DE102007030234A1 - Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors weist einen Dieselpartikelfilter (110, 210, 310, 430), welcher ein Dieselpartikelfiltersubstrat aufweist, eine NO<SUB>x</SUB>-Speicherkomponente zum Speichern von Stickoxiden aus dem vom Verbrennungsmotor zugeführten Abgas und einen stromabwärts des Dieselpartikelfilters (110, 210, 310, 430) angeordneten SCR-Katalysator (120, 320, 420) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im dem SCR-Katalysator (120, 320, 420) zugeführten Abgas auf, wobei die NO<SUB>x</SUB>-Speicherkomponente unmittelbar auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat vorgesehen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors.
  • Es ist bekannt, zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen eines Verbrennungsmotors unter mageren Abgasbedingungen das sog. SCR-Verfahren (SCR= "selective catalytic reduction") einzusetzen, d. h. ein Verfahren zur selektiven, katalytischen Reduktion. Hierbei wird dem Abgas z. B. Ammoniak (NH3) zugeführt, welches an geeigneten SCR-Komponenten des SCR-Katalysators mit den im Abgas vorhandenen Stickoxiden selektiv zu Stickstoff und Wasser reagiert.
  • Aus der US 6,182,443 B1 ist ein Verfahren zur Abgasbehandlung bekannt, bei welchem im Abgasweg eines Dieselmotors zwei Katalysatorkomponenten angeordnet werden. Die erste Komponente ist in unmittelbarer Nähe des Motors angeordnet und bildet einen NOx-Absorber aus einem edelmetallhaltigen Träger. Die zweite Komponente ist ein NOx-Speicherkatalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem mageren Abgas oder ein SCR-Katalysator.
  • Aus der EP 1 435 437 A1 ist eine Vorrichtung zur NOx-Abgasnachbehandlung zur Verwendung in einem Magermixmotor bekannt, bei welcher ein NOx-Absorber in Verbindung mit einem SCR-Katalysatorsystem eingesetzt wird, um das innerhalb des NOx-Absorbers erzeugte Ammoniak (NH3) zur Reduzierung der im Abgasstrom nach Durchlaufen des NOx-Absorbers verbleibenden Stickoxide im mageren Betrieb des Motors zu verwenden.
  • Ein SCR-Katalysator besitzt üblicherweise eine Betriebstemperatur oberhalb von etwa 200°C. Infolge des vergleichsweise großen Volumens der SCR-Komponenten ist der SCR-Katalysator häufig an einer Unterbodenposition und in größerer Entfernung vom Motor, gegebenenfalls stromabwärts eines Dieselpartikelfil ters (DPF), untergebracht. Wegen der hieraus resultierenden Schwierigkeiten hinsichtlich des Erreichens der Betriebstemperatur des SCR-Katalysators werden häufig Heizstrategien abgewandt, um die Temperaturerhöhung des SCR-Systems und damit das Anspringen des SCR-Katalysators zu unterstützen, was jedoch einen erhöhten Aufwand darstellt und auch auf Kosten der Kraftstoffeffizienz erfolgt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welche eine effiziente Umwandlung von Stickoxiden mit einem möglichst einfachen und kostengünstigen Aufbau ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Dieselpartikelfilter, welcher ein Dieselpartikelfiltersubstrat aufweist, eine NOx-Speicherkomponente zum Speichern von Stickoxiden aus dem vom Verbrennungsmotor zugeführten Abgas, und einen stromabwärts der NOx-Speicherkomponente angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im dem SCR-Katalysator zugeführten Abgas auf. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Speicherkomponente unmittelbar auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat vorgesehen ist.
  • Dadurch, daß die NOx-Speicherkomponente unmittelbar auf dem Dieselpartikelfilter-Substrat aufgebracht ist, wird ein weiterer Katalysator im Abgassystem entbehrlich. Insbesondere wird es möglich, den Dieselpartikelfilter in noch größerer Nähe zum Verbrennungsmotor anzuordnen, wodurch die Bedingungen für die Regeneration des Dieselpartikelfilters verbessert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Dieselpartikelfilter nur in seinem stromaufwärtigen Abschnitt (d. h. auf seiner Vorderseite in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung) mit der NOx-Speicherkomponente (LNT-Katalysatorver bindung) beschichtet. Im übrigen Bereich ist der Dieselpartikelfilter gemäß dieser Ausführungsform unbeschichtet (d. h. frei von Katalysatormaterial). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Dieselpartikelfilter in dem unbeschichteten (von der NOx-Speicherkomponente freien) Bereich auch ein die Rußverbrennung katalysierendes Material aufweisen bzw. mit einer die Rußverbrennung unterstützenden katalytischen Schicht beschichtet sein.
  • Mit dieser Ausgestaltung wird dem Umstand Rechnung getragen, daß das Vorhandensein einer NOx-Speicherkomponente bzw. eines NOx-Speicherkatalysators unmittelbar auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat die maximale Menge an Russ beschränkt, mit welcher der Dieselpartikelfilter beladen werden kann. Dieser Umstand ist darauf zurückzuführen, daß die NOx-Speicherkomponente oberhalb einer Grenztemperatur beschädigt wird und somit Ihre NOx-Speicherkapazität verliert. Diese Grenztemperatur liegt bei einer typischen NOx-Speicherkomponente (mit einem Temperaturfenster im Bereich von 250–450°C) bei etwa 800–850°C. Die maximale, im Dieselpartikelfilter erlaubte Temperatur kann sogar niedriger sein, wenn die NOx-Speicherkomponente bei solchen niedrigeren Temperaturen bereits Alterungseffekte aufweist. Die obere Temperaturgrenze ist auf eine exotherme Reaktion des in dem Dieselpartikelfilter geladenen Rußes zurückzuführen, wobei bei einem typischen Vierwegekatalysator die Beladungsgrenze an Russ im Bereich von 2–3 g/L liegt. Bei einer für den Niedrigtemperaturbereich ausgelegten NOx-Speicherkomponente liegt dieses maximale Rußbeladungsniveau (MSL = "maximum soot loading level") sogar niedriger, wodurch häufige Regenerationsphasen erforderlich werden, was wiederum auf Kosten der Treibstoffeffizienz geht. Die während einer solchen sogenannten "worst case"-Regeneration auftretenden Temperaturen sind am höchsten in dem stromabwärtigen (d. h. in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung hinteren) Bereich des Dieselpartikelfilters. Des Weiteren tritt bei einer Beladung des gesamten Dieselpartikelfilters mit der NOx-Speicherkomponente das Problem auf, daß die Entschwefelung der NOx-Katalysatorverbindung auf dem Dieselpartikelfilter infolge der problematischen Einstellung einer gleichmäßig hohen Temperaturverteilung in dem Dieselpartikelfilter schwierig ist.
  • Die Beschichtung nur des stromaufwärtigen Abschnittes des Dieselpartikelfilters mit der NOx-Speicherkomponente hat demgegenüber den Vorteil, daß an dem stromaufwärtigen (d. h. in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung vorderen) Bereich des Dieselpartikelfilters moderatere Temperaturen auch während der "worst case"-Regeneration auftreten, so daß das maximale Rußbeladungsniveau (MSL) des mit der NOx-Speicherkomponente versehenen Dieselpartikelfilters erhöht wird. Infolgedessen können die Regenerationsphasen des Dieselpartikelfilters in größeren Zeitintervallen erfolgen. Das die Rußverbrennung unterstützende katalytische Material weist eine vergleichsweise geringere Temperaturempfindlichkeit auf und kann maximalen Rußbeladungsniveaus (MSL) von bis zu 8 g/L standhalten.
  • Ein weiterer Vorteil der Anordnung der NOx-Speicherkomponente nur im stromaufwärtigen Bereich des Dieselpartikelfilters besteht darin, daß eine Entschwefelung des Dieselpartikelfilters einfacher durchgeführt werden kann. Noch ein weiterer Vorteil der Anordnung der NOx-Speicherkomponente nur im stromaufwärtigen Bereich des Dieselpartikelfilters besteht in dem schnelleren Anspringen der in der NOx-Speicherkomponente vorhandenen NOx-Katalysatorverbindung, so daß diese unabhängig von der Größe des Dieselpartikelfilters das gespeicherte NOx schneller desorbiert, wodurch eine einfachere Steuerung des NOx-Beladungszustandes erreicht wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine parallel zu einer primären Abgasleitung verlaufende sekundären Abgasleitung des Abgassystems vorgesehen, wobei Mittel zum selektiven Ermöglichen bzw. Unterbrechen einer Abgasströmung über die sekundäre Abgasleitung vorgesehen sind, und wobei sowohl in der primären Abgasleitung als auch in der sekundären Abgasleitung ein Dieselpartikelfilter vorgesehen ist. Dabei kann gemäß einer Ausführung der in der sekundären Abgasleitung angeordnete Dieselpartikelfilter mit der NOx-Speicherkomponente versehen sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch der in der primären Abgasleitung angeordnete Dieselpartikelfilter mit der NOx-Speicherkomponente versehen sein, wobei dann vorzugsweise der in der primären Abgasleitung angeordnete Dieselpartikelfilter stromabwärts der Einmündung der sekundären Abgasleitung in die primäre Abgasleitung angeordnet ist.
  • Die Anordnung des mit der NOx-Speicherkomponente versehenen Dieselpartikelfilters in einer sekundären Abgasleitung und die selektive Unterbrechbarkeit bzw. des Abgasstromes über diesen Dieselpartikelfilter ermöglichen es, die den NOx-Speicherkomponente in einem reineren, d. h. weitgehend oder vollständig beladungsfreien Zustand zu halten, so daß diese ihre volle Speicherkapazität besitzt, wenn sie das nächste Mal zum Einsatz kommt, wodurch eine effektivere NOx-Umwandlung in dem gesamten Abgassystem erreicht werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Dieselpartikelfilter in unmittelbarer Nähe ("closed-coupled-position") des Verbrennungsmotors angeordnet. Auf diese Weise kann infolge der motornahen Position ein schnellstmögliches Anspringen des mit der NOx-Speicherkomponente des Dieselpartikelfilters nach einem Kaltstart erreicht werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind Mittel zur aktiven, vorzugsweise kontrolliert steuerbaren Erwärmung des mit der NOx-Speicherkomponente versehenen Dieselpartikelfilters vorgesehen (z. B. unter Ausnutzung der Motorwärme oder mittels eines in kontrollierter Weise zugeführten Gasstromes), um bei erschöpfter Speicherkapazität der NOx-Speicherkomponente eine Desorption des gespeicherten NOx zu unterstützen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Dieselpartikelfilters gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
  • 3–4 schematische Darstellungen des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen.
  • In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 100 zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors dargestellt, bei welchem von dem (nicht dargestellten) Verbrennungsmotor herströmende Abgase 1 zunächst durch einen Dieselpartikelfilter 110 und anschließend durch einen stromabwärts dieses Dieselpartikelfilters 110 angeordneten SCR-Katalysator 120 strömen, wobei im Abgasleitungsabschnitt zwischen dem Dieselpartikelfilter 110 und dem SCR-Katalysator 120 eine Einspritzvorrichtung 125 zur Einspritzung von Harnstoff zur Reaktion mit den Abgasen angeordnet ist.
  • Der Dieselpartikelfilter 110 ist bevorzugt als Wandstromfilter ausgebildet und weist eine NOx-Speicherkomponente zum Speichern von Stickoxiden aus dem vom Verbrennungsmotor zugeführten Abgas auf. Dabei erfüllt die NOx-Speicherkomponente die Funktion eines Vierwegekatalysators (d. h. die Speicherung von CO, HC, Partikel sowie NOx), und ist insbesondere für die Niedrigtemperaturspeicherung und -umwandlung von Stickoxiden ausgelegt.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung, bei welcher die NOx-Speicherkomponente nur im stromaufwärtigen (d. h. in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung vorderen) Bereich 210a eines Dieselpartikelfilters 210 vorgesehen ist. Der verbleibende Bereich 210b des Dieselpartikelfilters 210 ist unbeschichtet (d. h. frei von Katalysatormaterial). Gemäß einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann der nicht mit der NOx-Speicherkomponente beschichtete Bereich 210b auch ein die Rußverbrennung katalysierendes Material aufweisen.
  • Der Dieselpartikelfilter 110 bzw. 210 weist vorzugsweise ein Substrat aus Kordierit oder Siliziumkarbid (SiC) auf.
  • Gemäß einer weiteren, in 3 schematisch dargestellten Ausführungsform ist zusätzlich zur primären Abgasleitung 301 eine sekundäre Abgasleitung 302 des Abgassystems vorgesehen, wobei eine selektive Unterbrechung des Abgasstromes in der primären Abgasleitung 301 über ein erstes Ventil 303 und eine selektive Unterbrechung des Abgasstromes in der sekundären Abgasleitung 302 über ein zweites Ventil 304 erfolgen kann. In der sekundären Abgasleitung 302 ist ein analog zu 1 oder 2 ausgebildeter, mit einer NOx-Speicherkomponente versehener Dieselpartikelfilter 310 angeordnet. In der primären Abgasleitung 301 ist ein zweiter Dieselpartikelfilter 330 vorgesehen, welcher wahlweise mit oder ohne NOx-Speicherkomponente ausgestaltet sein kann. Zwischen der Einmündung der sekundären Abgasleitung 302 in die primäre Abgasleitung 301 und dem SCR-Katalysator 320 ist eine Einrichtung 325 zur Harnstoffeinspritzung angeordnet.
  • Infolge der selektiven Umschaltbarkeit zwischen der primären und der sekundären Abgasleitung wird eine genauere Steuerung des Speicherzustandes der NOx-Speicherkomponente auf dem mit einer NOx-Speicherkomponente versehenen Dieselpartikelfilter 310 und damit eine Optimierung der Steuerung der NOx-Umwandlung ermöglicht.
  • Eine weitere bevorzugte Anordnung gemäß der Erfindung ist in 4 schematisch dargestellt. Hierbei sind wiederum eine primäre Abgasleitung 401 und eine sekundäre Abgasleitung 402 vorgesehen, welche ebenfalls durch Ventile 403 bzw. 404 selektiv abgesperrt werden können. Ein wahlweise als Durchflußfilter oder Wandstromfilter ausgestalteter Dieselpartikelfilter 410 ist in der sekundären Abgasleitung 402 angeordnet, wobei stromabwärts der Einmündung der sekundären Abgasleitung 402 in die primäre Abgasleitung 401 ein weiterer Dieselpartikelfilter 430 angeordnet ist, der analog zu 1 oder 2 mit einer NOx-Speicherkomponente versehen ist. Stromabwärts dieses weiteren Dieselpartikelfilters ist ein SCR-Katalysator 420 angeordnet, wobei zwischen dem Dieselpartikelfilter 430 und dem SCR-Katalysator 420 eine Einrichtung 425 zur Harnstoffeinspritzung angeordnet ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6182443 B1 [0003]
    • - EP 1435437 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einem Dieselpartikelfilter (110, 210, 310, 430), welcher ein Dieselpartikelfiltersubstrat aufweist; eine NOx-Speicherkomponente zum Speichern von Stickoxiden aus dem vom Verbrennungsmotor zugeführten Abgas; und einem stromabwärts des Dieselpartikelfilters (110, 210, 310, 430) angeordneten SCR-Katalysator (120, 320, 420) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im dem SCR-Katalysator (120, 320, 420) zugeführten Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Speicherkomponente unmittelbar auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die NOx-Speicherkomponente nur in einem stromaufwärtigen Abschnitt (210a) des Dieselpartikelfilters (210) vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine parallel zu einer primären Abgasleitung (301, 401) verlaufende sekundären Abgasleitung (302, 402) des Abgassystems vorgesehen ist, wobei Mittel (303, 304, 403, 404) zum selektiven Ermöglichen bzw. Unterbrechen einer Abgasströmung über die sekundäre Abgasleitung (302, 402) vorgesehen sind, und wobei sowohl in der primären Abgasleitung als auch in der sekundären Abgasleitung ein Dieselpartikelfilter vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in der sekundären Abgasleitung (302) angeordnete Dieselpartikelfilter (310) mit der NOx-Speicherkomponente versehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in der primären Abgasleitung (401) angeordnete Dieselpartikelfilter (430) mit der NOx-Speicherkomponente versehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in der primären Abgasleitung (401) angeordnete Dieselpartikelfilter (430) stromabwärts der Einmündung der sekundären Abgasleitung (402) in die primäre Abgasleitung (401) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der NOx-Speicherkomponente versehene Dieselpartikelfilter (110, 210, 310, 430) in unmittelbarer Nähe des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur aktiven, vorzugsweise kontrolliert steuerbaren Erwärmung des mit der NOx-Speicherkomponente versehenen Dieselpartikelfilters (110, 210, 310, 430) vorgesehen sind.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der NOx-Speicherkomponente versehene Dieselpartikelfilter (110, 210, 310, 430) ein Wandstromfilter ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dieselpartikelfiltersubstrat des mit der NOx-Speicherkomponente versehenen Dieselpartikelfilters (110, 210, 310, 430) aus Kordierit oder Siliziumkarbid hergestellt ist.
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