DE102014221322A1 - Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage (16) einer Brennkraftmaschine (12) beschrieben, welche in Kraftfahrzeugen (10) zu Einsatz gelangen kann. Die Abgasbehandlungseinrichtung umfasst ein Dosierelement (20) zum Einbringen eines Reduktionsmittels für Stickoxide in die Abgasanlage (16), einen stromab des Dosierelements (20) in der Abgasanlage (16) angeordneten SCR-Katalysator (24) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxide, ein passives Mischelement (22), welches in direkter fluidischer Verbindung stromauf des SCR-Katalysators (24) angeordnet ist, und einen in direkter fluidischer Verbindung stromab des SCR-Katalysators (24) in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilter (26) mit oxidationskatalytisch aktiver Beschichtung.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Abgasbehandlungseinrichtung.
- Bei der chemischen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in einer Brennkraftmaschine können unerwünschte Verbrennungsprodukte entstehen. Damit diese nicht vollständig in die Umwelt gelangen, wird das Abgas der Brennkraftmaschine durch eine Abgasbehandlungseinrichtung geleitet, in welcher unerwünschte Verbrennungsprodukte wenigstens teilweise mit Hilfe von katalytisch wirkenden Substanzen zu anderen chemischen Produkten reagieren. Beispielsweise kann das stickoxid- und rußhaltige Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, mit beigefügtem Reduktionsmittel und einem Stickoxidreduktionskatalysator nebst einem Partikelfilter derart gereinigt werden, dass gesetzliche Abgasnormen, welche eine Höchstkonzentration von unerwünschten Verbrennungsprodukten definieren, eingehalten werden. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass die gesetzlich normierten Höchstkonzentrationen weiter abgesenkt werden, wobei gleichzeitig der durch den Komponenten der Abgasbehandlungseinrichtung bewirkte Abgasgegendruck möglichst gering ausfallen soll, um auch den Verbrauch zu minimieren. Daher besteht fortlaufend Handlungsbedarf für technische Verbesserungen.
- Aus dem Dokument
EP 2 138 681 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Dieselabgasen eines Motors mit Turbolader bekannt. Die Vorrichtung enthält in Strömungsrichtung des Abgases eine Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel (Ammoniak oder eine Ammoniak freisetzende Verbindung), einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator), einen Oxidationskatalysator und einen Dieselpartikelfilter. In einer Ausführungsform weist der Dieselpartikelfilter eine oxidationskatalytisch aktive Beschichtung auf. Das Reduktionsmittel passiert die Turbine des Turboladers, so dass zum einen eine Hydrolyse des Reduktionsmittels und zum anderen eine nahezu vollständige Homogenisierung von Reduktionsmittel und Abgas erfolgt. - Das Dokument
DE 10 2009 014 361 A1 betrifft eine Abgasbehandlungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasbehandlungseinrichtung einen SCR-Katalysator zum Reduzieren von Stickoxiden im Abgas umfasst. Mittels einer Dosiereinrichtung wird ein Reduktionsmittel stromaufwärts einer Turbine in das Abgas eingebracht, so dass die Turbine für ein effizientes Vermischen des Reduktionsmittels mit Abgas sorgt. Stromaufwärts der Einleitstelle ist ein Oxidationskatalysator angeordnet. Vor der Turbine kann zusätzlich ein Mischelement angeordnet sein. - Im Dokument
US 2011/0020201 A1 - Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasbehandlungseinrichtung mit einer selektiv katalytischer Reduktion stromaufwärts einer Oxidation von unerwünschten Verbrennungsprodukten in einem einfachen Aufbau zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
- Eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine umfasst ein Dosierelement zum Einbringen eines Reduktionsmittels für Stickoxide in die Abgasanlage, einen stromab des Dosierelements in der Abgasanlage angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und einen in direkter fluidischer Verbindung stromab des SCR-Katalysators in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilter mit oxidationskatalytisch aktiver Beschichtung. In direkter fluidischer Verbindung stromauf des SCR-Katalysators ist ein passives Mischelement angeordnet.
- Auf die erfindungsgemäße Weise, ein passives Mischelement einzusetzen, wird vorteilhaft erreicht, dass der Abgasgegendruck nur tolerierbar geringfügig, bevorzugt nicht erhöht wird.
- Die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden kann mittels einer katalytisch aktive Oberfläche zur Reduktion von Stickstoffoxiden (NOx) im Gasstrom zu Stickstoff (N2) des SCR-Katalysators erfolgen. Das Reduktionsmittel kann beispielweise Ammoniak (NH3), Harnstoff oder ein Ammoniakvorläufer sein. Das Reduktionsmittel kann in einer wässrigen Lösung vorliegen.
- Unter dem Begriff „in direkter fluidischer Verbindung“ wird verstanden, dass zwischen den zwei in fluidscher Verbindung stehenden Abgasbehandlungskomponenten keine weiteren Abgasbehandlungskomponenten, insbesondere katalytisch aktiven Abgasbehandlungskomponenten, in der fluidischen Verbindung in der Abgasanlage angeordnet sind. Eine direkte fluidische Verbindung kann auch als eine unmittelbare fluidische Verbindung bezeichnet werden. Kurz wird auch von direkt stromab/stromabwärts und von direkt stromauf/stromaufwärts gesprochen.
- Der SCR-Katalysator kann in Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung eine oder mehrere unbeschichtete Gaslaufstrecken aufweisen. Insbesondere in seinem Eingangsbereich für das Abgas kann der SCR-Katalysator eine zur katalytischen Hydrolyse des Reduktionsmittels aktive Beschichtung aufweisen. Es kann wenigstens teilweise im SCR-Katalysator auch unbeschichtete oder nicht katalytisch aktiv beschichtete Bereiche geben.
- In bevorzugter Ausführungsform ist das passive Mischelement der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung in direkter fluidischer Verbindung stromab des Dosierelements angeordnet. Diese Maßnahme trägt zu einer kompakten Bauweise der Abgasbehandlungseinrichtung bei.
- In einer Gruppe von Ausführungsformen gelangt die erfindungsgemäße Abgasbehandlungseinrichtung in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine zum Einsatz, welche wenigstens eine Turbine, insbesondere genau eine Turbine, in der Abgasanlage aufweist. In diesen Ausführungsformen ist das Dosierelement stromab der genau einen Turbine oder aller Turbinen in der Abgasanlage angeordnet. Insbesondere kann bevorzugt das Dosierelement in direkter fluidischer Verbindung stromab der genau einen Turbine oder aller Turbinen in der Abgasanlage angeordnet sein. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Abgasbehandlungseinrichtung ist in einem Abschnitt der Abgasanlage angeordnet, in welcher ein niedrigerer Druck als der Druck des in dem unmittelbar stromab der Brennkammern liegenden Abschnitts herrscht. Damit wird ein Abgasgegendruck hervorrufender Einfluss im Abschnitt mit hohem Druck vermieden.
- Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung besteht darin, dass der Partikelfilter mit oxidationskatalytisch aktiver Beschichtung zusätzlich eine weitere katalytisch aktive Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist. Dadurch weist der Partikelfilter zusätzlich eine Sperrfunktion zur Verhinderung des Austritts von Reduktionsmittel aus der Abgasanlage auf.
- In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die Abgasbehandlungseinrichtung motornah angeordnet. Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit dem Begriff „motornah/brennkraftmaschinennah“ ein Abstand zwischen Zylinderauslass des Verbrennungsmotors und Stirnfläche der Abgasbehandlungsanlage von höchstens 120 cm, insbesondere höchstens 100 cm, vorzugsweise höchstens 80 cm verstanden. In einer konkreten Ausführung beträgt der Abstand etwa 75 cm. Eine motornahe Anordnung bedeutet insbesondere, dass die Abgasanlage im Motorraum und/oder aufgenommen an der Brennkraftmaschine („closed-coupled“) angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Abwärme der Brennkraftmaschine genutzt werden, um die Arbeitstemperaturen der Katalysatoren in der Abgasbehandlungsanlage zu erreichen.
- Des Weiteren oder alternativ zu den vorhergehend beschriebenen Merkmalen können in der Abgasbehandlungseinrichtung Strömungsrichtungen mit voneinander verschiedenen Orientierungen vorhanden sein: In der Abgasbehandlungseinrichtung können eine erste Strömungsrichtung durch den SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und eine zweite Strömungsrichtung durch den in direkter fluidischer Verbindung stromab des SCR-Katalysators angeordneten Partikelfilter voneinander verschiedene Orientierungen aufweisen. Insbesondere können die Orientierungen im Wesentlichen antiparallel oder entgegengesetzt zueinander sein. Diese Maßnahme stellt einen weiteren Beitrag zu einer kompakten Bauweise der Abgasbehandlungseinrichtung dar.
- Darüber hinaus können in Weiterentwicklungen der Abgasbehandlungseinrichtung stromab des Partikelfilters eine oder mehrere weitere Abgasbehandlungskomponenten angeordnet sein. Konkret können die eine oder mehreren weiteren Abgasbehandlungskomponenten ein oder mehrere Elemente aus der nachfolgenden Gruppe sein: SCR-Katalysator (SCR), Dosierelement, Oxidationskatalysator (OC), Partikelfilter (PF), Teiloxidationskatalysator (CPO), Ammoniak-Oxidationskatalysator (AMOX). Diese zusätzlichen Komponenten unterstützen die chemischen Umsetzung der unerwünschten chemischen Verbrennungsprodukte. Eine Nachordnung der weiteren Abgaskomponenten stromab des SCR-Katalysators und des Partikelfilters hat unter anderem den Vorteil, dass der SCR-Katalysator möglichst nah an den Brennkammern der Brennkraftmaschine angeordnet ist („erste katalytische Komponente“), so dass die thermische Energie des Abgases den SCR-Katalysator schnellstmöglich aufheizen und auf Arbeitstemperatur bringen kann.
- Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich durch eine Abgasbehandlungseinrichtung, insbesondere motornah/brennkraftmaschinennah angeordnete Abgasbehandlungseinrichtung, mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung aus, wobei die Brennkraftmaschine selbstzündend ist. Vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine können mittels einer oder mehrerer Ladevorrichtungen, zum Beispiel eines Abgasturboladers oder eines elektrisch angetriebenen Laders, aufgeladen werden beziehungsweise aufladbar sein und/oder eine oder mehrere Abgasrückführungen, beispielsweise eine Niederdruckabgasrückführung oder eine Hochdruckabgasrückführung, haben. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann Teil einer Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs sein oder die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs darstellen.
- Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungseinrichtung mit einem oder mehreren Merkmalen gemäß dieser Darstellung. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein gleisloses Landkraftfahrzeug, bevorzugt ein Radkraftfahrzeug, zum Beispiel ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
-
1 eine Topologie einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, und -
2 eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der1 in motornaher Anordnung. - Die
1 zeigt eine Topologie einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage16 einer Brennkraftmaschine12 in einem Kraftfahrzeug10 . Die Brennkraftmaschine12 ist bevorzugt selbstzündend und/oder arbeitet nach einem Diesel-Brennverfahren. Sie weist in dieser bevorzugten Ausführungsform einen Motor14 auf, welcher aufladbar ist. Derartige Ausführungsformen können auch wenigstens eine Abgasrückführung aufweisen. Die Abgasanlage16 ist dem Motor14 der Brennkraftmaschine12 nachgeordnet: In die Abgasanlage16 gelangt das Abgas des Motors14 . In seiner Strömungsrichtung passiert das Abgas zunächst eine Turbine18 einer Aufladegruppe des Motors14 . Mit anderen Worten, die Brennkraftmaschine12 umfasst einen Turbolader, insbesondere konkret in dieser Ausführungsform genau einen Turbolader. Die Turbine18 treibt einen nicht in der1 dargestellten Verdichter zum Komprimieren des dem Motor14 zugeführten Frischgases, welches gegebenenfalls auch anteilig mit rückgeführtem Abgas durchmischt sein kann oder durchmischt werden wird, bevor es eine Brennkammer des Motors14 erreicht. Darüber hinaus können ein oder mehrere weitere Verdichter vorhanden sein. Der oder die weiteren Verdichter sind bevorzugt elektrisch angetrieben. - In direkter fluidischer Verbindung stromab (direkt stromab) der Turbine
18 weist die Abgasanlage ein Dosierelement20 zum Einbringen eines Reduktionsmittels für Stickoxide in die Abgasanlage16 auf. Damit sich das in das Abgas eingebrachte Reduktionsmittel möglichst homogen mit dem Abgas vermischt, ist erfindungsgemäß direkt stromab des Dosierelements20 ein passives Mischelement22 angeordnet. Geeignete passive Mischelemente sind beispielsweise im vorangemeldeten DokumentDE 10 2014 201 586.3 und den darin zitieren Dokumenten beschrieben. Der gesamte Offenbarungsgehalt des DokumentsDE 10 2014 201 586.3 wird hiermit durch Bezugnahme in diese Darstellung einbezogen. - Direkt stromab des passiven Mischelements
22 befindet sich erfindungsgemäß in der Abgasanlage16 ein SCR-Katalysator24 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Dem SCR-Katalysator24 direkt stromab nachgeordnet ist ein Partikelfilter26 mit oxidationskatalytisch aktiver Beschichtung. Schließlich umfasst die Abgasreinigungseinrichtung direkt stromab des Partikelfilters26 in der Abgasanlage16 eine weitere Abgasbehandlungskomponente28 : In konkreter Ausführung ist diese ein weiterer SCR-Katalysator und/oder ein Ammoniakoxidationskatalysator (Sperrkatalysator). Auf diese Weise wird vorteilhaft eine olfaktorische Beeinträchtigung durch austretendes Ammoniak verhindert. - In der
2 ist schematisch die bevorzugte Ausführungsform der1 in einer motornahen Anordnung dargestellt. Gleiche Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die unter Bezugnahme auf die1 beschriebene Topologie ist in dieser Anordnung dahingehend geometrisch umgesetzt, dass die Abgasanlage16 eine Umlenkung zwischen dem SCR-Katalysator24 und dem Partikelfilter26 aufweist. Im Abschnitt der Umlenkung weist die Abgasanlage16 keine Komponenten der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungseinrichtung auf. Es handelt sich um eine 180-Grad-Umlenkung. Anders gesagt, zunächst durchströmt das Abgas die Abgasanlage16 in einer ersten Strömungsrichtung und passiert die Turbine18 , das Dosierelement20 und das passiven Mischelement24 . Nach der Umlenkung passiert das Abgas den Partikelfilter26 in einer zweiten Strömungsrichtung. Im Fall eines Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung zweigt stromab vom Partikelfilter eine (Niederdruck-)Abgasrückführung ab. - Die erste und die zweite Strömungsrichtung sind im wesentlichen antiparallel zueinander orientiert. Auf diese Weise wird eine kompakte motornahe Anordnung der Abgasbehandlungseinrichtung der Abgasanlage erreicht, wobei gleichzeitig möglichst geringer Abgasgegendruck in der Abgasanlage herrscht. Die schematisch dargestellte Anordnung ist an der Abgasseite des Motors der Brennkraftmaschine aufgenommen.
- Eine derartige motornahe Anordnung wird beispielsweise in den Dokumenten
EP 2 305 991 B1 undWO 2013/026533 A2 EP 2 305 991 B1 undWO 2013/026533 A2 - Weitere Abgasbehandlungskomponenten, insbesondere ein Sperrkatalysator, sind in dieser Ausführungsform motorfern, konkret am Unterboden des Kraftfahrzeugs angeordnet.
- Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Brennkraftmaschine
- 14
- Motor
- 16
- Abgasanlage
- 18
- Turbine
- 20
- Dosierelement
- 22
- passives Mischelement
- 24
- SCR-Katalysator
- 26
- Partikelfilter mit oxidationskatalytisch aktiver Beschichtung
- 28
- weitere Abgasbehandlungskomponenten
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2138681 A1 [0003]
- DE 102009014361 A1 [0004]
- US 2011/0020201 A1 [0005]
- DE 102014201586 [0025, 0025]
- EP 2305991 B1 [0029, 0029]
- WO 2013/026533 A2 [0029, 0029]
Claims (10)
- Abgasbehandlungseinrichtung für eine Abgasanlage (
16 ) einer Brennkraftmaschine (12 ), mit einem Dosierelement (20 ) zum Einbringen eines Reduktionsmittels für Stickoxide in die Abgasanlage (16 ), einem stromab des Dosierelements (20 ) in der Abgasanlage (16 ) angeordneten SCR-Katalysator (24 ) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und einem in direkter fluidischer Verbindung stromab des SCR-Katalysators (24 ) in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilter (26 ) mit oxidationskatalytisch aktiver Beschichtung, gekennzeichnet durch ein passives Mischelement (22 ), welches in direkter fluidischer Verbindung stromauf des SCR-Katalysators (24 ) angeordnet ist. - Abgasbehandlungseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Mischelement (
22 ) in direkter fluidischer Verbindung stromab des Dosierelements (20 ) angeordnet ist. - Abgasbehandlungseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennkraftmaschine (
12 ) wenigstens eine Turbine (18 ) in der Abgasanlage (16 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierelement (20 ) stromab der genau einen Turbine (18 ) oder aller Turbinen (18 ) in der Abgasanlage (16 ) angeordnet ist. - Abgasbehandlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (
26 ) mit oxidationskatalytisch aktiver Beschichtung zusätzlich eine weitere katalytisch aktive Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist. - Abgasbehandlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine motornahe Anordnung.
- Abgasbehandlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Strömungsrichtung durch den SCR-Katalysator (
24 ) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und eine zweite Strömungsrichtung durch den in direkter fluidischer Verbindung stromab des SCR-Katalysators (24 ) angeordneten Partikelfilter (26 ) voneinander verschiedene Orientierungen aufweisen. - Abgasbehandlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Partikelfilters (
26 ) eine oder mehrere weitere Abgasbehandlungskomponenten (28 ) angeordnet sind. - Abgasbehandlungseinrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren weiteren Abgasbehandlungskomponenten (
28 ) ein oder mehrere Elemente aus der nachfolgenden Gruppe sind: SCR-Katalysator (SCR), Dosierelement, Oxidationskatalysator (OC), Partikelfilter (PF), Teiloxidationskatalysator (CPO), Ammoniak-Oxidationskatalysator (AMOX). - Brennkraftmaschine (
12 ), gekennzeichnet durch eine Abgasbehandlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Brennkraftmaschine (12 ) selbstzündend ist. - Kraftfahrzeug (
10 ), gekennzeichnet durch eine Abgasbehandlungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Priority Applications (2)
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