DE10237165B4

DE10237165B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasbehandlung einer Verbrennungseinrichtung sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE10237165B4
Application number: DE2002137165
Authority: DE
Inventors: Johannes Schaller; Thomas Brinz; Ilona Ullmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: US20040103652A1; US7100367B2; GB2394192B; FR2843612A1; DE10237165A1; GB0318804D0; FR2843612B1; GB2394192A

Abstract

Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Verbrennungseinrichtung mit einer ersten Speichereinheit (1) zum Speichern wenigstens einer Harnstoff-Wasser-Lösung (2), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Dosiervorrichtung (4, 5; 16) zum Zudosieren eines Zusatzmittels zur in der ersten Speichereinheit (1) befindlichen Harnstoff-Wasser-Lösung (2) vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine zudosierte Zusatzmittel die Harnstoff-Wasser-Lösung (2) in der Speichereinheit (1) chemisch beeinflusst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und deren Verwendung zur Abgasbehandlung einer Verbrennungseinrichtung, insbesondere einer Dieselverbrennungseinrichtung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Abgasbehandlung einer Verbrennungseinrichtung, insbesondere einer Dieselverbrennungseinrichtung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Stand der Technik
Bislang wird für die Abgasnachbehandlung, insbesondere von Dieselabgasen von Dieselfahrzeugen, das sogenannte ”Selektiv Catalytic Reduktion-Verfahren” (SCR-Verfahren) zur Entfernung von Stickoxiden (NO_x) eingesetzt. Hierbei wird vorzugsweise im Fahrzeug in entsprechenden Reaktoren das Reduktionsmittel Ammoniak (NH₃) gewonnen, das sich mit Stickoxiden unter anderem selektiv zu molekularem Stickstoff umgesetzt.
Beim am weitesten verbreiteten SCR-Verfahren im Fahrzeugbereich wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) in den Abgastrakt eingespritzt, wobei sich HWL unter Harnstoffhydrolyse zu NH₃ und Kohlendioxid (CO₂) zersetzt. Zur Unterstützung der Hydrolyse befindet sich in Strömungsrichtung des Abgases nach der Einspritzstelle meist ein sogenannter ”Hydrolysekatalysator”.
Unter einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) wird im Sinne der Erfindung eine Flüssigkeit bzw. Lösung verstanden, die wenigstens Harnstoff und Wasser umfasst. Bei der üblicherweise verwendeten 32,5%igen Lösung ist jedoch die geringe Gefrierfestigkeit (Eutektikum bei –11°C) gerade bei Fahrzeuganwendungen besonders nachteilig.
Nacheilig bei der Verwendung von HWL ist darüber hinaus, dass sich diese durch erhöhte Temperaturen ab ca. 60°C bis 80°C zersetzt. Hierbei entsteht aus Harnstoff Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂). Dies hat zur Folge, dass die häufig ursprünglich 32,5 prozentige Lösung aufgrund dieser Thermolyse eine geringere, im Allgemeinen unbekannte Harnstoffkonzentration aufweist. Ohne genaue Kenntnis der Harnstoffkonzentration ist jedoch eine optimierte Entstickung der Abgase nicht zu gewährleisten. Da einerseits bei einer zu starken Harnstoffzugabe giftiges Ammoniak oder andererseits bei einer zu geringen Harnstoffzugabe relativ viel NO_x emittiert wird.
Derzeit wird bereits über eine direkte oder indirekte Erfassung der sich ändernden Harnstoffkonzentration der HWL diskutiert. Entsprechende Messverfahren sind jedoch lediglich mit einem vergleichsweise hohen wirtschaftlichen und konstruktiven Aufwand realisierbar.
In der Offenlegungsschrift DE 198 59 201 A1 werden beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigen Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben. Das beschriebene Verfahren führt dem Abgas zur Reinigung ein flüssiges oder gasförmiges Reduktionsmittel zu. Des Weiteren wird dem Abgas neben dem Reduktionsmittel auch ein Oxidationsmittel zugeführt, um die katalytische Reduktion bei niedrigen Temperaturen zu erhöhen. Die zugehörige Vorrichtung umfasst Mittel zur Zuführung des Reduktionsmittels und Mittel zur Zuführung des Oxidationsmittels in einen Abgasstrang eines Motors oder einer anderen Verbrennungskraftmaschine. Hierbei können separate Behälter und Mittel für eine dosierte Injektion des flüssigen Reduktionsmittels und des Oxidationsmittels in den Abgasstrang vorgesehen sein. Zudem kann eine Mischdüse zur gemeinsamen Injektion des Reduktionsmittels und des Oxidationsmittels in den Abgasstrang vorgesehen werden. Alternativ kann ein gemeinsamer Behälter für ein Gemisch einer wässrigen Lösung eines Reduktionsmittels und eines Oxidationsmittels verwendet werden. Das Gemisch kann dann über eine Dosiervorrichtung in den Abgasstrang eingebracht werden. Vorzugsweise wird ein Oxidationsmittel mit niedriger Bildungswärme verwendet. Als Oxidationsmittel kann Wasserstoffperoxid und als Reduktionsmittel kann Harnstoff in wässriger Lösung verwendet werden.
In der Patentschrift DE 44 46 773 B4 wird ein Verfahren zur Entstickung von Abgasen aus Diesel- und Magermixmotoren beschrieben. Das beschriebene Verfahren verwendet Aminomethylierungsprodukte des Harnstoffes in gelöster Form als Entstickungsmittel, wobei Aminomethylierungsprodukte des Harnstoffes in Form wässriger Lösungen mit einem Stickstoffgehalt von 24 bis 36 Ma.-% eingesetzt werden. Den wässrigen Lösungen von Aminomethylierungsprodukten des Harnstoffes können bis zu 75 Ma.-% Harnstoff bezogen auf den Stickstoffgehalt der Lösung zugemischt werden, um eine Erhöhung des Gehaltes an reduktiv wirksamem Stickstoff zu erreichen, wobei sowohl die Lagerfähigkeit als auch die Kältestabilität des Entstickungsmittels erhalten bleiben.
In der JP 2002001066 A wird ein Reduktionsmittel zur Entstickung von Abgasen beschrieben. Das beschriebene Reduktionsmittel besteht aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung, dem ein wasserlösliches organisches Lösungsmittel als Frostschutzmittel beigemischt ist, um die Gefrierfestigkeit des Reduktionsmittels zu erhöhen.
Vorteile und Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasbehandlung einer Verbrennungseinrichtung, insbesondere einer Dieselverbrennungseinrichtung, mit einer ersten Speichereinheit zum Speichern einer Harnstoff-Wasser-Lösung vorzuschlagen, wobei ohne großen Aufwand eine optimierte Abgasbehandlung realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, und von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass wenigstens eine Dosiervorrichtung zum Zudosieren eines Zusatzmittels zur in der ersten Speichereinheit befindlichen Harnstoff-Wasser-Losung zur chemischen Beeinflussung der Harnstoff-Wasser-Losung vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß ist das Zusatzmittel als Betriebsstoff zur chemischen Stabilisierung der Harnstoff-Wasser-Lösung ausgebildet. Hierzu ist wenigstens eine Dosiervorrichtung zum Zudosieren des Zusatzstoffes bzw. Betriebsstoffs vorgesehen. Mittels eines derartigen Betriebsstoffes, der in die erste Speichereinheit mittels der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung einzubringen ist, kann die Zersetzung der HWL weitestgehend verhindert werden. Hierdurch wird gemäß der Erfindung erreicht, dass die im Allgemeinen bekannte, z. B. standardmäßig 32,5 prozentige Lösung sich nicht bedeutsam zersetzt und somit ein weitestgehend exaktes Zudosieren der SCR-relevanten Harnstoffmenge in den Abgastrakt der Verbrennungseinrichtung bzw. eines Fahrzeugs, z. B. LKW oder PKW, gewährleistet wird. Hierdurch kann insbesondere der sogenannte „Ammoniakschlupf” nahezu verhindert werden.
Insbesondere in einer alternativen Variante der Erfindung umfasst die Harnstoff-Wasser-Lösung wenigstens ein Frostschutzmittel zum Senken des Gefrierpunktes der Harnstoff-Wasser-Lösung als Zusatzmittel.
Mit Hilfe eines derartigen Frostschutzmittels wird auf besonders elegante Art und Weise ein Einfrieren der Harnstoff-Wasser-Lösung auch bei niederen Temperaturen wirkungsvoll verhindert. Dies ermöglicht einen Betrieb der Vorrichtung gemäß der Erfindung ohne Störungen, selbst bei winterlichen Temperaturen der gemäßigten oder polaren Klimazonen. Dies ist besonders bei Fahrzeuganwendungen ein entscheidender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung umfasst das Zusatzmittel bzw. Frostschutzmittel wenigstens Ammoniak (NH₃) bzw. besteht das Frostschutzmittel im Wesentlichen aus Ammoniak (NH₃). Bereits im Fahrzeugbereich bekannte Frostschutzmittel wie z. B. Ethylenglykol beeinträchtigen den SCR-Prozess beträchtlich bzw. führen zu nachteiligen Abgasemissionen, was der Aufgabe der Abgasbehandlung vollkommen entgegengerichtet ist, und sind darüber hinaus vergleichsweise wirtschaftlich teuer. Zudem wird der massenbezogene Reduktionsmittelgehalt der HWL aufgrund der Verdünnung mit entsprechenden Frostschutzmitteln verringert.
Dagegen wird mittels einem ammoniakhaltigen Frostschutzmittel bzw. mit Hilfe von nahezu reinem Ammoniak in wirtschaftlich günstiger Weise der Gefrierpunkt der HWL gesenkt und der massenbezogene Reduktionsmittelgehalt der HWL deutlich vergrößert. Ammoniak weist darüber hinaus eine sehr gute Löslichkeit in Wasser und in wässriger Harnstofflösung auf.
Generell wird gemäß der Erfindung bei einem SCR-Verfahren mit einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 als Reduktionsmittel anstelle der bislang üblichen binären Mischung aus Harnstoff und Wasser eine mindestens ternäre Mischung aus Ammoniak, Harnstoff und Wasser sowie gegebenenfalls mit weiteren Zusatzstoffen wie Emulgatoren, Stabilisatoren, u. s. w. verwendet.
Gegebenenfalls kann eine ternäre Mischung aus Ammoniak, Harnstoff und Wasser bereits fertig hergestellt und insbesondere von einem Fahrzeug getankt bzw. in die Speichereinheit der Vorrichtung gemäß der Erfindung eingebracht werden. Vorzugsweise kann eine entsprechend fertiggemischte, ternäre Mischung saisonal, d. h. vorzugsweise während der Winterphase, erfindungsgemäß verwendet und/oder erzeugt werden.
Erfindungsgemäß ist wenigstens eine entsprechende Dosiervorrichtung zum Zudosieren des Zusatzmittels bzw. Frostschutzmittels zur Harnstoff-Wasser-Lösung vorgesehen. Vorzugsweise ist wenigstens eine Erzeugungseinheit zum Erzeugen des Frostschutzmittels vorgesehen, die insbesondere als Dosiervorrichtung ausgebildet ist. Hierdurch kann das Frostschutzmittel beispielsweise mittels Umformung eines möglicherweise bereits vorhandenen Betriebsstoffs der Vorrichtung gemäß der Erfindung erzeugt werden, so dass ein separates Betanken oder dergleichen des Frostschutzmittels entfallen kann. Dies kann den Aufwand zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich verringern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Erzeugungseinheit wenigstens eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der Harnstoff-Wasser-Lösung auf. Mit dieser Maßnahme ist mittels einer Thermolyse der Harnstoff-Wasser-Lösung Ammoniak erzeugbar. Beispielsweise wird die Heizvorrichtung elektrisch, etc. betrieben und/oder ist diese als Wärmetauscher zur Verwertung einer Abwärme einer Wärme erzeugenden Komponente insbesondere des Fahrzeugs realisierbar. Möglicherweise wird die Abwärme der Verbrennungseinrichtung gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Heizfluids zum Betreiben der Heizvorrichtung verwendet.
Vorteilhafterweise umfasst die Erzeugungseinheit wenigstens ein katalytisch aktives Umformelement zur katalytischen Umformung der Harnstoff-Wasser-Lösung. Eine als Katalysator ausgebildete Erzeugungseinheit verbessert in vorteilhafter Weise die Ammoniakerzeugung. Gegebenenfalls ist das Umformelement als katalytisch aktive Belegung ausgebildet, das vorzugsweise oberflächenvergrößernde Ausformungen aufweist. Dies verbessert die Umformung der Harnstoff-Wasser-Lösung bzw. die Erzeugung des Ammoniaks zusätzlich.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Speichereinheit als Erzeugungseinheit ausgebildet. Beispielsweise wird ein vorgegebener Bereich der Speichereinheit mittels einer Heizvorrichtung erwärmt und gegebenenfalls die Kontaktfläche der Speichereinheit zur HWL katalytisch belegt. Alternativ hierzu kann eine baulich trennbare Erzeugungseinheit innerhalb der Speichereinheit angeordnet bzw. in dieser integriert werden.
Weiterhin kann die Erzeugungseinheit außerhalb der Speichereinheit angeordnet und mittels entsprechender Leitungen mit dieser verbunden werden.
Grundsätzlich kann bei einem nahezu konstanten, massenbezogenen Reduktionsmittelgehalt der Anteil von Harnstoff in der HWL verringert und der Anteil von Ammoniak entsprechend angepasst werden. Dies wird insbesondere bei den Varianten der Erfindung realisiert, bei denen mittels der getankten bzw. in der Speichereinheit gespeicherten HWL Ammoniak erzeugt wird. Hierbei wird gemäß der Erfindung sowohl der Gefrierpunkt abgesenkt und zusätzlich der üblicherweise verwendete, in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Einspritzstelle im Abgastrakt angeordnete, sogenannte ”Hydrolysekatalysator” entlastet. Dieser zersetzt den Harnstoff der HWL zu Ammoniak und Kohlendioxid, so dass der häufig separate, sogenannte ”SCR-Katalysator”, der in Strömungsrichtung hinter dem ”Hydrolysekatalysator” im Abgastrakt angeordnet ist, das Abgas in bekannter Weise selektiv entstickt.
Weiterhin wird bei der vorgenannten Variante aufgrund der verringerten Harnstoffmenge bzw. des verringerten Harnstoffanteils die Gefahr der Verstopfung des Zufuhrsystems, das die Harnstoff-Wasser-Lösung bzw. die Harnstoff-Wasser-Ammoniak-Lösung in den Abgastrakt befördert, insbesondere durch auskristallisierten Harnstoff deutlich reduziert.
In einer anderen Variante der Erfindung wird bei konstantem Harnstoffgehalt der HWL durch zusätzlich eingebrachtes Ammoniak der massenbezogene Reduktionsmittelgehalt entscheidend erhöht, wobei gemäß der Erfindung der Gefrierpunkt der Lösung ebenfalls abgesenkt wird.
Vorteilhafterweise umfasst das Zusatzmittel bzw. der Betriebsstoff wenigstens Kohlendioxid bzw. besteht der Betriebsstoff im Wesentlichen aus Kohlendioxid. Mit Hilfe einer dieser Maßnahmen wird erreicht, dass sich das chemische Gleichgewicht der HWL-Zersetzung sich aufgrund der CO₂-Vorlage auf die Seite von Harnstoff verschiebt, so dass in besonders einfacher Weise die Zersetzung der HWL zu Ammoniak und Kohlendioxid unterbunden wird.
Mittels der Zudosierung von Kohlendioxid wird die Entstehung von gasförmigem Ammoniak in der ersten Speichereinheit weitestgehend vermieden, so dass sich die Reduktionsmittelkonzentration der HWL nicht verringert.
Zudem kann in einer besonderen Variante der Erfindung die Einleitung von gasförmigem Ammoniak aus dem Tank- bzw. der ersten Speichereinheit in den SCR-Katalysator gegebenenfalls entfallen, da im Gegensatz zum Stand der Technik nahezu kein gasförmiges, giftiges Ammoniak entsteht. Hierdurch wird der Aufwand gemäß der Erfindung zur Abgasbehandlung bzw. Entstickung entsprechender Abgase verringert.
Generell ist die Zugabe eines der Reaktionsprodukte insbesondere in die erste Speichereinheit vorteilhaft, da sich das chemische Gleichgewicht der Reaktion auf die Seite des bzw. der Edukte verschiebt, d. h. in diesem Fall auf die Seite von Harnstoff. Demzufolge ist auch eine Zugabe von Ammoniak mittels der Dosiervorrichtung gemäß der Erfindung denkbar.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine zweite Speichereinheit zur Speicherung des Zusatzmittels bzw. Betriebsstoffs vorgesehen. Hiermit wird ermöglicht, dass insbesondere in Abhängigkeit des Füllstands bzw. der HWL-Menge in der ersten Speichereinheit der Betriebsstoff bzw. das Kohlendioxid zudosierbar ist.
Gegebenenfalls weist die erste Speichereinheit und/oder die zweite Speichereinheit atmosphärische Druckbedingungen auf. Vorzugsweise ist wenigstens eine Druckerzeugungseinheit zur Druckbeaufschlagung des Zusatzmittels bzw. Betriebsstoffes vorgesehen. Mit dieser Maßnahme kann beispielsweise der Betriebsstoff aus der zweiten Speichereinheit in die erste Speichereinheit transportiert werden.
Darüber hinaus kann mittels der Druckerzeugungseinheit in der ersten Speichereinheit ein Überdruck, d. h. ein Druck größer als der atmosphärische Druck, erzeugt werden, was zu einer weiteren Verschiebung des chemischen Gleichgewichts zur Eduktseite führen kann. Dies bewirkt eine zusätzliche Stabilisierung der Harnstoffkonzentration der HWL.
Vorzugsweise weist die Druckerzeugungseinheit wenigstens eine Regeleinheit zum Einstellen des Drucks auf. Mit Hilfe einer entsprechenden Regeleinheit kann beispielsweise ein nahezu konstanter Druck, unabhängig vom Füllstand der HWL, vor allem in der ersten Speichereinheit eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die zweite Speichereinheit als Druckspeichereinheit zur Druck beaufschlagten Speicherung des Betriebsstoffes ausgebildet. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann die zweite Speichereinheit zugleich als Druckerzeugseinheit gemäß der Erfindung verwendet werden. Dies führt dazu, dass die als Druckspeichereinheit ausgeführte zweite Speichereinheit mittels einer Druckdifferenz bzw. einem Druckgefälle das Zusatzmittel bzw. den Betriebsstoff zur ersten Speichereinheit transportiert.
Weiterhin wird mittels einer als Druckspeichereinheit ausgebildeten zweiten Speichereinheit eine Erhöhung der Dichte des gespeicherten Zusatzmittels bzw. Betriebsstoffs realisiert, so dass die zweite Speichereinheit eine vergleichsweise große Zusatzmittel- bzw. Betriebsstoffmenge bei relativ kleinem Volumen speichern kann. Beispielsweise wird die Druckspeichereinheit als CO₂-Patrone, CO₂-Druckgasflache oder dergleichen ausgebildet.
Vorzugsweise umfasst die Dosiervorrichtung wenigstens ein Dosierventil. Hiermit wird ermöglicht, dass das Zusatzmittel bzw. der Betriebsstoff vergleichsweise einfach zur ersten Speichereinheit zudosierbar ist. Im Allgemeinen wird das Dosierventil mittels der Regeleinheit oder dergleichen vorteilhaft gesteuert bzw. geregelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Drucksensor zur Ermittlung des Speicherdrucks möglicherweise der ersten und/oder zweiten Speichereinheit vorgesehen. Ein Drucksensor verbessert in vorteilhafter Weise eine Überwachung der Vorrichtung, insbesondere mittels der Regeleinheit. Beispielsweise ist mittels einem Drucksensor die Befüllung der Druckspeichereinheit bzw. der zweiten Speichereinheit erfassbar. Weiterhin kann mittels einem Drucksensor der Druck der ersten Speichereinheit ermittelt werden und gegebenenfalls mit Hilfe einer vorteilhaften Be- bzw. Entlüftungsvorrichtung, z. B. mittels einem Be- bzw. Entlüftungsventil, ein maximaler und/oder minimaler Druck in der ersten Speichereinheit eingestellt werden. Gegebenenfalls wird ein Überdruck von ca. 100 Millibar und/oder ein Unterdruck von ca. 20 Millibar vorgegeben, so dass die erste Speichereinheit im Allgemeinen nicht als Druckbehälter oder dergleichen auszuführen ist. Dies führt zu einer konstruktiv und wirtschaftlich günstigen Realisierung der ersten Speichereinheit, beispielsweise als Kunststofftank oder dergleichen.
Grundsätzlich ist denkbar, dass beispielsweise eine Zwischenspeichereinheit zum Zwischenspeichern von Gasen der ersten Speichereinheit vorgesehen ist. Hierdurch wird zur Druckreduzierung beispielsweise in der ersten Speichereinheit vor allem CO₂-haltiges und gegebenenfalls mit Spuren von Ammoniak versetztes Gas abgelassen. Möglicherweise wird dieses Gasgemisch der zweiten Speichereinheit zur Wiederverwendung und/oder vorzugsweise während dem Betrieb der Verbrennungseinrichtung entsprechend zugeführt.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
Im Einzelnen zeigt:
1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem extern angeordneten Reaktor,
2 in schematischer Darstellung eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung mit integriertem Reaktor und
3 in schematischer Darstellung eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer zweiten Speichereinheit.
Eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer in den 1 oder 2 nicht näher dargestellten Verbrennungseinheit gemäß der Erfindung umfasst einen Tank 1, der insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) 2 speichert. Die HWL 2 wird mittels einer im unteren Bereich des Tanks 1 angeordneten Ablaufleitung 3 einem nicht näher dargestellten Zufuhrsystem zur Zuführung der gespeicherte Betriebsflüssigkeit dem Abgastrakt beispielsweise eines Fahrzeugs mit Dieselmotor zugeführt. Häufig ist die Vorrichtung zur Abgasbehandlung gemäß der Erfindung in einem Nutzkraftwagen oder Personenkraftwagen eingebaut. Denkbar ist auch der Einsatz in einer stationären Kraft-Wärme-Kopplungsanlage oder dergleichen. Zur SCR-Reduktion der Abgase kann der Abgastrakt beispielsweise einen Hydrolysekatalysator als auch einen SCR-Katalysator in bekannter Weise umfassen.
Gemäß 1 ist ein Reaktor 4 außerhalb des HWL-Tanks 1 angeordnet. Der Reaktor 4 ist mit der Leitung 3 derart verbunden, dass dieser einen Teil des aus dem Tank 1 strömenden Fluidstromes erhält und vorzugsweise in nicht näher dargestellter Weise unter Zuhilfenahme einer Heizvorrichtung und einer katalytisch aktiven Belegung vor allem den Harnstoff der HWL 2 in Ammoniak umformt. Hierdurch strömt aus dem Reaktor 4 mittels einer Leitung 5 eine mit Ammoniak signifikant angereicherte HWL 2 bzw. eine ternäre Mischung aus Harnstoff, Wasser und Ammoniak in den Tank 1 zurück. So wird eine Kreislaufführung der HWL 2 realisiert. Diese Maßnahmen führen zu einer allmählichen Erhöhung des Ammoniakanteils der HWL 2 und zu einer Absenkung des Gefrierpunktes der im Tank 1 gespeicherten HWL 2 bzw. der mit Ammoniak angereicherten HWL 2.
Gemäß 2 ist der Reaktor 4, der mittels einer Wärmezufuhr Q und einer vorteilhaften katalytisch aktiven Belegung Ammoniak erzeugt, im Tank 1 integriert. Hierbei strömt die HWL 2 durch den Reaktor 4 hindurch, wobei Ammoniak (NH₃) bzw. eine mit Ammoniak deutlich angereicherte HWL 2 bzw. eine ternäre Mischung aus Ammoniak, Harnstoff und Wasser erzeugt und im Tank 1 gespeichert wird. Auch bei dieser Variante der Erfindung wird der Gefrierpunkt der im Tank 1 gespeicherten HWL 2 aufgrund des gelösten Ammoniaks (NH₃) vorteilhaft gesenkt.
Weiterhin können auch andere Frostschutzmittel, möglicherweise zusätzlich zum Ammoniak, der im Tank 1 gespeicherten HWL 2 zugesetzt werden.
3 zeigt in schematischer Darstellung, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer nicht näher dargestellten Verbrennungseinrichtung. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung umfasst einen HWL-Tank 1, der eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) 2 speichert. Die HWL 2 wird mittels einer im unteren Bereich des Tanks 1 angeordneten Ablaufleitung 3 einem nicht näher dargestellten Harnstoffdosiersystem zugeführt. Das Harnstoffdosiersystem führt die HWL 2 dem Abgasstrom der Verbrennungseinrichtung zu, z. B. dem Dieselmotor. Zur SCR-Reduktion der Abgase kann der Abgastrakt beispielsweise einen Hydrolyse-Katalysator als auch einen SCR-Katalysator in bekannter Weise umfassen.
Zur Stabilisierung der HWL 2 im Tank 1 gemäß 3 wird diesem mittels einer CO₂-Druckpatrone 14 Kohlendioxid (CO₂) 15 zudosiert. Zur Regelung der zudosierenden CO₂-Menge ist ein Absperrventil 16 zwischen der CO₂-Patrone 14 und dem Tank 1 an der entsprechenden Leitung angeordnet.
Darüber hinaus weist der HWL-Tank 1 gemäß 3 ein Überdruckventil 7 auf, das insbesondere bei einem Überdruck von ca. 100 Millibar öffnet und gegebenenfalls überschüssiges CO₂ 15 ablässt. Das Absperrventil 16 gewährleistet eine Zudosierung des CO₂ 15 aus der Patrone 14, wobei der Dosierdruck kleiner einem mittels dem Überdruckventil 7 eingestellten Maximaldruck zu wählen ist.
Gegebenenfalls ist ein in 3 nicht näher dargestellter Drucksensor zur Überwachung des Drucks im Tank 1 und gegebenenfalls zur Überwachung bzw. Ermittlung des Befüllungsgrades der Patrone 14 vorgesehen. Der Drucksensor des Tanks 1 wird im Allgemeinen u. a. zur Regelung des Absperrventils 16 verwendet.
Grundsätzlich können die Vorrichtungen der 1, 2 oder 3 uneingeschränkt gemäß der Erfindung miteinander kombiniert werden.

Claims

Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Verbrennungseinrichtung mit einer ersten Speichereinheit (1) zum Speichern wenigstens einer Harnstoff-Wasser-Lösung (2), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Dosiervorrichtung (4, 5; 16) zum Zudosieren eines Zusatzmittels zur in der ersten Speichereinheit (1) befindlichen Harnstoff-Wasser-Lösung (2) vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine zudosierte Zusatzmittel die Harnstoff-Wasser-Lösung (2) in der Speichereinheit (1) chemisch beeinflusst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dosiervorrichtung (4, 5) ein wenigstens als Frostschutzmittel ausgebildetes Zusatzmittel zum Senken des Gefrierpunkts der Harnstoff-Wasser-Lösung (2) in die erste Speichereinheit (1) zudosiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dosiervorrichtung (4, 5) wenigstens eine Erzeugungseinheit (4) zum Erzeugen des Zusatzmittels umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugungseinheit (4) wenigstens eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der Harnstoff-Wasser-Lösung (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugungseinheit (4) wenigstens ein katalytisch aktives Umformelement zur katalytischen Umformung der Harnstoff-Wasser-Lösung (2) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (1) als Erzeugungseinheit (4) zum Erzeugen des Zusatzmittels ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zudosierte Zusatzmittel als Betriebsstoff ausgebildet ist, welcher die Harnstoff-Wasser-Lösung (2) in der Speichereinheit (1) chemisch stabilisiert.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens ein Ventil umfassende zweite Dosiervorrichtung (16) ein wenigstens als ein Betriebsstoff (15) zur chemischen Stabilisierung der Harnstoff-Wasser-Lösung (2) ausgebildetes Zusatzmittel in die erste Speichereinheit (1) zudosiert.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Speichereinheit (14) zur Speicherung des Betriebsstoffes (15) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Druckerzeugungseinheit zur Druckbeaufschlagung des Betriebsstoffes (15) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Speichereinheit (14) als Druckspeichereinheit zur Druck beaufschlagten Speicherung des Betriebsstoffes (15) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Drucksensor zur Ermittlung des Speicherdrucks vorgesehen ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 12 zur Abgasbehandlung einer Diesel-Verbrennungseinrichtung.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 12 zur Abgasbehandlung einer Verbrennungseinrichtung in einem Fahrzeug.
Verfahren zur Abgasbehandlung einer Verbrennungseinrichtung mit einer ersten Speichereinheit (1) zum Speichern wenigstens einer Harnstoff-Wasser-Lösung (2), dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Harnstoff-Wasser-Lösung mit wenigstens einem Zusatzmittel zur chemischen Beeinflussung der Harnstoff Wasser-Lösung verwendet wird und daß die chemische Beeinflussung durch das Zusatzmittel in der ersten Speichereinheit stattfindet, wobei ein Frostschutzmittel zum Senken des Gefrierpunktes der Harnstoff-Wasser-Lösung (2) als Zusatzmittel verwendet wird, wobei Ammoniak als Frostschutzmittel dient, so daß eine ternäre Mischung aus Ammoniak, Harnstoff und Wasser zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Mischung saisonal, insbesondere während der Winterphase, in die erste Speichereinheit (1) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Mischung im Vergleich zu einer 32,5%igen wässrigen Harnstofflösung einen erniedrigten Gefrierpunkt hat.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ammoniak zur chemischen Beeinflussung der Harnstoff-Wasser-Lösung (2) zur in der ersten Speichereinheit (1) befindlichen Harnstoff-Wasser-Lösung (2) zudosiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Verbrennungseinrichtung um eine Diesel-Verbrennungseinrichtung handelt, beispielsweise um die Diesel-Verbrennungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.