Abgasnachbehandlungseinheit Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinheit zur Reduktion von Schadstoffen im Abgas eines Dieselmotors, mit einer Dosiereinheit zur Zugabe einer wässrigen Harnstofflö- sung in den Abgasstrom, mit einem SCR-Katalysator zur Umwandlung von Stickoxiden in Stickstoff und Wasser und mit einem Oxidationskatalysator zur Umwandlung von Ammoniak in Stickstoff und Wasser, wobei der SCR-Katalysator und der Oxidationskatalysator innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind und das Gehäuse von einem Abgasstrom von einer Eintrittsöffnung hin zu einer Austrittsöffnung durchströmbar ist, wobei der Oxidationskatalysator stromabwärts des SCR-Katalysators ange ^¬ ordnet ist. Stand der Technik

Zur Reduktion der Schadstoffe im Abgas von Verbrennungsmoto ^¬ ren können unterschiedliche Katalysatoren verwendet werden, die beispielswiese in einer Abgasnachbehandlungseinheit ein- gesetzt werden. Katalysatoren sind in einer Vielzahl von baulichen Gestaltungen am Markt bekannt. Es sind unter anderem Katalysatoren am Markt bekannt, die keramische Trägersubstra ^¬ te oder metallische Träger aufweisen, die mit Beschichtungen versehen sind, um eine zielgerichtete Umwandlung der Schad- Stoffe herbeizuführen. Katalysatoren können auf die Umwandlung spezieller Schadstoffe abgestimmt sein oder gleichzeitig eine Mehrzahl von Schadstoffen umwandeln. Zu den bekannten Katalysatoren zählen dabei beispielsweise Oxidationskatalysa- toren, NOx Speicherkatalysatoren oder Katalysatoren zur se- lektiven katalytischen Reduktion. Insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Dieselmotoren werden SCR (selektive katalytische Reduktion) Ka ^¬ talysatoren eingesetzt. Hierzu wird eine Harnstofflösung in den Abgasstrang eindosiert. Um eine optimale Umsetzung der Stickoxide zu gewährleisten muss die Menge der eindosierten Harnstofflösung stets an die Stickoxidkonzentration im Abgas angepasst werden. Sofern zu wenig Harnstofflösung eindosiert wird, findet keine vollständige Umsetzung der Stickoxide statt. Sofern zu viel Harnstoff eindosiert wird, kann das aus der Harnstofflösung gebildete Ammoniak nicht vollständig mit den Stickoxiden reagieren und kann sich im Abgasnachbehandlungssystem niederschlagen oder sogar aus diesem austreten. Auch kann während des Aufheizens eingespeicherter Ammoniak freigesetzt werden. Frei werdender Ammoniak kann zu einer Ge- ruchsbelästigung führen. Aufgrund der korrosiven Eigenschaften kann der in der Abgasnachbehandlungseinheit verbreitete Ammoniak zu einer Beschädigung von Komponenten, wie beispielsweise Dichtungen, führen. Im Stand der Technik sind Abgasnachbehandlungseinheiten bekannt, die einen zusätzlichen Oxidationskatalysator in Strömungsrichtung des Abgases dem SCR-Katalysator nachgeschaltet aufweisen. Dieser dient zur Umwandlung des überschüssigen Ammoniaks. Es ist beispielsweise bekannt, einen Teil des SCR- Katalysators mit einer Edelmetallbeschichtung zu versehen und so einen Oxidationskatalysator zu erzeugen, um eine ausreichende Umwandlung des Ammoniaks herbeizuführen.

Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten Vorrichtun- gen ist insbesondere, dass der Oxidationskatalysator zusätzlichen Bauraum beansprucht, da entweder ein zusätzliches Bau ^¬ teil integriert werden muss, oder ein Teilbereich des SCR- Katalysators durch eine Edelmetallbeschichtung zu einem Oxidationskatalysator umgewandelt werden muss. Um weiterhin eine ausreichende Funktion des SCR-Katalysators zu gewährleisten, muss die Baulänge beziehungsweise die aktive Fläche des SCR- Katalysators vergrößert werden, wodurch insgesamt der Platz ^¬ bedarf deutlich steigt.

Weiterhin ist nachteilig, dass die katalytische Beschichtung am Oxidationskatalysator bei ungleichförmiger Strömung und Konzentrationsverteilung des Ammoniaks nicht optimal ausge ^¬ nutzt wird.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Abgasnachbehandlungseinheit zu schaffen, welche einen zusätzli ^¬ chen Oxidationskatalysator zur Umwandlung überschüssigen Ammoniaks aufweist und dennoch möglichst kompakte Abmessungen aufweist.

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

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Abgas ^¬ nachbehandlungseinheit zur Reduktion von Schadstoffen im Abgas eines Dieselmotors, mit einer Dosiereinheit zur Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom, mit einem SCR-Katalysator zur Umwandlung von Stickoxiden in Stickstoff und Wasser und mit einem Oxidationskatalysator zur Umwandlung von Ammoniak in Stickstoff und Wasser, wobei der SCR-Kataly ^¬ sator und der Oxidationskatalysator innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind und das Gehäuse von einem Abgasstrom von ei- ner Eintrittsöffnung hin zu einer Austrittsöffnung durchströmbar ist, wobei der Oxidationskatalysator stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist, wobei der Oxidationska ^¬ talysator in der Austrittsöffnung angeordnet ist und die Durchströmungsrichtung des SCR-Katalysators verschieden von der Durchströmungsrichtung des Oxidationskatalysators ist. Mit einem Oxidationskatalysator ist ein Katalysator zur Umwandlung von überschüssigem Ammoniak in der Abgasnachbehandlungseinheit gemeint. Dieser ist beispielsweise auch als Am ^¬ moniak (NH3) Schlupf Katalysator bekannt. Ein SCR-Katalysator bezeichnet einen Katalysator, in welchem Stickoxide unter

Einwirkung von Ammoniak, der aus einer wässrigen Harnstofflösung gewonnenen wird, zu Wasser und Stickstoff umgewandelt werden . Bevorzugt sind die beiden Katalysatoren aus einem metalli ^¬ schen Trägersubstrat gebildet, die jeweils geeignete Materi ^¬ alkombinationen und Beschichtungen aufweisen, die die vorgenannten chemischen Umwandlungen bestmöglich fördern. Die Trägersubstrate sind in einem Gehäuse aufgenommen, welches von einem Abgasstrom durchströmt wird.

Der Oxidationskatalysator ist bevorzugt nicht einteilig mit dem SCR-Katalysator ausgebildet und insbesondere nicht ein Teilbereich des SCR-Katalysators selbst. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass der Oxidationskatalysator als Teilbereich des SCR-Katalysators ausgebildet ist. Um trotz der Integration des Oxidationskatalysators in den SCR-Kata ^¬ lysator dieselbe Effektivität in der Stickoxidumwandlung im SCR-Katalysator zu erreichen, muss die Baulänge des SCR-Ka- talysators erhöht werden beziehungsweise insgesamt die aktive Fläche vergrößert werden. Dadurch wird die gesamte Abgasnach ^¬ behandlungseinheit vergrößert, wodurch wertvoller Bauraum zu ^¬ sätzlich beansprucht wird. Erfindungsgemäß ist daher der Oxidationskatalysator dem SCR- Katalysator nachgelagert angeordnet und bevorzugt in der Aus ^¬ trittsöffnung des Gehäuses angeordnet. Dadurch kann das Ge ^¬ häuse mit einer ansonsten unveränderten Größe zusätzlich zu dem SCR-Katalysator auch den Oxidationskatalysator aufnehmen.

Besonders bevorzugt erfolgt die Durchströmung des SCR-Kataly ^¬ sators entlang einer anderen Richtung als die Durchströmung der Austrittsöffnung. Dies hat zur Folge, dass insbesondere der Oxidationskatalysator nicht in direkter Verlängerung des SCR-Katalysators angeordnet ist, sondern in einem anderen Teilbereich des Gehäuses angeordnet werden kann, ohne dass das Gehäuse deswegen vergrößert werden muss.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der SCR-Katalysator ent ^¬ lang einer axialen Richtung des Gehäuses durchströmbar ist und die Austrittsöffnung und der Oxidationskatalysator ent- lang einer radialen Richtung durchströmbar sind.

Dies ist vorteilhaft, da die regelmäßig notwendige Umlenkung des Abgasstroms somit platzsparend innerhalb des Gehäuses stattfinden kann und der Oxidationskatalysator platzsparend im Bereich der Austrittsöffnung angeordnet werden kann. Durch eine Strömungsumlenkung wird die Ammoniakkonzentrationsverteilung im Gesamtabgas positiv beeinflusst und die Ausnutzung des Oxidationskatalysators gesteigert. Nachfolgende Sensoren zur Erfassung des Stickoxidgehalts oder der Ammoniakkonzent- ration erfassen die vorhandenen Konzentrationen somit genauer, da eine gleichmäßigere Verteilung vorliegt.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Austrittsöffnung einen langlochartigen Querschnitt aufweist. Durch eine von der kreisrunden Form abweichenden Querschnitt, wie insbesondere einem langlochartigen Querschnitt, kann bei identischer

Erstreckung des Gehäuses in axialer Richtung eine größere durchströmbare Öffnung erzeugt werden, was insbesondere vor ^¬ teilhaft für den im Gehäuse entstehenden Druckverlust ist. Bevorzugt verläuft die längere Seite der langlochartigen Aus ^¬ trittsöffnung in Umfangsrichtung des Gehäuses, so dass die kürzere Erstreckung in axialer Richtung des Gehäuses verläuft . Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeich ^¬ net, dass der SCR-Katalysator eine Mehrzahl von ersten Strömungskanälen aufweist, welche entlang der axialen Erstre- ckungsrichtung des Gehäuses durchströmbar sind, wobei der Oxidationskatalysator eine Mehrzahl von zweiten Strömungskanälen aufweist, welche entlang einer radialen Erstreckungs- richtung des Gehäuses durchströmbar sind.

Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Abgasstrom nach dem Austritt aus dem SCR-Katalysator und vor dem Eintritt in den Oxidationskatalysator um 90 Grad umgelenkt wird. Dies ist vorteilhaft, um die Durchströmung des Gehäuses entlang der axialen Erstreckung hin zur Austrittsöffnung und dem Oxidationskatalysator zu lenken. Da der Oxidationskatalysator bevorzugt in einer radialen Richtung durchströmt wird, kann somit auch eine optimale Anströmung des Oxidationskatalysators er ^¬ zeugt werden.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Austrittsöffnung einen in das Gehäuse hineinragenden trichterförmigen Fortsatz aufweist, wobei sich der trichterförmige Fortsatz entlang ei ^¬ ner radialen Erstreckungsrichtung des Gehäuses erstreckt. Dies ist vorteilhaft, wenn der Oxidationskatalysator eine be ^¬ stimmte Baulänge aufweisen muss, um eine ausreichende Umwand ^¬ lung des Ammoniaks sicherstellen zu können. Durch einen trichterförmigen Fortsatz kann praktisch ein Strömungskanal innerhalb des Gehäuses geschaffen werden, in welchen der Oxi- dationskatalysator integriert werden kann. Somit kann der

Oxidationskatalysator entlang einer längeren Strömungsstrecke mit Abgas durchströmt werden, ohne dafür das Gehäuse vergrö ^¬ ßern zu müssen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der trichterförmige Fort ^¬ satz einen veränderlichen Querschnitt aufweist, wobei der Eintrittsbereich des trichterförmigen Fortsatzes einen lang- lochartigen Querschnitt aufweist und der Austrittsbereich des trichterförmigen Fortsatzes einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Dies ist vorteilhaft, um durch den langlochartigen Querschnitt insbesondere eine größere Durchströmungsfläche bei gleichbleibender Baulänge des Gehäuses in axialer Rieh- tung zu erreichen. Dadurch kann der beim Durchströmen des Oxidationskatalysators entstehende Druckverlust minimiert werden. Durch die Zusammenführung des trichterförmigen Fortsatzes zu einem an der Austrittsöffnung kreisrunden Quer- schnitt wird ein einfacherer Querschnitt an der Austrittsöff ^¬ nung erzeugt, der insbesondere mit einer Vielzahl von Anschlüssen einfach kombiniert werden kann.

Der Oxidationskatalysator kann sich über die gesamte radiale Erstreckung des trichterförmigen Fortsatzes erstrecken oder auch nur über einen Teilbereich dessen. Auch kann der trichterförmige Fortsatz über einen Teil seiner radialen Erstreckung auch einen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen, bevor dieser veränderlich wird. So kann beispielsweise der Oxi- dationskatalysator besonders bevorzugt in einem Bereich des trichterförmigen Fortsatzes angeordnet sein, welcher einen gleichbleibenden langlochartigen Querschnitt aufweist. Dies ist insbesondere dem im Oxidationskatalysator entstehenden Druckverlust zuträglich.

Auch ist es zweckmäßig, wenn der Oxidationskatalysator am Eintrittsbereich des trichterförmigen Fortsatzes angeordnet ist und den Öffnungsquerschnitt des trichterförmigen Fortsat ^¬ zes am Eintrittsbereich vollständig überdeckt. Hierdurch wird vermieden, dass der Oxidationskatalysator teilweise vom Abgas umströmt wird. Dies kann zu einem Ausströmen von nicht umge ^¬ wandeltem Ammoniak aus dem Gehäuse hinaus führen. Durch ein vollständiges Überdecken des Öffnungsquerschnitts des trich ^¬ terförmigen Fortsatzes kann eine unerwünschte Bypassströmung am Oxidationskatalysator vorbei vermieden werden.

Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn ein Umlenkelement im Gehäuse der Abgasnachbehandlungseinheit angeordnet ist, wobei durch das Umlenkelement das aus dem SCR-Katalysator austre- tende Abgas zur Eintrittsseite des Oxidationskatalysators ge ^¬ lenkt wird. Dadurch kann die Strömungsführung in dem Gehäuse optimiert werden, wodurch einerseits der Druckverlust im Ge- häuse verringert wird und andererseits die Anströmung der beiden Katalysatoren verbessert wird.

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 Ausführungsbei ^¬ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert er ^¬ läutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 zwei Schnittansichten durch eine Abgasnachbehandlungseinheit nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Abgasnachbehand ^¬ lungseinheit nach Figur 1,

Fig. 3 zwei Schnittansichten durch eine erfindungsgemäße

Abgasnachbehandlungseinheit ,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Abgasnachbehand ^¬ lungseinheit nach Figur 3,

Fig. 5 zwei Schnittansichten durch eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinheit und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Abgasnachbe ^¬ handlungseinheit gemäß Figur 5.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt links einen Querschnitt durch ein Gehäuse 1 einer Abgasnachbehandlungseinheit. Das Gehäuse 1 weist einen kreisrunden Querschnitt auf und die darin angeordneten Kata- lysatoren 2, 3 sind als scheibenförmige Substrate ausgebildet und in das Gehäuse 1 eingesetzt. Das Gehäuse 1 kann entlang des Pfeils 4 von links in einer axialen Richtung mit einem Abgas durchströmt werden. Dabei strömt das Abgas durch eine Eintrittsöffnung 5 in den ersten Katalysator 2 ein und strömt anschließend in den zweiten Katalysator 3 und nach einer Um- lenkung im Gehäuse 1 durch die Austrittsöffnung 6 aus dem Gehäuse 1 aus. Am Gehäuse 1 ist eine Anschlussflansch 7 ange ^¬ deutet, welcher um die Austrittsöffnung 6 herum verläuft und dem Anschluss nachgelagerter Elemente im Abgasstrang dient.

Der erste Katalysator 2 ist ein SCR-Katalysator und der zweite Katalysator 3 ist ein Oxidationskatalysator zur Aufspaltung von nicht umgewandeltem Ammoniak.

Im rechten Teil der Figur 1 ist ein Schnitt durch das Gehäuse 1 auf Höhe der Austrittsöffnung 6 dargestellt. Hier ist der kreisrunde Querschnitt des Gehäuses 1 und der Anschluss ^¬ flansch 7 zu erkennen.

Die in Figur 1 gezeigte Konfiguration entspricht einer Abgas ^¬ nachbehandlungseinheit wie sie aus dem Stand der Technik be ^¬ kannt ist. Figur 2 zeigt eine perspektivische Außenansicht der Abgas ^¬ nachbehandlungseinheit wie sie bereits in Figur 1 gezeigt ist .

Figur 3 zeigt im linken Teil einen Schnitt durch eine erfin- dungsgemäße Abgasnachbehandlungseinheit. In einem kreisrunden Gehäuse 10 ist ein Katalysator 11 angeordnet, der als SCR-Ka ^¬ talysator dient. Dieser wird entlang der Richtung 12 in einer axialen Richtung des Gehäuses 10 mit Abgas durchströmt. Das Abgas strömt durch eine Eintrittsöffnung 13 in den SCR-Kata- lysator 11. Nach dem Durchströmen des SCR-Katalysators 11 strömt das Abgas in einen Teilbereich 14 des Gehäuses 10 der dem SCR-Katalysator 11 nachgelagert ist und dem Oxidationska- talysator 15 vorgelagert ist. In diesem Teilbereich 14 wird das Abgas aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse und durch die Innenwandungen des Gehäuses 10 umgelenkt und in ei ^¬ ner radialen Richtung 16 hin zum Oxidationskatalysator 15 ge- leitet. Nach dem Durchströmen des Oxidationskatalysators strömt das Abgas durch die Austrittsöffnung 16 aus dem Gehäu ^¬ se 10 aus.

Im rechten Teil der Figur 3 ist ein Schnitt durch das Gehäuse 10 auf Höhe der Austrittsöffnung 17 und des Teilbereichs 14 im Gehäuse 10 dargestellt. Es ist in den Schnitten der Figur 3 zu erkennen, dass die Austrittsöffnung 17 einen langlochar- tigen Querschnitt aufweist und eine geringere Erstreckung in axialer Richtung 12 aufweist als in der radialen Richtung quer zur axialen Richtung 12. Durch diese Gestaltung der Austrittsöffnung 17 wird der Öffnungsquerschnitt bei gleichblei ^¬ bender axialer Erstreckung des Gehäuses 10 vergrößert, wo ^¬ durch insbesondere der bei der Durchströmung des Oxidations ^¬ katalysators 15 entstehende Druckverlust minimiert werden kann.

Im Bereich der Austrittsöffnung 17 ist ein Sensor 21 dargestellt, der beispielsweise zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration oder der Ammoniakkonzentration verwendet werden kann. Der Sensor 21 ist dabei derart angeordnet, dass er in den aus dem Katalysator ausströmenden Abgasstrom hineinragt. Durch die Umlenkung des Abgasstroms im Katalysator findet eine Homogenisierung des Abgases statt, da eine Vermischung angeregt wird. Die von dem Sensor 21 gemessenen Werte weisen somit eine höhere Verlässlichkeit auf, da die Wahrscheinlich ^¬ keit reduziert wird, dass der Sensor 21 ein lokales Konzent ^¬ rationsmaximum misst, welches in einem nicht homogenen Abgasstrom entstehen kann. Der Sensor 21, wie er in der Figur 3 dargestellt ist, kann in gleicher Form auch in den Ausführungsbeispielen der anderen Figuren 4, 5 und 6 vorgesehen werden. Er ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in diesen Figuren nicht dargestellt.

Die Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des in Figur 3 gezeigten Gehäuses 10 mit dem SCR-Katalysator 11 als scheibenförmigem Substrat und dem Oxidationskatalysator 15, welcher in die Austrittsöffnung 17 eingesetzt ist und den Öffnungsquerschnitt vollständig ausfüllt. Insbesondere im Vergleich mit den Figuren 1 und 2 ist zu erkennen, dass die axiale Erstreckung des Gehäuses 10 im Ver ^¬ gleich zum Gehäuse 1 wesentlich geringer ist, obwohl in beiden Ausführungsformen ein zusätzlicher Oxidationskatalysator 3, 15 angeordnet ist.

Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Gehäuses 10. An der Austrittsöffnung 19, welche in Figur 5 einen kreisrunden Querschnitt aufweist, ist ein trichterförmiger Fortsatz 20 angebunden, welcher entlang der radialen Richtung 16 in das Gehäuse 10 hineinragt. An den trichterförmigen Fortsatz 20 ist ein Oxidationskatalysator 18 angeschlossen, der den nach innen gerichteten Öffnungsquerschnitt des trichterförmigen Fortsatzes 20 vollständig überdeckt. Der Oxidationskata ^¬ lysator kann auch vollständig in den trichterförmigen Fort- satz eingesetzt sein.

Das durch das Gehäuse 10 strömende Abgas wird wie auch in Fi ^¬ gur 3 im Bereich 14 des Gehäuses 10 umgelenkt und durchströmt sodann den Oxidationskatalysator 18 bevor es den trichterför- migen Fortsatz 20 durchströmt.

Im rechten Teil der Figur 5 ist zu erkennen, dass der trichterförmige Fortsatz einen veränderlichen Querschnitt aufweist. Während im Bereich des Oxidationskatalysators 18 ein langlochartiger Öffnungsquerschnitt, ähnlich dem in Figur 3, vorgesehen ist, ist der Querschnitt der Austrittsöffnung 19 kreisrund, wie bereits in Figur 1 gezeigt. Dies ist vorteil- haft, da der Anschluss weiterführenden Komponenten im Abgasstrang wesentlich einfacher und universeller an einem kreisrunden Querschnitt erfolgen kann. Gleichzeitig ist für die Durchströmung des Oxidationskatalysators innerhalb des Gehäu- ses 10 bei gegebener axialer Erstreckung eine möglichst große Querschnittfläche durch die langlochartige Gestaltung des trichterförmigen Fortsatzes 20 ausgebildet.

Figur 6 zeigt eine perspektivische Außenansicht des Gehäuses 10 gemäß der Ausgestaltung nach Figur 5.

Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele der Figuren 3 bis 6 können auch untereinander kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 3 bis 6 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.