AT501066B1 - EXHAUST SYSTEM FOR A COMBUSTION ENGINE - Google Patents
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2 AT 501 066 B12 AT 501 066 B1
Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgasstrang, in welchem zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist, mit zumindest einer stromabwärts eines ersten Oxidationskatalysators angeordneten Denox-Einheit, wobei stromaufwärts der Denox-Einheit ein zweiter Oxidationskatalysator angeordnet ist, wobei ein Partikelfilter stromaufwärts der Denox-Einheit, vorzugsweise stromabwärts einer Zumesseinrichtung, für Reduktionsmittel angeordnet ist. N02 und NO sind Bestandteile des Rohabgases von Dieselbrennkraftmaschinen. Im Oxidationskatalysator, dessen primäre Aufgabe die Verbrennung von CO und HC-Resten ist, wird NO teilweise in N02 umgewandelt. Das sich so ergebende Verhältnis von N02 zu NO ist eine Funktion der Edelmetallkonzentration im Oxidationskatalysator, der Raumgeschwindigkeit, des Partialdrucks der NOx, sowie der Temperatur im Oxidationskatalysator. N02 dient im Dieselpartikelfilter, der typischerweise nach dem Oxidationskatalysator durchströmt wird, als Oxidationsmittel zur permanenten Oxidation des darauf gelagerten Rußes. Als weiterer Bestandteil eines Diesel-Abgassystems kann zur Verringerung der NOx-Emissionen eine beispielsweise durch einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) gebildete Denox-Einheit verwendet werden, in welchem NOx mit Hilfe von zudosierten NH3 reduziert wird. Sowohl die NO-, wie auch die N02-Bestandteile des Abgases sollten in dieser Stufe möglichst vollständig zu N2 reduziert werden.The invention relates to an exhaust system for an internal combustion engine, in particular for a diesel internal combustion engine, having an exhaust gas line, in which at least one exhaust gas treatment device is arranged, with at least one Denox unit arranged downstream of a first oxidation catalytic converter, wherein a second oxidation catalytic converter is arranged upstream of the Denox unit, wherein a particulate filter is disposed upstream of the Denox unit, preferably downstream of a metering means, for reducing agent. N02 and NO are components of the raw exhaust gas of diesel engines. In the oxidation catalyst, whose primary task is the combustion of CO and HC residues, NO is partially converted to NO 2. The resulting ratio of NO 2 to NO is a function of the noble metal concentration in the oxidation catalyst, the space velocity, the partial pressure of the NO x, and the temperature in the oxidation catalyst. N02 is used in the diesel particulate filter, which is typically flowed through by the oxidation catalyst, as an oxidizing agent for the permanent oxidation of the soot deposited thereon. As a further component of a diesel exhaust system, to reduce the NOx emissions, a Denox unit formed, for example, by a SCR catalyst (Selective Catalytic Reduction) can be used, in which NOx is reduced by means of metered NH3. Both the NO and the NO 2 components of the exhaust gas should be reduced as completely as possible to N 2 at this stage.
Aus folgenden Gründen ist eine möglichst hohe Aktivität (entspricht hoher Edelmetallmasse) des Oxidationskatalysators wünschenswert:For the following reasons, the highest possible activity (corresponding to high noble metal mass) of the oxidation catalyst is desirable:
Light-off setzt früher ein; vollständiger Umsatz von CO und HC, auch wenn stromaufwärts zusätzlich HC zur Verbrennung im Oxidationskatalysator dosiert wird (zur Temperaturerhöhung des Abgases); vollständiger Umsatz auch bei Alterung des Oxidationskatalysators; hoher N02-Partialdruck nach dem Oxidationskatalysator, um die Rußverbrennung im Dieselpartikelfilter zu verbessern;Light-off starts earlier; complete conversion of CO and HC, even if upstream additional HC is metered for combustion in the oxidation catalyst (to increase the temperature of the exhaust gas); complete conversion even with aging of the oxidation catalyst; high NO 2 partial pressure downstream of the oxidation catalyst to improve soot combustion in the diesel particulate filter;
Dem entgegen steht jedoch, dass für die katalytische Aktivität bzw. den vollständigen Umsatz der NOx in der Denox-Einheit ein molares Verhältnis N02/NO von 1 vorteilhaft ist. Darüber hinaus kann ein Verhältnis N02/NO > 1 zur Entstehung von Lachgas (N20) in der Denox-Einheit führen. Bei einer hohen Katalysatormasse wird N02/NO = 1 aber in wesentlichen Betriebspunkten überschritten, das heißt, im Oxidationskatalysator wird zuviel NO in N02 umgewandelt.On the other hand, however, for the catalytic activity or complete conversion of NO x in the Denox unit, a molar ratio NO 2 / NO of 1 is advantageous. In addition, a ratio N02 / NO > 1 lead to the formation of nitrous oxide (N20) in the Denox unit. At a high catalyst mass NO 2 / NO = 1 but is exceeded at significant operating points, that is, in the oxidation catalyst too much NO is converted into NO 2.
Die JP 2005-002968 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang, in welchen ein leistungsfähiger Oxidationskatalysator und ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Der Oxidationskatalysator ist über eine Bypassleitung umgehbar. Sobald die Abgastemperatur einen Wert erreicht, in welchem die Invertierungsrate des Oxidationskatalysators mindestens 50% beträgt, werden die Abgase am Oxidationskatalysator vorbeigeleitet, um exzessive Erzeugung von N02 zu vermeiden, welche die NOx-Umsetzrate im SCR-Katalysator vermindern würde.JP 2005-002968 A discloses an internal combustion engine with an exhaust gas line in which a powerful oxidation catalytic converter and an SCR catalytic converter are arranged. The oxidation catalyst can be bypassed via a bypass line. As soon as the exhaust gas temperature reaches a value in which the rate of inversion of the oxidation catalyst is at least 50%, the exhaust gases are bypassed the oxidation catalyst to avoid excessive generation of NO 2, which would reduce the NOx conversion rate in the SCR catalyst.
Die EP 1 357 267 A2 beschreibt eine Abgasanlage für einen Dieselmotor mit einem SCR-Katalysator im Abgasstrang, stromaufwärts von welchem ein Oxidationskatalysator und ein Hydrolysekatalysator in parallelen Strömungswegen angeordnet sind. Hydrolysekatalysator und Oxidationskatalysator werden gleichzeitig von getrennten Teilabgasströmen durchströmt. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau und reduzierten Abgasgegendruck.EP 1 357 267 A2 describes an exhaust system for a diesel engine with an SCR catalytic converter in the exhaust gas line, upstream of which an oxidation catalytic converter and a hydrolysis catalytic converter are arranged in parallel flow paths. Hydrolysis catalyst and oxidation catalyst are simultaneously flowed through by separate partial exhaust gas streams. This allows a compact design and reduced exhaust back pressure.
Die WO 2005/078250 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem, in welchem zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist. Im Abgassystem ist ein NOx-reduzierender Katalysator angeordnet. Stromaufwärts des NOx-reduzierenden Katalysators sind zwei Oxidationskatalysatoren parallel zueinander in verschiedenen Abgaszweigen 3 AT 501 066 B1 angeordnet. Die beiden Oxidationskatalysatoren weisen unterschiedliche Oxidationseigenschaften auf und können über Stellorgane unabhängig voneinander aktiviert, bzw. deaktiviert werden.WO 2005/078250 A1 discloses an internal combustion engine with an exhaust gas system, in which at least one exhaust gas aftertreatment device is arranged. In the exhaust system, a NOx-reducing catalyst is arranged. Upstream of the NOx-reducing catalyst, two oxidation catalysts are arranged in parallel to each other in different exhaust branches 3 AT 501 066 B1. The two oxidation catalysts have different oxidation properties and can be activated via actuators independently, or deactivated.
Die EP 1 495 796 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verringerung der Stickoxidemission bei 5 kontinuierlich regenerierenden Rußpartikelfiltern, wobei vor einem Partikelfilter zwei Oxidationskatalysatoren angeordnet sind und hinter dem Partikelfilter optional ein SCR-Katalysator angeordnet sein kann. Die beiden Oxidationskatalysatoren sind in Serie geschaltet, wobei der erste Oxidationskatalysator mit einer Bypassleitung umgangen werden kann. Der Abgasstrom durch die Bypassleitung ist über ein Stellorgan in Abhängigkeit vom NOx-Gehalt im Abgas oder von io der Temperatur steuerbar.EP 1 495 796 A1 describes a method for reducing the nitrogen oxide emission in 5 continuously regenerating soot particle filters, wherein two oxidation catalysts are arranged in front of a particle filter and optionally an SCR catalyst can be arranged behind the particle filter. The two oxidation catalysts are connected in series, wherein the first oxidation catalyst can be bypassed with a bypass line. The exhaust gas flow through the bypass line can be controlled via an actuator as a function of the NOx content in the exhaust gas or of the temperature.
Aufgabe der Erfindung ist es, sowohl beim Oxidationskatalysator, als auch beim SCR-Katalysator eine hohe katalytische Aktivität zu erreichen. 15 Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator unterschiedliche Edelmetallmassen aufweisen, wobei vorzugsweise der zweite Oxidationskatalysator eine größere Edelmetallmasse aufweist als der erste Oxidationskatalysator, wobei vorzugsweise erster und zweiter Oxidationskatalysator für verschiedene katalytische Aktivitäten und/oder für verschiedene Temperaturbereiche ausgelegt sind. Die Oxidationskatalysatoren 2o weisen bevorzugt verschiedene Edelmetallmengen auf.The object of the invention is to achieve a high catalytic activity both in the oxidation catalyst and in the SCR catalyst. According to the invention, this is achieved by virtue of the fact that the first and second oxidation catalysts have different noble metal masses, wherein preferably the second oxidation catalyst has a larger noble metal mass than the first oxidation catalyst, wherein preferably first and second oxidation catalysts are designed for different catalytic activities and / or for different temperature ranges. The oxidation catalysts 2o preferably have different amounts of precious metals.
Dadurch, dass ein Partikelfilter stromaufwärts der Denox-Einheit angeordnet ist, kann das Reduktionsmittel in heißeres Abgas eingesprüht und eine komplexere Mischstrecke realisiert werden. 25By arranging a particulate filter upstream of the Denox unit, the reducing agent can be sprayed into hot exhaust gas and a more complex mixing section can be realized. 25
In einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator strömungsmäßig im Abgasstrang parallel zueinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise der Durchfluss zumindest eines Oxidationskatalysator mittels eines Stellorganes verstellbar ist. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass erster und zweiter Oxidations-30 katalysator strömungsmäßig in Serie im Abgasstrang angeordnet sind, wobei zumindest ein Oxidationskatalysator über eine Bypassleitung umgehbar ist. Vorzugsweise ist in der Bypassleitung ein Stellorgan angeordnet. Der Katalysator mit der höheren Aktivität kann im Bedarfsfall zu- oder weggeschalten oder nur mit einer Teilmenge an Abgas durchströmt werden. 35 Die beiden Oxidationskatalysatoren können in getrennten oder in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden.In a first preferred embodiment, it is provided that the first and second oxidation catalysts are arranged in the exhaust line parallel to each other in flow, wherein preferably the flow of at least one oxidation catalyst is adjustable by means of an actuator. Alternatively, it can also be provided that the first and second oxidation catalyst are arranged in series in the exhaust gas line in the flow, wherein at least one oxidation catalyst can be bypassed via a bypass line. Preferably, an actuator is arranged in the bypass line. If necessary, the catalyst with the higher activity can be switched on or off, or only a partial amount of exhaust gas can flow through it. 35 The two oxidation catalysts can be housed in separate or in a single common housing.
Eine besonders genaue Kontrolle der katalytischen Aktivität kann erreicht werden, wenn das Stellorgan in Abhängigkeit des NOx-Gehaltes im Abgas, der Temperatur des Abgases, dem 4o Druckverlust des Dieselpartikelfilters, dem Luftmassenstrom, dem Kraftstoffmassenstrom, der Kurbelwellendrehzahl oder dergleichen modellbasiert verstellbar ist, wobei vorzugsweise stromabwärts der Denox-Einheit zumindest ein NOx-Sensor angeordnet ist.A particularly precise control of the catalytic activity can be achieved if the actuator is model-based adjustable depending on the NOx content in the exhaust gas, the temperature of the exhaust gas, the 4o pressure drop of the diesel particulate filter, the air mass flow, the fuel mass flow, the crankshaft speed or the like, preferably at least one NOx sensor is arranged downstream of the Denox unit.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 45The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. 45
Es zeigen Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Abgassystem in einer ersten Ausführungsvariante und Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Abgassystem in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 3 die Stickoxidumsatzrate über der Temperatur aufgetragen. so Fig. 1 zeigt ein Abgassystem 1 einer Dieselbrennkraftmaschine 2 mit einem Abgasstrang 3 in welchen ein erster Oxidationskatalysator 4 und ein zweiter Oxidationskatalysator 5 angeordnet sind. Stromabwärts der beiden Oxidationskatalysatoren 4, 5 ist eine als SCR-Katalysator 6 ausgebildete Denox-Einheit zur selektiven katalytischen Reduktion der NOx mit Hilfe eines zudosierten Reduktionsmittels wie Harnstoff oder NH3 angeordnet. Zwischen Zumesseinrich-55 tung 10 und SCR-Katalysator 6 kann ein Partikelfilter 9 angeordnet sein. Der erste Oxi- 4 AT 501 066 B1 dationskatalysator 4 weist eine geringere katalytische Aktivität auf als der zweite Oxidationskatalysator 5. Der zweite Oxidationskatalysator 5 kann bei Bedarf mittels eines Stellorgans 7 aktiviert bzw. deaktiviert werden.1 shows an exhaust system according to the invention in a first embodiment, and FIG. 2 shows an exhaust system according to the invention in a second embodiment, FIG. 3 shows the nitrogen oxide conversion rate plotted against the temperature. 1 shows an exhaust system 1 of a diesel internal combustion engine 2 with an exhaust system 3 in which a first oxidation catalyst 4 and a second oxidation catalyst 5 are arranged. Downstream of the two oxidation catalysts 4, 5 is designed as a SCR catalyst 6 Denox unit for the selective catalytic reduction of NOx with the aid of a metered reducing agent such as urea or NH3. Between Zumesseinrich-55 tion 10 and SCR catalyst 6, a particulate filter 9 may be arranged. The first oxidation catalyst 4 has a lower catalytic activity than the second oxidation catalyst 5. The second oxidation catalyst 5 can be activated or deactivated as required by means of an actuator 7.
Das in Fig. 2 dargestellte Abgassystem 1 unterscheidet sich von diesem dadurch, dass die ersten und zweiten Oxidationskatalysatoren 4, 5 strömungsmäßig hintereinander geschalten sind, wobei der zweite Oxidationskatalysator 5 über eine Bypassleitung 8 umgehbar ist, in welcher das Stellorgan 7 angeordnet ist.The exhaust system 1 shown in FIG. 2 differs therefrom in that the first and second oxidation catalysts 4, 5 are connected in series in terms of flow, wherein the second oxidation catalyst 5 can be bypassed via a bypass line 8, in which the actuator 7 is arranged.
Bei beiden Oxidationskatalysatoren 4, 5 können voneinander getrennt oder aber in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.In both oxidation catalysts 4, 5 may be separate or arranged in a common housing.
Liegt ein erhöhter Bedarf an katalytischer Aktivität vor, so wird der zweite Oxidationskatalysator 5 mittels des Stellorgans 7 aktiviert, wodurch Abgas durch diesen hindurchgeleitet wird. Gegebenenfalls können auch mehrere Stellorgane vorgesehen sein.If there is an increased demand for catalytic activity, the second oxidation catalyst 5 is activated by means of the actuator 7, whereby exhaust gas is passed through it. Optionally, several actuators may be provided.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in welchem die NOx-Konversionsrate CONVNOx in % über der Temperatur T in °C aufgetragen ist. Weiters ist das Verhältnis N02/NO eingezeichnet. Die Linie 20 bezeichnet die NOx-Konversionsrate bei einem nur aus einer Denox-Einheit bestehenden Abgasnachbehandlungssystem. Die Linie 30 zeigt die NOx-Konversionsrate für ein Nachbehandlungssystem, welches einen leistungsstarken Oxidationskatalysator und eine nachgeschaltete Denox-Einheit beinhaltet. Die Linie 35 zeigt das Verhältnis N02/NO für diesen Fall. Die Linie 40 beschreibt die NOx-Konversionsrate für ein Abgasnachbehandlungssystem, welches einen hinsichtlich des Verhältnisses N02/NO = 1 optimierten Oxidationskatalysators und eine Denox-Einheit aufweist. Die Linie 45 beschreibt das Verhältnis N02/NO für diesen Fall. Die punktierte Linie 50 zeigt das optimale Verhältnis N02/NO = 1.Fig. 3 shows a graph in which the NOx conversion rate CONVNOx is plotted in% over the temperature T in ° C. Furthermore, the ratio N02 / NO is drawn. Line 20 indicates the NOx conversion rate in an exhaust aftertreatment system consisting of only a Denox unit. Line 30 shows the NOx conversion rate for an aftertreatment system that includes a high performance oxidation catalyst and a downstream Denox unit. Line 35 shows the ratio NO2 / NO for this case. Line 40 describes the NOx conversion rate for an exhaust aftertreatment system having an oxidation catalyst optimized in ratio N02 / NO = 1 and a Denox unit. Line 45 describes the ratio NO2 / NO for this case. The dotted line 50 shows the optimum ratio N02 / NO = 1.
Mit den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Abgassystemen 1 können durch stufenlose Einstellung des Stellorgans 7 alle N02/NO-Verhältnisse des in Fig. 3 eingezeichneten Bereiche A zwischen den Kurven 35 und 45 eingestellt werden. Die Einstellung des zum Beispiel als Klappe ausgebildeten Stellorgans 7 kann über einen stromabwärts der Denox-Einheit angeordneten NOx-Sensor 10 geregelt verlaufen oder anhand von Messgrößen wie Temperaturen des Abgasstrangs 3, Druckverlust des Dieselpartikelfilters, Luftmassenstrom, Kraftstoffmassenstrom, Motordrehzahl und ähnlichen modellbasiert eingestellt werden.With the exhaust systems 1 shown in FIG. 1 and FIG. 2, by continuous adjustment of the actuator 7, it is possible to set all NO 2 / NO ratios of the areas A drawn in FIG. 3 between the curves 35 and 45. The setting of the actuator 7, for example designed as a flap, can be regulated via a NOx sensor 10 arranged downstream of the Denox unit or can be set based on measured variables such as temperatures of the exhaust line 3, pressure drop of the diesel particulate filter, air mass flow, fuel mass flow, engine speed and the like.
Es ist auch möglich, die in Fig. 1 und 2 dargestellten Systeme zu kombinieren.It is also possible to combine the systems shown in FIGS. 1 and 2.
Der erste Oxidationskatalysator 4 enthält nur soviel Edelmetall, dass im Temperaturbereich von 200°C bis 300°C kein Einbruch des Umsatzes im SCR-Katalysator 6 erfolgt. Bei Temperaturen unter 200°C würde auf diese Weise allerdings auf einen Großteil des Umsatzes im SCR-Katalysator 6 verzichtet werden. Weiters wäre es nicht möglich, alle aus einer hohen Aktivität des Oxidationskatalysators erzielbaren Vorteile vorzunehmen. Eine hohe Aktivität des Oxidationskatalysators hat folgende Vorteile:The first oxidation catalyst 4 contains only so much noble metal, that in the temperature range of 200 ° C to 300 ° C, there is no slump in the conversion in the SCR catalyst 6. At temperatures below 200 ° C, however, a large part of the conversion in the SCR catalyst 6 would be dispensed with in this way. Furthermore, it would not be possible to make all the advantages that can be achieved from a high activity of the oxidation catalyst. High activity of the oxidation catalyst has the following advantages:
Light-off setzt früher ein; vollständiger Umsatz von CO und HC, auch wenn stromaufwärts zusätzlich HC zur Verbrennung im Oxidationskatalysator zudosiert wird (zur Temperaturerhöhung des Abgases); vollständiger Umsatz auch bei Alterung des Oxidationskatalysators; hoher N02-Partialdruck nach dem Speicherkatalysator, um die Rußverbrennung im Dieselpartikelfilter zu verbessern;Light-off starts earlier; complete conversion of CO and HC, even if upstream addition of HC is added to the combustion in the oxidation catalyst (to increase the temperature of the exhaust gas); complete conversion even with aging of the oxidation catalyst; high NO 2 partial pressure downstream of the storage catalyst to improve soot combustion in the diesel particulate filter;
Dem entgegen steht jedoch, dass für die katalytische Aktivität bzw. den vollständigen Umsatz der NOx in der SCR-Reaktion ein molares Verhältnis N02/NO von 1 vorteilhaft ist. Darüber hinaus kann ein Verhältnis N02/NO > 1 zur Entstehung von Lachgas (N20) in der SCR-StufeOn the other hand, however, for the catalytic activity or the complete conversion of the NO x in the SCR reaction a molar ratio NO 2 / NO of 1 is advantageous. In addition, a ratio N02 / NO > 1 for the formation of nitrous oxide (N20) in the SCR stage
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