Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines

Verbrennungsmotors oder einer anderen Abgasquelle mit einer von dem Abgas durchström baren Strömungsstrecke, mit einem ersten in der Strömungsstrecke angeordneten Katalysator, mit einem zweiten in der Strömungsstrecke

angeordneten Katalysator, wobei der zweite Katalysator stromabwärts des ersten Katalysators angeordnet ist, mit einer ersten Einspritzstelle für ein Fluid

stromaufwärts des ersten Katalysators, mit einer zweiten Einspritzstelle für ein Fluid stromaufwärts des zweiten Katalysators und mit einem Strömungsbypass, welcher stromaufwärts des ersten Katalysators von der Strömungsstrecke abzweigt und stromabwärts des ersten Katalysators in die Strömungsstrecke mündet, wobei der erste Katalysator und/oder der zweite Katalysator als elektrisch beheizter

Katalysator ausgebildet ist.

Stand der Technik

Zur Minderung der Schadstoffbelastung der Abgase eines Verbrennungsmotors werden Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt. Diese Systeme weisen unterschiedliche Komponenten auf, deren Einsatz darauf abzielt die

Schadstoffkonzentration bestmöglich zu senken. Unter anderem werden

Katalysatoren eingesetzt, die mit unterschiedlichen Edelmetallen beladen sind. Darüber hinaus ist der Einsatz von sogenannten SCR-Systemen bekannt, welche eine wässrige Flarnstofflösung in den Abgastrakt zugeben, um so eine Umsetzung der Stickoxide zu natürlichen Hauptbestandteilen der Umgebungsluft zu erreichen. Weiterhin sind Methoden bekannt, die ein möglichst früheres und effektives Ansprechen der Komponenten im Abgasnachbehandlungssystem sicherstellen, hierzu gehört beispielsweise die Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Abgastrakt zur Erzeugung einer Exotherm ie beispielsweise an einem

Oxidationskatalysator. Weiterhin sind Brennersysteme bekannt, welche zur Erhöhung der Temperatur im Abgassystem beitragen und so ein früheres Ansprechen des Abgassystems ermöglichen.

Weiterhin sind elektrisch beheizbare Katalysatoren bekannt, die durch die

Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme ebenfalls zur schnellen Aufheizung der Komponenten zur Abgasnachbehandlung beitragen, wodurch zu einem früheren Zeitpunkt eine effektivere Abgasnachbehandlung ermöglicht wird.

Alle Vorrichtungen und Methoden bringen neben spezifischen Vorteilen auch nicht zu vernachlässigende Nachteile mit sich, so dass durch die Verwendung dieser, insbesondere im Hinblick auf die zukünftigen Abgasgesetzgebungen, keine ausreichende Wirksamkeit der Abgasnachbehandlung erreicht werden kann oder der hierfür notwendige energetische Aufwand beziehungsweise die Notwendigkeit für zusätzliche Bauelemente den Aufwand im Vergleich zum Nutzen in ein nicht wirtschaftlich tragbares Verhältnis stellt. Dies gilt insbesondere für die

Abgasnachbehandlung direkt nach dem Motorstart, unabhängig davon, ob der Motor zu diesem Zeitpunkt kalt oder warm ist, und für die Abgasnachbehandlung im Niedriglastbereich.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine

Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu schaffen, welche eine verbesserte

Abgasnachbehandlung gewährleistet, sowohl direkt nach dem Motorstart als auch bei Niedriglastphasen des Motors. Darüber hinaus ist es die Aufgabe ein Verfahren zum Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors oder einer anderen Abgasquelle mit einer von dem Abgas durchström baren Strömungsstrecke, mit einem ersten in der

Strömungsstrecke angeordneten Katalysator, mit einem zweiten in der

Strömungsstrecke angeordneten Katalysator, wobei der zweite Katalysator stromabwärts des ersten Katalysators angeordnet ist, mit einer ersten Einspritzstelle für ein Fluid stromaufwärts des ersten Katalysators, mit einer zweiten Einspritzstelle für ein Fluid stromaufwärts des zweiten Katalysators und mit einem Strömungsbypass, welcher stromaufwärts des ersten Katalysators von der

Strömungsstrecke abzweigt und stromabwärts des ersten Katalysators in die Strömungsstrecke mündet, wobei der erste Katalysator und/oder der zweite Katalysator als elektrisch beheizter Katalysator ausgebildet ist.

Durch die jeweiligen Einspritzstellen kann ein Fluid direkt auf oder kurz vor den jeweils stromabwärts folgenden Katalysator gespritzt werden. Abhängig von dem jeweils eingespritzten Fluid kann eine exotherme Reaktion am jeweiligen

Katalysator erzeugt werden, wodurch die Temperatur am jeweiligen Katalysator selbst und insbesondere auch in seiner Umgebung erhöht werden kann. Dadurch kann die Abgastemperatur in der Strömungsstrecke vorteilhaft erhöht werden und durch die zusätzliche Aufheizung der jeweiligen Katalysatoren eine schnellere Erreichung der sogenannten Light-Off Temperatur erreicht werden, ab welcher eine wirksame Umwandlung der Abgaskomponenten an den jeweiligen Katalysatoren erfolgen kann.

Das eingespritzte Fluid kann wahlweise flüssig, gasförmig, vollständig oder teilweise verdampft zugegeben werden. Zusätzlich zu den Katalysatoren können an diesen oder vorgelagert Verdampfungselemente angeordnet sein, auf welche das Fluid eingespritzt wird und somit verdampft wird. Verdampfungselemente können beispielsweise gut wärmeleitfähige Elemente in der Strömungsstrecke sein, beispielweise durchströmbare Wabenkörper. Die Katalysatoren können auch selbst als Verdampfungselement wirken, wenn das Fluid direkt auf den den Katalysator bildenden Wabenkörper aufgespritzt wird.

Durch den Bypass kann ein Teilstrom des durch die Strömungsstrecke strömenden Abgases um den ersten Katalysator herumgeleitet werden. Dies ist vorteilhaft, um die durch den ersten Katalysator durchströmende Abgasmenge zumindest temporär zu reduzieren. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um den nicht durch den Bypass strömenden Flauptstrom noch stärker aufheizen zu können. Insbesondere bei Verwendung eines elektrisch beheizbaren Katalysators bringt dies den Vorteil, dass eine schnellere Aufheizung des Flauptstroms aufgrund des insgesamt geringeren Volumens erreicht werden kann. Die Katalysatoren sind bevorzugt als metallische Wabenkörper ausgebildet, welche beispielsweise durch aufeinandergestapelte und aufgewickelte Metallfolien erzeugt werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn Regelungsmittel vorgesehen sind, durch welche der Übertritt aus der Strömungsstrecke in den Strömungsbypass und/oder der Übertritt aus dem Strömungsbypass in die Strömungsstrecke beeinflussbar sind. Die Regelungsmittel können beispielsweise durch Klappen oder Ventile gebildet sein, wie sie im Stand der Technik weitreichend bekannt sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sowohl die Abzweigung aus der Strömungsstrecke in den Bypass als auch die Rückleitung aus dem Bypass in die Strömungsstrecke durch die Regelungsmittel beeinflusst werden kann, so dass die durch den Bypass strömende Abgasmenge genau eingestellt werden kann.

Vorteilhafterweise erlauben die Regelungsmittel einen Übertritt in den Bypass hinein und ebenso aus dem Bypass hinaus zwischen 0% und 100%. Die Stellung bei 0% entspricht einem vollständigen Verschluss des Bypasses. Die Stellung bei 100% entspricht dem vollständigen Verschluss der Strömungsstrecke und somit ein vollständiges Überleiten in den Bypass. Der erste Katalysator wird in der 100% Stellung praktisch vollständig entlang des Bypasses umströmt.

Auch ist es vorteilhaft, wenn stromabwärts des zweiten Katalysators ein

Filterelement in der Strömungsstrecke angeordnet ist, welches von dem gesamten Abgasstrom in der Strömungsstrecke durchströmbar ist. Das Filterelement dient insbesondere dem Flerausfiltern von im Abgas mitgeführten Feststoffen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement chemisch beschichtet ist, wobei die Beschichtung zur Förderung der selektiven katalytischen Reduktion einzelner Abgaskomponenten eingerichtet ist, oder zur Förderung der Oxidation einzelner Abgaskomponenten eingerichtet ist.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn der erste Katalysator und/oder der zweite

Katalysator als Oxidationskatalysator ausgebildet sind. Alternativ kann auch eine andere Kombination von Katalysatoren vorgesehen sein. Dies wird im

Wesentlichen vom eigentlichen Einsatzzweck der Vorrichtung bestimmt und kann beispielsweise im Abgastrakt einer Abgasquelle mit einem Motor mit Kompressionszündung anders sein als bei einem Motor mit Fremdzündung, sowie je nach Brennverfahren bei magerer oder stöchiometrischer Verbrennung.

Zusätzlich zu den Oxidationskatalysatoren können sogenannten

Hydrolysekatalysatoren oder Hydrolyseverdampfer in der Strömungsstrecke angeordnet sein, um gezielt ein Fluid zu verdampfen. Diese können auch als elektrisch beheizte Katalysatoren ausgebildet sein. Außerdem können einer oder mehrere sogenannten SCR-Katalysatoren in der Strömungsstrecke angeordnet sein, die insbesondere der katalytischen Reduktion von Stickoxiden dienlich sind. Stromabwärts solcher SCR-Katalysatoren kann ein sogenannten

NH3-Schlupfkatalysator angeordnet sein, der überschüssiges Ammoniak, welches aus der Verdampfung einer wässrigen Harnstofflösung resultiert, auffangen kann.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Katalysator und/oder der zweite Katalysator als elektrisch beheizbare Katalysatoren ausgebildet sind. Hierzu können

beispielsweise Heizscheiben eingesetzt werden, die einen Heizleiter aufweisen. Durch das Anlegen einer Spannung an den Heizleiter wird unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes so eine Aufheizung der Heizscheibe erreicht.

Insbesondere bei Verwendung von elektrisch beheizbaren Katalysatoren ist es zusätzlich besonders vorteilhaft, wenn stromaufwärts dieser Katalysatoren, bevorzugt unmittelbar davor, eine Zugabestelle für eine Medium zur Erzeugung einer exothermen Reaktion am jeweiligen Katalysator angeordnet ist.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine weitere Einspritzstelle aufweist, wobei diese zur Zugabe eines Reduktionsmittels, wie beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, eingerichtet ist. Dies ist insbesondere bei einer

Abgasquelle mit Kompressionszündung, wie beispielsweise einem mit Diesel betriebenem Verbrennungsmotor vorteilhaft, um die Stickoxidbelastung des Abgases möglichst weit reduzieren zu können.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die erste Einspritzstelle und der erste Katalysator derart angeordnet sind, dass durch die Einspritzung durch die erste Einspritzstelle mindestens 40% und maximal 98% der Querschnittsfläche des ersten Katalysators mit dem durch die erste Einspritzstelle einspritzbaren Fluid beaufschlagt werden. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, um eine möglichst vollständige Oxidation des eingespritzten Fluids zu erreichen und so den maximal möglichen Temperaturanstieg durch die Einspritzung des Fluids zu realisieren.

Auch ist es zweckmäßig, wenn die maximale Heizleistung des elektrisch

beheizbaren ersten Katalysators zwischen 5% und maximal 25% der maximal erzeugbaren Heizleistung aufgrund der Einspritzung und der folgenden Oxidation des Fluids am ersten Katalysator beträgt. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die installierte elektrische Heizleistung zwischen 0,4kW und 15kW beträgt. Die maximal einsetzbare elektrische Heizleistung ist im Wesentlichen durch das Bordspannungsnetz vorgegeben.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die erste und/oder die zweite Einspritzstelle dazu eingerichtet sind zumindest eines der Fluide aus der Gruppe Dieselkraftstoff, Benzin, Power-to-X-Kraftstoffe (sogenannten efuels), Methanol, Oxymethylenether (OME), Dimethylether (DME), Biokraftstoff, Methan, Propan, Äthan oder Propen in die Strömungsstrecke einzuspritzen.

Allgemein liegen die Durchmesser der elektrisch beheizten Katalysatoren bevorzugt zwischen 50mm und 650mm. Die Einspritzstellen sind vorzugsweise derart angeordnet, dass der Eindüsungswinkel zwischen 15° und 90° liegt. Der Eindüsungswinkel wird gemessen zwischen der der Einspritzstelle zugewandten Querschnittsfläche des jeweiligen Katalysators und der Mittelachse, oder

Sprühachse, des durch die Einspritzung erzeugten Fluidkegels. Der Abstand entlang der Sprühachse zwischen der Einspritzstelle und dem Katalysator beträgt vorzugsweise zwischen 20mm und 600mm.

Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den

Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung, wobei die Zugabe eines Fluids in die Strömungsstrecke erst erfolgt, wenn die Temperatur in der Strömungsstrecke ausreichend hoch ist, dass eine katalytische Reaktion der ins Abgas eingedüsten und/oder der bereits im Abgas befindlichen Stoffe an zumindest einem der Katalysatoren erfolgen kann.

Das Verfahren zielt insbesondere darauf ab, die einzelnen einstellbaren Parameter, beispielsweise die elektrische Heizleistung an den einzelnen Katalysatoren und die Menge und der Zeitpunkt der Fluidzugabe, derart zu regeln, dass eine möglichst optimale Aufheizung des Abgases und somit eine möglichst vollständige

Umsetzung der Schadstoffe zu einem frühestmöglichen Zeitpunkt nach Start der Abgasquelle erreicht werden kann.

Flierzu ist insbesondere die elektrische Leistung an den Katalysatoren von 0% bis 100% einstellbar. Ebenso ist die Menge der an den Einspritzstellen zugegebenen Fluide von 0% bis 100% frei einstellbar. Die Zugabe des Fluids beziehungsweise der Fluide kann über einen festen Vorgabewert, beispielsweise eine

Rampenfunktion, erfolgen. Alternativ können alle Werte auch abhängig von weiteren Parametern, wie beispielsweise Temperaturen, Lastzustand der

Abgasquelle oder weiteren Betriebsdaten vorgegeben werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den

Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Behandlung von

Abgasen.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine Abgasquelle, welche durch einen Verbrennungsmotor 1 oder eine andere Abgasquelle gebildet ist. Die sich daran anschließende

Strömungsstrecke 2 kann von dem Abgas des Verbrennungsmotors 1 durchströmt werden. Die Strömungsstrecke 2 weist einen Strömungsbypass 3 auf, durch welchen ein in der Strömungsstrecke 2 angeordneter Katalysator 4 umströmt werden kann. Unmittelbar vor dem Katalysator 4 kann über eine Einspritzstelle 5 ein Fluid in die Strömungsstrecke 2 eingespritzt werden. Der Strömungsbypass 3 mündet stromabwärts des Katalysators 4 wieder in die Strömungsstrecke 2. Nach der Rückführung des Strömungsbypasses 3 in die Strömungsstrecke 2 ist in dieser ein weiterer Katalysator 6 angeordnet und unmittelbar vor dem Katalysator 6 ist eine zweite Einspritzstelle 7 zur Zugabe eines Fluids angeordnet.

Stromabwärts des zweiten Katalysators 6 sind ein Partikelfilter 8, ein

SCR-Katalysator 9 und ein NH3-Schlupfkatalysaotr 10 angeordnet.

In vorteilhaften Ausgestaltungen kann es auch vorgesehen sein, dass vor den Partikelfilter 8 und/oder dem SCR-Katalysator 9 jeweils eine weitere Einspritzstelle 1 1 vorgesehen ist, durch welche ein Fluid in den Abgastrakt zugegeben werden kann. Vor dem Partikelfilter 8 ist dies insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Partikelfilter 8 eine SCR-Beschichtung aufweist, und so ebenfalls an der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas teilnimmt.

Die Figur 1 ist beispielhaft und zeigt eine mögliche Ausgestaltung der

erfindungsgemäßen Vorrichtung. Wie bereits vorher beschrieben, können die einzelnen Elemente auch in einer abweichenden Reihenfolge angeordnet sein. Außerdem können je nach Anwendungsfall auch unterschiedlich viele

Katalysatoren und Filter verbaut sein.

Das Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dient insbesondere der Verdeutlichung des

Erfindungsgedankens.