktionsmittelzugabebereich-Begrenzungsvorrichtung eine kreisförmige oder eine elliptische Querschnittsform aufweisen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Abgaszuführvorrichtung und die Reduktionsmittelzugabebereich-Begrenzungsvorrichtung eine identische Querschnittsform aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Reduktionsmittelzugabevorrichtungen an einem stromaufwärtigen Ende des Reduktionsmittelzugabebereichs angeordnet.
Ebenfalls vorgeschlagen wird, dass der Abgaseinlass benachbart zum stromaufwärtigen Ende des Reduktionsmittelzugabebereichs in der Abgaszuführvorrichtung ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die Reduktionsmittelzugabevorrichtungen eine gemeinsame Zuleitung auf.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Reduktionsmittelzugabevorrichtungen einzeln ansteuerbar, d. h. einzeln öffen- und schließbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung im Längsschnitt; und
2 eine Schnittansicht der Ausführungsform gemäß 1 entlang der Linie A-A.
Wie aus den Figuren (insbesondere 1) entnommen werden kann, ist die beschriebene Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 in einem in etwa zylinderförmigen Gehäuse 2 angeordnet, das einen Zylindermantel 3, eine erste Stirnwand 4 und eine zweite Stirnwand 5 aufweist.
In der ersten Stirnwand 4 ist eine erste Aussparung 6 angeordnet, durch welche sich eine Abgaszuführvorrichtung in Form eines Zuführrohres 7 in axialer Richtung in das Gehäuse 2 hinein erstreckt. Das Zuführrohr 7 hat in der beschriebenen Ausführungsform einen in etwa ellipsenförmigen Querschnitt, es ist aber in alternativen Ausführungsformen jegliche andere Querschnittsform, beispielsweise ein kreis-, quadrat- oder rechteckförmiger Querschnitt denkbar.
Durch das Zuführrohr 7, das sich bis zu der zweiten Stirnwand 5 durch das Gehäuse hindurch erstreckt, und mit dieser verbunden (vorzugsweise verschweißt) ist, wird der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 ein von einer (nicht dargestellten) Verbrennungskraftmaschine erzeugter Abgasstrom, der die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 in einer Abgasstromrichtung durchströmt, zugeführt (angedeutet durch Pfeile 8). Hierfür weist das Zuführrohr 7 an einem der zweiten Stirnwand 5 benachbarten stromabwärtigen Ende 9 ellipsenförmige Aussparungen 10 (Abgaseinlass der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1) auf, welche über den gesamten Umfang des Zuführrohres 7 angeordnet sind. Durch die Aussparungen 10 gelangt der Abgasstrom (angedeutet durch Pfeile 11) aus dem Zuführrohr 7 in einen in etwa ringkammerförmigen Reduktionsmittelzugabebereich 12, der einerseits durch das Zuführrohr 7 und andererseits durch eine Reduktionsmittelzugabebereich-Begrenzungsvorrichtung in Form eines Begrenzungsrohres 13, welches konzentrisch zu dem Zuführrohr 7 angeordnet ist, begrenzt ist.
Das Begrenzungsrohr 13 hat dieselbe Querschnittsform wie das Zuführrohr 7 (ellipsenförmig). Es ist aber auch denkbar, dass das Begrenzungsrohr 13 eine andere Querschnittsform, beispielsweise eine kreis-, quadrat- oder rechteckförmige Querschnittsform haben kann. Die Querschnittsform kann dabei derjenigen des Zuführrohres 7 entsprechen oder von dieser verschieden sein, so dass die verschiedensten Querschnitte für den Reduktionsmittelzugabebereich 12 denkbar sind.
Das Begrenzungsrohr 13 erstreckt sich von der ersten Stirnwand 4 des Gehäuses 2 bis zu der zweiten Stirnwand 5 des Gehäuses 2 und ist sowohl mit der ersten Stirnwand 4 als auch mit der zweiten Stirnwand 5 verbunden, vorzugsweise verschweißt. Im Reduktionsmittelzugabebereich 12 ist an der zweiten Stirnseite 5 des Gehäuses 2, d. h. an einem stromaufwärtigen Ende des Reduktionsmittelzugabebereichs 12, ein ringförmiges Element 14 angeordnet, an welchem vier zu einem Reduktionsmittelzugabesystem gehörende Reduktionsmittelzugabevorrichtungen in Form von Einspritzdüsen 15 angeordnet sind, welche dazu vorgesehen sind, eine wässrige Harnstoff-Lösung (HWL, Harnstoff-Wasser-Lösung) in den durch den Reduktionsmittelzugabebereich 12 strömenden Abgasstrom (der Abgasstrom im Reduktionsmittelzugabebereich 12 ist durch Pfeile 16 angedeutet) einzuspritzen. Die Einspritzdüsen 15 sind an dem ringförmigen Element 14 gleichverteilt angeordnet. Alternativ hierzu wäre es denkbar, die Einspritzdüsen nicht gleichverteilt anzuordnen, d. h. Bereiche mit einer erhöhten Anzahl bzw. Dichte von Einspritzdüsen 15 vorzusehen, um somit unter der Brücksichtigung der (jeweils anlagenspezifischen) Strömungsdynamik des Abgasstromes eine optimale Eindüsung bzw. Einspritzung des Reduktonsmittels erreichen zu können.
Die Einspritzdüsen 15 werden durch eine gemeinsame Zuleitung 17 mit der wässrigen Harnstoff-Lösung gespeist und mittels eines Common-Rail-Verfahrens betrieben. D. h., die in der gemeinsamen Zuleitung befindliche wässrige Harnstoff-Lösung steht zu jedem Zeitpunkt, zu dem die Verbrennungskraftmaschine Abgas produziert unter Druck. Die Einspritzdüsen 15 werden über eine (nicht dargestellte) Steuerung beliebig (d. h. nach Bedarf) geöffnet und geschlossen, was eine wunschgemäße Dosierung der wässrigen Harnstoff-Lösung, die dem Abgasstrom zugegeben wird, sicherstellt. Auch die gemeinsame Zuleitung 17 und die Steuerung der Einspritzdüsen 15 sind Bestandteile des Reduktionsmittelzugabesystems.
An einem der ersten Stirnwand 4 benachbarten, stromabwärtigen Ende 18 weist die Reduktionsmittelzugabebereich-Begrenzungsvorrichtung in Form des Begrenzungsrohres 13 ellipsenförmige Aussparungen 19 auf, welche über den gesamten Umfang des Begrenzungsrohres 13 angeordnet sind. Durch die Aussparungen 19 gelangt das Abgas (angedeutet durch Pfeile 20) aus dem Begrenzungsrohr 13 in eine SCR-(Stickoxid-Reduktionskatalysator-)Vorkammer 21, welche stromaufwärts eines SCR-Katalysators 22 angeordnet ist. Die SCR-Vorkammer 21 ist an einem stromaufwärtigen Ende 23 von der ersten Stirnwand 4 und an einem stromabwärtigen, an den SCR-Katalysator 22 grenzenden Ende 24 von einer Trennwand 25 begrenzt, welche vier Aussparungen 26 aufweist, durch welche der mit dem Reduktionsmittel vermischte Abgasstrom (angedeutet durch Pfeile 27) in den SCR-Katalysator 22 eintreten kann.
Stromabwärts des SCR-Katalysators 22 ist eine Auslasskammer 28 ausgebildet, welche an einem stromaufwärtigen Ende 29 von einem SCR-Katalysatoraustritt 30 und an einem stromabwärtigen Ende 31 durch die zweite Stirnwand 5 begrenzt ist. In radialer Richtung sind sowohl die SCR-Vorkammer 21, als auch die Auslasskammer 28 durch das Gehäuse 2, genauer gesagt durch den Zylindermantel 3 des Gehäuses 2 begrenzt. Der Zylindermantel 3 weist einen im Bereich der Auslasskammer angeordneten Abgasauslass in Form einer Aussparung 32 auf, in der ein Auslassrohr 33 angeordnet ist, durch welches der Abgasstrom (angedeutet durch Pfeile 34) die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 verlässt.
In der Folge sei die Funktionsweise der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 erläutert. Ein von der Verbrennungskraftmaschine erzeugter Abgasstrom wird der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 über das Zuführrohr 7 zugeführt. Über die im Zuführrohr 7 angeordneten Aussparungen 10 gelangt der Abgasstrom (angedeutet durch Pfeile 11) aus dem Zuführrohr 7 in den Reduktionsmittelzugabebereich 12, in dem dem Abgasstrom mittels der Einspritzdüsen 15 die wässrige Harnstoff-Lösung als Reduktionsmittel beigemischt wird. Nach dem Durchströmen des Reduktionsmittelzugabebereichs 12 und der SCR-Vorkammer 21 gelangt der Abgasstrom in den SCR-Katalysator 22, in dem eine katalytische Reaktion der im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide mit der wässrigen Harnstoff-Lösung erfolgt. Nach dem Verlassen des SCR-Katalysators 22 verlässt der nachbehandelte Abgasstrom die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 über das in dem Abgasauslass angeordnete Auslassrohr 33.
Durch die Mehrzahl von Einspritzdüsen 15 (es sei an dieser Stelle angemerkt, dass eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 auch zwei, drei oder mehr als vier Einspritzdüsen 15 aufweisen kann) kommt es zu einer besseren Aufbereitung des Abgasstrom-HWL-Gemisches, da das Reduktionsmittel nicht (wie beim Stand der Technik) zentral in einem bestimmten Spraywinkel, sondern in kleineren Mengen an verschiedenen (Einsprüh-)Punkten mittels mehrerer Einspritzdüsen 15, welche korrespondierend zu den jeweiligen (Einsprüh-)Punkten lokalisiert bzw. angeordnet sind, eingebracht wird. Dadurch kann des Reduktionsmittel in Form feiner Tropfen (die Tropfen- bzw. Tröpfchengröße kann im Gegensatz zum Stand der Technik deutlich verringert werden) eingebracht werden. Dementsprechend wird das Reduktionsmittel besser und schneller verdampft. Dies führt dazu, dass einer Bildung von Ablagerungen im Bereich der Eindüsstellen entgegengewirkt wird, da im Vergleich zum Stand der Technik weniger Reduktionsmittel an abgaswärmeren Stellen eingesprüht bzw. eingedüst wird. Die eingesprühte Menge kann ferner an den Bedarf angepasst werden, da es möglich ist, jede Einspritzdüse 15 wunschgemäß zu steuern. Es ist sogar möglich, einzelne Einspritzdüsen 15 zu- oder abzuschalten, um somit für optimale Parameter zu sorgen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
2: Gehäuse
3: Zylindermantel
4: erste Stirnwand
5: zweite Stirnwand
6: Aussparung
7: Zuführrohr
8: Pfeil
9: der zweiten Stirnwand 5 benachbartes Ende des Zuführrohres 7
10: Aussparung
11: Pfeil
12: Reduktionsmittelzugabebereich
13: Begrenzungsrohr
14: ringförmiges Element
15: Einspritzdüse
16: Pfeil
17: Zuleitung
18: der ersten Stirnwand 4 benachbartes Ende des Begrenzungsrohres 13
19: Aussparung
20: Pfeil
21: SCR-Vorkammer
22: SCR-Katalysator
23: stromaufwärtiges Ende der SCR-Vorkammer 21
24: stromabwärtiges Ende der SCR-Vorkammer 21
25: Trennwand
26: Aussparung
27: Pfeil
28: Auslasskammer
29: stromaufwärtiges Ende der Auslasskammer 28
30: SCR-Katalysatoraustritt
31: stromabwärtiges Ende der Auslasskammer 28
32: Aussparung
33: Auslassrohr
34: Pfeil
A: Schnittlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008009564 A1 [0002, 0002, 0003]
EP 1556587 B1 [0004, 0005]

Claims

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1), insbesondere für einen Dieselmotor, welche von einem Abgasstrom in einer Abgasstromrichtung durchströmbar ist und einen Abgaseinlass (10), ein Reduktionsmittelzugabesystem zur Zugabe von Reduktionsmittel in den Abgasstrom, einen Stickoxid-Reduktionskatalysator (22) und einen Abgasauslass (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittelzugabesystem wenigstens zwei Reduktionsmittelzugabevorrichtungen, insbesondere Einspritzdüsen (15), aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) einen in etwa ringkammerförmigen Reduktionsmittelzugabebereich (12) aufweist, in dem die Zugabe des Reduktionsmittels in den Abgasstrom erfolgt.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelzugabebereich (12) durch eine in etwa röhrenförmige Abgaszuführvorrichtung (7) und eine hierzu konzentrisch angeordnete, in etwa röhrenförmig ausgebildete Reduktionsmittelzugabebereich-Begrenzungsvorrichtung (13) gebildet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaszuführvorrichtung (7) und/oder die Reduktionsmittelzugabebereich-Begrenzungsvorrichtung (13) eine kreisförmige oder eine elliptische Querschnittsform aufweisen.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaszuführvorrichtung (7) und die Reduktionsmittelzugabebereich-Begrenzungsvorrichtung (13) eine identische Querschnittsform aufweisen.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelzugabevorrichtungen (15) an einem stromaufwärtigen Ende des Reduktionsmittelzugabebereichs (12) angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaseinlass (10) benachbart zum stromaufwärtigen Ende des Reduktionsmittelzugabebereichs (12) in der Abgaszuführvorrichtung (7) ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelzugabevorrichtungen (15) eine gemeinsame Zuleitung aufweisen.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionsmittelzugabevorrichtungen (15) einzeln ansteuerbar, d. h. einzeln öffen- und schließbar sind.