DE102008001161A1

DE102008001161A1 - Konzeptionierung eines folge-SCR-Systems auf Feststoff-Reduktionsmittelbasis

Info

Publication number: DE102008001161A1
Application number: DE102008001161A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Mayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Feststoff-Reduktionsmittels wie Ammoniumcarbonat oder Ammoniakcarbamat, in einem Generator, dem mit Hilfe von Heizenergie zur Sublimation des Feststoff-Reduktionsmittels Energie zugeführt wird, wobei bei der Sublimation des Feststoff-Reduktionsmittels innerhalb des Generators Gase entstehen, die aus dem Generator abgeführt und einem Katalysator (2) zugeführt werden. Die mit Hilfe der Heizenergie auf eine Betriebstemperatur aufgeheizten Teile haben direkten Kontakt mit dem Feststoff-Reduktionsmittel und/oder zumindest die Teile des Generators, die mit dem Gas Kontakt haben, und/oder eine das Gas zum Katalysator (2) führende Leitung (35) sind mit Hilfe zusätzlicher Wärmeenergie temperier- bzw. aufheizbar.

Description

Stand der Technik
Die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen und immer niedriger werdenden Abgasgrenzwerte für Dieselmotoren erfordern sehr leistungsfähige Katalysatoren.
Bei Verwendung von Speichereinspritzsystemen können durch nahezu freie Wahl der Bestimmung des Einspritzzeitpunkts, Einspritzverlaufs, der Einspritzlänge sowie des Einspritzdrucks Dieselmotoren verbrauchsoptimiert eingesetzt werden, wobei sich jedoch sehr hohe NO_x-Werte bilden. Um der erhöhten NO_x-Emission entgegenzuwirken, werden NO_x-Abgas-Nachbehandlungssysteme verwendet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für einen SCR-Katalysator (selective catalytic reduction) ausgelegt, der bisher mit einer 32,5%igen Harnstoffwasserlösung (Ad Blue) arbeitete.
Die Verwendung einer Harnstoffwasserlösung als Reduktionsmittel in einer SCR-Katanlage erfordert eine aufwändige Reduktionsmittelaufbereitung bzw. eine längere Aufbereitungsstrecke. Eine Harnstoffwasserlösung kann erst ab einer Temperatur > 180°C eingesetzt werden. Bei unvollständiger Harnstoffzersetzung treten Nebenprodukte auf und es bilden sich im Katalysator sowie im Dosiersystem schädigende Ablagerungen. Außerdem müssen im Kraftfahrzeug ständig große Tanks zur Aufnahme des Reduktionsmittels mitgeführt werden und der Fahrer ist auch gezwungen, häufig das Reduktionsmittel nachzufüllen.
Offenbarung der Erfindung
Unter Berücksichtigung der zuvor erwähnten Probleme ist es vorteilhaft, alternative Reduktionsmittel mit einer höheren Speicherdichte einzusetzen. Ammoniakgas stellt eine kostengüns tige Alternative dar, kann aber aufgrund der Umweltbestimmungen nicht ohne weiteres eingesetzt werden. Aus diesem Grund ist die Verwendung von Reduktionsmittel liefernden Substanzen in fester Form vorteilhafter.
Einsatzfähig sind Ammoniumcarbonat, Ammoniumcarbamat, Harnstoff, Ammoniumhydrogencarbonat und andere Ammoniak liefernde Substanzen, da diese eine hohe Ammoniakspeicherdichte aufweisen und daher gegenüber einer Harnstoffwasserlösung als Reduktionsmittel vorteilhafter sind.
Die Verwendung dieser Feststoffreduktionsmittel macht eine Energiezuführung in einem geschlossenen Behälter erforderlich, in dem die Reduktionsmittel aufgenommen und in Ammoniakgas und entsprechende zusätzliche Bestandteile zersetzt werden.
Wichtig ist die Kontrolle der Sublimationsrate, die Vermeidung der isolierenden Gas- bzw. Partikelschicht in den einzelnen Bauteilen einer Aufbereitungsanlage bzw. eines Generators sowie die Berücksichtigung der Thermophorese bei der Gestaltung der entsprechenden Anlage zur Bildung des Gases insbesondere des NH₃-Gases.
Bei Verwendung eines Feststoff-Reduktionsmittels wird mit Hilfe des Prinzips der Thermophorese die Sub- und Resublimierung des Reduktionsmittels in vorteilhafter Weise gelöst.
Nach der Lehre der Thermophorese prasseln zunächst die in dem Gas, beispielsweise NH₃-Gas, enthaltenen Staubteilchen des anfänglich festen Reduktionsmittels von allen Seiten gleichmäßig auf einen heißen Gegenstand, also auf die Gasmoleküle. Dieser Vorgang führt zur Brown'schen Bewegung. Diese Bewegung ist jedoch ungerichtet. Falls sich das Teilchen in einem Temperaturgradienten befindet, treffen auf der heißen Seite schnellere Moleküle auf als auf der kalten Seite. Das Teilchen erfährt also einen Nettoimpuls in Richtung der kalten Seite. Die Bewegung ist immer noch ungerichtet, jedoch bewegt sich das Teilchen über lange Zeit in Richtung „kalt”. Die Thermophorese ist verantwortlich für ein Phänomen der Ablagerung von kleinen Teilchen insbesondere an kalten Gegenständen.
Bisher eingesetzte Generatorsysteme, die mit Feststoff-Reduktionsmitteln gearbeitet haben, weisen zu lange Anfahrzeiten und die eingesetzten Reduktionsmittel eine geringe Abdampfrate auf. Diese Nachteile ergeben sich durch die schlecht ausgebildete Wärmeeinkopplung, die durch die Bildung einer Partikel- und/oder Gas-Isolierschicht zwischen der eingesetzten Heizung und dem verwendeten Reduktionsmittel-Schüttgut entsteht.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, dass die mit Hilfe der Heizenergie auf eine Betriebstemperatur aufgeheizten Teile direkten Kontakt mit dem Feststoff-Reduktionsmittel haben und/oder zumindest die Teile des Generators, die mit dem Gas Kontakt haben und/oder eine das Gas zum Katalysator führende Leitung mit Hilfe zusätzlicher Wärmeenergie temperier- bzw. aufheizbar sind. Hierdurch wird die Isolationsschicht und die damit verbundene schlechte Wärmeeinkopplung zwischen Heizung und Reduktionsmittel vermieden oder sehr stark reduziert. Es ist auch vorteilhaft, dass die bei der Sublimation des Reduktionsmittels gebildeten Staubpartikel, die dazu neigen sich im Behälter bzw. im Generator und am Heizmedium bzw. an der Heizung abzulagern, zügig abgeführt werden. Zumindest die Teile des Generators, die mit Gas Kontakt haben und/oder die das Gas zum Katalysator führende Leitung können soweit aufgewärmt werden, insbesondere mit Hilfe zusätzlicher Wärmeenergie, dass die Temperatur dieser Teile etwas größer ist als die Prozesstemperatur im Generator. Da hierdurch Kaltzonen im Generator vermieden werden können, werden Ablagerungen im Generator und der zugehörigen Leitung zum Abtransport des Gases vermieden.
Vorteilhaft ist es, dass der Generator einen Behälter umfasst, der mit mindestens zwei Kammern ausgestattet ist, wobei die erste Kammer als Vorratsraum zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels und einer Heizung und die zweite Kammer zur Aufnahme des aus dem Reduktionsmittel gebildeten Gases dient, wobei im oberen Bereich des Behälters mindestens die Leitung angeschlossen ist, mit deren Hilfe das Gas zum Katalysator geführt wird. Da das Feststoff-Reduktionsmittel direkt auf der Heizung aufliegt, wird verhindert, dass die Gase zwischen Heizfläche und dem Schüttgut die erwähnte Isolierschicht und somit eine Wärmebrücke bilden, die den Wärmeeintrag von der Heizung auf das Reduktionsmittel-Schüttgut vermindert.
Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, dass der Behälter als Druckbehälter ausgebildet ist, der mit der ersten und zweiten Kammer ausgestattet ist, wobei die Bauelemente innerhalb der ersten Kammer ein geringeres Massengewicht aufweisen als innerhalb der zweiten Kammer und/oder dass die Bauelemente des Generators innerhalb der zweiten Kammer langsamer abgekühlt werden als die Heizung und/oder die Bauelemente des Generators im Bereich der Heizung. Da die Teile des Generators, die von der Heizung weiter entfernt sind, eine größere Masse aufweisen als die Heizung oder die Teile im Bereich der Heizung, kühlen diese Teile langsamer ab als die Heizung, sodass sich an diesen entfernt liegenden Teilen keine Ablagerungen bilden können. Die im Bereich der Heizung beim Abkühlvorgang gebildeten Ablagerungen werden beim Neustart des Generators schnell wieder abgebaut.
Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass die in der ersten Kammer vorgesehene Heizung als Heizstab oder als Heizplatte ausgebildet ist und zumindest die Heizplatte zahlreiche mit gleichem oder unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnete Öffnungen aufweist, wobei zumindest in einer Öffnung ein Steigrohr aufgenommen ist, über das das Gas in die Abgasanlage und/oder in den Katalysator geleitet wird. Die in der Heizplatte vorgesehenen Öffnungen dienen auch dazu, dass sich zwischen der Oberfläche der Heizung und dem Feststoff-Reduktionsmittel kein Gaspuffer bilden kann, der isolierend wirken würde.
Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest die der ersten Kammer zugeordnete Heizung die Öffnung aufweist, über die das in der ersten Kammer gebildete Gas in die zweite Kammer und dann in den Katalysator der Abgasanlage geführt wird. Der direkte Anschluss der Leitung im Bereich der Heizung und der somit sehr schnelle Abtransport der Gase aus dem Generator führt dazu, dass sich keine Ablagerungen an den Wänden des Generators bilden. Da sich die Leitung zum Abtransport des Gases in unmittelbarer Nähe der Heizung befindet, sind die Temperaturunterschiede zwischen Heizung und den daran angeschlossenen Bauteilen, insbesondere der Leitung zum Abtransport des Gases, annähernd gleich. Somit werden wenige Kaltstellen gebildet, an denen sich eine isolierende Partikel- und/oder Gasschicht ablagern kann. Ferner ist es möglich, die Leitung zu beheizen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass die Heizung bzw. die Heizplatte derart an eine Innenwand des Behälters angrenzt und/oder mit dieser verbunden ist, dass sie einen Boden für die erste Kammer bzw. den Vorratsraum zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels bildet, diese nach einer Seite hin abgrenzt und dass mit Abstand zum Boden bzw. der Heizung der ersten Kammer eine zweite Platte vorgesehen ist, die die erste Kammer zur anderen Seite hin begrenzt.
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass die die erste Kammer nach einer Seite hin begrenzende Platte als Andruckplatte für das Feststoff-Reduktionsmittel ausgebildet ist und auf dem Steigrohr gegen die Wirkung einer Stellkraft wie Feder verstellt wird. Mit Hilfe der verstellbaren Platte, die als Andruckplatte ausgebildet ist, wird das Feststoff-Reduktionsmittel fest gegen die Heizung gedrückt, damit sich der Sublimationswirkungsgrad verbessert und sich an der Heizoberfläche keine isolierende Trennschicht bilden kann.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass im unteren Bereich des Behälters ein Abschlusselement und/oder Halterungen vorgesehen sind, die zur Aufnahme des Behälters und mindestens eines weiteren Heizelements dienen, mit dessen Hilfe zumindest der untere Teil des Behälters und/oder das Anschlusselement vorgewärmt oder aufgeheizt wird. Bei Inbetriebnahme des Generators wird seine Aufwärmphase verkürzt und die zugehörigen Behälterteile sehr schnell auf die Prozesstemperatur des Generators aufgeheizt. Alle wesentlichen Bauteile des Generators, an denen das Gas vorbei- oder entlanggeführt wird, sind größer, sodass diese bei Abschalten der Heizung langsam abkühlen. Dadurch werden Ablagerungen ausgeschlossen. Die an der Heizung gebildeten Ablagerungen sind nicht störend, da sie beim Neustart des Generators sehr schnell abgebaut werden.
Ferner ist es von Vorteil, dass unterhalb der Heizung eine den Behälter nach unten begrenzende Abschlussplatte vorgesehen ist, die mit der Halterung und/oder dem Abschlusselement verbunden ist und einen im Abschlusselement vorgesehenen Hohlraum begrenzt, wobei an das Abschlusselement die Heizelemente angeschlossen sein können.
Außerdem ist es vorteilhaft, dass der Behälter zylinder- oder trichterförmig ausgebildet ist und mit einem Gasdosierungsventil, einem Drucksensor und/oder einem Thermosensor derart zusammenwirkt, dass sich das Gasdosierungsventil bei Erreichen eines bestimmten Druckniveaus bzw. des kritischen Druckverhältnisses öffnet und das Gas in den Katalysator der Abgasanlage führt. Mit Hilfe des Gasdosierungsventils wird das Gas dosiert bzw. getaktet in den Katalysator geleitet. Ist der Behälter trichterförmig ausgebildet, so kann das Granulat bzw. das Feststoffreduktionsmittel während der Sublimierungsphase sehr gut zur Heizung nachrutschen und sicherstellen, dass ein guter Kontakt zur Heizung besteht.
Vorteilhaft ist auch, dass der Behälter und/oder zumindest Teile davon und/oder die Leitung zur Katalysatoranlage zumindest teilweise von einem Kühlmittel- oder Aufwärmraum und/oder einem Isoliermittel umgeben sind. Hierdurch werden alle wichtigen Teile, die mit dem Gas in Berührung kommen bei Startbeginn des Generators soweit aufgeheizt, dass sich keine isolierenden Ablagerungen bilden können. Erst nachdem der Generator bzw. der Behälter die gewünschte Betriebstemperatur hat, beginnt die Umwandlungs- bzw. Sublimierungsphase des Feststoff-Reduktionsmittels in einen gasförmigen Zustand.
Durch den vorteilhaften Einsatz des Kühlmittel- oder Aufwärmraums und/oder Isoliermittels kühlen sich die Teile, die nicht in Heizungsnähe liegen, nach dem Abschalten des Generators nicht so schnell ab, sodass die Ablagerungen hier vermieden werden und nur im Heizungsbereich auftreten. Die Heizung kann vorwiegend aus Aluminium gebildet sein und speichert somit weniger Wärme, sodass die Heizung in der Resublimierungsphase schneller abkühlt als z. B die Wandteile des Behälters.
Das dem Kühlmantel zugeführte Kühl- oder Wärmemittel weist eine Temperatur auf, die gleich oder nur geringfügig größer ist als die Prozesstemperatur. Hat das Kühl- oder Wärmemittel z. B. nicht die gewünschte Prozesstemperatur, so wird die entsprechende Anlage mit Hilfe einer Regeleinrichtung erst dann zugeschaltet, wenn die Temperatur über der Prozesstemperatur des Generators liegt. Das hier als Kühlmantel beschriebene Vorrichtungsteil weist ein Fluid auf, das je nach Prozessphase, z. B. in der Startphase dem Generator Wärmeenergie zuführt oder in der Abschaltphase des Generators dafür sorgt, dass Wärmeenergie abgeführt wird.
Die Energiezuführung zum Generator kann z. B. aus dem Kühlmittel der Kühlmittelanlage des Kraftfahrzeugs oder einer anderen Anlage entnommen werden. Die Temperatur des Kühlmittels der Kühlmittelanlage des Kraftfahrzeugs liegt höher als die Prozesstemperatur des Generators. Es kann auch aus dem wärmeren Kraftstoff oder aus dem Bereich der Abgasanlage des Fahrzeugs Energie für den Generator abgeleitet werden, um die wesentlichen Teile des Generators, die von dem Gas umspült werden, soweit aufzuheizen oder in der Abschaltphase des Generators noch eine kurze Zeit aufgewärmt zu lassen, dass sich während des Sublimierungs- und Resublimierungsprozesses keine Partikel auf diesen Teilen ablagern können.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Ausführungsformen
Es zeigt:
1 einen Behälter zur Aufnahme und Verarbeitung eines Reduktionsmittels, der an einen Katalysator angeschlossen ist;
2 eine perspektivische Teildarstellung des Generators mit einem Behälter zur Aufnahme eines Feststoff-Reduktionsmittels im Längsschnitt;
3 eine perspektivische Teildarstellung des Behälters im Längsschnitt gemäß 2 mit im Behälter vorgesehenem Heiz- und Vorratsraum zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels;
4 eine weitere Variante des in einer Ersatzreifenmulde integrierten Generators gemäß 2, wobei hier der Einfachheit halber nur der Behälter des Generators und die Heizung dargestellt sind;
5 verschiedene Parameter über den Zusammenhang zwischen Behälter-Innendruck und dem ausströmenden NH₃-Massenstrom unter Berücksichtigung des kritischen Druckverhältnisses.
In der Darstellung gemäß 1 ist ein Generator nachstehend auch als Behälter 1 bezeichnet, der an einen SCR-Katalysator 2 angeschlossen ist. Der Behälter 1 dient zur Aufnahme eines Feststoff-Reduktionsmittels wie Ammoniumcarbonat NH₂CO₂NH₄.
Bei einem mit Diesel-Kraftstoff betriebenen Fahrzeug muss aufgrund der Abgasgesetzgebung in Europa und USA unter anderem der Schadstoff NO_x erheblich reduziert werden. Eine Methode, die zur Anwendung kommt, ist das SCR-Verfahren (selective catalytic reduction = selektive katalytische Reduktion), bei dem der Schadstoff NO_x unter Zuhilfenahme eines Reduktionsmittels an einem Katalysator zu N₂ und H₂O reduziert wird. Die chemische Reaktion der Reduktion ist selektiv, das heißt, es werden nicht alle Abgaskomponenten reduziert, sondern nur die Stickoxide (NO, NO₂). Zum Ablauf der Reaktion wird Ammoniak (NH₃) benötigt, der dem Abgas zugemischt wird. Die Produkte der Reaktion sind Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂).
Der an den Katalysator 2 angeschlossene Generator weist den Behälter 1 auf, in dem das für den Katalysator 2 benötige Reduktionsmittel, wie nachstehend näher erläutert, hergestellt und über eine Leitung 35 in den Katalysator 2 eingespeist wird.
Der Behälter 1 ist gemäß 1 und 2 zylinderförmig ausgebildet und an seinem oberen Ende mit einem Flansch 22 mit einer Öffnung 38 (2) und an seinem unteren Ende mit einem Flansch 27 mit einer Öffnung 38.1 (3) zum Anschluss je eines in der Zeichnung nicht dargestellten Thermosensors versehen.
Der Behälter 1 weist in seinem unteren Bereich eine an seinen Innendurchmesser angepasste kreisförmige Abschlussplatte 31 auf, die einen darüber liegenden Vorratsraum 14 zur Aufnahme des Reduktionsmittels nach unten abteilt.
In einem Abschlusselement 30 können zusatzliche Heizelemente 33 vorgesehen sein, die bei der Startphase des Generators den Aufheizvorgang beschleunigen können.
Der Behälter 1 ist in etwa über seine gesamte Länge doppelwandig ausgebildet und weist dadurch einen Wärmespeicherraum bzw. Kühlmittelraum 34 zur Aufnahme eines Kühlmittels auf. Der Kühlmittelraum 34 steht über in der Zeichnung nicht dargestellte Leitungen mit einer Kühlmittelanlage des Kraftfahrzeugs oder einer separaten Kühlanlage in Verbindung. Mit Hilfe des Kühlmittels wird der Behälter 1 bei Betriebsaufnahme und bei Betriebsende des Generators sehr schnell auf eine bestimmte Betriebstemperatur eingestellt. Beim Systemkaltstart des Generators 1 wird dieser unabhängig von einer im Behälter 1 angeordneten Heizung 4 durch die getrennt geschaltete zusätzliche Heizung 33 vorgewärmt, die als Glühstiftkerze ausgebildet ist. Die Heizelemente 33 können den Generator so erwärmen, dass beim Abschalten des Generators die Wärme im Generator am längsten gespeichert bleibt.
Im Flansch 22 ist neben dem Thermosensor ein Gasdosierungsventil 36 und ein Drucksensor 37 vorgesehen, die derart zusammenwirken, dass sich das Gasdosierungsventil 36 bei Erreichen eines bestimmten Druckniveaus bzw. des kritischen Druckverhältnisses öffnet und das Gas in den Katalysator 2 einer Abgasanlage 2.2 führt. Ferner kann auch das Gasdosierungsventil 36 beheizbar sein, um es gegen Ablagerungen zu schützen.
Der Generator mit dem Behälter 1 ist mit mindestens zwei Kammern 11, 14 ausgestattet, wobei die erste Kammer 14, wie bereits erwähnt, als Vorratsraum zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels und der Heizung 4 und die zweite Kammer 11 zur Aufnahme des aus dem Reduktionsmittel gebildeten Gases dient.
Oberhalb der Abschlussplatte 31 ist die kreisrunde Heizplatte 4 vorgesehen, auf deren gesamter Oberfläche zahlreiche mit Abstand zu einander angeordnete Öffnungen 4.1 eingelassen sind. Die Heizplatte 4 ist mit Abstand zur Abschlussplatte 31 angeordnet und bildet die untere Begrenzung der ersten Kammer 14 bzw. des Vorratsraums zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels. Unterhalb der Abschlussplatte 31 ist ein Hohlraum (32) vorgesehen, der dazu dient, die Massen in diesem Bereich zu reduzieren.
Die Heizplatte 4 ist an eine Halterung 29 fest angeschlossen und weist eine konzentrisch angeordnete Öffnung 4.2 auf, in der ein aufrecht stehendes Steigrohr 3 befestigt ist. Im Bereich des oberen Endes ist auf dem Steigrohr 3 eine als Vorspannvorrichtung ausgebildete kreisrunde Platte bzw. Andruckplatte 15 verschiebbar gelagert. Die Platte bzw. Andruckplatte 15 bildet mit der Heizplatte die erste Kammer 14 bzw. den Vorratsraum zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels.
Die auf dem Steigrohr 3 verschiebbar angeordnete Platte 15 wird gegen die Wirkung einer Stellkraft oder eines Vorspannmechanismus nach dem Beispiel gemäß 2 gegen die Wirkung einer Feder 3.1 in Pfeilrichtung 6 verschoben. Die Feder 3.1 liegt mit ihrem einem Ende gegen die Oberfläche der Platte 15 und mit ihrem anderen Ende gegen einen Flansch 3.2 des Steigrohrs 3 an.
Die in der ersten Kammer 14 vorgesehene Heizung 4, die als Heizstab oder als Heizplatte ausgebildet ist, weist zahlreiche mit gleichem oder unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnete Öffnungen 4.1, 4.2 auf, wobei zumindest in einer Öffnung 4.2 das Steigrohr 3 aufgenommen ist, über das das Gas dem Katalysator 2 der Abgasanlage 2.2 zugeführt wird.
Der Behälter 1 ist an den Flansch 27 fest angeschlossen, der das sich zumindest teilweise in den Behälter 1 erstreckende Abschlusselement 30 umfasst.
Im oberen Bereich des Behälters 1 ist mindestens die Leitung 35 angeschlossen, mit deren Hilfe das Gas zum Katalysator 2 geführt wird. Die Leitung ist mit einem Heizmantel oder mit einem Isoliermittel 35.1 ummantelt.
Die Heizung 4 bzw. die Heizplatte grenzt derart an eine Innenwand 28 des Behälters 1 an oder ist mit dieser so verbunden, dass sie einen Boden für die erste Kammer 14 bzw. den Vorratsraum zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels bildet. Die Heizung 4 grenzt die Kammer 14 nach einer Seite hin ab. Die zweite Platte 15 ist mit Abstand zum Boden bzw. zu der Heizung 4 vorgesehen und grenzt die erste Kammer 14 zur anderen Seite oder nach oben hin ab.
Damit ein konstanter und dosierter Massenstrom des Reduktionsmittels NH₃ im Generatorsystem und im Abgastrakt gewährleistet wird, ist es vorteilhaft, dass auch andere Rahmenbedingungen für den Arbeitsprozess des Generators 1 verbessert werden. Hierzu gehört ein optimaler Wärmeübergang zwischen Motorkühlwasser im Kühlmittel- oder Aufwärmraum 34 und dem Generator, damit das Medium schnell auf die erforderliche Betriebstemperatur eingestellt werden kann. In vorteilhafter Weise kann die im Fahrzeug vorhandene Wärmeenergie genutzt und dadurch der Gesamtwirkungsgrad des Kraftfahrzeugs verbessert werden.
Das kritische Druckverhältnis zur Sublimierung des Mediums wird durch die Größen P_a/P_m definiert. P_a bezieht sich auf den im Behälter 2 vorhandenen Druck und P_mi auf den Druck außerhalb des Behälters. Der kritische Druck lässt sich durch die Formel P_krit = P_a/P_mi ermitteln.
Hier gilt der dimensionslose Wert von 0,55.
Geht man von dem möglichen maximal auftretenden Abgasgegendruck bzw. Außendruck aus, so liegt der P_a Wert bei 1,6 bar absolut und einem Behälter-Innendruck von P_mi bei 2,93. Das kritische Druckverhältnis beträgt dann 0,55. Steigt der Druck P_mi im Gaspufferraum auf einen Wert über 3 bar absolut an, so liegt ein kritisches Druckverhältnis vor und der Sublimierungsprozess kann ablaufen. Ferner lässt sich nun mit Hilfe des Dosierventils 36 der Massenstrom des NH₃ zum Katalysator 2 steuern und die erforderliche Menge des Reduktionsmittels NH₃ in den Katalysator 2 einleiten.
Die Einbeziehung des kritischen Druckverhältnisses ist sehr wichtig, da nur dann die erforderliche Menge an NH₃-Gas in den Abgastrakt dosiert eingeleitet werden kann, wenn der Behälter-Innendruck P_mi gleich oder größer als 3 bar ist. Steigt der Behälter-Innendruck P_mi ber einen Wert von 3 bar an, so kann gemäß 4 auch bei völlig geöffnetem Dosierventil 36 der Massenstrom des NH₃ nicht mehr vergrößert werden. Deshalb ist es für einen energiesparenden Prozessablauf wichtig, dass der Behälter-Innendruck P_mi den Wert von 3 bar nicht unterschreitet und auch nicht zu weit überschreitet.
Mit Hilfe des am Behälter 1 angeschlossenen Thermosensors und des Drucksensors 37 werden die Parameter des Prozessablaufs erfasst und der Behälter-Innendruck P_mi entsprechend auf den gewünschten Wert von 3 bar eingestellt. Der Behälter-Innendruck lässt sich durch die Wärmeenergiezufuhr regeln. Steigt der Behälter-Innendruck über den Wert von 3 bar an, so wird die Wärmeenergiezufuhr gedrosselt und hierzu die Heizenergie der Heizplatte 4 abgesenkt und/oder der Kühlmittelkreislauf heruntergefahren.
5 zeigt den Einfluss des Druckniveaus bis zu 5 bar P_mi bei variablen Drosselöffnungsfaktoren und den sich daraus ergebenden NH₃-Massenstrom. Die drei oberen Kurvenverläufe für die Drücke 3, 4 und 5 bar zeigen auch, dass der NH₃ Massenstrom bei Überschreiten des Wertes 3 bar P_mi nicht mehr gesteigert werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Aufnahme eines Feststoff-Reduktionsmittels wie Ammoniumcarbonat oder Ammoniakcarbamat, in einem Generator, dem mit Hilfe von Heizenergie zur Sublimation des Feststoff-Reduktionsmittels Energie zugeführt wird, wobei bei der Sublimation des Feststoff-Reduktionsmittels innerhalb des Generators Gase entstehen, die aus dem Generator abgeführt und einem Katalysator (2) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Hilfe der Heizenergie auf eine Betriebstemperatur aufgeheizten Teile direkten Kontakt mit dem Feststoff-Reduktionsmittel haben und/oder zumindest die Teile des Generators, die mit dem Gas Kontakt haben und/oder eine das Gas zum Katalysator (2) führende Leitung (35) temperier- bzw. aufheizbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator einen Behälter (1) umfasst, der mit mindestens zwei Kammern (11, 14) ausgestattet ist, wobei die erste Kammer (14) als Vorratsraum zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels und einer Heizung (4) und die zweite Kammer (11) zur Aufnahme des aus dem Reduktionsmittel gebildeten Gases dient, wobei im oberen Bereich des Behälters (1) mindestens die Leitung (35) angeschlossen ist, mit deren Hilfe das Gas zum Katalysator (2) geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) als Druckbehälter ausgebildet ist, der mit der ersten und zweiten Kammer (11, 14) ausgestattet ist, wobei die Bauelemente innerhalb der ersten Kammer (14) ein geringeres Massengewicht aufweisen als innerhalb der zweiten Kammer (11) und/oder dass die Bauelemente des Generators innerhalb der zweiten Kammer (11) langsamer abgekühlt werden als die Heizung und/oder die Bauelemente des Generators im Bereich der Heizung (4).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Kammer (14) vorgesehene Heizung (4) als Heizstab oder als Heizplatte ausgebildet ist und zumindest die Heizplatte zahlreiche mit gleichem oder unterschiedlichem Abstand zueinander angeordnete Öffnungen (4.1, 4.2) aufweist, wobei zumindest in einer Öffnung (4.2) ein Steigrohr (3) aufgenommen ist, über das das Gas in die Abgasanlage (2.2) und/oder in den Katalysator (2) geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die der ersten Kammer (14) zugeordnete Heizung (4) die Öffnung (4.2) aufweist, über die das in der ersten Kammer (14) gebildete Gas in die zweite Kammer (11) und dann in den Katalysator (2) der Abgasanlage (2.2) geführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (4) bzw. die Heizplatte derart an eine Innenwand (28) des Behälters (1) angrenzt und/oder mit dieser verbunden ist, dass sie einen Boden für die erste Kammer (14) bzw. den Vorratsraum zur Aufnahme des Feststoff-Reduktionsmittels bildet, diese nach einer Seite hin abgrenzt und dass mit Abstand zum Boden bzw. der Heizung (4) der ersten Kammer (14) eine zweite Platte (15) vorgesehen ist, die die erste Kammer (14) zur anderen Seite hin begrenzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die erste Kammer (14) nach einer Seite hin begrenzende Platte (15) als Andruckplatte für das Feststoff-Reduktionsmittel ausgebildet ist und auf dem Steigrohr (3) gegen die Wirkung einer Stellkraft (Feder 15.1) verstellt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des Behälters (1) ein Abschlusselement (30) und/oder Halterungen (29) vorgesehen sind, die zur Aufnahme des Behälters (1) und mindestens eines weiteren Heizelements (33) dienen, mit dessen Hilfe zumindest der untere Teil des Behälters (1) und/oder das Anschlusselement (30) vorgewärmt oder aufgeheizt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Heizung (4) eine den Behälter (1) nach unten begrenzende Abschlussplatte (31) vorgesehen ist, die mit der Halterung (29) und/oder dem Abschlusselement (30) verbunden ist und einen im Abschlusselement (30) vorgesehenen Hohlraum (32) begrenzt, wobei an das Abschlusselement (30) die Heizelemente (33) angeschlossen sein können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) zylinder- oder trichterförmig ausgebildet ist und mit einem Gasdosierungsventil (36), einem Drucksensor (37) und/oder einem Thermosensor (38) derart zusammenwirkt, dass sich das Gasdosierungsventil (36) bei Erreichen eines bestimmten Druckniveaus bzw. des kritischen Druckverhältnisses öffnet und das Gas in den Katalysator (2) der Abgasanlage (2.2) führt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) und/oder zumindest Teile davon und/oder die Leitung (35) zur Katalysatoranlage (2) zumindest teilweise von einem Kühlmittel- oder Aufwärmraum (34) und/oder einem Isoliermittel (35.1) umgeben sind.