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EP2018470A1 - Vorrichtung zur aufbereitung von abgas einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur aufbereitung von abgas einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number
EP2018470A1
EP2018470A1 EP07725276A EP07725276A EP2018470A1 EP 2018470 A1 EP2018470 A1 EP 2018470A1 EP 07725276 A EP07725276 A EP 07725276A EP 07725276 A EP07725276 A EP 07725276A EP 2018470 A1 EP2018470 A1 EP 2018470A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating element
hydrolysis
jacket tube
channel
rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07725276A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf BRÜCK
Marc Brugger
Thomas HÄRIG
Peter Hirth
Ulf Klein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH filed Critical Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Publication of EP2018470A1 publication Critical patent/EP2018470A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion
    • F01N3/206—Adding periodically or continuously substances to exhaust gases for promoting purification, e.g. catalytic material in liquid form, NOx reducing agents
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
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    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404—Removing only nitrogen compounds
    • B01D53/9409—Nitrogen oxides
    • B01D53/9431—Processes characterised by a specific device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/20—Reductants
    • B01D2251/206—Ammonium compounds
    • B01D2251/2067—Urea
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/16—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an electric heater, i.e. a resistance heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N2240/40—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a hydrolysis catalyst
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
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    • F01N2610/00—Adding substances to exhaust gases
    • F01N2610/11—Adding substances to exhaust gases the substance or part of the dosing system being cooled
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention is an apparatus for the treatment of exhaust gas of an internal combustion engine, wherein in particular the reduction of the nitrogen oxide content of the exhaust gas by means of a selective catalytic reduction (selective catalytic reduction, SCR) is in the foreground.
  • a selective catalytic reduction selective catalytic reduction, SCR
  • the present invention is concerned with the provision of reducing agents which act selectively on nitrogen oxides, in particular ammonia.
  • the exhaust of internal combustion engines has substances whose emission into the environment is undesirable.
  • nitrogen oxides (NO x ) may only be present in the exhaust gas of internal combustion engines up to a certain limit value.
  • the emission of nitrogen oxides, aftertreatment methods have been established with which a further reduction of nitrogen oxide emissions is possible.
  • a selective reduction of nitrogen oxides to molecular nitrogen (N 2 ) using a reducing agent is ammonia (NH 3 ).
  • Ammonia is often not stored in the form of ammonia, but rather an ammonia precursor is stored, which is converted into ammonia if necessary.
  • Possible ammonia precursors are, for example, urea ((NH 2 ) 2 CO), ammonium carbamate, isocyanic acid (HCNO), cyanuric acid and the like.
  • urea has proven to be easy to store.
  • the urea is stored in the form of a urea-water solution. Urea and especially urea water solution is harmless to health, easy to distribute and store.
  • a urea hydrogen solution is marketed under the name "Ad Blue”.
  • the object of the present invention is to propose a device with which the disadvantages known from the prior art can at least be alleviated.
  • the device according to the invention for the treatment of exhaust gas of an internal combustion engine comprises at least one metering line for adding an aqueous solution, a hydrolysis catalytic converter connected to the metering line and an SCR catalytic converter, wherein the SCR catalytic converter is permeable to exhaust gas. is flowable.
  • at least one rod-shaped heating element is formed, by means of which at least one of the following components can be heated: a) at least parts of the metering line and b) the hydrolysis catalyst.
  • a rod-shaped heating element is understood in particular to mean an electrically heatable element in which a heating conductor is embedded in a corresponding medium.
  • this may be a jacket tube, which is heated from the inside by the corresponding heating element.
  • this jacket tube may preferably be formed a heating cartridge such as a ceramic heater cartridge, which comprises a ceramic element with a heating conductor embedded in these.
  • a hydrolysis catalyst is understood to mean a flow-through component which catalyzes a hydrolysis of a reducing agent precursor to form a reducing agent.
  • a hydrolysis catalyst is understood to mean a component which comprises a catalytic coating by means of which the hydrolysis of urea to ammonia can be catalyzed.
  • the aqueous solution comprises at least one reducing agent precursor of a reducing agent for use in the S CR process.
  • a reducing agent precursor is understood in particular to mean a substance which can split off the reducing agent or can be converted into it.
  • the aqueous solution comprises at least urea.
  • ingredients in the aqueous solution are possible and according to the invention, in particular substances by means of which the freezing point of the aqueous solution can be reduced.
  • these are formic acid and / or ammonium formate.
  • the connection between the feed line and the hydrolysis catalyst is designed so that during operation completely evaporated solution enters the hydrolysis catalyst.
  • the device according to the invention comprises, in particular, an SCR catalytic converter, which is formed in the exhaust gas line and can thus be flowed through by exhaust gas, while The feed line and the hydrolysis catalytic converter are formed outside the exhaust pipe and exhaust gas does not flow through it.
  • This makes it possible to form hydrolysis catalysts whose volume can be substantially reduced compared to conventional hydrolysis catalysts through which exhaust gas can flow.
  • conventional hydrolysis catalysts have a volume of at least 500 ml and more, while according to the present invention the hydrolysis catalyst may have less than 100 ml volume.
  • the device according to the invention is operated in such a way that the supply line can be heated in such a way that evaporation of the aqueous solution takes place in it.
  • Preferred here is an embodiment in which a complete evaporation, d. H. an evaporation of at least 90% by weight, preferably of at least 95% by weight of the aqueous solution, particularly preferably of at least 98% by weight of the aqueous solution takes place.
  • the heating takes place essentially via the rod-shaped heating element.
  • the device according to the invention can be used advantageously for the treatment of the exhaust gases of stationary and / or mobile internal combustion engines, in particular for the treatment of the exhaust gases of motor vehicles, in particular automobiles, passenger cars, trucks, motorized two-wheelers and / or so-called all terrain vehicles, water vehicles. and / or aircraft.
  • the Zugabtechnisch inside has an average roughness of 8 to 12 micrometers.
  • the average roughness depth is also called Rz.
  • Rz the distance from measuring points of the surface to a reference line or plane is determined. This measurement is carried out on five equally long individual measuring sections. From each of these individual measuring distances, the difference between maximum and minimum Who is determined.
  • the average roughness depth allows the mean of these five individual measurements.
  • the average roughness of 8 to 12 microns has proven to be particularly advantageous because it causes a good contact of the solution with the wall of the metering line and thus a good evaporation performance.
  • the metering line is formed of a material having a thermal conductivity of more than 200 W / (m K) (watts per meter and Kelvin).
  • This thermal conductivity is advantageous because it promotes a compact design of the device according to the invention and a dynamic rapid evaporation of the solution.
  • the metering line is formed from a material comprising aluminum i.
  • Aluminum has proved to be particularly advantageous since the aluminum oxides formed on the surface promote the hydrolysis of reducing agent precursor, in particular of urea, to reducing agent, in particular to ammonia, without having to form an additional catalytically active coating. This increases the effectiveness of the conversion of reducing agent precursor to reducing agent and allows a reduction of the corresponding hydrolysis catalyst.
  • At least one of the present components is formed around the rod-shaped heating element around: a) at least parts of the metering line and b) the hydrolysis catalyst.
  • the metering line can in particular be designed to wind around the rod-shaped heating element.
  • an embodiment is preferred, in which the metering line is of essentially spiral design, wherein the axis of symmetry of the spiral is formed coaxially with the longitudinal axis of the rod-shaped heating element.
  • the hydrolysis catalyst may be in the form of a honeycomb body which is formed around the rod-shaped heating element, preferably in the form of an annular honeycomb body bounded by an inner and an outer jacket tube, but may also include channels directly into the heating element and / or into a The jacket tube surrounding the heating element is introduced.
  • This embodiment of the device according to the invention allows a very compact design of the device according to the invention, so that even in situations with only a small installation space such as in particular motor vehicles effective evaporation of the aqueous solution can be achieved while maintaining a very compact design of the device according to the invention.
  • the metering line comprises at least one channel, which is at least partially formed by a jacket tube of the heating element.
  • a jacket tube is understood in particular a shell which is formed outside of or the electrical heating conductor of the rod-shaped heating element.
  • the jacket tube may be made of metallic, ceramic, glassy or similar material which can withstand temperatures of preferably 400 ° C and more, more preferably 600 ° C and more.
  • the at least one channel is formed in the jacket tube.
  • channels are introduced into the jacket tube, for example by abrasive production methods and / or directly in the production of the corresponding jacket tube, for example by appropriate extrusion.
  • the at least one channel on the inside of the jacket tube of the heating element and the outside of a sleeve which is coaxial with the heating element limited.
  • this is one or more channels, which are formed substantially helically around the rod-shaped heating element and / or have an annular gap-shaped cross section which is bounded on the inside by the jacket tube and on the outside by the sleeve.
  • a ring-shaped channel may be formed whose diameter increases monotonously or strictly monotonously along the rod-shaped heating element.
  • a sleeve is formed outside the heating element, which is at least partially in thermal contact with at least one of the following components: a) at least parts of the metering line and b) the hydrolysis catalyst.
  • the sleeve which is formed radially outside the heating element and preferably also radially outside of at least parts of the metering line and / or the hydrolysis, the metering line of the hydrolysis and / or the at least one channel allows the introduction of heat from the outside.
  • the sleeve comprises a further heating conductor and is in particular as one or comprising an annular heating element is formed.
  • the sleeve is heated.
  • the sleeve in particular, as well as the stabf ⁇ rmige heating element electrical connections, by means of which the sleeve and / or the stabf ⁇ rmige heating element can be supplied with power.
  • This allows the heating of the corresponding channels both from the inside, as well as from the outside.
  • the hydrolysis catalytic converter comprises an annular honeycomb body which has passages, through which an fluid can flow, between an inner jacket tube and an outer jacket tube.
  • the honeycomb body preferably comprises at least one at least partially structured, in particular corrugated, metallic layer through which the hydrolysis channels are formed.
  • the channels have a coating catalyzing the hydrolysis of a reducing agent precursor to a reducing agent.
  • An embodiment is preferred in which at least the inner jacket tube of the hydrolysis catalytic converter is in thermal contact with the rod-shaped heating element, preferably similarly connected to it and / or formed on it.
  • a further heating element is formed radially outside the hydrolysis catalytic converter, by means of which heat can be introduced into the hydrolysis catalytic converter through the outer jacket tube.
  • the hydrolysis catalytic converter is at least partially covered by at least one formed a hydrolysis channel, which is at least partially formed by a jacket tube of the heating element.
  • the at least one hydrolysis channel similar to the above described a channel can be formed as a realization of the metering line in the jacket tube of the heating element or, for example, be bounded on the inside by the jacket tube of the heating element.
  • the channels or the metering line and / or the hydrolysis channels can merge into each other, in particular comprise the same channel, which possibly undergoes a change in the cross-section through which a hydrolysis coating has at least one partial area ,
  • a channel is introduced here in the structure surrounding the heating conductors of the rod-shaped heating element, which is referred to here as a jacket tube, for example by abrasive techniques.
  • the hydrolysis channel is bounded on the inside by the jacket tube of the heating element and on the outside by a sleeve that is coaxial with the heating element.
  • the outer sleeve is also heatable, so that a heat input takes place both from the inside and from the outside in the hydrolysis, so that as complete as possible a complete temperature hydrolysis of the reducing agent precursor can be done to reducing agent.
  • An embodiment in which the sleeve is in thermal contact with the hydrolysis channel is preferred.
  • Fig. 1 is an exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a detail of a first exemplary embodiment of a device according to the invention in longitudinal section
  • FIG. 3 shows a detail of a first exemplary embodiment in a partially exploded sectional view
  • FIG. 4 shows a detail of a second exemplary embodiment in a partially exploded view
  • Fig. 5 shows a detail of the second exemplary embodiment in a longitudinal section
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a hydrolysis catalytic converter of a device according to the invention.
  • Fig. 1 shows schematically an apparatus 1 for the treatment of an exhaust gas 2 of an internal combustion engine, not shown.
  • the apparatus 1 comprises at least one feed line 4 in FIG. 2 as an annular gap-shaped channel 3. In FIG. 1, the feed line 4 is not shown for the sake of clarity.
  • the metering line 4 is connected to a hydrolysis catalytic converter 5 and serves to add an aqueous solution to the hydrolysis catalytic converter 5.
  • the aqueous solution is stored in a reservoir 6.
  • the aqueous solution comprises at least one reducing agent precursor, in particular urea.
  • a reducing agent precursor is understood as meaning a substance from which a reducing agent can be split off or to which it can react.
  • the reducing agent is for Use for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (selective catalytical reduction, SCR).
  • the device 1 according to the invention comprises an SCR catalytic converter 7, through which the exhaust gas 2 can flow.
  • the SCR catalyst 7 is formed in the exhaust pipe 8, while the hydrolysis catalyst 5 and the addition ⁇ line 4 are formed outside of the exhaust pipe 8.
  • the device 1 according to the invention comprises at least one rod-shaped heating element 9, by means of which at least parts of the metering line 4 and / or of the hydrolysis catalytic converter 5 can be heated.
  • conveying means may be formed, for example pumps, in particular metering pumps, with which the aqueous solution of at least one reducing agent precursor from the reservoir 6 into the metering line 4 can be conveyed.
  • a gaseous mixture which comprises at least one reducing agent for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides is formed by evaporation of the aqueous solution in the metering line 4 by means of the rod-shaped heating element 9 and subsequent hydrolysis in the hydrolysis catalytic converter 5.
  • This is preferably ammonia.
  • This gaseous substance mixture which is produced in particular in the course of the complete evaporation of the aqueous solution in the addition line 4 and subsequent hydrolysis in the hydrolysis catalytic converter 5, is fed into the exhaust gas line 8 in a mouth region 11.
  • Fig. 2 shows schematically in longitudinal step a first embodiment of a detail of the device according to the invention.
  • the rod-shaped heating element 9 which is bounded on the outside by a jacket surface 13 having a jacket tube 14, an annular gap-shaped channel 3 is formed as a feed line 4.
  • the jacket tube 14 can in this case be materially connected to the rod-shaped heating element 9 or be part of the same.
  • the annular channel 3 is thus limited in the interior by the lateral surface 13. Outside the rod-shaped heating element 9, a sleeve 15 is formed. The sleeve 15 subsequently limits the annular gap-shaped channel 3 to the outside. The sleeve 15 may be heatable in order to produce a uniform temperature distribution around the channel 3 can. According to an advantageous embodiment, the radius of the annular gap changes over the length of the sleeve 15 or of the rod-shaped heating element 9. In this case, the aqueous solution 16 is introduced into the annular gap at the smallest diameter, heated in the different regions of the annular gap-shaped channel 3, evaporated and superheated and leaves the annular gap-shaped channel 3 as a gaseous substance mixture 19.
  • the gaseous substance mixture 19 is fed to the hydrolysis catalyst 5, where hydrolysis of the reducing agent precursor contained in the gaseous substance mixture to reducing agent takes place.
  • the rod-shaped heating element 9 and the sleeve 15 have in the present embodiment, electrical connections 17, by means of which the sleeve or the rod-shaped heating element 9 can be connected to a corresponding power supply.
  • the heating conductor 18, which is formed in the rod-shaped heating element and / or in the sleeve 15, can be regulated with power.
  • Fig. 3 shows this first embodiment in a partially exploded perspective view.
  • the heating element 18 can be seen in the sleeve 15.
  • Fig. 4 shows schematically another embodiment in detail.
  • the rod-shaped heating element 9 is surrounded by a jacket tube 14, which may also be integrally formed with the rod-shaped heating element or may be integrally connected thereto.
  • a channel 3 is inserted, which serves as a feed line 4 for the aqueous solution 16 in the first region 20.
  • the aqueous solution is evaporated in the first region 20, so that the second region 21 of the channel 3 is flowed through by a gaseous mixture of substances.
  • the second region 21 of the channel 3 is provided with a coating which promotes the hydrolysis, in particular of urea to ammonia, and thus serves as a hydrolysis channel 36 or as a hydrolysis catalyst 5.
  • a vapor stream 22 leaves the channel 3, which comprises reducing agent, in particular ammonia.
  • a sleeve 15 can be pushed, as indicated by the arrow 23.
  • This sleeve 15 may for example have its own heating conductor 18, so that the sleeve 15 is heated, so that the channel 3 is heated both from the outside and from the inside.
  • the sleeve 15 is in contact with the jacket tube 14, which preferably takes place cohesively, in particular by soldering, welding, pressing or the like in thermal contact with the jacket tube 14. This can, for example, by the web portions 24 between the individual turns of the channel 3 can be achieved.
  • the sleeve 15 has a constriction 25 which serves to reduce the heat conduction in the sleeve 15 between the first region 20 and the second region 21.
  • the sleeve 15 is in each case part of its own control loop in the regions 20, 21, so that therefore the hydrolysis catalytic converter 5 and the metering line 3 can be heated separately from one another.
  • the rod-shaped heating element 9 and / or the sleeve 15 different heating zones have, so that the heating power can be made variable.
  • Fig. 5 shows a further exemplary embodiment in longitudinal section.
  • a number of elements are formed around a rod-shaped heating element 9 with electrical connections 17, which is rotationally shaped substantially around the longitudinal axis 26.
  • a jacket tube 14 is formed.
  • a channel 3 is introduced, for example, eroded, milled or the like.
  • Web areas 24 are provided between the individual turns of the channel 3, which is formed substantially helically about the longitudinal axis 26.
  • the jacket tube 14 is connected to the rod-shaped heating element 9, in particular materially connected, is in thermal contact with these and / or is integrated into the rod-shaped heating element 9.
  • a sleeve 15 is formed outside the casing tube 14. This sleeve 15 is also provided with electrical connections 17 and can thus serve to heat the channel 3 from the outside.
  • a first thermal insulator 27 as a thick-walled thermal insulation, for example, in the form of a material alblocks trained. This is intended to prevent the heat radiation to the outside.
  • a second thermal insulator 28 is formed, with which in particular a delivery line 10, via which the channel 3 can be connected to a reservoir 6 is thermally insulated.
  • First thermal insulator 27 and second thermal insulator 28 may be integrally formed. Radially outside the second thermal insulator 28, a Peltier element 29 is formed.
  • a Peltier element is understood to mean, in particular, an electrical component which, when current flows through, generates a temperature difference which is based on the so-called Peltier effect.
  • a Peltier element 29 comprises one or more elements of p- and n-doped semiconductor material, which are alternately connected to one another via electrically conductive material. The sign of the temperature difference is dependent on the direction of the current flow, so that both a cooling and a heating with a Peltier element 29 can be realized.
  • the Peltier element 29 is used in particular for cooling the delivery line 10 and is consequently connected in accordance with the electrical connections 17.
  • Second thermal insulator 28 and Peltier element 29 are preferably formed exclusively in the region of the conveying line 10 and its inlet or its connection region with the channel 3.
  • the channel 3 preferably opens into a hydrolysis channel 36.
  • the flow-through cross section of the channel 3 may correspond to that of the hydrolysis channel 36.
  • the cross-section of the hydrolysis channel 36 may be larger than that of the channel 3.
  • the at least one hydrolysis channel 36 similar to the channel 3 in the jacket tube 14 of the rod-shaped heating element 9 is formed.
  • FIG. 6 shows schematically an exemplary embodiment of a hydrolysis catalytic converter 5.
  • the latter comprises an annular honeycomb body 30.
  • the annular honeycomb body 30 is constructed from at least one at least partially structured sheet metal layer 31 which, for the sake of clarity, is shown only in a partial region.
  • substantially smooth sheet metal layers 32 formed.
  • At least partially structured sheet metal layers 31 and substantially smooth sheet metal layers 32 together form flow-through cavities 33, which can be flowed through for a fluid.
  • the sheet metal layers 31, 32 are limited at its outer periphery by an outer jacket tube 34 and at its inner periphery by an inner jacket tube 35. Inside the inner jacket tube 35, a rod-shaped heating element 9 is preferably formed.
  • the inner jacket tube 35 can correspond to the jacket tube 14 of the rod-shaped heating element 9 or the sheet metal layers 30, 31 can be fastened directly on the rod-shaped heating element 9 and / or the jacket tube 14.
  • the outer jacket tube 34 is preferably connected to a corresponding sleeve 15, via which heat can furthermore be introduced into the annular honeycomb body 30.
  • the device 1 allows the formation of a feed line 4 heated by a rod-shaped element 9 and of a corresponding hydrolysis catalyst 5 with which an aqueous solution comprising urea can be vaporized and subsequently hydrolyzed to a gas stream 22 containing ammonia in a compact design.
  • This gas stream 22 serves as a reducing agent in the SCR process.
  • the compact arrangement allows installation even in very limited space.
  • the hydrolysis catalytic converter 5, which is not flowed through by exhaust gas, can decisively reduce the volume of the hydrolysis catalytic converter 5, since significantly smaller mass flows of gas have to be hydrolyzed here.
  • Second thermal insulator Peltier element Annular honeycomb body At least partially structured metallic layer Essentially smooth metallic layer Breakthrough cavity Outer jacket tube Inner matel tube Hydrolysis channel

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) zur Aufbereitung von Abgas (2) einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend mindestens eine Zugabeleitung (4) zur Zugabe einer wässrigen Lösung, einen mit der Zugabeleitung (4) verbundenen Hydrolysekatalysator (5) und einen SCR-Katalysator (7), wobei der SCR-Katalysator (7) von Abgas (2) durchströmbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein stabförmiges Heizelement (9) ausgebildet ist, mittels dem mindestens eines der folgenden Bauteile beheizbar ist: a) zumindest Teile der Zugabeleitung (4) und b) der Hydrolysekatalysator (5). Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) erlaubt die Ausbildung einer eine durch ein stabförmiges Element (9) beheizten Zugabeleitung (4) und eines entsprechenden Hydrolysekatalysators (5) mit welchem eine wässrige Lösung umfassend Harnstoff verdampfbar ist und anschließend zu einem Ammoniak enthaltenden Gasstrom (22) hydrolysierbar ist in kompakter Bauweise. Dieser Gasstrom (22) dient als Reduktionsmittel im SCR-Prozess. Die kompakte Anordnung erlaubt den Einbau auch unter sehr begrenzten Platzverhältnissen. Durch den nicht von Abgas durchströmten Hydrolysekatalysator (5) kann das Volumen des Hydrolysekatalysators (5) entscheidend verringert werden, da hier deutlich kleinere Massenströme an Gas hydrolysiert werden müssen.

Description

Vorrichtung zur Aufbereitung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei insbesondere die Reduktion des Stickoxidgehalts des Abgases mittels einer selektiven katalytischen Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) im Vordergrund steht. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Bereitstellung von Reduktionsmitteln, die selektiv auf Stickoxide wirken wie insbesondere Ammoniak.
Das Abgas von Verbrennungskraftmaschinen weist Stoffe auf, deren Emission in die Umwelt unerwünscht ist. Beispielsweise dürfen in vielen Ländern Stickoxide (NOx) nur bis zu einem gewissen Grenzwert im Abgas von Verbrennungskraftma- schinen enthalten sein. Neben innermotorischen Maßnahmen, mit denen durch Wahl eines möglichst geeigneten Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine die Emission von Stickoxiden vermindert werden kann, haben sich Nachbehandlungsmethoden etabliert, mit denen eine weitere Absenkung der Stickoxidemission möglich ist.
Eine Möglichkeit, die Stickoxidemission weiter zu reduzieren, ist die so genannte selektive katalytische Reduktion. Hierbei erfolgt eine selektive Reduktion der Stickoxide zu molekularem Stickstoff (N2) unter Einsatz eines Reduktionsmittels. Ein mögliches Reduktionsmittel ist Ammoniak (NH3). Ammoniak wird dabei oft nicht in Form von Ammoniak gelagert, vielmehr wird ein Ammoniakvorläufer bevorratet, der im Bedarfsfall in Ammoniak umgesetzt wird. Mögliche Ammoniakvorläufer sind beispielsweise Harnstoff ((NH2)2CO), Amoniumcarbamat, Isocy- ansäure (HCNO), Cyanursäure und ähnliches. Insbesondere Harnstoff hat sich als einfach zu bevorraten erwiesen. Bevorzugt wird der Harnstoff in Form einer Harnstoff-Wasserlösung bevorratet. Harnstoff und insbesondere Harnstoff- Wasserlösung ist gesundheitlich unbedenklich, einfach zu verteilen und zu lagern. Unter dem Namen „Ad Blue" wird eine solche Harnstoff-Wasserstofflösung vertrieben.
Aus der DE 199 13 462 Al ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Harnstoff- Wasserlösung stromaufwärts eines Hydrolysekatalysators in einen Teilstrom eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine eindosiert wird. Durch Auftreffen auf den Hydrolysekatalysator erfolgt im Betrieb eine Hydro- und Thermolyse des Harnstoffs zu Ammoniak, der in einem stromabwärts gelegenen SCR-Katalysator als Reduktionsmittel zum Einsatz kommt. Das hier beschriebene Verfahren weist den Nachteil auf, dass der Hydrolysekatalysator durch die Verdampfung der Harnstoff- Wasserlösung abgekühlt wird. Insbesondere dann, wenn große Mengen Ammoniak benötigt werden, kann es so zumindest in Bereichen des Hydrolysekatalysators zu einer so starken Abkühlung kommen, dass hier die Hydrolysereaktion nicht mehr oder nicht mehr vollständig abläuft. Zudem wird nach diesem Stand der Technik der Hydrolysekatalysator von Abgas durchströmt. Hierdurch liegen relativ große Massenströme vor, anhand derer der Hydrolysekatalysator entsprechend groß zu dimensionieren ist. Dies verursacht Kosten und benötigt Bauraum, der gerade bei modernen Automobilen häufig nicht so zur Verfügung steht.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest gelindert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unab- hängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine umfasst mindestens eine Zugabeleitung zur Zugabe einer wässrigen Lösung, einen mit der Zugabeleitung verbundenen Hydrolysekatalysator und einen SCR-Katalysator, wobei der SCR-Katalysator von Abgas durch- strömbar ist. Erfindungsgemäß ist mindestens ein stabförmiges Heizelement ausgebildet, mittels dem mindestens eines der folgenden Bauteile beheizbar ist: a) zumindest Teile der Zugabeleitung und b) der Hydrolysekatalysator.
Unter einem stabfόrmigen Heizelement wird insbesondere ein elektrisch beheizbares Element verstanden, bei dem ein Heizleiter in einem entsprechenden Medium eingebetet ist. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Mantelrohr handeln, welches von innen durch den entsprechenden Heizleiter beheizt wird. In diesem Mantelrohr kann bevorzugt eine Heizpatrone wie beispielsweise eine keramische Heizpatrone ausgebildet sein, die ein keramisches Element mit einem in diesen eingebetteten Heizleiter umfasst.
Unter einem Hydrolysekatalysator wird ein durchströmbares Bauteil verstanden, welches eine Hydrolyse eines Reduktionsmittelvorläufers zu einem Reduktionsmittel katalysiert. Insbesondere wird unter einem Hydrolysekatalysator ein Bauteil verstanden, welches eine katalytische Beschichtung umfasst, mittels der die Hydrolyse von Harnstoff zu Ammoniak katalysiert werden kann. Die wässrige Lösung umfasst insbesondere mindestens einen Reduktionsmittelvorläufer eines Redukti- onsmittels zum Einsatz im S CR- Verfahren. Unter einem Reduktionsmittelvorläufer wird insbesondere ein Stoff verstanden, welcher das Reduktionsmittel abspalten kann oder in dieses umgewandelt werden kann. Bevorzugt umfasst die wässrige Lösung zumindest Harnstoff. Weitere Inhaltsstoffe in der wässrigen Lösung sind möglich und erfindungsgemäß, insbesondere Stoffe, mittels derer der Ge- frierpunkt der wässrigen Lösung herabgesetzt werden kann. Insbesondere handelt es sich hierbei um Ameisensäure und/oder Ammoniumformiat. Die Verbindung zwischen Zugabeleitung und Hydrolysekatalysator ist so ausgebildet, dass im Betrieb vollständig verdampfte Lösung in den Hydrolysekatalysator eintritt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst insbesondere einen SCR-Katalysator, der in der Abgasleitung ausgebildet ist und so von Abgas durchströmbar ist, wäh- rend Zugabeleitung und Hydrolysekatalysator außerhalb der Abgasleitung ausgebildet sind und nicht von Abgas durchströmt werden. Hierdurch ist es möglich, Hydrolysekatalysatoren auszubilden, deren Volumen im Vergleich zu üblichen, von Abgas durchströmbaren Hydrolysekatalysatoren wesentlich verringert werden kann. So weisen übliche Hydrolysekatalysatoren ein Volumen von mindestens 500 ml und mehr auf, während gemäß der vorliegenden Erfindung der Hydrolysekatalysator weniger als 100 ml Volumen aufweisen kann.
Insbesondere wird die erfindungsgemäße Vorrichtung so betrieben, dass die Zu- gabeleitung so beheizbar ist, dass in ihr eine Verdampfung der wässrigen Lösung erfolgt. Bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der eine vollständige Verdampfung, d. h. eine Verdampfung von mindestens 90 Gewichts-%, bevorzugt von mindestens 95 Gewichts-% der wässrigen Lösung, besonders bevorzugt von mindesten 98 Gewichts-% der wässrigen Lösung erfolgt. Die Aufheizung erfolgt dabei im Wesentlichen über das stabförmige Heizelement. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise zur Aufbereitung der Abgase von stationären und/oder mobilen Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, insbesondere zur Aufbereitung der Abgase von Kraftfahrzeugen, wie insbesondere Automobilen, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, motorisierten Zweirädern und/oder so genannten All Terrain Vehicles, Wasser- und/oder Luftfahrzeugen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Zugableitung innenseitig eine gemittelte Rautiefe von 8 bis 12 Mikrometern aufweist.
Die gemittelte Rautiefe wird auch als Rz bezeichnet. Hierbei wird der Abstand von Messpunkten der Oberfläche zu einer Referenzlinie bzw. -ebene bestimmt. Diese Messung erfolgt auf fünf gleich langen Einzelmessstrecken. Von jeder dieser Einzelmessstrecken wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wer bestimmt. Die gemittelte Rautiefe stellt beispielsweise den Mittelwert dieser fünf Einzelmessungen darf. Die gemittelte Rautiefe von 8 bis 12 Mikrometern hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie einen guten Kontakt der Lösung mit der Wand der Zugabeleitung und damit eine gute Verdampfungsleistung bewirkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Zugabeleitung aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/(m K) (Watt pro Meter und Kelvin) ausgebildet.
Diese Wärmeleitfähigkeit ist vorteilhaft, da sie einen kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine dynamische schnelle Verdampfung der Lösung bevorteilt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor- richtung ist die Zugabeleitung aus einem Material umfassend Aluminium ausgebildet i.
Aluminium hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da die oberflächlich gebildeten Aluminiumoxide die Hydrolyse von Reduktionsmittelvorläufer, insbesonde- re von Harnstoff, zu Reduktionsmittel, insbesondere zu Ammoniak, fördern, ohne dass eine zusätzliche katalytisch aktive Beschichtung ausgebildet werden muss. Dies erhöht die Effektivität der Umsetzung von Reduktionsmittelvorläufer zu Reduktionsmittel und erlaubt eine Verkleinerung des entsprechenden Hydrolysekatalysators.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens eines der vorliegenden Bauteile um das stabförmige Heizelement herum ausgebildet: a) zumindest Teile der Zugabeleitung und b) der Hydrolysekatalysator. Hierbei kann die Zugabeleitung insbesondere sich um das stabförmige Heizelement herum windend ausgebildet sein. Bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung,- bei der die Zugabeleitung im Wesentlichen spiralförmig aufgebaut ist, wobei die Symmetrieachse der Spirale koaxial zur Längsachse des stabförmigen Heizele- mentes ausgebildet ist. Der Hydrolysekatalysator kann in Form eines Wabenkörpers ausgebildet sein, welcher um das stabförmige Heizelement herum ausgebildet ist, bevorzugt in Form eines ringförmigen Wabenkörpers begrenzt durch ein inneres und ein äußeres Mantelrohr, kann aber auch Kanäle umfassen, die direkt in das Heizelement und/oder in ein das Heizelement umgebendes Mantelrohr einge- bracht werden.
Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt einen sehr kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, so dass auch bei Situationen mit nur kleinem Einbauraum wie beispielsweise insbesondere bei Kraftfahrzeugen eine effektive Verdampfung der wässrigen Lösung bei gleichzeitigem sehr kompaktem Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Zugabeleitung mindestens einen Kanal, der zumindest teil- weise von einem Mantelrohr des Heizelementes gebildet ist.
Unter einem Mantelrohr wird hier insbesondere eine Hülle verstanden, die außerhalb der oder des elektrischen Heizleiters des stabförmigen Heizelements ausgebildet ist. Das Mantelrohr kann aus metallischem, keramischem, glasförmigem oder einem ähnlichen Material, welches Temperaturen von bevorzugt 400°C und mehr, besonders bevorzugt 600°C und mehr standhalten kann, hergestellt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mindestens eine Kanal in dem Mantelrohr ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass in das Mantelrohr Kanäle eingebracht werden, beispielsweise durch abrasive Herstellungsverfahren und/oder direkt bei der Produktion des entsprechenden Mantelrohres, beispielsweise durch entsprechendes Extrudieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der mindestens eine Kanal innenseitig von dem Mantelrohr des Heizelementes und außenseitig von einer Hülse, die koaxial zum Heizelement ausgebildet ist, begrenzt.
Insbesondere handelt es sich hierbei um einen oder mehrere Kanäle, die im Wesentlichen spiralförmig um das stabförmige Heizelement herum ausgebildet sind und/oder die einen ringspaltformigen Querschnitt aufweisen, der innenseitig vom Mantelrohr und außenseitig von der Hülse begrenzt wird. Bevorzugt ist auch eine Ausgestaltung, bei der sich der Querschnitt der Zugabeleitung, insbesondere des oder der Kanäle ändert. So kann beispielsweise ein ringspartförmiger Kanal ausgebildet sein, dessen Durchmesser monoton oder streng monoton längs des stab- förmigen Heizelementes steigt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist außerhalb des Heizelementes eine Hülse ausgebildet, die zumindest teilweise mit mindestens einem der folgenden Bauteile in thermischem Kontakt steht: a) zumindest Teilen der Zugabeleitung und b) dem Hydrolysekatalysator.
So ermöglicht die Hülse, die radial außerhalb des Heizelementes und bevorzugt auch radial außerhalb zumindest von Teilen der Zugabeleitung und/oder des Hydrolysekatalysators, der Zugabeleitung des Hydrolysekatalysators und/oder des mindestens einen Kanals ausgebildet ist, die Einbringung von Wärme von außen. Insbesondere umfasst die Hülse einen weiteren Heizleiter und ist insbesondere als ein oder umfassend ein ringförmiges Heizelement ausgebildet. So kann eine sehr gleichmäßige Verteilung der Wärme um den stabförmigen Heizleiter herum gewährleistet werden, was zu sehr gleichmäßigen Verdampfungs- und/oder Hydrolyseergebnissen führt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Hülse beheizbar.
Hierzu weist die Hülse insbesondere ebenso wie das stabfδrmige Heizelement elektrische Anschlüsse auf, mittels derer die Hülse und/oder das stabfδrmige Heizelement mit Strom versorgt werden können. Dies erlaubt die Beheizung der entsprechenden Kanäle sowohl von innen, als auch von außen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor- richtung umfasst der Hydrolysekatalysator einen ringförmigen Wabenkörper, der für ein Fluid durchströmbare Kanäle zwischen einem inneren Mantelrohr und einem äußeren Mantelrohr aufweist.
Hierbei umfasst der Wabenkörper bevorzugt mindestens eine zumindest teilweise strukturierte, insbesondere gewellte, metallische Lage, durch die die Hydrolysekanäle gebildet werden. Die Kanäle weisen eine die Hydrolyse eines Reduktionsmittelvorläufers zu einem Reduktionsmittel katalysierende Beschichtung auf. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der zumindest das innere Mantelrohr des Hydrolysekatalysators in thermischem Kontakt mit dem stabförmigen Heizelement steht, bevorzugt ähnlich mit diesem verbunden und/oder an diesem anliegend ausgebildet ist. Bevorzugt ist ein weiteres Heizelement radial außerhalb des Hydrolysekatalysators ausgebildet, mittels welchem durch das äußere Mantelrohr Wärme in den Hydrolysekatalysator eingetragen werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Hydrolysekatalysator zumindest teilweise von mindestens ei- nem Hydrolysekanal gebildet, der zumindest teilweise von einem Mantelrohr des Heizelementes gebildet wird.
Hierbei kann der mindestens eine Hydrolysekanal ähnlich wie oben beschrieben ein Kanal als Verwirklichung der Zugabeleitung im Mantelrohr des Heizelementes ausgebildet werden oder beispielsweise innenseitig vom Mantelrohr des Heizelementes begrenzt werden. Bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, insbesondere können in diesem Fall die Kanäle bzw. die Zugabeleitung und der bzw. die Hydrolysekanäle ineinander übergehen, insbesondere den selben Kanal umfassen, welcher ggf. eine Änderung des durchströmbaren Querschnitts erfährt und welcher in zumindest einem Teilbereich eine Hydrolysebeschichtung aufweist.
Bevorzugt ist eine Ausbildungsform, bei der der Hydrolysekanal in dem Mantelrohr ausgebildet ist.
Insbesondere wird hierbei in der die Heizleiter des stabförmigen Heizelementes umgebenden Struktur, die hier als Mantelrohr bezeichnet wird, beispielsweise durch abrasive Techniken ein Kanal eingebracht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Hydrolysekanal innenseitig von dem Mantelrohr des Heizelementes und außenseitig von einer Hülse, die koaxial zum Heizelement ausgebildet ist, begrenzt.
Insbesondere ist die außen liegende Hülse ebenfalls beheizbar, so dass ein Wärmeeintrag sowohl von innen als auch von außen in den Hydrolysekanal erfolgt, so dass bei einer möglichst gleichmäßigen Temperierung eine möglichst vollständige Hydrolyse des Reduktionsmittelvorläufers zu Reduktionsmittel erfolgen kann. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Hülse in thermischem Kontakt zum Hydrolysekanal steht. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden, ohne dass sie auf die dort gezeigten Ausfuhrungsbeispiele und Details beschränkt wäre. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 ein Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 ein Detail eines ersten Ausfuhrungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt;
Fig. 3 ein Detail eines ersten Ausfuhrungsbeispiel in einer teilweise explodierten Schnittansicht;
Fig. 4 ein Detail eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels in einer teilweise explodierten Ansicht;
Fig. 5 ein Detail des zweiten Ausfuhrungsbeispiels in einem Längsschnitt und
Fig. 6 ein Ausfuhrungsbeispiel eines Hydrolysekatalysators einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur Aufbereitung eines Abgases 2 einer nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung 1 umfasst mindestens eine in Fig. 2 als ringspaltförmiger Kanal 3 Zugabeleitung 4. In Fig. 1 ist die Zugabeleitung 4 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Zugabeleitung 4 ist mit einem Hydrolysekatalysator 5 verbunden und dient der Zugabe einer wässrigen Lösung zu dem Hydrolysekatalysator 5. Die wässrige Lösung wird in einem Reservoir 6 bevorratet. Die wässrige Lösung umfasst mindestens einen Reduktionsmittelvorläufer, insbesondere Harnstoff. Unter einem Redukti- onsmittelvorläufer wird ein Stoff verstanden, aus dem ein Reduktionsmittel abspaltbar ist oder zu welchem es reagieren kann. Das Reduktionsmittel ist zum Einsatz für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden (selective cataly- tic reduction, SCR) geeignet.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einen SCR-Katalysator 7, welcher vom Abgas 2 durchströmbar ist. Hierzu ist der SCR-Katalysator 7 in der Abgasleitung 8 ausgebildet, während der Hydrolysekatalysator 5 und die Zugabe¬ leitung 4 außerhalb der Abgasleitung 8 ausgebildet sind. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mindestens ein stabfδrmiges Heizelement 9, mittels dem zumindest Teile der Zugabeleitung 4 und/oder des Hydrolysekataly- sators 5 beheizbar sind.
Zugabeleitung 4 und Reservoir 6 sind durch eine Förderleitung 10 miteinander verbunden. Zusätzlich können nicht gezeigte Fördermittel ausgebildet sein, beispielsweise Pumpen, insbesondere Dosierpumpen, mit welchem die wässrige Lö- sung mindestens eines Reduktionsmittelvorläufers aus dem Reservoir 6 in die Zugabeleitung 4 förderbar ist.
Im Betrieb entsteht in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 durch Verdampfung der wässrigen Lösung in der Zugabeleitung 4 mittels des stabformigen Heizele- mentes 9 und anschließende Hydrolyse im Hydrolysekatalysator 5 ein gasförmiges Stoffgemisch, welches mindestens ein Reduktionsmittel zur selektiven kataly- tischen Reduktion von Stickoxiden umfasst. Bevorzugt ist dies Ammoniak. Dieses gasförmige Stoffgemisch, welches insbesondere aufgrund der vollständigen Verdampfung der wässrigen Lösung in der Zugabeleitung 4 und anschließende Hyd- rolyse im Hydrolysekatalysator 5 hergestellt wird, wird in einem Mündungsbereich 11 in die Abgasleitung 8 eingespeist. Hier sind Mittel 12 zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Abgasleitung 8 im Mündungsbereich 11 vorgesehen, die verhindern, dass im Normalbetrieb Abgas 2 aus der Abgasleitung 8 in den Hydrolysekatalysator 5 und/oder die Zugabeleitung 4 gelangen. Die Mittel 12 erzeugen eine Beruhigungs- oder Totzone in der Strömung, die den entsprechenden Unterdruck im Mündungsbereich 11 bewirken. Fig. 2 zeigt schematisch im Längsschritt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei ist auf dem stabfόrmigen Heizelement 9, welches nach außen durch ein eine Mantelfläche 13 aufweisendes Mantelrohr 14 begrenzt ist, ein ringspaltförmiger Kanal 3 als Zugabeleitung 4 ausgebildet. Das Mantelrohr 14 kann hierbei stoffschlüssig mit dem stabförmigen Heizelement 9 verbunden oder Teil desselben sein. Der kreisringförmige Kanal 3 wird also im Inneren durch die Mantelfläche 13 begrenzt. Außerhalb des stabförmigen Heizelementes 9 ist eine Hülse 15 ausgebildet. Die Hülse 15 begrenzt folg- lieh den ringspaltförmigen Kanal 3 nach außen. Die Hülse 15 kann beheizbar sein, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung rings um den Kanal 3 erzeugen zu können. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ändert sich der Radius des Ringspaltes über die Länge der Hülse 15 bzw. des stabförmigen Heizelements 9. Hierbei wird beim kleinsten Durchmesser die wässrige Lösung 16 in den Ringspalt eingebracht, in den unterschiedlichen Bereichen des ringspaltförmigen Kanals 3 aufgewärmt, verdampft und überhitzt und verlässt den ringspaltförmigen Kanal 3 als gasförmiges Stoffgemisch 19. Anschließend wird das gasförmige Stoffgemisch 19 dem Hydrolysekatalysator 5 zugeführt, wo eine Hydrolyse des im gasförmigen Stoffgemisch enthaltenen Reduktionsmittelvorläufers zu Redukti- onsmittel erfolgt. Das stabförmige Heizelement 9 und die Hülse 15 weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel elektrische Anschlüsse 17 auf, mittels derer die Hülse bzw. das stabförmige Heizelement 9 mit einer entsprechenden Stromversorgung verbindbar sind. Hierbei kann der Heizleiter 18 welcher in dem stabförmigen Heizelement und/oder in der Hülse 15 ausgebildet ist, geregelt mit Strom versorgt werden.
Fig. 3 zeigt dieses erste Ausführungsbeispiel in einer teilweise explodierten perspektivischen Ansicht. Hier sind auch die Heizleiter 18 in der Hülse 15 zu erkennen. Fig. 4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel im Detail. Das stab- förmige Heizelement 9 ist von einem Mantelrohr 14 umgeben, welches auch einstückig mit dem stabfδrmigen Heizelement ausgebildet oder stoffschlüssig mit diesem verbunden sein kann. In das Mantelrohr 14 ist ein Kanal 3 eingelassen, welcher im ersten Bereich 20 als Zugabeleitung 4 für die wässrige Lösung 16 dient. Durch das stabförmige Heizelement 9 wird im ersten Bereich 20 die wässrige Lösung verdampft, so dass der zweite Bereich 21 des Kanals 3 von einem gasförmigen Stoffgemisch durchströmt wird. Der zweite Bereich 21 des Kanals 3 ist mit einer die Hydrolyse insbesondere von Harnstoff zu Ammoniak fördernden Beschichtung versehen und dient so als Hydrolysekanal 36 beziehungsweise als Hydrolysekatalysator 5.
Nach der Hydrolyse verlässt ein Dampfstrom 22 den Kanal 3, der Reduktionsmittel insbesondere Ammoniak umfasst. Über das Mantelrohr 14 kann eine Hülse 15 geschoben werden, wie durch den Pfeil 23 angedeutet. Diese Hülse 15 kann beispielsweise selber über entsprechende Heizleiter 18 verfügen, so dass auch die Hülse 15 beheizbar ist, so dass der Kanal 3 sowohl von außen als auch von innen beheizt wird. Alternativ oder kumulativ steht die Hülse 15 nach dem in Kontakt bringen mit dem Mantelrohr 14, welches bevorzugt stoffschlüssig erfolgt, insbe- sondere durch Verlöten, Verschweißen, Pressen oder ähnliches in thermischem Kontakt mit dem Mantelrohr 14. Dies kann beispielsweise durch die Stegbereiche 24 zwischen den einzelnen Windungen des Kanals 3 erreicht werden. Hierdurch kann bei genügend großer Wärmeleitfähigkeit durch die Stegbereiche 24 eine Beheizung auch durch die Hülse 15 erfolgen, ohne dass hier aktive Heizmittel aus- gebildet sind. Die Hülse 15 weist eine Einschnürung 25 auf, die zur Reduzierung der Wärmeleitung in der Hülse 15 zwischen dem ersten Bereich 20 und dem zweiten Bereich 21 dient. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Hülse 15 in den Bereichen 20, 21 jeweils Teil einer eigenen Regelschleife ist, so dass also der Hydrolysekatalysator 5 und die Zugabeleitung 3 getrennt voneinander beheizt werden können. Unabhängig hiervon ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass das stabförmige Heizelement 9 und/oder die Hülse 15 unterschiedliche Heizzonen aufweisen, so dass die Heizleistung variabel gestaltet werden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass bevorzugt in Längsrichtung des stabfόrmigen Heizelementes 9 und/oder der Hülse 15 Bereiche ausgebildet sein können, die mit unterschiedlicher Heizleistung beaufschlagt werden können. So kann insbesondere den unterschied- liehen Vorgängen gerade bei der vollständigen Verdampfung der wässrigen Lösung 16 Rechnung getragen werden. Hier finden zunächst eine Aufwärmung der wässrigen Lösung 16, dann eine Verdampfung und dann bevorzugt eine Überhit- zung des entstehenden Dampfes statt, wobei jeweils unterschiedliche Wärmeeinträge nötig sind. Dem kann durch unterschiedliche Heizzonen des stabformigen Heizelementes 9 und/oder der Hülse 15 Rechnung getragen werden. Insbesondere ist hier eine solche Gestaltung des stabformigen Heizelementes 9 und/oder der Hülse 15 möglich und vorteilhaft, bei der im Betrieb in Abhängigkeit von den Betriebsparametern, insbesondere in Abhängigkeit von der zu verdampfenden Menge wässriger Lösung 16 eine Längenänderung der unterschiedlichen Heizzo- nen erreicht werden kann.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel im Längsschnitt. Hierbei sind der Übersichtlichkeit halber nur Ausschnitte schematisch gezeigt. Um ein stabformi- ges im Wesentlichen um die Längsachse 26 rotationsförmiges Heizelement 9 mit elektrischen Anschlüssen 17 sind verschiedene Elemente ausgebildet. Direkt anschließend an das stabfδrmige Heizelement 9 ist ein Mantelrohr 14 ausgebildet. In das Mantelrohr 14 ist ein Kanal 3 eingebracht, beispielsweise erodiert, gefräst oder ähnliches. Zwischen den einzelnen Windungen des Kanals 3, welcher im Wesentlichen spiralförmig um die Längsachse 26 ausgebildet ist, sind Stegberei- che 24 vorgesehen. Das Mantelrohr 14 ist mit dem stabformigen Heizelement 9 verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden, ist in thermischem Kontakt mit diesen und/oder ist in das stabförmige Heizelement 9 integriert. Außerhalb des Mantelrohres 14 ist eine Hülse 15 ausgebildet. Diese Hülse 15 ist ebenfalls mit elektrischen Anschlüssen 17 versehen und kann so zum Beheizen des Kanals 3 von außen dienen. Außerhalb der Hülse 15 ist ein erster thermischer Isolator 27 als dickwandige thermische Isolierung, beispielsweise auch in Form eines Materi- alblocks ausgebildet. Hierdurch soll die Wärmeabstrahlung nach außen verhindert werden. Weiterhin ist ein zweiter thermischer Isolator 28 ausgebildet, mit welchem insbesondere eine Förderleitung 10, über die der Kanal 3 mit einem Reservoir 6 verbindbar ist thermisch isoliert wird. Erster thermischer Isolator 27 und zweiter thermischer Isolator 28 können einstückig ausgebildet sein. Radial außerhalb des zweiten thermischen Isolators 28 ist ein Peltier-Element 29 ausgebildet. Unter einem Peltier-Element versteht man insbesondere ein elektrisches Bauteil, welches bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt die auf dem so genannten Peltier-Effekt beruht. Vorzugsweise umfasst ein Peltier-Element 29 ein oder mehrere Elemente aus p- und n-dotierten Halbleitermaterial, die abwechselnd über elektrisch leitendes Material miteinander verbunden sind. Das Vorzeichen der Temperaturdifferenz ist abhängig von der Richtung des Stromflusses, so dass sowohl eine Kühlung als auch eine Heizung mit einem Peltier-Element 29 realisierbar ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient das Peltier-Element 29 insbesondere zur Kühlung der Förderleitung 10 und ist folglich über die elektrischen Anschlüsse 17 entsprechend geschaltet. Zweiter thermischer Isolator 28 und Peltier- Element 29 sind bevorzugt ausschließlich im Bereich der Förderleitung 10 und deren Eintritt bzw. deren Verbindungsbereich mit dem Kanal 3 ausgebildet. Der Kanal 3 mündet bevorzugt in einen Hydrolysekanal 36. Hierbei kann der durchströmbare Querschnitt des Kanals 3 dem des Hydrolysekanals 36 entsprechen. Weiterhin kann der Querschnitt des Hydrolysekanals 36 größer sein als der des Kanals 3. Bevorzugt ist auch der mindestens eine Hydrolysekanal 36 ähnlich dem Kanal 3 im Mantelrohr 14 des stabförmigen Heizelements 9 ausgebildet.
Fig. 6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Hydrolysekatalysators 5. Dieser umfasst einen ringförmigen Wabenkörper 30. Der ringförmige Wabenkörper 30 ist aus mindestens einer zumindest teilweise strukturierten Blechlage 31 aufgebaut, die der Übersichtlichkeit halber nur in einem Teilbereich eingezeichnet sind. Im vorliegenden Beispiel sind zusätzlich im Wesentlichen glatte Blechlagen 32 ausgebildet. Zumindest teilweise strukturierte Blechlagen 31 und im Wesentlichen glatte Blechlagen 32 bilden zusammen durchströmbare Hohlräume 33, die für ein Fluid durchströmbar sind. Die Blechlagen 31, 32 werden an ihrem äußeren Umfang durch ein äußeres Mantelrohr 34 und an ihrem inneren Umfang durch ein inneres Mantelrohr 35 begrenzt. Im Inneren des inneren Mantelrohres 35 wird bevorzugt ein stabförmiges Heizelement 9 ausgebildet. Hierbei kann das innere Mantelrohr 35 dem Mantelrohr 14 des stabförmigen Heizelementes 9 entsprechen oder die Blechlagen 30, 31 können direkt auf dem stabförmigen Heizelement 9 und/oder dem Mantelrohr 14 befestigt werden. Bevorzugt ist das äußere Mantel- röhr 34 mit einer entsprechenden Hülse 15 verbunden, über die weiterhin Wärme in den ringförmigen Wabenkörper 30 eingebracht werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erlaubt die Ausbildung einer eine durch ein stabförmiges Element 9 beheizten Zugabeleitung 4 und eines entsprechenden Hydrolysekatalysators 5 mit welchem eine wässrige Lösung umfassend Harnstoff verdampfbar ist und anschließend zu einem Ammoniak enthaltenden Gasstrom 22 hydrolysierbar ist in kompakter Bauweise. Dieser Gasstrom 22 dient als Reduktionsmittel im SCR-Prozess. Die kompakte Anordnung erlaubt den Einbau auch unter sehr begrenzten Platzverhältnissen. Durch den nicht von Abgas durchström- ten Hydrolysekatalysator 5 kann das Volumen des Hydrolysekatalysators 5 entscheidend verringert werden, da hier deutlich kleinere Massenströme an Gas hydrolysiert werden müssen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur Aufbereitung von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine
Abgas
3 Kanal
4 Zugabeleitung
5 Hydrolysekatalysator
6 Reservoir
7 SCR-Katalysator
8 Abgasleitung
9 Stabförmiges Heizelement
10 Förderleitung
11 Mündungsbereich
12 Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks
13 Mantelfläche
14 Mantelrohr
15 Hülse
16 Wässrige Lösung
17 Elektrischer Anschluss
18 Heizleitung
19 Gasförmiges Stoffgemisch
20 Erster Bereich
21 Zweiter Bereich
22 Dampfstrom
23 Pfeil
24 Stegbereich
25 Einschnürung
26 Längsachse
27 Erster thermischer Isolator
28 Zweiter thermischer Isolator Peltier-Element Ringförmiger Wabenkörper Zumindest teilweise strukturierte metallische Lage Im Wesentlichen glatte metallische Lage Durchströmbarer Hohlraum Äußeres Mantelrohr Inneres Matelrohr Hydrolysekanal

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Aufbereitung von Abgas (2) einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend mindestens eine Zugabeleitung (4) zur Zugabe einer wässrigen Lösung, einen mit der Zugabeleitung (4) verbundenen Hydrolysekatalysator (5) und einen SCR-Katalysator (7), wobei der SCR- Katalysator (7) von Abgas (2) durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein stabförmiges Heizelement (9) ausgebildet ist, mittels dem mindestens eines der folgenden Bauteile beheizbar ist: a) zumindest Teile der Zugabeleitung (4) und b) der Hydrolysekatalysator (5).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Zugableitung (4) innenseitig eine gemittelte Rautiefe von 8 bis 12 Mikrometern aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Zugabeleitung (4) aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/(m K) (Watt pro Meter und Kelvin) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zugabeleitung (4) aus einem Material umfassend Aluminium ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei der mindestens eines der folgenden Bauteile um das stabförmige Heizelement (9) her- um ausgebildet ist: a) zumindest Teile der Zugabeleitung (4) und b) der Hydrolysekatalysator (5).
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zuga- beleitung (4) mindestens einen Kanal (3) umfasst, der zumindest teilweise von einem Mantelrohr (14) des Heizelementes (9) gebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der mindestens eine Kanal (3) in dem Mantelrohr (14) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der der mindestens eine Kanal (3) innenseitig von dem Mantelrohr (14) des Heizelementes (9) und außenseitig von einer Hülse (15), die koaxial zum Heizelement (9) ausgebildet ist, begrenzt wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der außerhalb des Heizelementes (9) eine Hülse (15) ausgebildet ist, die zumindest teilweise mit mindestens einem der folgenden Bauteile in thermischem Kontakt steht: a) zumindest Teile der Zugabeleitung (4) und b) der Hydrolysekatalysator (5).
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Hülse (15) beheizbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hydro- lysekatalysator (5) einen ringförmigen Wabenkörper (30) umfasst, der für ein Fluid durchströmbare Hohlräume (33) zwischen einem inneren Mantelrohr (35) und einem äußeren Mantelrohr (34) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der ringförmige Wabenkörper (30) mit seinem inneren Mantelrohr (35) zumindest teilweise mit dem stabförmi- gen Heizelement (9) in thermischem Kontakt steht.
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