DE4417238A1 - Einrichtung zur Minderung der Stickoxide im Abgas eines mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Minderung der Stickoxide im Abgas eines mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotors, bei der eine Einlaufkammer, ein Hydroly­ sekatalysator, ein DeNO_x-Katalysator und ein Oxidationskata­ lysator umfaßt sind.

Zur Verminderung der in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe, im besonderen der Stickoxide, hat sich für Verbrennungsmotoren, die mit einem Luftüberschuß be­ trieben werden, wie z. B. Diesel- und Magermotoren, das Sy­ stem des geregelten Dieselkatalysators (GDK) als bisher vor­ teilhafteste Technik erwiesen.

Diese im wesentlichen auf dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) beru­ hende Technik ist mittlerweile aus zahlreichen Veröffentli­ chungen und Patentanmeldungen, z. B. aus den deutschen Pa­ tentanmeldungen P 43 09 891.6, P 43 10 926.8 und P 34 15 278.3, bekannt.

Beim SCR-Verfahren werden die Stickoxide zusammen mit Ammo­ niak an einem selektiven Katalysator kontaktiert und kataly­ tisch zu umweltunbedenklichem Stickstoff und Wasser umge­ setzt. Es ist ebenso bekannt, daß bei dem GDK-System Ammoniak aufgrund der mit dem Ammoniakeinsatz verbundenen Gefahren, wie z. B. seine Giftigkeit und die durch Ammoniak hervorgeru­ fene Geruchsbelästigung, nicht im Fahrzeug mitgeführt werden darf. Das zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide erfor­ derliche Reduktionsmittel wird anstelle des Ammoniaks in Form einer wäßrigen Harnstofflösung im Fahrzeug mitgeführt. Aus dieser wäßrigen Harnstofflösung kann der Ammoniak durch Hydrolyse der Harnstofflösung in der augenblicklich gerade benötigten Menge erzeugt werden.

Ein GDK-System umfaßt in der Abgasleitung eines mit Luftüber­ schuß betriebenen Verbrennungsmotors in Strömungsrichtung des Abgases der Reihe nach meist eine Einlaufkammer, einen Hy­ drolysekatalysator, einen DeNO_x-Katalysator und einen Oxida­ tionskatalysator sowie einen Vorratsbehälter für die wäßrige Harnstofflösung und verschiedene Sensoren und Regler zur Ein­ stellung der in das Abgas einzubringenden Harnstoffmenge und eine Eindüsvorrichtung für die wäßrige Harnstofflösung in die Einlaufkammer.

Aufgrund erwarteter europaweiter Emmissionsgrenzwerte für den Schadstoffausstoß von mit Luftüberschuß betriebenen Verbren­ nungsmotoren, insbesondere LKW-Dieselmotoren, ist der weit verbreitete Einsatz des GDK-Systems in naher Zukunft wahr­ scheinlich. Dies bedeutet zum einen, daß bestehende Last­ kraftwagen mit dem GDK-System nachgerüstet werden müssen, und zum anderen, daß neue Lastkraftwagen mit GDK-System ausgelie­ fert werden müssen. Aufgrund der in Lastkraftwagen sehr be­ engten Platzverhältnisse (Unterbringung von Treibstofftank, Reserverädern, Druckluftbehältern, Batterien, Schalldämpfer und Partikelfilter) ist es wünschenswert, das GDK-System mög­ lichst platzsparend auszulegen. Für eine besonders platzspa­ rende Auslegung des GDK-Systems wäre es besonders vorteil­ haft, wenn es gelänge, die in das Abgas eingedüste Harn­ stofflösung besonders gleichmäßig im Abgas zu verteilen und die nachgeschalteten Katalysatoren über ihren gesamten Quer­ schnitt gleichmäßig auszunutzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine beson­ ders platzsparende Einrichtung zur Minderung der Stickoxide im Abgas eines mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmo­ tors anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einlaufkammer, der Hydrolysekatalysator, der DeNO_x-Katalysa­ tor und der Oxidationskatalysator eine im wesentlichen zylin­ drische vom Abgas in der genannten Reihenfolge durchströmbare Einheit bilden, und daß der Durchmesser der Einlaufkammer den Durchmesser des Hydrolysekatalysators übersteigt.

Auf diese Weise wird erreicht, daß auch die Randbereiche der der Einlaufkammer nachgeschalteten Katalysatoren ebenso in­ tensiv zur katalytischen Umsetzung genutzt werden wie weiter zur Zylinderachse hin angeordnete Bereiche. Dies wurde be­ dingt durch die Erkenntnis, daß bei gleichem Durchmesser der Einlaufkammer und des Hydrolysekatalysators die Randbereiche des Katalysators höhere Abgasstromdichten als weiter zur Zy­ linderachse gelegene Bereiche aufweisen. Infolge der nun gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Hydrolysekata­ lysators verteilten Abgasstromdichte werden auch die dem Hy­ drolysekatalysator nachgeschalteten Katalysatoren über den Querschnitt gleichmäßig beansprucht. Dies führt dazu, daß bei gleichbleibender Umsatzrate eine erheblich kürzere Bauform verwendet werden kann als bei den aus dem Stand der Technik bekannten GDK-Systemen mit einer Einlaufkammer und einem Hy­ drolysekatalysator gleichen Durchmessers.

Wenn der Durchmesser der Einlaufkammer den Durchmesser des Hydrolysekatalysators zu stark übersteigt, kehrt sich die oh­ ne Durchmesservergrößerung erhaltene Abgasstromdichtenvertei­ lung nachteiligerweise um. D. h., daß die Randbereiche bei zu großem Durchmesserüberschreitungen deutlich größere Abgas­ stromdichten aufweisen als weiter zur Zylinderachse gelegene Bereich. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Einlaufkammer den Durchmesser des Hydrolyse­ katalysators um maximal 10%, vorzugsweise etwa 0,2 bis 5%, übersteigt.

Damit die katalytische Aktivität der der Einlaufkammer nahe­ geschalteten Katalysatoren über den Querschnitt gleichmäßig genutzt werden kann, genügt es nicht nur, daß die Abgas­ stromdichten über den gesamten Querschnitt der Katalysatoren etwa gleich sind. Vielmehr muß die in das Abgas eingedüste wäßrige Harnstofflösung homogen über den gesamten Querschnitt am Eintritt des Hydrolysekatalysators verteilt sein. Eine ho­ mogene Verteilung der wäßrigen Harnstofflösung wird erreicht, wenn die Einlaufkammer als Dralleinlaufkammer für das Abgas ausgebildet ist, eine Einbringvorrichtung für ein Reduktions­ mittel umfaßt sowie ein Lochblech aufweist, das die Einlauf­ kammer in einen äußeren vom Abgas zirkular durchströmbaren Raum und einen inneren Raum, der sich von der Einbringvor­ richtung in Richtung zum Hydrolysekatalysator kegelförmig ausdehnt, gasdurchlässig unterteilt. Auf diese Weise wird ein Niederschlag des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels auf den Wänden der Einlaufkammer weitgehend vermieden, weil das Abgas durch die Löcher im Lochblech in den inneren Raum eintritt und dabei das in dem inneren Raum eingebrachte Re­ duktionsmittel mit sich reißt. Infolge des äußeren vom Abgas zirkular durchströmbaren Raumes und aufgrund der Strömungs­ prallflächen in Form des kegelförmigen Lochbleches ist die in den inneren Raum eintretende Abgasströmung derart turbulent, daß eine weitgehend homogene Verteilung des in den inneren Raum eingebrachten Reduktionsmittels erreicht wird.

Zur besonders homogenen Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Lochab­ stand des Lochbleches als Funktion eines Abstandes von der Eindringvorrichtung zunächst abnimmt und anschließend wieder zunimmt. Hierbei ist es für die Abgasreinigung von Dieselmo­ toren mit einigen hundert Kilowattleistung besonders vorteil­ haft, wenn der Lochabstand ausgehend von etwa 20 mm abnimmt und danach wieder auf 20 mm zunimmt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zur besonders homoge­ nen Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas sieht es vor, daß der Lochdurchmesser des Lochbleches als Funktion des Ab­ standes von der Einbringrichtung zunächst zunimmt und danach wieder abnimmt. Bezogen auf eine Motorleistung von einigen hundert Kilowatt kann der Lochdurchmesser etwa zwischen 5 und 25 mm betragen. Eine besonders gleichmäßige Verteilung des Reduktionsmittels ist bei der Verwendung von wäßriger Harn­ stofflösung als Reduktionsmittel erforderlich, weil nur auf diese Weise eine vollständige Hydrolyse der Harnstofflösung zu Ammoniak und Wasser gewährleistet ist und damit auch eine homogene Verteilung des Ammoniaks über den gesamten Katalysa­ torquerschnitt erreicht wird.

Ein Niederschlag des eingebrachten Reduktionsmittels auf den Wandungen der Einlaufkammer wird zusätzlich erschwert, wenn der Außenumfang der Einlaufkammer thermisch isoliert ist. Ei­ ne geeignete thermische Isolation besteht aus einem oder meh­ reren der Werkstoffe Mineralwolle, Glaswolle und Steinwolle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich­ nung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine zylinderförmig aufge­ baute Einrichtung zur Minderung der Stickoxide im Ab­ gas eines LKW-Dieselmotors;

Fig. 2 den Verlauf des Lochdurchmessers des in der Einlauf­ kammer eingesetzten Lochbleches in Abhängigkeit von dem axialen Abstand von der Eindüsvorrichtung für die wäßrige Harnstofflösung; und

Fig. 3 den Verlauf des Lochabstandes des in der Einlaufkam­ mer eingesetzten Lochbleches in Abhängigkeit von dem axialen Abstand von der Eindüsvorrichtung für die wäßrige Harnstofflösung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Längsschnitt durch eine Ein­ richtung 2 zur Stickoxidminderung im Abgas eines hier nicht weiter dargestellten ladeluftgekühlten Turbodieselmotors mit einer Leistung von etwa 300 kW erkennt man in Strömungsrich­ tung 4 des Abgas es zunächst ein in eine Einlaufkammer 6 mün­ dendes Stück 8 der Abgasleitung. Die Einlaufkammer 6 hat ei­ nen kreisförmigen Querschnitt, wodurch das Abgas auf eine zirkulare Strömungsbahn gemäß Strömungspfeilen 10 innerhalb eines von einem Lochblech 12 gasdurchlässig begrenzten äuße­ ren Raum 14 gelenkt wird. Das Lochblech 12 ist trichterförmig geformt und besteht aus einem nicht rostenden Stahl. Am eng­ sten Punkt dieses aus dem Lochblech 12 gebildeten Trichters, d. h. in der zeichnerischen Darstellung am linken Rand der Einlaufkammer 6, ist ein Eindüsventil 16 vorgesehen, das eine wäßrige Harnstofflösung 18 in einen inneren Raum 20 eindüst, der durch das Lochblech vom äußeren Raum 14 gasdurchlässig abgeteilt ist.

Die Einlaufkammer 6 hat im Ausführungsbeispiel eine Länge l₁ von etwa 300 mm und einen Durchmesser von etwa 440 mm. Das im äußeren Raum 14 der Einlaufkammer 6 gemäß den Strömungspfei­ len 10 zirkular umlaufende Abgas tritt gemäß Strömungspfeilen 22 durch die Löcher im Lochblech 12 hindurch in den inneren Raum 20 und reißt die in den inneren Raum 20 eingedüste wäß­ rige Harnstofflösung 18 mit sich. Zusätzlich verfügt die Ein­ laufkammer 6 über eine thermische Isolation 24, die aus hit­ zebeständiger Steinwolle besteht und ein Abkühlen der Innen­ wände der Einlaufkammer 6 verhindert.

Infolge des bei dem Lochblech 12 realisierten Lochdurchmes­ sers d in Abhängigkeit von einem axialen Abstand 1 von dem Eindüsventil 16 (vergleiche Fig. 2) und des Lochabstandes a in Abhängigkeit von dem axialen Abstand 1 von dem Eindüsven­ til 16 (vergleiche Fig. 3) wird eine besonders homogene Ver­ teilung der Harnstofflösung 18 im Abgas über den gesamten Querschnitt der Einlaufkammer 6 erzielt.

In Strömungsrichtung des Abgases schließt sich als nächstes ein Hydrolysekatalysator 26 an, der eine Länge l₂ von etwa 100 mm und einen Durchmesser von etwa 400 mm aufweist. Weil der Durchmesser der Einlaufkammer 6 den Durchmesser des Hy­ drolysekatalysators 26 um etwa 10% übersteigt, wird es er­ reicht, daß die Abgasstromdichten über den gesamten Quer­ schnitt des Hydrolysekatalysators 26 nahezu gleich sind. Dies ist im Hydrolysekatalylsator 26 durch über den Querschnitt verteilte etwa gleich lange Strömungspfeile 28 symbolisiert. Damit ist auch die Belastung des Hydrolysekatalysators 26, d. h. die Hydrolyse der Harnstofflösung 18 zu Wasser und Am­ moniak, über den gesamten Querschnitt nahezu gleich verteilt, wodurch eine vollständige Hydrolyse der Harnstofflösung 18 erreicht wird. Der Hydrolysekatalysator 26 ist als kerami­ scher Wabenkörper auf Titandioxidbasis aufgebaut und weist als katalytisch aktiven Bestandteil etwa 1 Gew.-% oberfläch­ lich aufgetragenen Platins auf. Der Wabenkörper hat eine Zellenzahl von etwa 200 cpsi (Zellen pro Quadratinch) und eine Stegbreite von etwa 0,8 mm.

An den Hydrolysekatalysator 26 schließt sich ein DeNO_x-Kata­ lysator 30 an, der eine Länge l₃ von etwa 500 mm und einen Durchmesser von etwa 400 mm aufweist. Der DeNO_x-Katalysator 30 besteht ebenfalls aus einem hier nicht weiter dargestell­ ten Wabenkörper mit einer Zellenanzahl von etwa 200 cpsi und einer Stegbreite von 0,8 mm. Der Wabenkörper besteht im we­ sentlichen aus Titandioxid und weist als katalytisch aktiven Zusatz in der Summe etwa 10 Gew.-% Molybdänoxid und Vanadin­ pentoxid auf. Anstelle dieser katalytisch aktiven Komponenten könnte ebenso eine Phase der Summenformel V_xMO_yO_32-z mit x + y < 12, x, y < 1 und z < 1 verwendet sein, deren Anteil etwa 5 Gew.-% ausmachen würde. Durch die Kontaktierung der im entlang eines Strömungspfeils 32 strömenden Abgas es enthalte­ nen Stickoxide und des Ammoniaks an einem katalytisch aktiven Zentrum des DeNO_x-Katalysators 30 werden die Stickoxide und der Ammoniak katalytisch zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Aufgrund der bereits im Hydrolysekatalysator erzielten homo­ genen Verteilung des Ammoniaks über die gesamte Querschnitts­ fläche und der über den gesamten Querschnitt etwa gleichen Abgasstromdichten wird der DeNO_x-Katalysator 30 über seinen gesamten Querschnitt gleichmäßig für die katalytische Umset­ zung der Stickoxide mit Ammoniak ausgenutzt. Aufgrund dieser Tatsache reicht die hier gewählte Katalysatorlänge 13 und der gewählte Querschnitt aus, das Abgas des im Ausführungsbei­ spiel gewählten 300 kW-Dieselmotors bei entsprechendem Ammo­ niakangebot zu 90% und darüber zu entsticken.

An den DeNO_x-Katalysator 30 schließt sich in Strömungsrich­ tung 32 des Abgases ein Oxidationskatalysator 34 an, der be­ züglich seiner Abmessungen und seines maskroskopischen Auf­ baus dem Hydrolysekatalysator 26 gleicht. Als katalytisch ak­ tive Bestandteile weist der Oxidationskatalysator 34 Edelme­ talle und/oder Oxide der 3d-Metalle, der 4f-Metalle und der seltenen Erdmetalle auf. An diesen katalytisch aktiven Zen­ tren werden die im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe, Koh­ lenmonoxid und nicht bei der Stickoxidreduktion verbraucht er Ammoniak katalytisch zu Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff oxidiert. Anschließend strömt das Abgas in einen Schalldämp­ fer 36, der eine Länge 15 von etwa 300 mm und einen Durchmes­ ser von etwa 400 mm aufweist und von dort entlang eines Strö­ mungspfeils 38 ins Freie. Inklusive des in die Einrichtung 2 zur Stickoxidminderung integrierten Schalldämpfers 36 beträgt die Gesamtlänge nur etwa 1300 mm. Aufgrund der erfindungsge­ mäßen Ausgestaltung des Lochbleches 12 und des Durchmessers der Einlaufkammer 6 im Bezug zum Durchmesser des Hydrolyseka­ talysators 26 wird auf dieser Weglänge ein nahezu vollständi­ ger Abbau im Abgas enthaltener Stickoxide nach dem SCR-Ver­ fahren bei gleichzeitig vernachlässigbarem Ammoniakschlupf erreicht. Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung 2 kann bezüg­ lich ihrer Abmessungen auch an Motoren mit deutlich größerer oder deutlich kleinerer Leistung angepaßt werden.

Claims (9)

1. Einrichtung (2) zur Minderung der Stickoxide im Abgas ei­ nes mit Luftüberschuß betriebenen Verbrennungsmotors, bei der eine Einlaufkammer (6), ein Hydrolyse-Katalysator (26), ein DeNO_x-Katalysator (30) und ein Oxidationskatalysa­ tor (34) umfaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufkammer (6), der Hydrolyse-Katalysator (26), der DeNO_x-Katalysator (30) und der Oxidationskatalysator (34) ei­ ne im wesentlichen zylindrische vom Abgas in der genannten Reihenfolge durchströmbare Einheit bilden, und daß der Durch­ messer der Einlaufkammer (6) den Durchmesser des Hydrolyse- Katalysators (26) übersteigt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Einlaufkammer (6) den Durchmesser des Hydrolyse-Katalysators (26) um maximal 10% übersteigt.

3. Einrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufkammer (6) als Dralleinlaufkammer für das Abgas ausgebildet ist, eine Einbringvorrichtung (16) für ein Re­ duktionsmittel (18) umfaßt sowie ein Lochblech (12) aufweist, das die Einlaufkammer (6) in einen äußeren vom Abgas zirkular durchströmbaren Raum (14) und einen inneren Raum, der sich von der Einbringvorrichtung (16) in Richtung zum Hydrolyse- Katalysator (26) kegelförmig ausdehnt, gasdurchlässig unter­ teilt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lochabstand (a) des Lochbleches (12) als Funktion eines Abstandes von der Einbringvorrichtung (16) zunächst abnimmt und anschließend wieder zunimmt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lochabstand (a) ausgehend von etwa 20 mm abnimmt und da­ nach wieder auf etwa 20 mm zunimmt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lochdurchmesser (d) des Lochbleches als Funktion des Ab­ standes von der Einbringvorrichtung (18) zunächst zunimmt und danach wieder abnimmt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lochdurchmesser (d) etwa zwischen 5 und 25 mm beträgt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang der Einlaufkammer (6) thermisch isoliert ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine thermische Isolation (24) aus einem oder mehreren der Werkstoffe Mineralwolle, Glaswolle und Steinwolle.