DE102007042836B4 - Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms (7) eines Kraftfahrzeuges (3) mittels einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit (19), mit einem Vorratsbehälter (35) zur Speicherung der Flüssigkeit (19), wobei eine Temperiervorrichtung zum Temperieren der Flüssigkeit (19) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung zur Kühlung der Flüssigkeit (19) einem Klimaanlagenkreislauf (47) des Kraftfahrzeuges (3) zugeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges mittels einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit, mit einem Vorratsbehälter zur Speicherung der Flüssigkeit.
  • Zur Minderung von NOx-Emissionen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, von Kraftfahrzeugen ist es bekannt, in einen von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstrom einen sogenannten SCR-Katalysator (selective catalytic reduction beziehungsweise selektive katalytische Reduktion) einzusetzen. SCR-Katalysatoren setzen bei Anwesenheit von Ammoniak in dem Abgasstrom vorhandene NOx-Emissionen um. Um den notwendigen Ammoniak in dem Abgasstrom bereitzustellen, ist es bekannt, diesem eine Ammoniak freisetzende Flüssigkeit, beispielsweise ein wässrige Harnstofflösung, beizumengen. Um beispielsweise ein Einfrieren dieser Lösung zu verhindern ist es bekannt, diese zu beheizen. Einen Überblick gibt die Veröffentlichung „Perspektiven der mobilen SCR-Technik“ von Dr. Eberhard Jacob, 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik. Ferner ist aus der Veröffentlichung „Heizkonzepte für AdBlue-Tanks: Problematik und Simulation“ von Dr.-Ing. habil. Stefan aus der Wiesche, VDI-Berichte Nr. 1967, 2006, Seiten 895 - 906 sowie aus er EP 1 698 769 A2 bekannt, eine mit einem Rücklauf eines Motorkühlwassers betriebene Heizschlange vorzusehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bereitzustellen, insbesondere eine verbesserte Temperierung der Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit zu ermöglichen.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 043 954 A1 ist bereits ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, bei der ein Teilstrom einer in ein Vorratsbehälter einströmenden Luft oder eine in den Vorratsbehälter vorliegende Luft derart konditioniert wird, dass die relative und/oder die spezifische Luftfeuchtigkeit der Luft im Vorratsbehälter abgesenkt wird.
  • Ferner ist aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2007 011 184 A1 ein Wärmetauscher zur Kühlung von Abgas eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges zur Rückführung von Abgas zum Verbrennungsmotor bekannt, wobei der Wärmetauscher eine Vorrichtung zur Durchführung einer flüssigen Harnstofflösung in zumindest Ammoniakgas aufweist.
  • Die Aufgabe ist mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges mittels einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit, mit einem Vorratsbehälter zur Speicherung der Flüssigkeit, wobei eine Temperiervorrichtung zum Temperieren der Flüssigkeit vorgesehen ist, dadurch gelöst, dass die Temperiervorrichtung zur Kühlung der Flüssigkeit einem Klimaanlagenkreislauf des Kraftfahrzeuges zugeordnet ist. Die Ammoniak freisetzende Flüssigkeit kann beispielsweise eine eutektische Lösung von 32,5 % Harnstoff in Wasser aufweisen, deren Gefrierpunkt bei -11° C liegt.
    Vorteilhaft kann mittels einer Zuordnung zum Kühlkreislauf die Flüssigkeit erwärmt werden, so dass beispielsweise ein Einfrieren verhinderbar ist. Vorteilhaft kann die Erwärmung der Flüssigkeit auch auf ein erwünschtes Temperaturniveau, bei dem sich eine besonders gute Abgasreinigung ergibt, gebracht werden. Dies ist auch vorteilhaft mit anderen Ammoniak freisetzenden Flüssigkeiten, beispielsweise Ammoniumformiat, Denoxium-30, Methanamid und/oder Ammoniumcarbamat möglich. Mittels der Temperierung beziehungsweise Erwärmung der Flüssigkeit kann eine optimale Freisetzung des Ammoniaks für den reaktanten- und produktselektiven Katalysator beziehungsweise SCR-Katalysator ermöglicht werden. Ferner kann durch die optimale Temperierung eine Bildung fester Rückstände, beispielsweise verursacht durch eine verzögerte Verdampfung, bestmöglich verhindert werden. Vorteilhaft ist es möglich, falls eine zusätzlich elektrische Heizung zur Temperierung der Flüssigkeit vorgesehen ist, dafür benötigte elektrische Energie einzusparen. Vorteilhaft kann mittels der Zuordnung von einem Kältemittel des Klimaanlagenkreislaufs Wärme und/oder Kälte auf die Flüssigkeit übertragen werden. Vorteilhaft kann dadurch beispielsweise ein Überhitzen der Flüssigkeit vermieden werden.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Vorratsbehälter dem Kühlkreislauf zugeordnet ist. Vorteilhaft kann der gesamte Vorratsbehälter und damit die gesamte sich darin befindliche Flüssigkeit temperiert werden.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Vorratsbehälter einem in den Kühlkreislauf geschalteten ersten Wärmetauscher zugeordnet ist. Vorteilhaft kann über den ersten Wärmetauscher Wärme von einer Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs auf den Vorratsbehälter und damit auf die Flüssigkeit übertragen werden.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Temperiervorrichtung einen in den Klimaanlagenkreislauf geschalteten zweiten Wärmetauscher aufweist. Vorteilhaft kann mittels des zweiten Wärmetauschers Wärme und/oder Kälte auf die Flüssigkeit übertragen werden.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher dem Vorratsbehälter nachgeschaltet und einer Dosiervorrichtung zum Eindosieren der Flüssigkeit in den Abgasstrom vorgeschaltet ist. Mittels des zweiten Wärmetauschers kann von dem erwärmten Vorratsbehälter zu der Dosiervorrichtung strömende Flüssigkeit gekühlt werden.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher einem Expansionsventil des Klimaanlagenkreislaufs nachgeschaltet ist. Durch die Entspannung des in dem Klimaanlagenkreislauf geführten Kältemittels kann der nachgeschaltete zweite Wärmetauscher und damit die darin strömende Flüssigkeit gekühlt werden.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Kühlkreislauf eine dem ersten Wärmetauscher vorgeschaltete Zusatzheizung aufweist. Mittels der Zusatzheizung kann zusätzlich die in Richtung des ersten Wärmetauschers, in dem Kühlkreislauf geführte Kühlflüssigkeit zusätzlich erwärmt werden.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen, dass dem Vorratsbehälter eine elektrische Zusatzheizung nachgeschaltet ist. Vorteilhaft kann die von dem Vorratsbehälter in Richtung der Dosiervorrichtung strömende Flüssigkeit zusätzlich elektrisch erwärmt werden.
  • Die Aufgabe ist außerdem mit einem Kraftfahrzeug mit einer vorab beschriebenen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung gelöst.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematisierte Ansicht einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines in der Abgasanlage geführten Abgasstroms; und
    • 2 eine Detailansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, gekoppelt mit einem Kühlkreislauf und einem Klimaanlagenkreislauf des Kraftfahrzeuges.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 1 eines Kraftfahrzeuges 3 mit einer Abgasanlage 5. In der Abgasanlage 5 ist ein mittels der Vorrichtung 1 nachbehandelbarer Abgasstrom 7 geführt. Die Flussrichtung des Abgasstroms 7 ist mittels eines Pfeiles 9 angedeutet.
  • Die Abgasanlage 5 ist einem Verbrennungsmotor 11 nachgeschaltet, der den Abgasstrom 7 erzeugt. Mittels eines dem Verbrennungsmotor 11 nachgeschalteten Diesel-Partikelfilters 13, der vorteilhaft eine Beschichtung aufweisen kann, können in dem Abgasstrom 7 vorhandene Partikel, beispielsweise Rußpartikel, ausgefiltert werden. Dem Diesel-Partikelfilter 13 ist ein Temperatursensor 15 zur Messung einer Temperatur des in der Abgasanlage 5 geführten Abgasstroms 7 nachgeschaltet. Stromabwärts des Temperatursensors 15 ist ein in die Abgasanlage 5 beziehungsweise in den Abgasstrom 7 mündendes Dosierventil 17 zum Eindosieren einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit 19 angeordnet. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um eine wässrige, Harnstoff enthaltende Lösung, beispielsweise eine eutektische Lösung von 32,5 % Harnstoff in Wasser, handeln. Nach einer Eindosierung der Flüssigkeit 19 kann diese, eine entsprechende mittels des Temperatursensors 15 ermittelte Temperatur vorausgesetzt, Ammoniak freisetzen. Um eine möglichst gleichmäßige Verdampfung und/oder Verteilung der Flüssigkeit beziehungsweise Vermengung der Flüssigkeit mit dem Abgasstrom 7 zu ermöglichen, ist dem Dosierventil 17 ein Mischer 21, beispielsweise ein statischer Mischer, nachgeschaltet. Das mittels des Dosierventils 17 und des Mischers 21 erzeugte Gemisch kann einem nachgeschalteten SCR-Katalysator 23 zugeführt werden, beispielsweise ein SCR-Katalysator auf Eisenzeolit-Basis und/oder mit anderen katalytisch wirksamen Stoffen. Mittels der Umsetzung der Flüssigkeit 19 können dem Abgasstrom 7 H2O-, NH3- und HNCO-Moleküle beigefügt werden, dazu ist es möglich, dass der SCR-Katalysator 23 für eine zweistufige Ammoniakbildung ausgelegt ist, wobei zunächst das Wasser verdampft, eine Harnstoff-Thermolyse und eine Isozyansäure-Hydrolyse erfolgen. Mittels des so in den Abgasstrom 7 eingebrachten Ammoniaks können in dem Abgasstrom 7 enthaltene NOx-Emissionen reduziert beziehungsweise zu Stickstoff komproportioniert werden.
  • Der mittels des SCR-Katalysators 23 nachbehandelte Abgasstrom 7 wird stromabwärts an einem Sensor 25 zur Messung einer NOx- und/oder NH3-Konzentration des Abgasstroms 7 vorbeigeführt. Stromabwärts des SCR-Katalysators 23 weist die Abgasanlage 5 einen nachgeschalteten Sperrkatalysator 27 auf. Der Sperrkatalysator 27 dient dazu, möglicherweise überschüssige Ammoniakmengen umzusetzen und so einen unerwünschten Ammoniakschlupf zu verhindern, wobei in Kauf genommen werden kann, dass dabei wieder in geringen Mengen NOx-Emissionen entstehen. Ferner ist es denkbar, dass der Sperrkatalysator 27 eine gewisse Speicherfähigkeit für Ammoniak aufweist. Dem Sperrkatalysator 27 ist ein herkömmlicher Schalldämpfer 29 nachgeschaltet. Stromabwärts des Schalldämpfers 29 öffnet sich die Abgasanlage 5 zur Umwelt hin.
  • Der Verbrennungsmotor 11 kann mittels eines Kühlkreislaufs 31 gekühlt werden. Der Kühlkreislauf 31 ist über einen ersten Wärmetauscher einem Vorratsbehälter 35 zur Speicherung der Flüssigkeit 19 zugeordnet. Vorteilhaft kann der Vorratsbehälter 35 mittels von dem Verbrennungsmotor 11 des Kraftfahrzeuges 3 erzeugter Abwärme temperiert beziehungsweise erwärmt werden.
  • Der Vorratsbehälter 35 kann einen Förderer zum Fördern der Flüssigkeit 19 aufweisen oder diesem vorgeschaltet sein und ist über eine Vorlaufleitung 37 und eine Rücklaufleitung 39 dem Dosierventil 17 zugeordnet. Stromabwärts des Vorratsbehälters 35 kann die Vorlaufleitung 37 eine zusätzliche elektrische Heizung 41 zur zusätzlichen Erwärmung der Flüssigkeit 19 aufweisen. Dies kann beispielsweise während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 11 sinnvoll sein.
  • Mittels Steuerleitungen 43 ist die Vorrichtung 1 zur Nachbehandlung des in der Abgasanlage 5 geführten Abgasstroms 7 einer zentralen Steuereinheit 45, beispielsweise einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 11, zugeordnet. Die Steuereinheit 45 kann geeignete Steuer- und Regelalgorithmen aufweisen, beispielsweise um ein so genanntes Feedverhältnis einzuregeln. Unter Feedverhältnis kann die im Verhältnis zu einer NOx-Rohemission des Abgasstroms 7 im Verhältnis stehende beziehungsweise notwendige Einspritzmenge der Flüssigkeit 19 verstanden werden. Von einem optimalen Feedverhältnis kann bei einer möglichst hohen Umsetzungsrate der in dem Abgasstrom 7 enthaltenen NOx-Emissionen und einer minimalen, den SCR-Katalysator 23 verlassenden nicht umgesetzten Restmenge an Ammoniak (minimaler Ammoniakschlupf) ausgegangen werden.
  • 2 zeigt eine Detailansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 zur Nachbehandlung eines Abgasstroms 7 eines Kraftfahrzeuges 3. Im Unterschied ist die Vorrichtung 1 zusätzlich einem Klimaanlagenkreislauf 47 des Kraftfahrzeuges 3 zugeordnet. Der Klimaanlagenkreislauf 47 weist einen zweiten Wärmetauscher 49 auf, wobei die Zuordnung des Klimaanlagenkreislaufs 47 mittels des zweiten Wärmetauschers 49 erfolgt. Dazu ist der zweite Wärmetauscher 49 in die Vorlaufleitung 37 geschaltet. Der zweite Wärmetauscher 49 kann zur Kühlung der in der Vorlaufleitung 37 geführten Flüssigkeit 19 dienen. Dazu ist der zweite Wärmetauscher 49 einem Expansionsventil 51 des Klimaanlagenkreislaufs 47 nachgeschaltet. Der zweite Wärmetauscher 49 kann also als zusätzlicher Verdampfer des Klimaanlagenkreislaufes 47 wirken. Gegebenenfalls kann das Expansionsventil 51 steuerbar sein, sodass die Kühlung unabhängig vom Betrieb des übrigen Klimaanlagenkreislaufs 47 erfolgen kann.
  • Der übrige Klimaanlagenkreislauf 47 weist die üblicherweise vorhandenen Komponenten, einen Kompressor 53, einen Kondensator 55, ein weiteres, gegebenenfalls ebenfalls ansteuerbares Expansionsventil 57 sowie einen diesem nachgeschalteten Verdampfer 59 auf. Das Expansionsventil 51 und der nachgeschaltete zweite Wärmetauscher 49 sind parallel geschaltet zu dem weiteren Expansionsventil 57 und dem Verdampfer 59. Vorteilhaft kann mittels des Klimaanlagenkreislaufs 47 beziehungsweise des zweiten Wärmetauschers 49 des Klimaanlagenkreislaufs 47 eine möglicherweise mittels des ersten Wärmetauschers 33 übertragene zu hohe Temperatur der Flüssigkeit 19 in der Vorlaufleitung 37, also vor Erreichen des Dosierventils 17, wieder abgekühlt werden.
  • Der erste Wärmetauscher 33 kann in einen kleinen Kühlkreislauf 61 des Kühlkreislaufes 31 des Verbrennungsmotors 3 geschaltet sein. Hierzu ist es denkbar, den kleinen Kühlkreislauf 61 um einen den ersten Wärmetauscher 33 aufweisenden Parallelzweig 63 zu ergänzen. Der Parallelzweig 63 kann ein mittels eines Reglers 65 angesteuertes Regelventil 67 aufweisen. Zur Regelung einer dem Vorratsbehälter 35 mittels des ersten Wärmetauschers 33 zugeführten Wärmemenge beziehungsweise zum Einregeln einer Temperatur des Vorratsbehälters 35 kann der Regler 65 einem Temperatursensor 69 zugeordnet sein. Es ist beispielsweise möglich, mittels des Reglers 65 und des Regelventils 67 bei Erreichen einer Grenztemperatur den Parallelzweig 63 des kleinen Kühlkreislaufs 61 des Kühlkreislaufs 31 des Verbrennungsmotors 11 abzusperren, so dass keine weitere Wärmeübertragung mehr erfolgt.
  • Zusammenfassend kann über den zweiten Wärmetauscher 49, der in der Vorlaufleitung 37 angeordnet ist, eine Kühlung der Flüssigkeit 19 erfolgen. Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, zur Kühlung des Vorratsbehälters 35 den zweiten Wärmetauscher 49 diesem direkt zuzuordnen. Die zur Kühlung erforderliche Kühlleistung kann vorteilhaft mittels einer ohnehin vorhandenen Klimaanlage beziehungsweise eines Klimaanlagenkreislaufes 47 des Kraftfahrzeuges 3 erfolgen.
  • Eine Beheizung des Vorratsbehälters 35 kann über den in den Kühlerkreislauf 31 geschalteten ersten Wärmetauscher 33 erfolgen, wobei mittels des Verbrennungsmotors 11 erwärmte Kühlflüssigkeit und/oder mittels einer Zusatzheizung 71 des kleinen Kühlkreislaufs 61 erwärmter Kühlflüssigkeit erfolgen. Vorteilhaft kann die Erwärmung mittels des ersten Wärmetauschers 33 zusätzlich zu einer möglicherweise vorhandenen elektrischen Heizung 41 erfolgen.
  • Vorteilhaft ist so, beispielsweise mittels der Steuereinheit 45, eine Regelung der Kühlung und Beheizung beziehungsweise Temperierung der Flüssigkeit 19 in einem gewünschten Temperaturfenster möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    3
    Kraftfahrzeug
    5
    Abgasanlage
    7
    Abgasstrom
    9
    Pfeil
    11
    Verbrennungsmotor
    13
    Diesel-Partikelfilter
    15
    Temperatursensor
    17
    Dosierventil
    19
    Ammoniak freisetzende Flüssigkeit
    21
    Mischer
    23
    SCR-Katalysator
    25
    Sensor
    27
    Sperrkatalysator
    29
    Schalldämpfer
    31
    Kühlkreislauf
    33
    erster Wärmetauscher
    35
    Vorratsbehälter
    37
    Vorlaufleitung
    39
    Rücklaufleitung
    41
    Heizung
    43
    Steuerleitungen
    45
    zentrale Steuereinheit
    47
    Klimaanlagenkreislauf
    49
    zweiter Wärmetauscher
    51
    Expansionsventil
    53
    Kompressor
    55
    Kondensator
    57
    Expansionsventil
    59
    Verdampfer
    61
    kleiner Kühlkreislauf
    63
    Parallelzweig
    65
    Regler
    67
    Regelventil
    69
    Temperatursensor
    71
    Zusatzheizung

Claims (10)

  1. Vorrichtung (1) zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms (7) eines Kraftfahrzeuges (3) mittels einer Ammoniak freisetzenden Flüssigkeit (19), mit einem Vorratsbehälter (35) zur Speicherung der Flüssigkeit (19), wobei eine Temperiervorrichtung zum Temperieren der Flüssigkeit (19) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung zur Kühlung der Flüssigkeit (19) einem Klimaanlagenkreislauf (47) des Kraftfahrzeuges (3) zugeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (35) einem Kühlkreislauf (31) zugeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (35) einem in den Kühlkreislauf (31) geschalteten ersten Wärmetauscher (33) zugeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung einen in den Klimaanlagenkreislauf (47) geschalteten zweiten Wärmetauscher (49) aufweist.
  5. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (49) dem Vorratsbehälter (35) nachgeschaltet und einer Dosiervorrichtung (17) zum Eindosieren der Flüssigkeit (19) in den Abgasstrom (7) vorgeschaltet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (49) einem Expansionsventil (51) des Klimaanlagenkreislaufs (47) nachgeschaltet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (31) eine dem ersten Wärmetauscher (33) vorgeschaltete Zusatzheizung (71) aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vorratsbehälter (35) eine elektrische Heizung (41) nachgeschaltet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung zur Erwärmung der Flüssigkeit (19) einem Kühlkreislauf (31) des Kraftfahrzeuges (3) zugeordnet ist.
  10. Kraftfahrzeug (3) mit einer Vorrichtung (1) zur Abgasnachbehandlung eines Abgasstroms (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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