DE102017209483A1

DE102017209483A1 - Optimierte Abgasreinigung

Info

Publication number: DE102017209483A1
Application number: DE102017209483.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Rausing
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2018-07-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb des Abgasreinigungssystems.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb des Abgasreinigungssystems.
Die Abgase aus Verbrennungsmaschinen werden heutzutage mehrstufig gereinigt. Dabei strömt das Abgas durch verschiedene Monolithen. Diese sind unter anderem Katalysatoren und Filter. Um die Reinigung zu optimieren, werden die Abgase mit Reaktanden vermischt. Dieses Gemisch aus Abgas und Reaktand kann danach in einem Monolithen (welcher oftmals auch eine Beschichtung aufweist) optimal reagieren.
Das von der Verbrennungsmaschine erzeugte Abgas strömt zunächst laminar durch ein Rohr des Abgasreinigungssystems und wird in einem ersten Schritt durch einen Mischer verwirbelt. In das turbulente Abgas wird durch einen nach dem Mischer angeordneten Injektor ein Reaktand in den Abgasstrom eingebracht. Das resultierende turbulente Fluidgemisch kann danach mit dem Reaktanden in einem Monolithen, beispielsweise einem Katalysator, zur Reaktion gebracht werden.
Durch die Reihenschaltung der Komponenten des Systems resultiert eine lange Abgasreinigungsstrecke. Das bedeutet einen großen Bauraumbedarf, mehr Gewicht und einen erhöhten Gegendruck. Der erhöhte Gegendruck kommt durch die lange Strecke des abgasreinigenden Systems zu Stande und führt zu einem Leistungsverlust.
Es wäre daher wünschenswert, ein Abgasreinigungssystem zur Verfügung zu stellen, das eine kompaktere Bauform ermöglicht. Es wurden bereits Vorschläge gemacht, das Mischelement und den Injektor für den Reaktanden räumlich näher zusammenzulegen.
EP 2 796 684 A1 offenbart eine Mischvorrichtung für ein Abgasreinigungssystem. Die Mischvorrichtung dient zur Verwirbelung eines Abgases und weist eine integrierte Einspritzvorrichtung für ein Reduktionsmittel, z. B. eine Harnstofflösung, auf. Hierin wird zunächst durch eine Dosiereinheit der Reaktand dem Abgasstrom hinzugefügt und anschließend wird das Abgas durch einen Mischer verwirbelt und der bereits zugefügte Reaktand im Abgasstrom verteilt.
Aus EP 2 314 837 A1 geht ein Abgasmischmodul zur Verwirbelung von Abgasen hervor, das eine integrierte Einspritzung für ein Reduktionsmittel umfasst. Durch eine röhrenförmige Ansaugung wird Abgas von einer Kammer eines Abgasreinigungssystems in eine zweite Kammer gesaugt. In dieser röhrenförmigen Ansaugung wird durch ein externes Dosiermodul ein Reaktand injiziert. Dieses zweistufige System mit Verwirbelung des Abgasstroms und anschließender Zugabe des Reaktanden hat eine starke Gegendruckerhöhung zur Folge.
DE 10 2011 018 569 A1 lehrt eine Abgasanlage mit einem Dosierventil zum Einspritzen eines Reduktionsmittels. Ein Dosierventil spritzt ein Reduktionsmittel seitlich in einen in einem Abgaskanal zu einem Katalysator geführten Abgasstrom. Die Einspritzvorrichtung des Dosierventils ist dabei auf eine im Abgaskanal angeordnete Prallvorrichtung gerichtet.
Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Abgasreinigungssystems mit reduziertem Bauraumbedarf und verringertem Druckaufbau.
Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Abgasreinigungssystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein rohrförmiges Gehäuse mit einem Einlass für einen zu reinigenden Abgasstrom und einem Auslass für einen gereinigten Abgasstrom. In dem rohrförmigen Gehäuse ist ein mit einem Reaktanden beladenes Mischelement zur Erzeugung eines turbulenten Fluidgemischs enthaltend Abgas und Reaktand angeordnet. Stromabwärts des mit einem Reaktanden beladenen Mischelements ist ein mit einem Katalysator beladener Wabenkörper zur Umsetzung des turbulenten Fluidgemischs angeordnet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems füllt das mit einem Reaktanden beladene Mischelement den gesamten Querschnitt des rohrförmigen Gehäuses aus. In einer Ausführungsform ist das mit einem Reaktanden beladene Mischelement ein statischer Mischer.
Das Mischelement des erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems ist mit einem Reaktanden beladen. In einer Ausführungsform ist die Oberfläche des Mischelements mit einem Reaktanden beschichtet, beispielsweise in Form einer Suspension oder einer Lösung, welche die Oberfläche des Mischelements benetzt und an ihr anhaftet.
Der Begriff „Reaktand“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Substanzen verwendet, die mit im Abgas enthaltenen Schadstoffen unter Bildung ungiftigerer oder weniger schädlicher Reaktionsprodukte reagieren können. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Reaktand Harnstoff. In einer speziellen Ausführungsform ist der Reaktand eine wässrige Harnstofflösung.
In einer Ausführungsform umfasst das Abgasreinigungssystem eine Zuführung zum Mischelement, über die das Mischelement mit einem Reaktanden gespeist werden kann. In einer Ausführungsform wird der Reaktand aus einem externen Reservoir dem Mischelement zugeführt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems besteht darin, dass der Reaktand über das Mischelement in den Abgasstrom eingebracht wird. Dabei kann das Mischelement mit einem Reaktanden beladen oder benetzt sein oder/und über einen externen Zufluss mit dem Reaktanden gespeist werden Dies macht eine separate Injektion des Reaktanden und den zugehörigen Injektor entbehrlich.
Im erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystem wird durch das Zusammenführen der Verwirbelung des laminaren Abgasstroms und der Vermischung des Abgases mit einem Reaktanden an einer Stelle die Strecke der Abgasreinigung verkürzt. Dies bietet die Vorteile einer Reduzierung von Bauraum und Gewicht des Abgasreinigungssystems und einer Verringerung des Gegendrucks. Beides wirkt sich positiv auf die Reinigung der Abgase aus.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Reinigung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird ein zu reinigender Abgasstrom durch ein mit einem Reaktanden beladenes Mischelement geleitet. Das Mischelement verwirbelt den Abgasstrom und gibt gleichzeitig den Reaktanden ab. Dadurch wird ein turbulentes Fluidgemisch erzeugt, das Abgas und Reaktand enthält. Anschließend wird das turbulente, Abgas und Reaktand enthaltende Fluidgemisch durch einen mit einem Katalysator beladenen Wabenkörper geleitet, in dem Abgas und Reaktand zur Umsetzung gebracht und dadurch Schadstoffe aus dem Abgas entfernt werden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 in einer schematischen Darstellung ein Abgasreinigungssystem des Standes der Technik;
2 in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems.

In 1 ist schematisch ein Abgasreinigungssystem 10 des Standes der Technik dargestellt. In einem rohrförmigen Gehäuse 12 befinden sich ein Mischelement 13 und ein mit einem Katalysator beladener Katalysatorträger 14. Zwischen dem Mischelement 13 und dem Katalysatorträger 14 befindet sich ein Injektor 16. Durch den Abgaseinlass 11 wird ein laminarer Abgasstrom 1 in das Abgasreinigungssystem 10 geleitet. Der laminare Abgasstrom 1 durchströmt das Mischelement 13, das ihn verwirbelt und einen turbulenten Abgasstrom 4 erzeugt. Über den Injektor 16 wird ein Reaktand 5, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, in den turbulenten Abgasstrom 4 eingesprüht, wodurch ein turbulentes Fluidgemisch 6 entsteht, das Abgas und den Reaktanden 5 enthält. Dieses Fluidgemisch durchströmt den mit einem Katalysator beladenen Katalysatorträger 14. Dort reagieren Abgas und Reaktand 5 miteinander und im Abgas enthaltene Schadstoffe, z. B. Stickoxide, werden in ungiftige Reaktionsprodukte umgewandelt. Der Abgasstrom verlässt das Abgasreinigungssystem 10 über den Abgasauslass 15.
In 2 ist schematisch eine Ausführungsform 20 des erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems dargestellt. In einem rohrförmigen Gehäuse 22 befinden sich ein mit einem Reaktanden 5, z. B. Harnstoff, beladenes Mischelement 23 und ein mit einem Katalysator beladener Katalysatorträger 24. Anders als bei dem in 1 dargestellten System ist das Mischelement 23 bereits mit einem Reaktanden 5, z. B. Harnstoff, beladen. Durch den Abgaseinlass 21 wird ein laminarer Abgasstrom 1 in das Abgasreinigungssystem 20 geleitet und durchströmt ein mit einem Reaktanden 5 beladenes Mischelement 23. Beim Durchströmen des Mischelements 23 wird aus dem laminaren Abgasstrom 1 direkt ein turbulentes Fluidgemisch 6 erzeugt, das Abgas und den Reaktanden 5 enthält. Daher ist kein zusätzlicher Injektor für den Reaktanden 5 mehr erforderlich. Wie aus 2 deutlich wird, lässt sich daher der Abstand zwischen dem Mischelement 23 und dem mit einem Katalysator beladenen Katalysatorträger 24 deutlich verkürzen, was eine erhebliche Bauraumersparnis für das gesamte Abgasreinigungssystem 20 ermöglicht. Durch die kürzere Bauform wird das Gewicht des Abgasreinigungssystems 20 verringert und es tritt im System ein geringerer Gegendruck auf. Das turbulente Fluidgemisch 6 durchströmt den mit einem Katalysator beladenen Katalysatorträger 24. Dort reagieren Abgas und Reaktand 5 miteinander und im Abgas enthaltene Schadstoffe, z. B. Stickoxide, werden in ungiftige Reaktionsprodukte umgewandelt. Der gereinigte Abgasstrom verlässt das Abgasreinigungssystem 20 über den Abgasauslass 25.
Bezugszeichenliste

1: Abgasstrom (laminar)
4: Abgasstrom (turbulent)
5: Reaktand
6: Turbulentes Fluidgemisch
10: Abgasreinigungssystem
11: Abgaseinlass
12: Gehäuse
13: Mischelement
14: Katalysator/Partikelfilter
15: Abgasauslass
16: Injektor
20: Abgasreinigungssystem
21: Abgaseinlass
22: Gehäuse
23: Mischelement
24: Katalysator/Partikelfilter
25: Abgasauslass

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 2796684 A1 [0006]
EP 2314837 A1 [0007]
DE 102011018569 A1 [0008]

Claims

Abgasreinigungssystem (20) für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein rohrförmiges Gehäuse (22) mit einem Einlass (21) für einen zu reinigenden Abgasstrom und einem Auslass (25) für einen gereinigten Abgasstrom, darin angeordnet ein mit einem Reaktanden (5) beladenes Mischelement (23) zur Erzeugung eines turbulenten Fluidgemischs (6) enthaltend Abgas und Reaktand (5) und einen stromabwärts des Mischelements (23) angeordneten, mit einem Katalysator beladenen Wabenkörper (24) zur Umsetzung des turbulenten Fluidgemischs (6).
Abgasreinigungssystem (20) nach Anspruch 1, bei dem das Mischelement (23) den gesamten Querschnitt des Rohrs (22) ausfüllt.
Abgasreinigungssystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mischelement (23) ein statischer Mischer ist.
Abgasreinigungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Oberfläche des Mischelements (23) mit einem Reaktanden (5) beschichtet ist.
Abgasreinigungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Oberfläche des Mischelements (23) von einer einen Reaktanden (5) enthaltenden Flüssigkeit benetzt ist.
Abgasreinigungssystem (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, welches eine Zuführung zum Mischelement (23) aufweist, über welche das Mischelement (23) mit einem Reaktanden (5) gespeist werden kann.
Abgasreinigungssystem (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Reaktand (5) Harnstoff umfasst.
Verfahren zur Reinigung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeugs, worin ein zu reinigender laminarer Abgasstrom (1) durch ein mit einem Reaktanden (5) beladenes Mischelement (23) geleitet und dadurch ein turbulentes Fluidgemisch (6) enthaltend Abgas und Reaktand (5) erzeugt wird; und anschließend das turbulente Fluidgemisch (6) enthaltend Abgas und Reaktand (5) durch einen mit einem Katalysator beladenen Wabenkörper (24) geleitet wird, in dem Abgas und Reaktand (5) zur Umsetzung gebracht und dadurch Schadstoffe aus dem Abgas entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Mischelement (23) ein statischer Mischer ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Reaktand (5) Harnstoff umfasst.