DE10140295A1

DE10140295A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung für Dieselmotoren

Info

Publication number: DE10140295A1
Application number: DE10140295A
Authority: DE
Inventors: Georg Huethwohl
Original assignee: Purem Abgassysteme GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Unna GmbH and Co KG
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2021-08-17
Also published as: DE10140295B4

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verringerung von Partikel- und NO-Imissionen bei Dieselmotoren, bei der einem der Partikeloxidation und der Bildung von Stickoxid dienenden Vorkatalysator (512) nach einer gesteuerten Ammoniakzuführung ein SCR-Katalysator (52) nachgeschaltet ist, wobei ein gemeinsames Gehäuse (1) mit einem Abgaseintritt (4) an einer Seite und einem Abgasaustritt (15) an der anderen Seite vorgesehen ist, in welchem Gehäuse (1) durch Zwischenwände (16, 17) gegeneinander abgedichtete Kammern (2, 3, 4) gebildet und durch diese Zwischenwände mehrere Katalysatormodule (5) hindurchgeführt sind, deren erster Abschnitt jeweils ein Vorkatelement (51) ist mit axialer und/oder radialer Eintrittsgasführung (511) und radialer Austrittsgasführung (513) und deren gegen das Vorkatelement (51) axial abgeschotteter zweiter Abschnitt ein SCR-Katelement (52) mit radialer Gaseintrittsführung (521) und axialer und/oder radialer Gasaustrittsführung (513) ist, wobei die Eintrittsgasführung (511) des Vorkatelementes (51) in einer ersten Kammer (2) mit einem Abgaseintritt (14), die radiale Austrittsgasführung (513) des Vorkatelementes (51) und die radiale Eintrittsgasführung (521) des SCR-Katelementes (52) in einer zweiten Kammer angeordnet sind, in die gasförmiges Ammoniak zugeführt wird und wobei die Gasaustrittsführung (523) des SCR-Katelementes (52) in einer dritten Kammer (4) mit einem Abgasaustritt (15) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verringerung von Partikel- und NO-Emissionen bei Dieselmotoren, insbesondere für Nutzfahrzeuge, bei der einem der Partikeloxidation und der Bildung von Stickoxid dienenden Vorkatalysator nach einer gesteuerten Ammoniakzuführung ein SCR-Katalysator nachgeschaltet ist.

Ein Verfahren zur Reduktion von Stickoxiden (NO_x) an einem SCR- Katalysator der im Abgasstrang eines Dieselmotors angeordnet ist mit Ammoniak (NH₃), welches vorzugsweise vor dem Katalysator in den Abgasstrom eingebracht wird, ist beispielsweise aus der DE 197 20 209 C1 bekannt. Insbesondere wird hier über eine gesteuerte Zuführung von Ammoniak gesprochen.

Bekannt sind aber auch Verfahrensprinzipien zur Abgasnachbehandlung zum Zwecke der Verringerung von Partikel- und NO_x-Emissionen bei Nutzfahrzeug-Dieselmotoren, bei denen ein Vorkatalysator vorgesehen ist, in dem reaktives Stickstoffoxid erzeugt wird, welches die spätere SCR- Reaktion beschleunigt. Hierbei kommt ein entsprechender Vorkatalysator zum Einsatz, dem verfahrensmäßig ein externer Harnstoffkonverter zur Erzeugung von Ammoniak nachgeschaltet ist, von dem das erzeugte Ammoniak in den Abgasstrom zum nachgeschalteten SCR-Katalysator erfolgt. (s. Berichte zur Energie- und Verfahrenstechnik BEV, Schriftenreihe Heft 2001.1, Herausgeber Prof. Dr.-Ing. A. Leipertz, Erlangen 2001, veröffentlicht Essen 13./14. März 2001). Eine solche bekannte Abgasnachbehandlungsvorrichtung besteht aus mehreren Aggregaten, die einen hohen Platzbedarf haben bzw. eine große Baulänge erfordern, die in entsprechenden Nutzfahrzeugen zu konstruktiven Problemen führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung der eingangs genannten Art in ihrer Baulänge zu optimieren und eine entsprechende Baueinheit zu schaffen.

Gelöst wird die Erfindungsaufgabe mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden Katalysatoren, der Vorkatalysator und der SCR-Katalysator in vorzugsweise rohrförmigen Katalysatormodulen vereinigt, die in Mehrfachanordnung vorzugsweise parallel zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Durch Zwischenwände im Gehäuse sind Kammern gebildet, wobei im Bereich der Überführung des aus dem Vorkatalysator austretenden Abgases zum Eintritt in den SCR-Katalysator in der Art einer Mischkammer um die entsprechenden Abschnitte des Katalysatormoduls herum Ammoniak direkt gasförmig zugeführt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsart eines Katalysatormoduls wird mit Anspruch 2 vorgeschlagen. Eine solche erfindungsgemäße Anordnung von Vorkatelement und SCR-Katelement führt zu einer kurzen Baulänge und einer besonders guten Mischung des aus dem Vorkatelement austretenden Abgases mit dem in dieser Mischkammer zugeführten Ammoniaks und ermöglicht die günstige Einströmung in das SCR-Katelement. Vorzugsweise kann die Ammoniakzuführung entsprechend verteilt in der Mischkammer in der Form einer Ammoniakeindüsung erfolgen.

Eine radiale Eintrittsgasführung und Gasaustrittsführung wird erreicht durch radial perforierte Rohrabschnitte an den entsprechenden Stellen des Katmoduls.

Um die Impulsbeaufschlagung der Rückwand des Gehäuses im Bereich der Gasaustritte aus dem SCR-Katelement durch das Abgas zu verhindern, wird gemäß den Ansprüchen 5 und 6 vorgeschlagen, hinter diesen Katelementen mit Abstand Prallscheiben vorzusehen, die eine Umlenkung des Abgasstromes in der entsprechenden Kammer bewirken. Aus dieser Kammer strömt das Abgas durch den entsprechenden Gasaustritt in der Rückwand des Gehäuses heraus.

Anhand eines prinzipiell abgebildeten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit mehreren Katalysatormodulen und
Fig. 2 eine prinzipielle perspektivische Darstellung der Anordnung der Katalysatormodule im nur teilweise dargestellten Gehäuse.
Die abgebildete Abgasnachbehandlung zeigt ein mit der Ziffer 1 bezeichnetes Gehäuse mit einem Mantel 11, einer Vorderwand 12 und einer Rückwand 13. Im Bereich der Vorderwand 12 ist mit der Ziffer 14 und entsprechender Pfeilangabe der vom Motor her einströmende Abgaseintritt bezeichnet. Die nachbehandelten Abgase treten an der Rückwand 13 im Bereich des Abgasaustrittes 15 aus. Durch die im Gehäuse vorgesehenen Zwischenwände 16 und 17 sind die Kammern 2, 3 und 4 gebildet, die gegeneinander abgetrennt sind.
Mehrere parallel zueinander angeordnete rohrförmige Katalysatormodule sind mit ihren entsprechenden Abschnitten durch die Zwischenwände 16 und 17 abgedichtet hindurchgeführt. Dieses Katalysatormodul 5 besteht aus einem ersten Abschnitt, dem Vorkatelement 51, in welchem eine Partikeloxidation und die Bildung von Stickoxid erfolgt und einem zweiten Abschnitt, dem SCR-Katelement 52, in dem nach der Zugabe von Ammoniak die SCR-Reaktion erfolgt.
Das rohrförmige Vorkatelement 51 weist eine axiale und radiale Eintrittsgasführung 511 auf in Form des entsprechend perforierten Eingangsrohrabschnittes. Diese Abschnitte ragen in die aus der Vorderwand 12 des Gehäuses 1 und der Zwischenwand 16 gebildete Kammer 2, in die über den Gaseintritt 14 das Abgas einströmt. Nach dem Einströmen des Abgases durch die Eintrittsgasführung 511 gelangt das Abgas in den eigentlichen Vorkatalysator 512, tritt daraus rückseitig aus und strömt radial durch den in der Kammer 3 angeordneten Abschnitt der Austrittsgasführung 513 heraus. In dieser Kammer 3, der eigentlichen Mischkammer, wird dem Abgas über die Ammoniakeindüsung 6, die nach außen über eine Zuleitung 61 angeschlossen ist, Ammoniak zugemischt in Gasform. Dieses Gemischt strömt dann über die Eintrittsgasführung 521 in das SCR- Katelement 52. Das jeweilige rohrförmige Vorkatelement 51 ist mit einem Schräganschnitt und entsprechender Schottwand 7 gegen das nachfolgende SCR-Katelement 52 in axialer Richtung abgeschottet. Einen entsprechenden Schräganschnitt weist daher auch das SCR-Katelement 52 in seinem Eintrittsgasführungsabschnitt 521 auf. Über diese Eintrittsgasführung 521 strömt das Gemisch aus vorbehandeltem Abgas und Ammoniak zum eigentlichen SCR-Katalysator 522, in dem die SCR-Reaktion erfolgt.
Die Austrittsgasführung 523 des SCR-Katelementes 52 befindet sich in der Kammer 4, die von der Zwischenwand 17 und der Rückwand 13 gebildet wird. Das entsprechend behandelte Abgas tritt sowohl axial als auch teilweise radial aus. Das axial ausströmende Abgas wird gegen die mit Abstand angeordneten Prallscheiben 524 geführt und umgelenkt. Diese Prallscheiben 54 sind mit in entsprechendem radialen Abstand zueinander angeordneten Stegen 525 am SCR-Katelement 52 gehalten. Aus der Kammer 4 strömt das behandelte Abgas über den Abgasaustritt 15 aus dem Gehäuse 1 heraus, in der Regel zu einer Schalldämpferanlage. Bezugszeichenliste 1 Gehäuse
11 Mantel
12 Vorderwand
13 Rückwand
14 Abgaseintritt
15 Abgasaustritt
16 Zwischenwand
17 Zwischenwand
2 Kammer
3 Kammer
4 Kammer
5 Katalysatormodul
51 Vorkatelement
511 Eintrittsgasführung
512 Vorkatalysator
513 Austrittsgasführung
52 SCR-Katelement
521 Eintrittsgasführung
522 SCR-Katalysator
523 Austrittsgasführung
524 Prallscheibe
525 Steg
6 Ammoniakeindüsung
61 Zuleitung
7 Schottwand

Claims

1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verringerung von Partikel- und NO-Emissionen bei Dieselmotoren, bei der einem der Partikeloxidation und der Bildung von Stickoxid dienenden Vorkatalysator nach einer gesteuerten Ammoniakzuführung ein SCR- Katalysator nachgeschaltet ist, gekennzeichnet durch ein gemeinsames Gehäuse (1) mit einem Abgaseintritt (14) an einer Seite und einem Abgasaustritt (15) an der anderen Seite, in welchem Gehäuse (1) durch Zwischenwände (16, 17) gegeneinander abgedichtete Kammern (2, 3, 4) gebildet und durch diese Zwischenwände mehrere Katalysatormodule (5) hindurchgeführt sind, deren erster Abschnitt jeweils ein Vorkatelement (51) ist mit axialer und/oder radialer Eintrittsgasführung (511) und radialer Austrittsgasführung (513) und deren gegen das Vorkatelement (51) axial abgeschotteter zweiter Abschnitt ein SCR-Katelement (52) ist mit radialer Gaseintrittsführung (521) und axialer und/oder radialer Gasaustrittsführung (513), wobei die Eintrittsgasführung (511) des Vorkatelementes (51) in einer ersten Kammer (2) mit dem Abgaseintritt (14), die radiale Austrittsgasführung (513) des Vorkatelements (51) und die radiale Eintrittsgasführung (521) des SCR- Katelementes (52) in einer zweiten Kammer (3), in die gasförmiges Ammoniak zugeführt wird, und die Gasaustrittsführung (523) des SCR-Katelementes (52) in einer dritten Kammer (4) mit dem Abgasaustritt (15) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das Vorkatelement (51) mit einem Schräganschnitt und entsprechender Schottwand (7) gegen das nachfolgende SCR- Katelement (52) angrenzt, wobei dieser Angrenzungsbereich mit der radialen Austrittsgasführung (513) des Vorkatelementes (51) und der radialen Eintrittsgasführung (521) des SCR-Katelementes (52) sich in der zweiten Kammer (3) des Gehäuses (1) befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ammoniakzuführung in der zweiten Kammer (2) des Gehäuses (1) als Ammoniakeindüsung (6) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Katalysatormodule (5) radial perforierte Eintrittsgasführungen (511, 521) und radial perforierte Gasaustrittsführungen (513, 523) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Abstand von der axialen Austrittsgasführung (523) des SCR-Katelementes (52) jeweils eine Prallscheibe (524) angeordnet ist zur Umlenkung der aus dem SCR-Katelement austretenden Abgase.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallscheiben (524) jeweils mit zueinander beabstandeten Stegen (525) an der Austrittsseite des SCR-Katelementes (52) angeordnet sind.