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Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für ein Fahrzeug, welche eine Verdampfungseinrichtung aufweist, die zum Verdampfen einer Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung ausgebildet ist. Die Verdampfungseinrichtung ist einer Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgeschaltet, welche dem Verringern einer Stickoxidkonzentration im Abgas dient.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Verringerung der Stickoxidkonzentration im Abgas in der Abgasanlage einen SCR-Katalysator anzuordnen (SCR = selective catalytic reduction, selektive katalytische Reduktion). In einer solchen Abgasnachbehandlungseinrichtung wird in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion Ammoniak mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.
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Um den Ammoniak bereitzustellen, wird eine Ammoniak-Vorläufersubstanz, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, welche etwa unter dem Markennamen AdBlue® erhältlich ist, in die Abgasanlage eindosiert. Nach dem Eindosieren einer solchen Vorläufersubstanz erfolgt eine physikalische Aufbereitung, nämlich eine Verdampfung, und eine chemische Aufbereitung, welche die Schritte der Thermolyse und der Hydrolyse umfasst und welche die Bildung von Ammoniak bewirkt. In dem Schritt der physikalischen Aufbereitung oder Verdampfung wird die flüssige Reduktionsmittellösung in die Gasphase überführt. Beispielsweise wird flüssiges Adblue® in gasförmiges Adblue® umgesetzt. In der anschließenden Thermolyse entstehen aus dem gasförmigen Adblue® Isocyansäure und Ammoniak. In der Hydrolyse wird die Isocyansäure mit Wasser zu Ammoniak und Kohlendioxid umgesetzt.
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Über alle Teilschritte dieser Aufbereitung betrachtet ist hierbei die Bildung von Ammoniak endotherm. In einer Abgasanlage mit einem SCR-Katalysator wird die für die endotherme Ammoniakbildung notwendige Energie hierbei aus dem Abgas entnommen. Durch die Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung kühlt sich also das Abgas ab, seine Temperatur sinkt.
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Um die Verdampfung und Entstehung von Ammoniak zu unterstützen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, in der Abgasanlage eine Verdampfungseinrichtung vorzusehen. Diese stromabwärts einer Dosiereinrichtung für die Reduktionsmittellösung angeordnete Verdampfungseinrichtung kann auch eine Mischfunktion aufweisen mit dem Ziel, den gebildeten Ammoniak möglichst gleichmäßig über den Querschnitt der Abgasanlage zu verteilen.
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Hierbei ist es bekannt, die wässrige Harnstofflösung möglichst flächig auf die Verdampfungseinrichtung aufzusprühen. Dabei kühlt sich jedoch die Verdampfungseinrichtung ab, wobei je nach eingebrachter Menge an wässriger Harnstofflösung und vorliegendem Abgasmassenstrom eine Abkühlung um bis zu 100°C stattfinden kann. Nicht nur die Verdampfungseinrichtung, sondern auch das Abgas kühlt sich hierbei ab.
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Dies wirkt sich wiederum negativ auf das Umsetzen von Stickoxiden in der nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den SCR-aktiven Komponenten aus. Wenn eine kritische Temperatur von 150°C bis 130°C unterschritten wird, besteht ein großes Risiko, dass die Verdampfung unvollständig abläuft. Zusätzlich oder alternativ können sich Ablagerungen von Harnstoff oder Harnstoff-Folgeprodukten bilden.
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Wenn darüber hinaus die Temperatur des Abgases am SCR-Katalysator unter 170°C absinkt, so kann auch die Konversion der Stickoxide vollständig zusammenbrechen. Des Weiteren können unverdampfte Tröpfchen der Reduktionsmittellösung den SCR-Katalysator thermisch schädigen. Ablagerungen von Harnstoff oder Folgeprodukten können darüber hinaus das Abgasrohr verstopfen und den Prozess der Bildung von Ammoniak behindern.
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Um jedoch den immer strenger werdenden Anforderungen der Abgasgesetzgebung genüge zu tun, besteht der Bedarf, auch schon bei vergleichsweise geringen Temperaturen des SCR-Katalysators bzw. der Abgasanlage die Harnstofflösung in das Abgas einzubringen, um so eine besonders weitgehende Konversion von Stickoxiden zu erreichen. Mit diesem Eindosieren von Adblue® oder einer solchen Reduktionsmittellösung in die Abgasanlage bei niedrigen Temperaturen steigt jedoch das Risiko der Bildung von Ablagerungen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, diesem Effekt entgegenzuwirken, indem die Verdampfungseinrichtung elektrisch beheizt wird. Dies geht jedoch mit einem zusätzlichen Energiebedarf einher. Des Weiteren wird so die Abgasanlage vergleichsweise komplex, und mit dem elektrischen Beheizen der Verdampfungseinrichtung gehen unerwünschte Mehrkosten einher.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Abgasanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, welche auf besonders einfache Art und Weise das Risiko der Bildung von Ablagerungen vermindert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage weist die Verdampfungseinrichtung wenigstens eine zum Katalysieren eines Oxidierens von Ammoniak ausgebildete Substanz auf. Durch eine solche bezüglich Ammoniak oxidationsaktive Substanz kann sich die Verdampfungseinrichtung aufgrund der bei dem Oxidieren des Ammoniaks entstehenden Oxidationswärme selbständig aufheizen. Dabei können verschiedene Oxidationsreaktionen ablaufen: 2NH3 + 5/2O2 → 2NO + 3H2O 2NH3 + 3/2O2 → N2 + 3H2O 2NH3 + 2O2 → N2O + 3H2O
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Diese Oxidationsreaktionen verlaufen exotherm, sodass die Verdampfungseinrichtung durch das Oxidieren des Ammoniaks beheizt wird.
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Des Weiteren können aufgrund der zum Oxidieren von Ammoniak ausgebildeten Substanzen auch im Abgas vorhandene nicht umgesetzte Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid an der Verdampfungseinrichtung umgesetzt werden. Solche oxidierbaren Substanzen können im Abgas vorhanden sein, wenn ein der Verdampfungseinrichtung vorgeschalteter Oxidationskatalysator, insbesondere Diesel-Oxidationskatalysator, die genannten Substanzen nicht vollständig umsetzt. Auch durch das Oxidieren dieser genannten Substanzen wird das Beheizen der Verdampfungseinrichtung unterstützt.
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Die bei der Oxidation des Ammoniaks frei werdende Energie unterstützt zudem direkt die Verdampfung der Reduktionsmittellösung und die nachfolgende Bildung des Ammoniaks. Es wird eine nachteilige Abkühlung der Verdampfungseinrichtung und des Abgases vermieden. Vielmehr wird im Vergleich zu einer nicht mit der katalytisch aktiven Substanz versehenen Verdampfungseinrichtung eine Anhebung der Temperatur erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die wenigstens eine katalytisch aktive Substanz ein Edelmetall. An Edelmetallen kommen hierbei insbesondere diejenigen in Frage, welche auch für den Einsatz in Oxidationskatalysatoren vorgesehen sind. An Edelmetallen können insbesondere Platin und/oder Palladium und/oder Rhodium vorgesehen sein. Diese katalytisch aktiven Substanzen sind für das Katalysieren des Oxidierens von Ammoniak besonders geeignet.
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Bevorzugt ist die Verdampfungseinrichtung zumindest bereichsweise mit der wenigstens einen Substanz beschichtet. Dadurch ist ein besonders guter Kontakt des im Abgas enthaltenen, aus der Reduktionsmittellösung freigesetzten Ammoniaks mit der katalytisch aktiven Substanz sichergestellt. Zudem wird durch das Beschichten der Verdampfungseinrichtung mit der katalytisch aktiven Substanz eine Rauhigkeit der Oberfläche der Verdampfungseinrichtung erhöht. Dies ist einer Verbesserung des Verdampfungsprozesses zuträglich und zwar insbesondere in einem Temperaturbereich, in welchem der Leidenfrost-Effekt auftritt, also der Effekt der auf einem heißen Untergrund springenden oder tanzenden Tröpfchen.
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Da die Reaktionsraten aufgrund der vergleichsweise kleinen reaktiven Oberfläche der Verdampfungseinrichtung vergleichsweise gering sind, ist die Bildung von N2O und NO im Rahmen der oben genannten Oxidationsreaktionen vergleichsweise unkritisch. Dennoch gilt es, durch eine geeignete Wahl der katalytisch aktiven Substanz und der Reaktionsparameter möglichst die Bildung von Stickstoff zu favorisieren.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich daher gezeigt, wenn die Verdampfungseinrichtung wenigstens eine zum katalytischen Umsetzen des Ammoniaks mit Stickoxiden ausgebildete Substanz aufweist. Wenn nämlich die Verdampfungseinrichtung mit einer solchen SCR-aktiven Katalysatorsubstanz versehen ist, wird von den oben genannten Oxidationsreaktionen diejenige begünstigt, welche zur Bildung von Stickstoff führt.
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Insbesondere, wenn die Verdampfungseinrichtung mit der zum katalytischen Umsetzen des Ammoniaks mit Stickoxiden ausgebildeten Substanz versehen ist, finden bereits im Bereich der Verdampfungseinrichtung diejenigen die Stickoxidkonzentration im Abgas verringernden Reduktionsreaktionen in verstärktem Maße statt, welche vorwiegend in der nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung ablaufen.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zum Verbessern oder Unterstützen des Oxidierens von Ammoniak eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Verdampfungseinrichtung beheizt werden kann. Insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung kann hierbei genutzt werden. Da jedoch das Aufheizen der Verdampfungseinrichtung vorwiegend durch das Oxidieren von Ammoniak bewirkt wird, braucht eine solche Heizeinrichtung lediglich in Extremsituationen kurz betätigt zu werden.
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Bevorzugt ist hierbei eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche die Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Abgases ansteuert. Es kann etwa vorgesehen sein, dass die Verdampfungseinrichtung bei besonders tiefen Temperaturen des Abgases von weniger als 150°C kurzzeitig mittels der Heizeinrichtung aufgeheizt wird.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerungseinrichtung einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs derart ansteuern, dass durch motorische Maßnahmen die Abgastemperatur angehoben wird.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt schematisch eine Abgasanlage eines Fahrzeugs, bei welcher ein zum Verdampfen einer wässrigen Harnstofflösung ausgebildeter Verdampfer mit einer ein Oxidieren von Ammoniak katalysierenden Beschichtung versehen ist.
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Eine Abgasanlage 10 eines Fahrzeugs umfasst ein Abgasrohr 12, in welchem ein SCR-Katalysator 14 angeordnet ist. Stromaufwärts des SCR-Katalysators 14 ist eine Dosiereinrichtung 16 vorgesehen, über welche eine Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung in Form einer wässrigen Harnstofflösung 18 in das Abgas eingebracht wird. Zwischen der Dosiereinrichtung 16 und dem SCR-Katalysator 14 ist ein Verdampfer 20 angeordnet, welcher auch dem Durchmischen des Abgases mit der Harnstofflösung 18 bzw. dem aus der Harnstofflösung 18 freigesetzten Ammoniak dient. In dem SCR-Katalysator 14 werden im Abgas enthaltene Stickoxide mit dem Ammoniak in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.
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Die für die Bildung von Ammoniak notwendige Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung 18 umfasst den Schritt der physikalischen Verdampfung und der chemischen Thermolyse und Hydrolyse. In der Summe sind diese Teilschritte der Ammoniakbildung endotherm.
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Um zu verhindern, dass die endotherme Ammoniakbildung zu einer unerwünscht starken Abkühlung des Verdampfers 20 und/oder des Abgases führt, ist eine Oberfläche des Verdampfers 20 mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 22 versehen, welche das Oxidieren von Ammoniak katalysiert. Durch die an der Beschichtung 22 stattfindenden exothermen Oxidationsreaktionen des Ammoniaks wird also der Verdampfer 20 aufgeheizt, ohne dass es einer aufwändigen elektrischen Beheizung des Verdampfers 20 bedarf.
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An der Beschichtung 22, welche beispielsweise die Edelmetalle Platin, Palladium und Rhodium aufweisen kann, werden auch im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide umgesetzt, was zusätzlich zur Beheizung des Verdampfers 20 beiträgt. Solche oxidierbaren Bestandteile können im Abgas vorliegen, wenn ein der Dosiereinrichtung 16 vorgeschalteter (nicht gezeigter) Oxidationskatalysator die genannten Substanzen nicht vollständig umgesetzt hat.
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Bevorzugt Weist die Beschichtung 22 auch SCR-aktive Katalysatorsubstanzen auf, damit bei der Oxidation des Ammoniaks die Bildung von Stickstoff begünstigt wird.
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Durch das Aufheizen des Verdampfers 20 mittels der bezüglich Ammoniak oxidationsaktiven Oberflächenbehandlung wird auf besonders einfache Weise die Bildung von Ablagerungen von Harnstoff oder Harnstoff-Folgeprodukten in der Abgasanlage 10 vermieden. Zudem wird so sichergestellt, dass die Temperatur am SCR-Katalysator 14 nicht unter einen Wert absinkt, bei welchem keine ausreichend hohe Konversion von Stickoxiden mehr gegeben ist.
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So kann auch schon bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen die wässrige Harnstofflösung 18 in das Abgas eingebracht werden, und eine besonders weitgehende Umsetzung von Stickoxiden am SCR-Katalysator 14 ist ebenfalls bereits bei geringen Temperaturen des Abgases möglich.
