DE102009019676A1

DE102009019676A1 - Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion in sauerstoffhaltigem Abgas

Info

Publication number: DE102009019676A1
Application number: DE102009019676A
Authority: DE
Inventors: Joachim Moser; Martin Kaufmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-11-04

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion in sauerstoffhaltigem Abgas einer Brennkraftmaschine (1) vorgeschlagen, mit einem stromabwärts der Brennkraftmaschine (1) vorgesehenen Oxidationskatalysator (5) und einem stromabwärts davon vorgesehenen Reduktionskatalysator (6) und einer Einrichtung (7) zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (8) stromaufwärts des Reduktionskatalysatsors (6), wobei die Einrichtung (7) das Reduktionsmittel in einem gasförmigen Aggregatzustand in die Abgasleitung (8) einbringt, derart, dass am Eintritt (9) in den Reduktionskatalysator (6) weitgehend Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgas gegeben ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion in sauerstoffhaltigem Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem stromabwärts der Brennkraftmaschine vorgesehenen Oxidationskatalysator und einem stromabwärts davon vorgesehenen Reduktionskatalysator und einer Einrichtung zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung stromaufwärts des Reduktionskatalysators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Brennkraftmaschinen, die nach dem Prinzip des Magermotors betrieben werden, werden mit Luftüberschuss betrieben und in den sauerstoffhaltigen Abgasen von diesen Brennkraftmaschinen finden sich Stickoxide wieder, die mittels einer selektiven katalytischen Reduktion entfernt werden können, wobei zu diesem Zweck Ammoniak als effizientes Reduktionsmittel eingesetzt werden kann.
Bei bekannten Systemen wird Ammoniak durch Hydrolyse aus wässrigem Harnstoff gewonnen, indem der Harnstoff verdampft und über einen Katalysator zur Bildung von Ammoniak geleitet wird. Anhand der US 6,928,806 B2 ist ein System zur Nachbehandlung von Abgasen aus einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, welches stromabwärts der Brennkraftmaschine einen Oxidationskatalysator besitzt, stromabwärts dessen ein SCR Katalysator vorgesehen ist und stromabwärts dessen wiederum ein Partikelfilter vorgesehen ist.
Bei diesem bekannten System wird Harnstoff über eine Eindüsstelle stromaufwärts des SCR Katalysators eingetragen. Dieses flüssige Medium muss vor der Reaktion in dem SCR Katalysator verdampft werden, wozu eine entsprechend lang ausgebildete Strecke zur Verdampfung notwendig ist.
Dadurch aber steigt der Abstand zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR Katalysator an, durch die Verdampfung des flüssigen Harnstoffs wird dem Abgas Energie entzogen, wodurch die Eintrittstemperatur des Abgases in den SCR Katalysator sinkt und demgemäß die Zeitdauer bis zum Anspringen einer katalytischen Reduktion in dem SCR Katalysator ansteigt. Dies wiederum führt dazu, dass die NOx-Reduktion bis zum Anspringen der katalytischen Reaktion im Katalysator unvollständig stattfindet und demgemäß der entsprechende Austrag an Stickoxiden während der noch nicht ausreichenden Temperatur zur Reduktion im Reduktionskatalysator ansteigt.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die gattungsgemäße Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion derart weiterzubilden, dass ein schnelleres Anspringen der Stickoxid Reduktion im Reduktionskatalysator möglich ist.
Die zur Lösung dieser Aufgabe geschaffene Erfindung weist die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion in sauerstoffhaltigem Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem stromabwärts der Brennkraftmaschine vorgesehenen Oxidationskatalysator und einem stromabwärts davon vorgesehenen Reduktionskatalysator und einer Einrichtung zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung stromaufwärts des Reduktionskatalysators, wobei die Einrichtung das Reduktionsmittel in einem gasförmigen Aggregatszustand in die Abgasleitung einbringt derart, dass am Eintritt in den Reduktionskatalysator weit gehend Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgas gegeben ist.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird erreicht, dass das Reduktionsmittel in den Abgasstrom nicht mehr in bekannter Weise in einem flüssigen Aggregatszustand eingebracht wird, sondern bereits gasförmig vorliegt und daher die Verdampfung des flüssigen Reduktionsmittels wegfällt. Dadurch kann eine vor dem Eintritt in den Reduktionskatalysator vorgesehene Mischstrecke zur Mischung des Reduktionsmittels und des Abgases verglichen mit der bekannten Vorrichtung deutlich verkürzt werden. Die Einbringung des Reduktionsmittels in die Abgasleitung ist nach der Erfindung so vorgesehen, dass am Eintritt in den Reduktionskatalysator weit gehend Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgas gegeben ist.
Durch die Gleichverteilung beziehungsweise die weit gehend vorgesehene Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgas wird erreicht, dass am Ende der Abgasleitung beim Austritt des Abgases in die Umgebung kein oder kein nennenswerter Austritt an Reduktionsmittel in die Umgebung mehr stattfindet.
Über die Gleichverteilung wird nämlich erreicht, dass die Umsetzungsrate im Reduktionskatalysator ansteigt und die für die Umsetzung notwendige Menge an Reduktionsmittel abnimmt, so dass der Eintrag an Reduktionsmittel in die Abgasleitung auf ein Minimum reduziert werden kann. Dadurch ist eine gezielte Einstellung des Eintrags an Reduktionsmittel in das Abgas möglich und es kann ein bei bekannten Systemen vorgesehener weiterer Oxidationskatalysator zur Verringerung des Austrags an Reduktionsmittel in die Umgebung in Wegfall geraten.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Reduktionsmittel gasförmiges Ammoniak ist und stromaufwärts des Eintritts des Reduktionskatalysators eine Mischstrecke mit Drall und/oder Turbulenz erzeugenden Mitteln vorgesehen ist.
Bei den Mitteln zur Erzeugung von Drall und/oder Turbulenz kann es sich um Leitschaufeln handeln, die von einer Längsmittelachse der Abgasleitung konzentrisch nach radial außen ausgehen. Ganz allgemein kann es sich bei diesen Mitteln auch um in einen Abschnitt der Abgasleitung stromaufwärts des Reduktionskatalysators angeordnete gekrümmt ausgebildete Verwirbelungselemente handeln, die beispielsweise mittels eines Stanzvorganges aus einer Blechtafel gefertigt werden können und die sich aus der Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasleitung im Winkel zur Längsmittelachse der Abgasleitung erstrecken und für eine intensive Verwirbelung des Reduktionsmittels im Abgasstrom sorgen.
Das in einem gasförmigen Aggregatszustand vorliegende Ammoniak kann stromaufwärts der Mischstrecke in das Abgas eingetragen werden oder auch im Bereich der Längserstreckung der Mischstrecke, die für die intensive Verwirbelung des Reduktionsmittels mit dem Abgas sorgt. Es ist also nach der Erfindung auch vorgesehen, dass sich die Eindüsstelle für das Ammoniak innerhalb der Längserstreckung der Mischstrecke befindet und das Ammoniak daher in das mit intensiven Verwirbelungen strömende Abgas eingetragen wird und somit die Längserstreckung der Mischstrecke verglichen mit bekannten Anordnungen deutlich verringert werden kann. Dies wiederum sorgt dafür, dass die Temperatur des Gemisches aus Abgas und Reduktionsmittel beim Eintritt in den Reduktionskatalysator höher ist, als dies bei der bekannten Anordnung der Fall ist und somit auch die Umsetzung im Reduktionskatalysator zeitlich betrachtet früher einsetzt, als dies bei der vorstehend beschriebenen bekannten Anordnung der Fall ist.
Nach einer alternativen Ausführungsform ist es auch vorgesehen, dass das Reduktionsmittel gasförmiges Ammoniak ist und die Einrichtung das Reduktionsmittel in die Abgasleitung in einem Bereich mit zumindest weit gehend turbulenter Strömung einbringt. Nach dieser Ausführungsform können also die vorstehend erwähnten Mittel zur Erzeugung von Drall und/oder Turbulenz entfallen und die Eindüsstelle für das Reduktionsmittel befindet sich in einem Bereich der Abgasleitung mit weit gehend turbulenter Strömung. Diese Konfiguration sorgt dafür, dass das Reduktionsmittel im Abgas weit gehend gleich verteilt vorliegt, bevor es in den Reduktionskatalysator eintritt.
Ganz allgemein ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass sich die Vorrichtung nahe der Brennkraftmaschine angeordnet befindet, so dass eine Einrichtung zur Temperaturerhöhung der Mischung aus Reduktionsmittel und Abgas vor dem Eintritt in den Reduktionskatalysator vermieden werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es schließlich auch noch vorgesehen, dass sich stromabwärts des Reduktionskatalysators eine Einrichtung zur Filterung von partikelförmigen Teilchen aus dem Abgasstrom befindet. Bei dieser Einrichtung kann es sich beispielsweise um einen Dieselpartikelfilter handeln.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit daran angeschlossener Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOx Reduktion nach einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um einen 6-Zylinder Dieselmotor, der über einen vom Abgas beaufschlagte Turbine 2 angetriebenen Verdichter 3 zwangsbeatmet wird.
Im Abgasstrang 4 befindet sich ein Oxidationskatalysator (DOC) stromabwärts der Brennkraftmaschine 1 angeordnet, dem stromabwärts ein Reduktionskatalysator 6 (SCR) nachgeschaltet ist.
Stromaufwärts des Reduktionskatalysators 6 ist eine Einrichtung 7 zur Einbringung eines Reduktionsmittels in der Form von gasförmigem Ammoniak vorgesehen. Bei der Einrichtung 7 kann es sich um eine Düse handeln, über die Ammoniak aus einem nicht näher dargestellten Behälter in den Abgasstrang 4 eingetragen wird.
Im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Reduktionsmittel in einem gasförmigen Aggregatszustand in die Abgasleitung 8 eingetragen, so dass eine Einrichtung zur Verdampfung von üblicherweise verwendetem flüssigen Harnstoff entfallen kann.
Der Eintrag von gasförmigem Ammoniak in die Abgasleitung 8 ist dabei so vorgesehen, dass am Eintritt 9 des Reduktionskatalysators weit gehend Gleichverteilung des Ammoniaks im Abgas der Brennkraftmaschine 1 gegeben ist.
Es ist dabei nach der Erfindung vorgesehen, dass die Gleichverteilung beispielsweise während eines Prüfstandslaufs der Brennkraftmaschine 1 bei der Abstimmung der Brennkraftmaschine im Werk verifiziert wird. Zu diesem Zweck können am Motorenprüfstand eine für die spätere Serienfertigung vorgesehene Brenn kraftmaschine 1 und ein für die spätere Serienfertigung vorgesehener Abgasstrang 4 im Bereich des Eintritts 9 des SCR Katalysators 6 mit über die Fläche des Eintritts 9 verteilt angeordneten Sensoren zur Detektion von Ammoniak im Gemisch aus Ammoniak und Abgas appliziert werden, so dass die Ammoniak Verteilung im Abgas bestimmt werden kann.
Über eine entsprechende Anordnung der Einrichtung 7 in der Abgasleitung 8 stromaufwärts des SCR Katalysators 6 kann die Verteilung des Ammoniaks im Abgas in Richtung zur angestrebten Gleichverteilung hin optimiert werden. Zu diesem Zweck wird beispielsweise die Eindüsstelle in der Abgasleitung 8 hinsichtlich ihrer Anordnung in Längsrichtung der Abgasleitung 8 solange modifiziert, bis die gewünschte Gleichverteilung zumindest weit gehend erreicht wird.
Da es sich bei der Brennkraftmaschine 1 und dem Abgasstrang 4 ansonsten um für die Serienfertigung vorgesehene Bauteile handelt, ist nach dem Prüfstandslauf eine Anordnung getroffen worden, die für die spätere Serienfertigung übernommen werden kann und bei der dann auch nach dem Einbau der Brennkraftmaschine 1 und dem Abgasstrang 4 in das Fahrzeug am Eintritt 9 des SCR Katalysators 6 zumindest weit gehend Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgas vorliegt.
Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich die Einrichtung 7 für den Eintrag des Ammoniaks in die Abgasleitung 8 an einer Stelle der Abgasleitung 8 angeordnet, an der in der Abgasleitung 8 eine turbulente Strömung vorliegt. Auf diese Weise kann die für die Vermischung des Ammoniaks im Abgas notwendige Mischstrecke 11 hinsichtlich ihrer Längserstreckung reduziert werden, so dass sich das die Brennkraftmaschine 1 verlassende Abgas bis zum Eintritt in den SCR Katalysator 6 nicht so weit abgekühlt hat, wie dies bei bekannten Vorrichtungen der Fall ist. Dies wiederum trägt dazu bei, dass die Umsetzung im SCR Katalysator 6 früher einsetzt, als dies bei der bekannten Vorrichtung der Fall ist, so dass auch entsprechend früher der Austrag von Stickoxiden aus dem Ende der Abgasleitung 8 endet.
Wie es darüber hinaus die Zeichnung auch zeigt, können im Bereich der Abgasleitung 8 auch Mittel 10 vorgesehen sein, die Drall und/oder Turbulenz im Abgasstrom erzeugen, so dass die Verteilung des Ammoniaks im Abgas weiter in Richtung zur angestrebten Gleichverteilung hin optimiert werden kann. Diese Mittel 10 befinden sich dabei in einer Mischstrecke 11 angeordnet und kommen dann zum Einsatz, wenn am Prüfstandslauf festgestellt wird, dass die angestrebte Gleichverteilung am Eintritt 9 des SCR Katalysators 6 ohne die Mittel 10 nicht in der gewünschten Weise erreicht wird. Die Applikation der Mittel 10 hängt dabei von der gewählten Konfiguration der Abgasleitung 8 sowie der Brennkraftmaschine 1 ab, so dass sich bei einer Kombination aus Brennkraftmaschine 1 und Abgasleitung 8 die Applikation der Mittel 10 zur Erzeugung von Drall und/oder Turbulenz als notwendig herausstellen kann, während bei einer anderen Kombination aus einer anderen Brennkraftmaschine 1 und einer anderen Abgasleitung 8 die Mittel 10 entbehrlich sind, da die angestrebte Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgas am Eintritt 9 des Reduktionskatalysators 6 in der angestrebten Weise auch ohne die Applikation der Mittel 10 erreicht wird.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist stromabwärts des SCR Katalysators 6 ein Dieselpartikelfilter 12 vorgesehen, mit dem Rußpartikel aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 entfernt werden können. Stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 12 kann optional eine Einrichtung 13 zum Eintrag von Wärme in das Abgas vor dem Dieselpartikelfilter 12 vorgesehen sein, um die die für die Regeneration des Dieselpartikelfilters 12 erforderliche Temperatur bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht es möglich, die Zeit vom Start der Brennkraftmaschine bis zum Beginn der Umsetzung im Reduktionskatalysator zu verringern, so dass die Stickoxid Reduktion früher einsetzt, als dies bei der bekannten Vorrichtung der Fall ist.
Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.

1: Brennkraftmaschine
2: Turbine
3: Verdichter
4: Abgasstrang
5: Oxidationskatalysator
6: SCR Katalysator
7: Einrichtung
8: Abgasleitung
9: Eintritt
10: Mittel
11: Mischstrecke
12: Dieselpartikelfilter
13: Einrichtung zur Temperaturerhöhung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6928806 B2 [0003]

Claims

Vorrichtung zur selektiven katalytischen NOx Reduktion in sauerstoffhaltigem Abgas einer Brennkraftmaschine (1), mit einem stromabwärts der Brennkraftmaschine (1) vorgesehenen Oxidationskatalysator (5) und einem stromabwärts davon vorgesehenen Reduktionskatalysator (6) und einer Einrichtung (7) zur Einbringung eines Reduktionsmittels in eine Abgasleitung (8) stromaufwärts des Reduktionskatalysators (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7) das Reduktionsmittel in einem gasförmigen Aggregatszustand in die Abgasleitung (8) einbringt derart, dass am Eintritt (9) in den Reduktionskatalysator (6) weitgehend Gleichverteilung des Reduktionsmittels im Abgas gegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel gasförmiges Ammoniak ist und stromaufwärts des Eintritts (9) des Reduktionskatalysators (6) eine Mischstrecke (11) mit Drall und/oder Turbulenz erzeugenden Mitteln (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel gasförmiges Ammoniak ist und die Einrichtung (7) das Reduktionsmittel in die Abgasleitung (8) in einem Bereich mit zumindest weitgehend turbulenter Strömung einbringt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine motornahe Anordnung der Vorrichtung derart, dass eine Einrichtung zur Temperaturerhöhung der Mischung aus Reduktionsmittel und Abgas vermieden ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Reduktionskatalysators (6) eine Einrichtung (12) zur Filterung von partikelförmigen Teilchen aus dem Abgasstrom vorgesehen ist.