DE102006051790A1

DE102006051790A1 - Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102006051790A1
Application number: DE102006051790A
Authority: DE
Inventors: Tillmann Dipl.-Ing. Braun; Ralf Dipl.-Ing. Brünemann; Andreas Dr.-Ing. Gorbach; Markus Dipl.-Ing. Kemmner; Axel Dipl.-Ing. Zuschlag
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-05-08
Also published as: WO2008052756A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors für ein Nutzfahrzeug. Das Abgasnachbehandlungssystem (1) umfasst einen ersten Oxidationskatalysator (3), einen zweiten Oxidationskatalysator (4) und einen Partikelfilter (5), die hintereinander in einem einflutigen Abgasstrang angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist eine Injektionsvorrichtung (7) insbesondere für Kraftstoff zwischen dem ersten Oxidationskatalysator (3) und dem zweiten Oxidationskatalysator (4) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der WO-A-00/34632 ist ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung von Abgas eines Verbrennungsmotors bekannt, welches hintereinander angeordnet eine erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit, beabstandet zu dieser eine zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit sowie einen Partikelfilter umfasst. Die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit dient dabei in erster Linie zur Aufheizung des Abgases durch exotherme Oxidation von stromauf ins Abgas eingebrachtem Brennstoff. Auf diese Weise kann die Temperatur der nachgeschalteten zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit in den Bereich ihrer besten Wirksamkeit bezüglich der Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) angehoben werden. Dadurch wird wiederum eine verbesserte Niedertemperaturoxidation von im nachgeschalteten Partikelfilter abgelagerten Ruß erreicht. Diese Niedertemperatur-Rußoxidation, auch als kontinuierliche Rußregeneration bezeichnet, reicht jedoch oftmals nicht aus, um den Rußgehalt des Partikelfilters unter dem tolerierbaren Höchstwert zu halten, so dass ein dauerhaft zuverlässiger Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems nicht gewährleistet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, welches eine verbesserte Abgasreinigung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem zeichnet sich aus durch eine erste Injektionsvorrichtung zum Einbringen eines Brennstoffs in den Abgasstrom zwischen der ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit und der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit. Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem ist hauptsächlich für überwiegend mager betriebene Verbrennungsmotoren, insbesondere für Dieselmotoren vorteilhaft. Die oxidationskatalytischen Abgasnachbehandlungseinheiten und der Partikelfilter können dabei jeweils in separaten Gehäusen untergebracht sein oder es kann auch eine gemeinsame Unterbringung von zwei dieser Bauteile oder aller Bauteile in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen sein. Die oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheiten sowie der nachgeschaltete Partikelfilter sind in einem einflutig, dass heißt unverzweigt ausgeführten Abgasstrang angeordnet, was einen geringen Bauteilaufwand und einen einfachen Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems erlaubt. Mit der einflutigen Ausführung des Abgasstrangs ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass innerhalb eines Gehäuses zwei oder mehrere Bauteile strömungsmäßig parallel angeordnet sind und von Abgas gleicher Zusammensetzung durchströmt werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung kann einerseits mittels der ersten und der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit eine optimale NO-Oxidation erreicht werden. Dadurch ist in weiten Betriebsbereichen eine kontinuierliche Rußregeneration des Partikelfilters bei niedrigen Temperaturen unter 400 °C ermöglicht. Andererseits ist durch Zufuhr von Brennstoff direkt vor der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit eine effektive Temperaturerhöhung des Abgases durch exotherme Oxidation des Brennstoffs ermöglicht, wodurch der Partikelfilter bei Bedarf rasch und effizient auf eine zur thermischen Regeneration durch Rußabbrand erforderliche Temperatur von 550 °C oder mehr aufgeheizt werden kann. Im Gegensatz zu einer Ausführung mit einer einzigen dem Partikelfilter vorgeschalteten oxidationskatalytischen Abgasnachbehandlungseinheit, welche sowohl die Funktion der NO-Oxidation als auch die Funktion der Brennstoffoxidation übernimmt, ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung durch unterschiedliche Auslegung der ersten und der zweiten oxidationskatalytischen Abgasnachbehandlungseinheit eine getrennte Optimierung beider Funktionen, was insgesamt zu einer besseren Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors führt.
Als Partikelfilter kann jedes zur Zurückhaltung von Partikeln geeignete Abgasreinigungsbauteil eingesetzt werden. Bevorzugt sind jedoch Sintermetall-Filter oder so genannte wallflow-Filter aufgebaut aus Kordierit-, Siliziumkarbid- oder Aluminiumtitanat-Keramik mit einer Vielzahl von langgestreckten Gaskanälen. Hinsichtlich der Speicherfähigkeit für Ruß und Asche sind insbesondere Sintermetallfilter mit Sintermetalltaschen oder Sintermetallplatten vorteilhaft. Ebenfalls möglich sind jedoch schaumartig ausgeführte Tiefenfilter oder so genannte offene Filterkörper mit einer Vielzahl von Gasumlenkungsstellen. Besonders bevorzugt sind katalytisch beschich tete Partikelfilter. Dabei kann die katalytische Beschichtung beispielsweise hinsichtlich der Förderung einer Rußoxidation und/oder einer Stickoxidoxidation ausgelegt sein.
Die erste Injektionsvorrichtung kann zum Einbringen eines gasförmigen Brennstoffs, wie beispielsweise eines verdampften oder mittels eines externen Reformers aufbereiteten flüssigen Kraftstoffs oder zum Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels ausgelegt sein.
In Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine höhere Temperaturfestigkeit auf als die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit. Die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie Temperaturen von mindestens 600 °C, insbesondere von mindestens 800 °C ohne nennenswerte Alterung widerstehen kann.
Demgegenüber sind Maßnahmen zur Erzielung einer hohen Temperaturfestigkeit für die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit nicht oder nicht in gleichem Maße erforderlich. Vorzugsweise ist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit hinter einem Abgasturbolader im Abgasstrang angeordnet. Da der Turbolader dem Abgas Energie entzieht, ist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit einer weniger hohen Temperaturbeanspruchung ausgesetzt. Damit ist eine zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit vergleichbare Temperaturfestigkeit nicht erforderlich, und es kann eine kostengünstigere Ausführung gewählt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine höhere Aktivität zur Oxidation von Stickstoffmonoxid auf als die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit. Letztere ist hauptsächlich für eine hohe Oxidationswirkung in Bezug auf Kohlenwasserstoffe, insbesondere solche mit einem erhöhten Siedepunkt von 250 °C oder darüber ausgelegt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit höheren Edelmetallgehalt auf. Bevorzugt ist ein Edelmetallgehalt im Bereich von 10 bis 120 g/ft³, besonders bevorzugt von wenigstens 50 g/ft³. Zwar kann auch durch eine oxidische Beschichtung, im Extremfall sogar durch eine völlig edelmetallfreie Beschichtung eine erwünschte hohe Aktivität hinsichtlich der Stickoxidoxidation erzielt werden. Eine insbesondere an Platin reiche Beschichtung kann jedoch hinsichtlich der Alterungsstabilität vorteilhaft sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit höheren Platingehalt auf. Bei Einsatz unterschiedlicher Edelmetalle, insbesondere der Platingruppe, ist es vorteilhaft, wenn der relative Anteil an Platin (Pt) vergleichsweise hoch ist. Ein Pt-Anteil von wenigstens 50 % insbesondere von wenigstens 75 % ist bevorzugt. Vorteilhaft kann auch der Einsatz einer so genannten Platin-only-Beschichtung sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit höheren Palladiumgehalt auf. Dadurch lässt sich eine besonders gute Temperaturfestigkeit bei gleichzeitig hoher oxidationskatalytischer Wirkung in Bezug auf Kohlenwasserstoffe erzielen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Partikelfilter eine katalytisch wirksame Beschichtung auf. Eine ebenfalls oxidationskatalytisch wirksame Beschichtung ist dabei bevorzugt. Mit dieser Ausführung wird einerseits die zum thermischen Russabbrand erforderliche Temperatur abgesenkt. Andererseits ist ein Abbau von insbesondere im Zusammenhang mit einem thermischen Rußabbrand zugeführten Kohlenwasserstoffen bzw. von beim Rußabbrand entstandenem Kohlenmonoxid ermöglicht. Es kann jedoch auch eine Beschichtung vorgesehen sein, welche zusätzlich oder alternativ andere katalytische Eigenschaften aufweist. Hier kommt insbesondere eine Beschichtung mit Stickoxid-Speichereigenschaften oder eine SCR-Katalysatorbeschichtung in Betracht. Auf diese Weise kann der Partikelfilter eine Stickoxidverminderungsfunktion übernehmen, wodurch gegebenenfalls auf einen nachgeschalteten Stickoxidverminderungskatalysator verzichtet werden kann. Die Beschichtungen können in zwei oder mehreren Schichtlagen auf Kontaktoberflächen des Partikelfilters oder in Abgasströmungsrichtung hintereinander aufgebracht sein. Es kann eine Beschichtung auf den gaseinlassseitigen und/oder auf den gasauslassseitigen Kontaktflächen vorgesehen sein, wobei es vorteilhaft ist, die Beschichtung lediglich auf Teilbereichen, insbesondere lediglich endseitig vorzusehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine dritte oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit vorgesehen, die dem Partikelfilter nachgeschaltet ist. Dadurch ist eine Reoxidation von durch Rußoxidation im Partikelfilter aus NO2 rückgebildetem NO bzw. eine Oxidation von reduzierenden Abgasbestandteilen, welche bei einer thermischen Partikelfilterregeneration im Abgas verbleiben ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stickoxidreduktionskatalysator zur Reduktion von Stickoxiden unter oxidierenden Bedingungen dem Partikelfilter nachgeschaltet. Dadurch ist neben der Entfernung von Partikeln zusätzlich eine Entfernung des Schadstoffs Stickoxid ermöglicht. Dies ermöglicht es wiederum, den Verbrennungsmotor mit einer erhöhten Stickoxidrohemission zu betreiben. Beispielsweise können ohne Rücksicht auf eine dabei erhöhte Stickoxidrohemission Einspritzzeitpunkte für einen wirkungsgradoptimierten Motorbetrieb eingestellt werden, da emittierte Stickoxide nachmotorisch mittels des Stickoxidreduktionskatalysators wieder entfernt werden. Bei einem mit dieser Ausführungsform bevorzugten Motorbetrieb in der Nähe des maximalen Stickoxidausstoßes wird einerseits ein minimaler Kraftstoffverbrauch erzielt, andererseits wird die kontinuierliche Rußregeneration des Partikelfilters verbessert. Dabei kann der Stickoxidreduktionskatalysator als so genannter Denox-Katalysator ausgebildet sein, der unter Verwendung eines kohlenwasserstoff- oder wasserstoffhaltigen Reduktionsmittels Stickoxide bei oxidierenden Bedingungen reduzieren kann. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung als so genannter SCR-Katalysator, der Stickoxide bei oxidierenden Bedingungen mit Ammoniak oder einem anderen stickstoffhaltigen Reduktionsmittel reduzieren kann. In beiden Fällen kann der Stickoxidreduktionskatalysator als so genannter Vollkatalysator oder als beschichteter Trägerkatalysator in Wabenkörperbauform ausgebildet sein. Als Vollkatalysator ist ein Extrudat auf V2O5-, TiO2-, WO3-Basis bevorzugt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stickoxidreduktionskatalysator als Trägerkatalysator mit einer zeolithischen Beschichtung ausgebildet. Diese Ausführungsform hat weist eine im Vergleich mit Vollkatalysatoren auf V2O5-Basis erhöhte Temperaturfestigkeit auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine zweite Injektionsvorrichtung zum Einbringen eines hinsichtlich einer Reduktion von Stickoxiden wirksamen Reduktionsmittels stromauf des Stickoxidreduktionskatalysators vorgesehen. Obschon vorzugsweise eine Einbringung einer Harnstoff enthaltenden wässrigen Lösung ins Abgas vorgesehen ist, kann die zweite Injektionsvorrichtung gleichartig wie die erste Injektionsvorrichtung ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine Druckluftunterstützung zur Vernebelung des Reduktionsmittels vorgesehen sein. Mit einer getaktet betreibbaren Injektionsvorrichtung kann eine besonders hohe Dosiergenauigkeit erzielt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein oxidationskatalytisch wirksamer Sperrkatalysator dem Stickoxidreduktionskatalysator nachgeschaltet und/oder der Stickoxidreduktionskatalysator ist an seinem auslassseitigen Ende mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung versehen. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Reduktionsmittelschlupf abgebaut bzw. vermieden werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 eine erste vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems,
2 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems,
3 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems und
4 eine erste vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.
Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 1 umfasst hintereinander in Abgasströmungsrichtung 2 angeordnet eine erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit 3, eine zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) sowie einen Partikelfilter 5. Das Abgasnachbehandlungssystem (1) ist dabei vorzugsweise direkt an den Auslass einer Abgasturboladerturbine eines vorzugsweise als Dieselmotor ausgeführten Verbrennungsmotors angeschlossen (nicht dargestellt). Charakteristischerweise sind die genannten Abgasnachbehandlungseinheiten (3, 4, 5) in einem einflutigen, d.h. unverzweigt ausgebildeten Abgasstrang angeordnet. Zwischen der ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit 3, nachfolgend vereinfacht als erster Oxidationskatalysator bezeichnet, und der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit 4, nachfolgend vereinfacht als zweiter Oxidationskatalysator bezeichnet, ist eine erste Injektionsvorrichtung 7 zur Zugabe eines Brennstoffs in einen Abgasleitungsabschnitt 6 des Abgasstrangs vorgesehen, der vom ersten Oxidationskatalysator 3 zum zweiten Oxidationskatalysator 4 führt. Dabei ist der erste Oxidationskatalysator 3 in einem separaten ersten Gehäuse 8 untergebracht. Der zweite Oxidationskatalysator 4 ist hingegen mit geringem Abstand zum Partikelfilter 5 mit diesem zusammen in einem gemeinsamen zweiten Gehäuse 9 untergebracht. Der zweite Oxidationskatalysator 4 kann jedoch ebenfalls in einem separaten Gehäuse angeordnet sein oder in Form einer Beschichtung für den Partikelfilter 5 vorliegen.
Der erste Oxidationskatalysator 3 ist vorzugsweise als beschichteter Trägerkatalysator ausgebildet. Der Träger ist vorzugsweise als Metall- oder Keramik-Wabenkörper mit einer Zelldichte im Bereich von 100 bis 800 cpsi (cells per squareinch) ausgebildet. Eine Zelldichte von etwa 300 cpsi ist jedoch bevorzugt. Diese bevorzugte Zelldichte stellt einen optimalen Kompromiss in Bezug auf die verfügbare Katalysatoroberfläche und den Strömungswiderstand dar, wobei zusätzlich die Gefahr einer Verblockung durch abgelagerte Partikel ausreichend niedrig ist.
Obschon auch eine Beschichtung mit einem katalytisch wirkenden Stickoxidspeichermaterial vorgesehen sein kann, ist es bevorzugt, wenn die Beschichtung für eine hohe Stickoxidoxidations-Aktivität optimiert ist. Für eine hohe Oxidationswirkung gegenüber NO können beispielsweise Oxide von Seltenen Erdmetallen und/oder von Übergangsmetallen als Beschichtungsbestandteile vorgesehen sein. Vorteilhaft ist insbesondere der Einsatz eines oder mehrerer Oxide aus der Gruppe V2O5, Cr2O3, Mn2O3, MnO2, Mn3O4, Fe2O3, Fe3O4, CoO, CO3O4, NiO, NiO2, Ni2O3, CeO2, Ce2O3. Mit einer derartigen Beschichtung, insbesondere bei einem geringen oder vernachlässigbaren Edelmetallgehalt, ergeben sich entsprechende Kostenvorteile. Allerdings können sich Nachteile durch Abrasion oder anderweitige unerwünschte Stabilitätsprobleme ergeben. Aus diesem Grund ist eine edelmetallhaltige Beschichtung in vielen Fällen zu bevorzugen. Es kann jedoch auch eine oxidische Beschichtung gemäß den oben genannten Beispielen mit einer Edelmetalldotierung bzw. -Imprägnierung versehen sein. Besonders bevorzugt ist eine Edelmetall-Beschichtung in so genannter Pt-only-Ausführung, wobei der Platingehalt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 120 g/ft³ (grams per cubicfoot) liegt. Damit kann eine erhöhte Unempfindlichkeit gegenüber Schwefeloxiden erzielt werden. Bevorzugt ist außerdem generell eine hohe Aktivität bei niedrigen Temperaturen. Insbesondere ist eine Auslegung bevorzugt, welche unterhalb 250°C, vorzugsweise bereits unterhalb 200 °C eine nahezu vollständige NO-Oxidation im Sinne des thermodynamischen Gleichgewichts ermöglicht. Dadurch kann ein hoher Anteil des im Partikelfilter 5 abgelagerten Rußes durch kontinuierliche Niedertemperaturoxidation entfernt werden, wodurch wiederum die Häufigkeit von an sich unerwünschten aktiven Regenerationsvorgängen durch Russabbrand verringert wird. Gleichfalls bevorzugt ist es, eine Beschichtung mit einer vergleichsweise hohen spezifischen Oberfläche von wenigstens 100 m²/g, besonders bevorzugt von wenigstens 250 m²/g vorzusehen, was mittels eines geeigneten Alumina- bzw. Zeolith-Washcoats erreicht werden kann. Vorteilhaft, insbesondere für die NO-Oxidationsfunktion ist zudem ein Ceroxidanteil von 20 % oder mehr.
Was die Größe des ersten Oxidationskatalysators 3 betrifft, so hat sich eine an der Hubraumgröße des Verbrennungsmotors orientierte Auslegung als vorteilhaft erwiesen. Vorzugsweise wird ein Gesamtvolumen des ersten Oxidationskatalysators 3 im Bereich vom 0,3- bis 1,0-fachen des Motorhubraums gewählt. Besonders bevorzugt ist ein Faktor von etwa 0,5. Eine möglichst motornahe Anordnung, insbesondere unmittelbar hinter dem Turbolader ist bevorzugt. Damit wird eine unerwünschte Abkühlung des Abgases vor Eintritt in den ersten Oxidationskatalysator 3 vermieden. Andererseits liegen infolge des Energieentzugs durch den Turbolader die Abgas-Spitzentemperaturen meist unterhalb von 500 °C. Eine Auslegung mit Blick auf eine hohe Temperaturfestigkeit ist daher nicht erforderlich.
Demgegenüber wird bei ansonsten vorzugsweise ähnlicher Ausführung für den zweiten Oxidationskatalysator 4 eine Beschichtung gewählt, welche eine erhöhte Temperaturstabilität aufweist. Die erhöhte Temperaturfestigkeit wird vorzugsweise durch stabilisierende Zusätze wie beispielsweise Zirkonoxid in der Katalysatorbeschichtung erreicht. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, auf bestimmte, üblicherweise vorgesehene Beschichtungskomponenten zu verzichten. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, die Beschichtung des zweiten Oxidationskatalysators 4 frei von Cer auszubilden und/oder von vornherein eine geringere spezifische Oberfläche von weniger als 200 m²/g vorzusehen. Zur Erzielung einer erhöhten Temperaturfestigkeit kann auch der Einsatz eines hierfür besonders geeigneten Trägers, wie beispielsweise eines hochtemperaturfesten Metallträgers vorgesehen sein. Dies bietet zudem Vorteile bezüglich einer möglichen direkten elektrischen Beheizung des zweiten Oxidationskatalysators 4. Die Beschichtung ist vorzugsweise zusätzlich in Bezug auf eine Oxidation des von der ersten Injektionsvorrichtung 7 bereitgestellten Brennstoffs ausgelegt. Es ist ein Gehalt von Edelmetallen, insbesondere von Edelmetallen der Platingruppe im Bereich von 10 bis 60 g/ft³ bevorzugt. Bei Einsatz unterschiedlicher Edelmetalle ist es vorteilhaft, wenn der relative Anteil an Palladium (Pd) vergleichsweise hoch ist und im Bereich von etwa 30 % bis 90 % liegt. Ein Pd-Anteil von wenigstens 50 %, insbesondere von wenigstens 75 % ist bevorzugt. Vorteilhaft kann auch der Einsatz einer so genannten Palladium-only-Beschichtung sein. Die Auslegung der Größe wird vorzugsweise analog zu der des ersten Oxidationskatalysators 3 vorgenommen.
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist der zweite Oxidationskatalysator 4 als Crack- bzw. Reformerkatalysator zur partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Dieselkraftstoff, und/oder zur Erzeugung von Wasserstoff durch Wasserdampfrefomierung, partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Mischformen ausgebildet. Damit kann einerseits die bei einer exothermen partiellen Oxidation freigesetzte Wärmeenergie zur Abgasaufheizung im Zusammenhang mit einer thermischen Partikelfilterregeneration genutzt werden. Andererseits kann auch eine Dampfreformierung mit Erzeugung eines CO- und H2-haltigen Gasgemisches (Synthesegas) durchgeführt werden. Diese Reduktionsmittel und/oder unverbrannte bzw. gecrackte Kohlenwasserstoffe können mit Vorteil im Weiteren zur Reduzierung von Stickoxiden an einem nachgeschalteten Denox- oder Stickoxid-Speicherkatalysator (s. u.) eingesetzt werden. Mit der Bereitstellung von Synthesegas ergibt sich insbesondere eine verbesserte Stickoxidverminderung bei niedriger Temperatur. Daneben ist insbesondere bei Einsatz eines nachgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysators eine Ammoniakerzeugung durch Reduktion von gespeicherten Stickoxiden direkt im Abgasnachbehandlungssystem ermöglicht, wobei der erzeugte Ammoniak wiederum zur weiteren Reduktion von Stickoxiden an einem nachgeschalteten SCR-Katalysator genutzt werden kann. In einem solchen Fall kann auf eine Zufuhr von extern bereitgestelltem Ammoniak bzw. Harnstoff als Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator verzichtet werden. Zur Optimierung der Crackfunktion des zweiten Oxidationskatalysators 4 ist es vorteilhaft, für diesen eine zeolithische Beschichtung vorzusehen. Besonders bevorzugt ist dabei eine erhöhte Hammett-Acidität von weniger als –3 und/oder eine Platin- und/oder Palladiumimprägnierung.
Als Partikelfilter 5 kommt vorzugsweise ein so genannter wall-flow-Filter aus SiC-Basis zum Einsatz, der mit einer vorzugsweise edelmetallhaltigen katalytischen Beschichtung versehen sein kann. Für eine hohe Aufnahmefähigkeit von Ruß- und Aschepartikeln ist ein möglichst großes Volumen von etwa dem 1,5-fachen des Motorenhubraums vorteilhaft. Da die vorgeschalteten Oxidationskatalysatoren 3, 4 bereits einen gewissen Staudruck bewirken, ist eine hinsichtlich des Abgasgegendrucks optimierte Auslegung des Partikelfilters 5 bevorzugt. Porosität und Größe werden vorzugsweise so festgelegt, dass bei einer Rußbeladung von etwa 5 g/l im überwiegenden Betriebsbereich des Verbrennungsmotors ein Gegendruck von etwa 100 mbar unterschritten wird. Dabei ist eine runde Bauform mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D-Verhältnis) im Bereich von 0,8 bis 2,0 bevorzugt. Mit einem L/D-Verhältnis von 1,0 bis 1,3 lässt sich eine besonders unkritische und gleichmäßige Temperaturverteilung bei thermischen Regenerationen erzielen. Infolge der erfindungsgemäßen Auslegung des ersten Oxidationskatalysators 3 im Zusammenhang mit einem entsprechenden Motorbetrieb ist das Angebot an NO2 jedoch ausreichend groß, um deren Häufigkeit niedrig zu halten. Ist eine thermische Regeneration erforderlich, so wird durch motorische Maßnahmen und falls notwendig durch exotherme Oxidation von ins Abgas eingebrachtem Brennstoff, die Temperatur des Abgases bzw. des Partikelfilters 5 soweit angehoben, dass abgelagerter Ruß von im Abgas enthaltenem Sauerstoff oxidiert bzw. abgebrannt werden kann.
Die Zufuhr von Brennstoff ins Abgas ist dabei über die erste Injektionsvorrichtung 7 ermöglicht, über welche der Brennstoff temperaturkontrolliert stromauf des zweiten Oxidations katalysators 4 dem Abgas zugegeben werden kann. Wenngleich für eine zuverlässige und rasche Aufheizung ausgehend von niedrigen Temperaturen die Zugabe eines leicht oxidierbaren Brennstoffs wie Reformat, oder gecrackter Kraftstoff vorgesehen sein kann, ist es aus Gründen des apparativen Aufwands bevorzugt, wenn über die erste Injektionsvorrichtung 7 der verfügbare Motor-Kraftstoff, meist Diesel, als solcher ins Abgas gesprüht wird. Hierfür ist es vorteilhaft, einen Mehrlochinjektor vorzusehen, über welchen der unter einem erhöhten Druck von vorzugsweise 5 bar bis etwa 100 bar zur Verfügung gestellte Kraftstoff bedarfsgerecht, mengendosiert und fein verteilt versprüht werden kann. Zur verbesserten Verteilung im Abgas kann eine durch Druckluft und/oder durch einen im Abgasstrang angeordneten statischen oder bewegten Mischer unterstützte Vernebelung bzw. Verteilung im Abgas vorgesehen sein.
Vorzugsweise erfolgt die Einbringung des Brennstoffs soweit stromauf des zweiten Oxidationskatalysators 4, dass eine weitestgehende Homogenisierung bzw. Verdampfung des zugeführten Kraftstoffs in der Zuführungsstrecke s ermöglicht ist. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, eine Zuführungsstrecke s zum zweiten Oxidationskatalysator 4 von etwa 100 mm bis 1000 mm vorzusehen. Bevorzugt ist eine Zuführungsstrecke s von 200 mm bis 500 mm Länge. Besonders vorteilhaft ist, hierfür ein Abgasleitungsteil vom Motorraum zum Fahrzeug-Unterbodenbereich zu nutzen. Vorzugsweise weist dieser ein oder mehrere Strömungsumlenkungen von annähernd 90 Grad auf, wodurch eine weiter verbesserte Vermischung bzw. Verdampfung ermöglicht ist. Vorzugsweise ist zumindest für den Abgasleitungsabschnitt der Zuführungsstrecke s eine wärmeisolierende Umhüllung vorgesehen.
Zur Reoxidation von durch Rußoxidation im Partikelfilter 5 aus NO2 rückgebildetem NO bzw. zur Oxidation von reduzierenden Abgasbestandteilen, welche bei einer thermischen Partikelfilterregeneration im Abgas verbleiben, kann ausgangsseitig des Partikelfilters 5 eine weitere, dritte oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit vorgesehen sein. In 2 ist eine hierfür vorteilhafte Ausführungsform schematisch dargestellt. Dabei sind in 2 Bauteile, soweit sie denen der 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend lediglich auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen.
Obschon die dritte oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit 10, nachfolgend als dritter Oxidationskatalysator bezeichnet, in einem separaten Gehäuse angeordnet sein kann, ist es bevorzugt, wenn eine Anordnung unmittelbar und mit geringem Abstand zum Partikelfilter 5 in demselben Gehäuse 9 gewählt wird. Für den dritten Oxidationskatalysator 10 kann eine Ausführung analog zum ersten oder zweiten Oxidationskatalysator 3, 4 gewählt werden. Eine Ausführung mit einer erhöhten Temperaturfestigkeit ist zumindest bei der in 2 dargestellten Anordnung unmittelbar hinter dem Partikelfilter 5 jedoch vorteilhaft, da der dritte Oxidationskatalysator 3 bei einer thermischen Partikelfilterregeneration Temperaturen von bis zu 800 °C ausgesetzt sein kann. Der dritte Oxidationskatalysator 10 kann auch als Stickoxid-Speicherkatalysator ausgebildet sein, wobei in diesem Fall eine Anordnung in einem separaten Gehäuse bevorzugt ist. Mit einem dem Partikelfilter 5 nachgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysator ist einerseits eine Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen ermöglicht, andererseits können Stickoxide aus dem Abgas effizient entfernt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn für eine effektive kontinuier liche Rußregeneration der Verbrennungsmotor mit einer erhöhten Stickoxidrohemission betrieben wird.
Zur Verminderung von Stickoxiden kann alternativ oder zusätzlich zum genannten Stickoxid-Speicherkatalysator ein Stickoxidverminderungskatalysator anderer Art, beispielsweise ein so genannter Denox-Katalysator vorgesehen sein. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird jedoch nachfolgend davon ausgegangen, dass ein als klassischer SCR-Katalysator ausgebildeter Stickoxidreduktionskatalysator eingesetzt wird. Dabei ist dessen Anordnung stromab des Partikelfilters 5 bevorzugt.
In 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines diesbezüglich ausgebildeten Abgasnachbehandlungssystem 1 schematisch dargestellt. Der SCR-Katalysator 11 ist in einem separaten Gehäuse 14 untergebracht, welches über einen Leitungsabschnitt 13 des Abgasstrangs mit dem Gehäuse 9 für den Partikelfilter 5 verbunden ist. Bevorzugt ist ein SCR-Katalysator mit einem Volumen, welches im Bereich des 1,5-fachen bis 2,5-fachen des Hubraums des Verbrennungsmotors liegt. Mit einem etwa 2-fachen Hubvolumen wird ein besonders günstiges Kosten-Wirkungsverhältnis erreicht.
Der SCR-Katalysator 11 ist vorzugsweise als Trägerkatalysator in Wabenkörperbauform mit einer zeolithischen Beschichtung ausgebildet. Dabei ist ein eisenhaltiger Zeolith besonders bevorzugt. Als Zeolithmaterialien habe sich Zeolithe vom Mordenit-, Y-, ZSM5- MFI-, und β-Typ als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere mit Blick auf gute Temperaturstabilität kann dabei eine Ausführung mit einem SiO2/Al2O3-Verhältnis von mehr als 30 oder ein dealuminierter Zeolith vorteilhaft sein. Für eine besonders hohe Aktivität in Bezug auf die Stickoxidreduktion sind acide Zeolithe mit einer Hammett-Acidität von weniger als –3 bevorzugt.
Zur Zuführung eines Reduktionsmittels für den SCR-Katalysator ist eine zweite Injektionsvorrichtung 12 vorgesehen. Als Reduktionsmittel wird vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung eingesetzt. Die Abgabe der Harnstofflösung kann mittels Druckluftunterstützung in Form eines Nebels bzw. Aerosols erfolgen. Es kann jedoch auch eine so genannte luftfreie Dosierung vorgesehen sein. Insbesondere in diesem Fall ist eine gekühlte Ausführung der zweiten Injektionsvorrichtung 12 vorteilhaft, wodurch sich Ablagerungen an Düsenöffnungen vermeiden lassen. Dabei kann es sich um eine passive Kühlmaßnahme, etwa in Form eines Kühlkörpers oder um eine aktive Kühlmaßnahme, etwa in Form einer Rücklaufkühlung oder einer Kühlmittelkühlung handeln. Die Harnstofflösung wird dabei vorzugsweise mit einem Überdruck der zweiten Injektionsvorrichtung 12 zugeführt und von dieser fein verteilt ins Abgas abgespritzt. Der Überdruck wird dabei bevorzugt so hoch gewählt, dass eine Blasenbildung durch Sieden bis zu einer an der zweiten Injektionsvorrichtung 12 auftretenden maximalen Temperatur von etwa 200 °C ausgeschlossen ist.
Die zweite Injektionsvorrichtung 12 kann zwischen der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit 4 und dem Partikelfilter 5 angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine Anordnung wie dargestellt zwischen dem Partikelfilter 5 bzw. einem gegebenenfalls nachgeschalteten dritten Oxidationskatalysator 10 und dem SCR-Katalysator 11 im Leitungsabschnitt 13. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, eine Zuführungs- bzw. Hydrolysestrecke s2 zum SCR-Katalysator 11 im Leitungsabschnitt 13 von etwa 500 mm bis 1000 mm oder mehr vorzusehen. Bevorzugt ist eine Zuführungsstrecke s2 von etwa 1000 mm. Durch mehrfache Umlenkung lässt sich dennoch eine kompakte Bauweise erzielen. Um eine demgegenüber verkürzte Zuführungsstrecke s2 zu erhalten, kann jedoch auch ein Hydrolysekatalysator zur Hydrolyse von zugeführtem Harnstoff im Leitungsabschnitt 13 vorgesehen sein.
Die vorzugsweise eingesetzten SCR-Katalysatortypen weisen eine Reduktionsmittel- bzw. Ammoniakspeicherfähigkeit auf. Dabei ist im Allgemeinen der erreichbare Stickoxidumsatz um so größer, je höher die im Katalysator gespeicherte Reduktionsmittel- bzw. Ammoniakmenge ist. Bei hoher Speichermenge tritt jedoch ein mehr oder weniger großer, unerwünschter Reduktionsmittelschlupf auf. Um dennoch einen Betrieb mit hoher Ammoniakspeichermenge und damit möglichst hohem Stickoxidumsatz zu ermöglichen, kann der SCR-Katalysator 11 ausgangsseitig mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung versehen sein. Dabei ist es vorteilhaft, diese auf wenigstens 10 % der Katalysatorlänge auslassseitig vorzusehen. Bevorzugt ist eine Beschichtung des SCR-Katalysators im auslassseitigen Bereich auf etwa 20 % der Gesamtkatalysatorlänge. Es kann jedoch auch ein so genannter Sperrkatalysator mit oxidationskatalytischer Wirksamkeit als separates Bauteil nachgeschaltet sein. Analog zu einer Beschichtung ist dabei ein Volumen von etwa 20 % des Stickoxidreduktionskatalysator-Volumens bevorzugt.
In 4 ist ein Abgasnachbehandlungssystem 1 in der Variante mit nachgeschaltetem Ammoniaksperrkatalysator 15 dargestellt. Der Sperrkatalysator 15 kann dabei ähnlich wie der erste Oxidationskatalysator 3 beschaffen sein. Eine besonders hohe Temperaturstabilität ist nicht erforderlich, da die Temperatur in diesem Bereich des Abgasnachbehandlungssystems 1 meist unterhalb von 500 °C liegt. Vorzugsweise schließt sich der Sperrkatalysator 15 mit geringem oder vernachlässigbarer Abstand unmittelbar an den SCR-Katalysator 11 an und ist in demselben Gehäuse 14 angeordnet. Ein Einbau in einem separaten Gehäuse ist natürlich ebenfalls möglich.
Wenngleich der Übersichtlichkeit halber nicht in den Zeichnungen dargestellt, ist klar, dass eine geeignete Sensorik für das Abgasnachbehandlungssystem 1 vorgesehen ist, um dessen Betrieb zu steuern. Die Sensorik umfasst dabei vorzugsweise geeignet platzierte Sensoren für Temperatur, Druck, Ammoniak-, Stickoxid-, und Sauerstoffgehalt des Abgases.
So kann insbesondere stromauf vor dem zweiten Oxidationskatalysator 4 und/oder zwischen diesem und dem Partikelfilter 5, sowie ausgangsseitig des Partikelfilters 5 jeweils ein Temperatursensor zur Überwachung des Betriebs bzw. der Funktionalität dieser Baueinheiten bzw. von thermischen Partikelfilterregenerationen vorgesehen sein. Die Platzierung eines Stickoxidsensors ausgangsseitig des ersten Oxidationskatalysators 3, insbesondere im Zusammenhang mit einer Temperaturerfassung des ersten Oxidationskatalysators 3, ermöglicht eine Abschätzung des NO2-Anteils im Abgas am Ausgang des ersten Oxidationskatalysators 3. Dies erlaubt im Zusammenhang mit einer Temperaturerfassung für den Partikelfilter 5 eine zuverlässige Modellierung von dessen Rußbeladung sowie eine Regelung der Zugabe des Reduktionsmittels über die zweite Injektionsvorrichtung 12. Zur weiteren Verbesserung dieser Regelung oder zu Diagnosezwecken kann ein Ammoniaksensor stromab des SCR-Katalysators 11 vorgesehen sein.
Durch eine Platzierung eines Drucksensors stromab nach und/oder stromauf vor dem Partikelfilter 5 kann eine Abschätzung von dessen Ruß- oder Aschegehalt erfolgen und thermische Regenerationsvorgänge getriggert bzw. gesteuert werden.
Zur Durchführung der Steuer- bzw. Regelvorgänge ist auch ein zeichnerisch nicht dargestelltes Steuergerät vorgesehen, das mit den Sensoren verbunden ist sowie mit einem Motorsteuergerät für den Verbrennungsmotor kommunizieren kann oder in dieses integriert ist.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung von Abgas eines Verbrennungsmotors, umfassend in Abgasströmungsrichtung hintereinander in einem an den Verbrennungsmotor angeschlossenen einflutig ausgeführten Abgasstrang angeordnet – eine erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3), – eine beabstandet zur ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (3) angeordnete zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) und – einen Partikelfilter (5), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Injektionsvorrichtung (7) zum Einbringen eines Brennstoffs in den Abgasstrom zwischen der ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (3) und der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (4) vorgesehen ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) eine höhere Temperaturfestigkeit aufweist als die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3).
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3) eine höhere Aktivität zur Oxidation von Stickstoffmonoxid aufweist als die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4).
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3) eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (4) höheren Edelmetallgehalt aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3) eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (4) höheren Platingehalt aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (3) höheren Palladiumgehalt aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (5) eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (10) vorgesehen ist, die dem Partikelfilter (5) nachgeschaltet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stickoxidreduktionskatalysator (11) zur Reduktion von Stickoxiden unter oxidierenden Bedingungen dem Partikelfilter (5) nachgeschaltet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxidreduktionskatalysator (11) als Trägerkatalysator mit einer zeolithischen Beschichtung ausgebildet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Injektionsvorrichtung (12) zum Einbringen eines hinsichtlich einer Reduktion von Stickoxiden wirksamen Reduktionsmittels stromauf des Stickoxidreduktionskatalysators (11) vorgesehen ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein oxidationskatalytisch wirksamer Sperrkatalysator (15) dem Stickoxidreduktionskatalysator (11) nachgeschaltet ist und/oder der Stickoxidreduktionskatalysator (11) an seinem auslassseitigen Ende mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung versehen ist.