DE29708591U1 - Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors

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Description

Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Minderung von bei Verbrennungsmotoren entstehenden Primärschadstoffen mittels eines Katalysators. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak (NH3) in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur Reduktion von in dem Abgasstrom enthaltener Stickoxide (NOx) an einem SCR-Katalysator, umfassend eine NH3-Quelle, eine Zuführleitung zum Zuführen des NH3 in den Abgasstrom und eine Dosiervorrichtung.
&iacgr;&ogr; Neben Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) gehören insbesondere die Stickoxide (NOx) zu den umweltgefährdenden direkt emittierten Primärschadstoffen, die beim Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, entstehen. Ein Einsatz von Dreiwegekatalysatoren, wie sie bei Ottomotoren und Gasmotoren verwendet werden, sind aufgrund eines Sauerstoffüberschusses im dieselmotorischen Abgas nicht einsetzbar. Aus diesem Grunde wurde zur Reduktion der Stickoxidemission bei Dieselmotoren ein selektiv arbeitender SCR-Katalysator (Selektive Catalytic Reduction-Katalysator) entwickelt, in dem mit einem zugeführten Reduktionsmittel, nämlich Ammoniak (NH3) die ausgestoßenen Stickoxide zu N2 und H2O reduziert werden.
Bewährt hat sich diese Art der Reduktion von Stickoxidemissionen bei stationären Dieselmotoren. Bei diesen stationären Anlagen ist in dem Abgasstrang des Verbrennungsmotors ein SCR-Katalysator angeordnet,
wobei das dem Abgasstrom beizumengende NH3 vor dem SCR-Katalysator durch Eindüsen dem Abgasstrom beigemengt wird. Das NH3 wird bei solchen Anlagen als Gas oder als wässrige Lösung zugeführt. Bei einer Zuführung wässriger NH3-I_ösungen erfolgt eine thermolytische Aufspaltung im Abgasstrom bzw. im SCR-Kataiysator, um das zur Reduktion der Stickoxide benötige NH3 freizusetzen. Die Zuführung des Reduktionsmitteis erfolgt über eine Dosiervorrichtung, weiche in Abhängigkeit von der erwarteten NOx-Menge im Abgasstrom des Dieselaggregats eingestellt wird. Bei einer Verwendung von NH3 entweder als Gas oder als &iacgr;&ogr; wässrige Lösung bedarf dieses jedoch den Einsatz von geschultem Personal, da der Umgang mit diesen Stoffen sowohl hinsichtlich ihrer Handhabung als auch hinsichtlich ihrer Toxizität nicht ungefährlich ist.
Aufgrund des nicht ungefährlichen Umganges mit NH3 als Gas bzw. als wässrige Lösung ist man dazu übergegangen, das zur NOx-Reduktion benötigte NH3 durch Zuführen von wässriger Harnstofflösung in den Abgasstrom bereitzustellen. Die thermohydrolytische Aufspaltung unter Abgabe von NH3 als Reduktionsmittel erfolgt dann durch die Wärme des Abgasstromes bzw. des Katalysators. Neben den verfahrenstechnischen Schwierigkeiten einer unkontrollierten Einspeisung dieses Reduktionsmittels in Aerosoiform ist als weiterer Nachteil bei der NH3-Gewinnung auf diesem Wege die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten wie beispielsweise Isocyansäure zu nennen. Einem Einsatz wässriger Harnstofflösungen zur NOx-Reduktion von dieselmotorischen Abgasen bei mobilen Aggregaten, etwa bei Nutzfahrzeugen oder bei Personenkraftfahrzeugen steht zudem entgegen, daß der Gefrierpunkt eines solchen Reduktionsmittels bei etwa -13°C liegt. Ein wintertauglicher Einsatz dieses Reduktionsmittels ist daher nur durch eine Beimengung von gefrierpunktherabsetzenden Zusätzen möglich. Die Umsetzung dieser Zusätze im SCR-Katalysator kann jedoch zu einer Emission von unerwünschten Sekundärschadstoffen führen.
Überdies ist es notwendig, eine relativ große Menge an wässriger Harnstofflösung mitzuführen, da der zur Reduktion notwendige Harnstoff in der wässrigen Lösung nur in einem Verhältnis von bestenfalls 1:3 hinsichtlich des H2O vorliegt.
Ein Einsatz von mitgeführtem NH3 in Druckflaschen oder als wässrige Lö-
sung zur Entstickung mobiler Dieselaggregate ist aufgrund der von diesen Stoffen ausgehenden Gefährdung im Falle eines Unfalles nicht möglich.
Aus der DE 34 22 175 A1 sowie der DE 42 00 514 A1 sind Vorrichtungen bekannt, die eine „just-in-time"-Produktion von NH3 zur NOx-Reduktion betreffen. Der sich aus diesen Druckschriften ergebende übergeordnete Gedanke besteht darin, bestimmte, thermolytisch NH3-abspaltende Stoffe, deren Handhabbarkeit und deren Toxizität unbedenklich sind, zu verwenden, um die jeweils benötigte NH3-Menge den Anforderungen entsprechend abzuspalten und in den Abgasstrom einzudüsen. Die Erzeugung des NH3 erfolgt durch Erhitzen einer solchen NH3-abspaltenden Verbindung, etwa Ammoniumcarbamat. Eine Anpassung an den jeweiligen Motorbetriebszustand erfolgt wie in der DE 34 22 175 A1 beschrieben, dadurch, daß durch Steuern der Heizleistung, mit welcher etwa das Carbamat beaufschlagt wird, die NH3-Erzeugung und somit die NH3-Zugabemenge zum Abgasstrom regelbar ist.
Ein solcher regelbarer NH3-Erzeuger besteht im wesentlichen aus einem Vorratsbehälter für die NH3-abspaltende Verbindung, einer Zersetzungskammer, in welcher die Einwirkung der Wärme erfolgt, sowie einer Ausführungs- bzw. Zuführleitung für das NH3-haltige Gas. Zur Beheizung der Zersetzungskammer sind insbesondere elektrische Heizungen, etwa Widerstandsheizkörper oder infrarotstrahler vorgesehen.
Zwar ist die Verwendung dieser vorbekannten Vorrichtung für stationäre Anlagen, welche im allgemeinen nur wenigen Lastwechseln und wenn dann nur vorherbestimmten Lastwechseln unterworfen sind, geeignet. Für einen Einsatz im mobilen Bereich, wie beispielsweise bei Nutzfahrzeugen oder Personenkraftwagen, ist der Einsatz dieser vorbekannten Technologie unzweckmäßig, da die Reaktionszeit des Systems zu langsam und somit das System zu träge ist, um die im Straßenverkehr unerwartet in schneller Folge auftretenden Motorlastwechsel mit entsprechend unterschiedlichen NOx-Emissionen gerecht werden zu können. Wird nämlich der Motorbetriebszustand zu einer bestimmten Zeit erfaßt und daraus eine bestimmte NH3-Dosierung berechnet, muß zunächst der NH3-abspaltende Stoff zur Produktion des NH3-Gasgemisches erwärmt werden. Im Straßenverkehr, insbesondere im Stadtverkehr unterliegt ein Motor jedoch ständigen, vor allem unvorhergesehenen Lastwechseln, so daß die
schließiich zugeführte NH3-Menge nicht an einen zwischenzeitlich geänderten Motorbetriebszustand angepaßt ist. Wird zu wenig NH3 zugeführt, ist auch die damit mögliche NOx-Reduktion nur begrenzt durchführbar. Ist das zugeführte NH3 überdosiert, tritt unverbrauchtes NH3 aus dem Katalysator aus.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur NOx-Reduktion von Abgasen eines Verbrennungsmotors unter Verwendung eines SCR-Katalysators vorzuschlagen, welche nicht nur für den mobilen Bereich geeignet ist, sondern mit welcher auch die oben aufgezeigten Nachteile vermieden sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als NH3-Quelle ein beheizbarer druckfester Konverter (2) vorgesehen ist, in welchem sich ein thermolytisch NH3-abspaltender Stoff oder ein thermolytisch NH3-abspaltendes Stoffgemisch befindet, und daß der Dosiervorrichtung ein NH3-Speicher zum Zwischenspeichern von aus dem Stoff (15) durch Wärmezufuhr abgespaltenem NH3 vorgeschaltet ist, welche Dosiervorrichtung mit Steuersignalen einer Motorbetriebskenndaten verarbeitenden, daraus den NOx-Ausstoß bestimmenden Steuereinheit beaufschlagt ist.
Durch Vorsehen einer Vorrichtung, welche den Einsatz eines bezüglich seiner Handhabbarkeit und seiner Toxizität unbedenklichen Stoffes oder Stoffgemisches als NH3-Precursor ermöglicht und welche durch Aufbau eines !nnendruckes in dem Konverter das Einstellen eines Gleichgewichtszustandes zum (zeitlichen) Beenden einer weiteren NH3-Abspaltung ausnutzt, ist ein Vorrichtung geschaffen, mit welcher nur eine bestimmte NH3-Menge zur Verfügung gestellt wird. Es steht daher zu jeder Zeit eine bestimmte NH3-Menge zur Verfügung, die in den Abgasstrom zur NOx-Reduktion eindüsbar ist. Die zwischengespeicherte NH3-Menge ist so gering, daß diese auch bei einer hypothetischen Zerstörung des Konverters im Unfallsfalle durch seine rasche Vermischung mit Umgebungsluft als unbedenklich einzustufen ist.
Durch Erfassen von Motorbetriebskenndaten und gegebenenfalls von Konzentrationen von Abgaskomponenten, wird die Berechnung des NOx-Massenstroms im Abgas und daraus die Berechnung der NH3-Menge er-
möglicht. Da eine ausreichende NH3-Menge zwischengespeichert ist, ist eine Vorrichtung geschaffen, durch weiche eine quasi gleichzeitig mit der NH3-Bestimmung erfolgende NH3-Ausgabe ermöglicht ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher vor allem zur NOx-Reduktion mobiler, unvorhergesehenen Lastwechseln unterworfener Dieselaggregate geeignet.
Die Erfindung vereint die Vorteile des Zuführens von NH3 als Gas in den Abgasstrom, das Mitführen von bezüglich ihrer Handhabbarkeit und ihrer Toxizität bei Umgebungstemperatur unbedenklicher Stoffe oder Stoffgemische sowie die unmittelbare Bereitstellung von benötigtem NH3.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für einen Einsatz von im wesentlichen rückstandsfrei thermolytisch sich zersetzender, NH3 abspaltender Stoffe, wie etwa Ammoniumcarbamat (NH2CO2NH4) sowie zum Einsatz von reversibel NH3-sorbierender/desorbierender und damit NH3-abspaitender Stoffe, etwa von einem Eisen-(i!)-ammin-sulfat, geeignet.
Zweckmäßigerweise wird zu einem anfänglichen Erwärmen sowie zum anschließenden Aufrechterhalten des Abspaltungstemperaturbereichs des Konverters Wärme, die beim Betrieb des Verbrennungsmotors entsteht, verwendet, wobei es zweckmäßig ist, dem Konverter eine Wärmeschlange zuzuordnen, die insbesondere bei einem Einsatz von Ammoniumcarbamat an den Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Das Kühlwasser befindet sich beim Betrieb des Verbrennungsmotors zwischen 80 und 11O0C, was einen Konverterinnendruck von etwa 6,5 - 8 bar bei Erreichen des Gleichgewichtszustandes entspricht. Der Konverter ist daher für einen Betrieb bei derartigen Innendrücken geeignet druckfest ausgebildet, wobei zweckmäßigerweise eine Sicherheitsmarge berücksichtigt ist.
In einem Ausführungsbeispiei ist vorgesehen, daß das Zwischenspeichern des abgespaltenen NH3 im Konverter selbst erfolgt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist als Zwischenspeicher ein separater NH3-Speicher vorgesehen, dessen Speicherdruck unterhalb des Betriebsdruckes des Konverters liegt.
Zum besseren Dosieren der zu entnehmenden NH3-Menge weist der Konverter zweckmäßigerweise ein Druckreduzierventil auf. Als Dosiervorrich-
tung ist zweckmäßgerweise ein Taktventil vorgesehen.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die maximale NH3-Dosierung geringfügig kleiner als die jeweilig als optimal bestimmte NH3-Dosierung bemessen ist. Gemäß einer solchen Ausgestaltung wird vermieden, daß trotz quasi gleichzeitiger NH3-Zuführung bei einem abrupten Lastwechsel möglicherweise nicht umgesetztes NH3 rückseitig aus dem SCR-Katalysator austritt. In begrenztem Maße könnte eine Emission von überschüssigem NH3 auch durch einen dem SCR-Katalysator nachgeschalteten Oxidationskatalysator vermindert werden.
Der verwendete, den NH3-abspaltenden Stoff enthaltende Konverter kann mittels Schnellverschlüssen an die zum Erwärmen und Aufrechterhalten der Temperatur vorgesehenen Heizmittel sowie an die NH3-Zuführleitung anschließbar sein. Auf diese Weise ist ein rascher Austausch des Konverters durchführbar, wenn der darin enthaltene, NH3-abspaltende Stoff oder das darin enthaltende, NH3-abspaltende Stoffgemisch verbraucht ist. Ferner kann vorgesehen sein, daß der Konverter aus einer Heizeinheit und einem Reaktionsbehälter besteht, wobei der Reaktionsbehälter von der Heizeinheit lösbar ist. Die beispielsweise an den Kühlwasserkreislauf angeschlossene Heizeinheit verbleibt beim Fahrzeug, so daß nur der eigentliche Reaktionsbehälter austauschbar ist.
Weitere Vorteile der Erfindung sowie Weiterbildungen sind Bestandteil der übrigen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles. Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zum
Zuführen von Ammoniak in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur Reduktion von im Abgasstrom enthaltener
Stickoxide,
Fig. 2 ein Diagramm darstellend die Zersetzung von Ammonium-
carbamat und Ammoniumhydrogencarbonat im Temperaturbereich von 35 -1300C,
Fig. 3 ein Diagramm darstellend die Zersetzung von Eisen-(il)-
triamminsulfat-Monohydrat im Temperaturbereich von 30 -
4500C und
Fig. 4 ein Diagramm darstellend den zeitlichen Druck- und Temperaturverlauf bei einem Einsatz von Ammoniumcarbamat bei wiederholter Gasentnahme.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Entstickungsvorrichtung 1 umfaßt einen Konverter 2, eine Zuführleitung 3 zum Zuführen von NH3 in den Abgasstrom eines Dieselmotors 4 und ein als Dosiervorrichtung vorgesehenes Taktventil 5 sowie einen SCR-Katalysator 6. Die Zuführleitung 3 mündet in den Abgasstrang 7 des Dieselmotors 4 vor der Eingangsseite des Katalysators 6.
Zur Steuerung des Taktventiles 5 ist eine speicherprogrammierte Steuereinheit 8 vorgesehen, die mit den Signalen von Motorbetriebskenndaten aufnehmenden Sensoren sowie mit den Signalen eines die Kataiysatortemperatur aufnehmenden Sensors beaufschlagt ist. Ausgangsseitig ist die Steuereinheit über eine Steuerleitung 9 mit dem Taktventil 5 verbunden, so daß das Taktventil 5 durch die Steuereinheit 8 gesteuert wird.
Der Konverter 2 besteht aus einer Heizeinheit 10 sowie einem Reaktionsbehälter 11. Die Heizeinheit 10 umfaßt eine Wärmeschlange 12, die über eine Zuleitung 13 und eine Ableitung 14 in den Kühlwasserkreislauf des Dieselmotors 4 eingebunden ist. Das die Wärmeschlange 12 durchströmende Kühlwasser hat bei einem Betrieb des Dieselmotors 4 in der Regel eine Temperatur zwischen 80 und 1000C, die gegebenenfalls auch bis 1100C ansteigen kann. Zum raschen Erwärmen der Heizeinheit 10 bzw. des darin aufgenommenen Reaktionsbehälters 11 sind die Zu- und Ableitungen 13, 14 in den sogenannten kleinen Kühlwasserkreislauf des Dieselmotors 4 eingebunden.
Der Reaktionsbehälter 11 ist ein druckfester Behälter, in dem eine vorbestimmte Menge an Ammoniumcarbamat 15 eingebracht ist. Der Reaktionsbehälter 11 ist druckfest verschlossen. Der in Figur 1 dargestellte Reaktionsbehälter 11 ist verschließbar, so daß nach einem Verbrauch des Ammoniumcarbamats 15 dieser geöffnet und neu befüllbar ist.
Durch Aufheizen des Ammoniumcarbamats 15 infolge der Durchströmung
der Heizeinheit 10 mit in der Regel 80 - 1000C warmen Kühlwasser zersetzt sich das Ammoniumcarbamat 15 in NH3 und Kohlendioxid (CO2). Wie aus dem in Figur 2 dargestellten Diagramm erkennbar, beginnt die Abspaltungstemperatur des Ammoniumcarbamats 15 bei etwa 400C. Ammoniumcarbamat ist demzufoige bei Umgebungstemperaturen ohne weiteres handhabbar, ohne daß besondere Anforderungen an die Handhabbarkeit bzw. an die Toxizität dieses Stoffes notwendig sind. In dem für Kühiwassertemperaturen von Dieselmotoren typischen Temperaturbereich von 80 - 1000C erfolgt somit eine nahezu vollständige Zersetzung des &iacgr;&ogr; Ammoniumcarbamats 15 zur Herstellung des NH3-enthaltenen Reduktionsgasgemisches.
Ebenfalls ist in Figur 2 auch die Zersetzung von Ammoniumhydrogencarbonat - ein weiterer, zur Durchführung der Erfindung geeigneter Stoff dargestellt, wobei erkennbar ist, daß eine Zersetzung dieses Stoffes unter Abspaltung von NH3 erst bei etwa 500C beginnt und daß eine vollständige Zersetzung bei etwa 130°C stattgefunden hat. Daraus ergibt sich, daß auch Ammoniumhydrogencarbonat zum Abspalten von NH3 unter den genannten Bedingungen verwendbar ist. Jedoch würde es sich zur effektiven Nutzung des Ammoniumhydrogencarbonats empfehlen, die Heizeinheit 10 mit ihrer Wärmeschlange 12 mit einem wärmeren Medium zu beaufschlagen, etwa diese in den Ölkreislauf des Dieselmotors 4 einzubinden.
Figur 2 entsprechend ist in Figur 3 in einem Diagramm die Deamminierung von Eisen-(il)-triamminsulfat-Monohydrat dargestellt. Mit dem Einsatz von Eisen-(ll)-triamminsulfat-Monohydrat als Beispiel eines Eisenamminsulfats wird ein Stoff verwendet, der reversibel NH3-sorbierend/desorbierend ist. Der Einsatz eines solchen Stoffes kann zweckmäßig sein, da gegenüber den beiden vorgenannten Stoffen bei einem Aufheizen ausschließlich NH3 abgespalten wird; gasförmige Nebenprodukte, wie beispielsweise CO2, entstehen bei dieser Abspaltung nicht. Bei einer Reduktion der Wärmezufuhr, etwa beim Ausschalten des Dieselmotors, wird das abgespaltene NH3 wieder gebunden.
Die in dem Reaktionsbehälter 11 erzeugten Reduktionsgase - NH3 und CO2 bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Ammoniumcarbamat 15 - verbleiben zunächst in dem Reaktionsbe-
haltern.
Bei zunehmender Zersetzung des Ammoniumcarbamats 15 durch Aufrechterhalten der Abspaltungstemperatur im Reaktionsbehälter 11 steigt der Innendruck in diesem bis auf etwa 8 bar bei einer Temperatur von etwa 1000C. in Abhängigkeit von der Innentemperatur des Reduktionsbehäiters 11 stellt sich bei Erreichen des genannten Innendruckes ein Gleichgewichtszustand ein, so daß weiteres Ammoniumcarbamat 15 nicht zersetzt wird. Somit bildet der Reaktionsbehälter 11 auch gleichzeitig einen NH3-Speicher, aus dem NH3 als Teil des aus NH3 und CO2 bestehenden Gasgemisches abgezogen werden kann. Ein Abzug einer bestimmten Reduktionsgasmenge führt gleichzeitig zu einer Reduktion des innendrukkes in dem Reaktionsbehälter 11, so daß die Zersetzung von weiterem Ammoniumcarbamat 15 unter Abspaltung von NH3 die Folge ist. Es wird solange weiteres Ammoniumcarbamat 15 zersetzt, bis sich der oben genannte Gleichgewichtszustand wieder eingestellt hat. Durch Ausnutzen des sich einstellenden Gleichgewichtszustandes in dem Reaktionsbehälter 11 ist ein Mittel geschaffen, um die NH3-Produktion nach Erreichen einer bestimmten NH3-Menge zu stoppen, ohne daß dieses zusätzliche Steuerungsmechanismen bedürfte.
Das abgespaltene NH3 wird über ein Druckreduzierventil 16 dem Reaktionsbehälter 11 entnommen und über die Zuführleitung 3 dem Taktventii 5 zugeführt.
Gestrichelt ist in Figur 1 eine weitere Variante aufgezeigt, bei welcher zwischen dem Druckreduzierventil 16 und dem Taktventil 5 ein zusätzlicher separater NH3-Speicher 17 vorgesehen ist. Dieser NH3-Speicher 17 dient der Zwischen bevorratu ng von NH3 und ist für einen innendruck von etwa 3,5 bar ausgelegt; dieser innendruck liegt unter dem Betriebsdruck des Konverters 2. Der Ausgang des NH3-Speichers ist an den Eingang des Taktventils 5 angeschlossen.
In einer nicht dargestellten Weiterbildung ist zusätzlich dem Reaktionsbehalter 11 bzw. dem NH3-Speicher 17 ein Drucksensor zugeordnet, dessen frontbündige Edelstahl-Membran direkt mit dem in dem jeweiligen Behältnis befindlichen Medium in Kontakt steht. Mit Hilfe eines solchen Drucksensors ist der Innendruck des jeweiligen Behältnisses 11 bzw. 17 erfaß-
bar; die Meßsignale eines solchen Drucksensors lassen sich zur Feststellung der noch vorhandenen Ammoniumcarbamatmenge verwenden. Baut sich in dem entsprechenden Behältnis 11 bzw. 17 in einem bestimmten Zeitintervall ein vorgegebener Innendruck nicht auf, dann erlaubt dieses einen Rückschluß darauf, daß nur noch unzureichend Ammoniumcarbamat als NH3-Precurser in dem Reaktionsbehälter 11 zur Verfügung steht. Ein solcher Zustand wird dann dem Fahrer angezeigt, so daß dieser den Reaktionsbehälter 11 bzw. den Konverter 2 gegen einen neu befüllten austauschen kann.
Die Stickstoffreduktionsvorrichtung 1 funktioniert wie folgt:
Nach einem Starten des Dieselmotors 4 erwärmt sich zunächst dessen kleiner Kühlwasserkreislauf in relativ kurzer Zeit auf 80 - 1000C, gegebenenfalls bis 110°C Durch den Anschluß der Heizeinheit 10 mit seiner Wärmeschlange 12 an den kleinen Kühlwasserkreislauf beginnt somit auch bereits nach kurzer Zeit eine Zersetzung des in dem Reaktionsbehälter 11 befindlichen Ammoniumcarbamats 15 in ein NH3 und CO2 enthaltendes Gasgemisch. Dieser Zersetzungs- bzw. Abspaltungsvorgang dauert an, bis sich der oben angesprochene Gleichgewichtszustand zwischen dem Ammoniumcarbamat 15 und den Zersetzungsgasen - NH3 und CO2 - eingestellt hat.
Beim Betrieb des Dieselmotors 4 werden über Sensoren charakteristische Motorbetriebskenndaten, aus denen sich der NOx-Ausstoß ermitteln läßt, erfaßt. Diese Signale beaufschlagen die Steuereinheit 8. In der Steuereinheit 8 erfolgt die Ermittlung des NOx-Ausstoßes des Dieselmotors 4 und eine Bestimmung der entsprechend benötigten NH3-Menge zur Reduktion des ausgestoßenen NOx. Die zur Reduktion des NOx bestimmte NH3-Menge wird verwendet, um das Taktventil 5 entsprechend anzusteuern, damit entweder dem Reaktionsbehälter 11 direkt oder dem NH3-Speicher 17 die benötigte NH3-Dosierung entnommen und in den Abgasstrang 7 vor dem SCR-Katalysator 6 eingedüst werden kann. Bereits vor dem SCR-Katalysator 6 vermischt sich das eingedüste NH3-enthaltende Gasgemisch mit dem NOx-enthaitenden Abgas, so daß bei Eintritt dieses Abgas-Reduktionsgas-Gemisches in den SCR-Katalysator 6 eine wirksame Reduktion des NOx erfolgen kann.
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Durch die unmittelbare Umsetzung des jeweilig berechneten NOx-Ausstoßes in eine entsprechende Zufuhr von bereits vorhandenem NH3 ist gewährleistet, daß auch bei rasch und unerwartet auftretenden Lastwechsein die zugeführte NH3-Dosierung entsprechend bemessen ist.
Aus Figur 4 wird der zeitliche Druck- und Temperaturverlauf bei einem Einsatz von Ammoniumcarbamat 15 unter wiederholter Gasentnahme dargestellt. Es ist diesem Diagramm entnehmbar, daß der Druckaufbau im
&iacgr;&ogr; Reaktionsbehälter 11 (hier im Beispie! nur 250 cm3 Inhalt) durch die kontinuierlich abnehmende Ammoniumcarbamatmenge als NH3-Precurser sich über die Zeit jeweils geringfügig verlängert. Maßgeblich ist für die zeitliche Nutzung eines mit Ammoniumcarbamat 15 befüliten Konverters 2 das Anfangs-Beladungsverhältnis VF/VK, wobei VF das Feststoffvolumen des Ammoniumcarbamats und VK das Konvertervolumen ist. Das Anfangs-Beladungsverhältnis VF/VK beträgt bei dem in Figur 4 dargestellten Diagramm lediglich 0,2.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich die NOx-Emissionen von Dieselmotoren im mobilen Einsatz auf unterhalb von 0,4 g/km reduzieren. Wird ein solcher NOx-Ausstoß erzielt, welcher unterhalb des sogenannten Euro-Iil-Grenzwertes liegt, reicht eine Füllung von etwa 1 kg Ammoniumcarbamat in einem drei Liter fassenden Konverter aus, um auf einer Fahrstrecke von 2000 km die NOx-lmmission unterhalb des genannten Grenzwertes zu reduzieren. In diesem Beispiel wird auf einen Dieselmotor von 2 Liter Hubraum Bezug genommen. In entsprechend größer dimensionierten Konvertern ließe sich auch eine NOx-Minderung für etwa 10.000 Fahrkilometer erzielen, so daß die Erneuerungsintervalle eines Reaktionsbehälters 11 nur relativ selten, etwa im Ölwechselintervall, durchzuführen sind.
Zusammenstellung der Bezugszeichen
1 Entstickungsvorrichtung
2 Konverter
3 NH3-Zuieitung
4 Dieselmotor
5 Taktventil
6 SCR-Katalysator
7 Abgasstrang
8 Steuereinheit
9 Steuerleitung
10 Heizeinheit
11 Reaktionsbehälter
12 Wärmeschlange
13 Zuleitung Kühlwasser
14 Ableitung Kühlwasser
15 Ammoniumcarbamat
16 Druckreduzierventil
17 NH,-Speicher

Claims (12)

-13-Schutzsprüche
1. Vorrichtung zum Zuführen von Ammoniak (NH3) in den Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur Reduktion von in dem Abgasstrom enthaltener Stickoxide (NOx) an einem SCR-Katalysator (6) umfassend eine NH3-Quelle (2), eine Zuführleitung (3) zum Zuführen des NH3 in den Abgasstrom und eine Dosiervorrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, daß als NH3-Queile ein beheizbarer druckfester
&iacgr;&ogr; Konverter (2) vorgesehen ist, in welchem sich ein thermolytisch
NH3-abspaltender Stoff (15) oder ein thermolytisch NH3-abspaltendes Stoffgemisch befindet, und daß der Dosiervorrichtung (5) ein NH3-Speicher (11,17) zum Zwischenspeichern von aus dem Stoff (15) durch Wärmezufuhr abgespaltenem NH3 vorgeschaltet ist, welche Dosiervorrichtung (5) mit Steuersignalen einer Motorbetriebskenndaten verarbeitenden, daraus den NOx-Ausstoß bestimmenden Steuereinheit (8) beaufschlagt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter (2) den NH3-Speicher bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Konverter (2) ein separater NH3-Speicher (17) nachgeschaltet ist, dessen Speicherdruck unterhalb des Betriebsdruckes des Konverters liegt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter (2) einen Reaktionsbehälter (11) und eine die beim Betrieb des Verbrennungsmotors (4) entstehende Wärme nutzende Heizeinheit (10) zum Aufheizen des Reaktionsbehälters (11) auf die Abspaltungstemperatur und zum Aufrechterhalten dieser Temperatur umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit (10) eine an den Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors (4) angeschlossene Wärmeschlange (12) umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
• ·
-14-
daß der Reaktionsbehäiter {11) von der Heizeinheit (10) lösbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem NH3-Speicher (11, 17) ein Drucksensor zum Erfassen des in dem NH3-Speicher (11, 17) befindlichen Drukkes zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter (2) zur druckreduzierten Entnahme von NH3 ausgangsseitig über ein Druckreduzierventil
(16) verfügt.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Dosiervorrichtung ein von der Steuereinheit (8) gesteuertes Taktventil (5) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als NH3-abspaltender Stoff ein rückstandsfrei thermolytisch sich zersetzender Stoff (15) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff Ammoniumcarbamat (NH2CO2NH4) (15) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als NH3-abspaltender Stoff ein reversibel NH3-sorbierender/desorbierender Stoff, etwa ein Eisen-(ll)-ammin-sulfat vorgesehen ist.
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