DE102008062669A1

DE102008062669A1 - Abgasanlage mit verbesserter NOx-Emissionsteuerung

Info

Publication number: DE102008062669A1
Application number: DE102008062669A
Authority: DE
Inventors: Shouxian Ann Arbor Ren; Ryu Novi Hariyoshi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-01-03
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2009-10-29
Also published as: US8122712B2; US20090173064A1; CN101476501A

Abstract

Eine Abgasanlage umfasst eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) und einen NOx-Absorber, der eine Mager-NOx-Falle (LNT) umfassen kann. Der NOx-Absorber absorbiert NOx und setzt das in dem NOx-Absorber absorbierte NOx in die SCR-Einrichtung frei. Die SCR-Einrichtung wandelt NOx aus Abgas in Stickstoff und Wasser um.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der am 3. Januar 2008 eingereichten vorläufigen U. S. Anmeldung Nr. 61/018,744. Die Offenbarung der vorstehenden Anmeldung wird hierin durch Verweis aufgenommen.
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Abgasanlagen für Brennkraftmaschinen und insbesondere Abgasanlagen, die Einrichtungen für selektive katalytische Reduktion (SCR, kurz vom engl. Selective Catalytic Reduktion) zur Emissionsteuerung verwenden.
Hintergrund
Die hierin vorgesehene Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck des allgemeinen Darstellens des Zusammenhangs der Offenbarung. Die Arbeit der vorliegend genannten Erfinder, sofern sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben wird, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Einreichung eventuell nicht anderweitig als Stand der Technik gelten, werden weder ausdrücklich noch stillschweigend gegenüber der vorliegenden Offenbarung als Stand der Technik zugelassen.
Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (SCR) und Dieseloxidationskatalysatoren (DOC, kurz vom engl. Diesel Oxidation Catalysts) werden häufig bei Dieselbrennkraftmaschinen zur Emissionsreduktion verwendet. Bei dem SCR-Prozess reagiert Stickoxid (NO_x) mit einem Reduktionsmittel, das durch eine Dosieranlage in den Abgasstrom eingespritzt wird, um an einem SCR-Katalysator absorbiert zu werden. Das eingespritzte Dosiermittel (z. B. Harnstoff) zerfällt zu Ammoniak (NH₃). NH₃ ist das Reduktionsmittel, das zum Reagieren mit NO_x verwendet wird, um NO_x zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) zu reduzieren.
Der SCR-Prozess erfordert typischerweise relativ hohe Abgastemperaturen (beispielsweise Temperaturen über 200°C). Herkömmliche Dieselbrennkraftmaschinen erzeugen aber bei Kaltstart und unter Betriebsbedingungen niedriger Last ein Abgas niedriger Temperaturen, im Allgemeinen unter 200°C. Während einer Kaltstartphase eines FTP-75-Zyklus (Bag I oder Phase I der Federal Test Procedures für Emissionstests) kann selbst bei einer anfänglichen Aufwärmstrategie die Höchsttemperatur der SCR-Einrichtung immer noch unter der Temperatur liegen, die erforderlich ist, um die SCR-Einrichtung beim Reduzieren von NO_x-Emissionen wirksam zu machen.
Zusammenfassung
Demgemäß wird eine Abgasanlage vorgesehen, die eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) und einen NO_x-Absorber umfasst. Der NO_x-Absorber absorbiert NO_x aus Abgas und setzt das in dem NO_x-Absorber absorbierte NO_x in die SCR-Einrichtung frei. Die SCR-Einrichtung wandelt NO_x aus Abgas in Stickstoff und Wasser um.
Bei anderen Merkmalen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage vorgesehen, das das Absorbieren von NO_x aus Abgas in einem NO_x-Absorber, das Freisetzen des in dem NO_x-Absorber absorbierten NO_x in eine SCR-Einrichtung und das Umwandeln des aus dem NO_x-Absorber freigesetzten NO_x zu Stickstoff und Wasser umfasst.
Weitere Anwendungsbereiche gehen aus der nachstehend vorgesehenen Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und spezifischen Beispiele nur für die Zwecke der Veranschaulichung gedacht sind und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung beschränken sollen.
Zeichnungen
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich für veranschaulichende Zwecke und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise beschränken.
1 ist ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs, das eine Emissionssteuerungsanlage gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasst;
2 ist ein schematisches Diagramm eines Dieseloxidationskatalysators (DOC), der einen Mager-NO_x-Fallen(LNT)-Katalysator (LNT, kurz vom engl. Lean NO_x Trap) enthält; und
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Abgasanlage gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung.
Eingehende Beschreibung
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Einsatzmöglichkeiten beschränken. Es versteht sich, dass in den gesamten Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Eine Abgasanlage gemäß der vorliegenden Offenbarung kann einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) umfassen, der mit einem stromaufwärts einer Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) angeordneten Stickoxid(NO_x)-Absorber integriert ist. Der NO_x-Absorber kann NO_x aus Abgas absorbieren, wenn die SCR-Einrichtung während eines Inbetriebnahmezeitraums der Brennkraftmaschine NO_x-Emissionen nicht wirksam reduzieren kann. Der NO_x-Absorber kann das absorbierte NO_x freisetzen, nachdem das Abgas eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, bei der die SCR-Einrichtung NO_x wirksam in Stickstoff und Wasser umwandeln kann. Dadurch können während des Inbetriebnahmezeitraums der Brennkraftmaschine an die Atmosphäre freigesetzte NO_x-Emissionen reduziert werden.
Unter Bezug auf 1 ist ein Fahrzeug 10 gezeigt, das eine Emissionsteuerungsanlage gemäß der Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasst. Einer Dieselbrennkraftmaschine 12 wird von einer Kraftstoffpumpe 14 durch mehrere Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 16 Kraftstoff geliefert. Luft wird der Brennkraftmaschine 12 durch ein Luftansaugsystem 18 geliefert.
Ein Steuermodul 20 steht mit einem Gaspedalsensor 22 in Verbindung. Der Gaspedalsensor 22 sendet ein eine Pedalstellung eines Gaspedals 24 kennzeichnendes Signal zu dem Steuermodul 20. Das Steuermodul 20 nutzt das Pedalstellungssignal beim Steuerbetrieb der Kraftstoffpumpe 14 und der Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 16.
Durch den Verbrennungsprozess wird Abgas erzeugt und wird aus der Brennkraftmaschine 12 in einen Abgaskrümmer 26 abgelassen. Eine Abgasanlage 28 nimmt das Abgas von der Brennkraftmaschine 12 durch den Abgaskrümmer 26 auf und behandelt das dadurch strömende Abgas, um NO_x zu reduzieren, bevor das Abgas an die Atmosphäre freigesetzt wird.
Die Abgasanlage 28 umfasst einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 30, einen NO_x-Absorber in Form eines Mager-NO_x-Fallen(LNT)-Katalysators 32, eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) 34 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 36. Der NO_x-Absorber ist in den DOC 30 integriert. Ein erster NO_x-Sensor 38 ist an dem Abgaskrümmer 26 vorgesehen, und ein zweiter NO_x-Sensor 40 ist zwischen der SCR-Einrichtung 34 und dem DOC 30 vorgesehen. Eine Dosieranlage 42 ist stromaufwärts der SCR-Einrichtung 34 zum Einspritzen eines Reduktionsmittelzusatzes, beispielsweise Harnstoff, in den Abgasstrom vorgesehen. Ein Ventil 44 ist mit der Dosieranlage 42 zum Dosieren präziser Mengen des Reduktionsmittelzusatzes angeschlossen. Das gasförmige oder flüssige Reduktionsmittel wird dem Abgasstrom zugegeben und wird auf die SCR-Einrichtung 34 absorbiert.
Der erste NO_x-Sensor 38 erfasst das Abgas in dem Abgaskrümmer 26 und liefert dem Steuermodul 20 ein Signal, das zum Beispiel anzeigt, ob das Abgas mager oder fett ist. Der zweite NO_x-Sensor 40 erfasst das Abgas unmittelbar stromaufwärts der SCR-Einrichtung 34. Der DOC 30 ist stromaufwärts der SCR-Einrichtung 34 zum Oxidieren des Kohlenwasserstoffs des Abgases vorgesehen. Der DOC 30 verbessert auch den Wirkungsgrad der NO_x-Absorption bei niedrigen Temperaturen durch teilwei ses Umwandeln von in dem Abgas enthaltenem NO zu NO₂. Der DPF 36 ist stromabwärts der SCR-Einrichtung 34 zum Entfernen von Dieselpartikelmaterial oder Ruß aus dem Abgas vorgesehen.
Die SCR-Einrichtung 34 wird zum Entfernen von Stickoxiden (NO_x) in dem Abgas durch eine chemische Reaktion zwischen den Abgasen, dem Reduktionsmittelzusatz (z. B. Harnstoff) und einem Katalysator an der SCR-Einrichtung 34 verwendet. Die Wärme in dem Abgasstrom bewirkt ein Zerfallen der wässrigen Harnstofflösung zu Ammoniak und Cyanwasserstoffsäure (HNCO). Diese Zerfallsprodukte dringen in die SCR-Einrichtung 34 ein, wo das Gasphasen-Ammoniak absorbiert wird und die Cyansäure an der SCR-Einrichtung 34 weiter zu Gasphasen-Ammoniak zersetzt wird. Das absorbierte Ammoniak reagiert mit NO_x in dem Abgas, wobei es H₂O und N₂ bildet. Die SCR-Einrichtung 34 kann bei einer in etwa vorbestimmten Temperatur NO_x wirksam in H₂O und N₂ umwandeln. Die vorbestimmte Temperatur kann von einer Reihe von Faktoren abhängen, einschließlich aber nicht ausschließlich SCR-Zusammensetzung und -dichte, Größe der Behälter für den DOC 30 und den DPF 36 und/oder Kraftstoffzusammensetzung. Im Allgemeinen kann die vorbestimmte Temperatur bei in etwa 200°C (lediglich beispielhaft) liegen.
Unter Bezug auf 2 kann der DOC 30 eine zylindrische Form aufweisen und kann einen Träger 46 mit einer oder mehreren Katalysatorschichten sowie so genannten Washcoat-Schichten umfassen. Der Träger 46 weist ein Einlassende 48 und ein Auslassende 50 auf. Ein NO_x-Absorber, beispielsweise ein Mager-NO_x-Fallen(LNT)-Katalysator 32, ist benachbart zu dem Auslassende 50 des DOC 30 vorgesehen. Der LNT-Katalysator 32 kann einen Brick umfassen, der an dem DOC 30 durch physikalisches Integrieren des katalytischen Bricks separat angebracht ist. Alternativ kann der LNT-Katalysator 32 durch eine Zonenbeschichtungstechnik ein Abschnitt eines Katalysator-Washcoats am Auslassende 50 in dem DOC-Brick sein. Der LNT-Katalysator 32 kann NO_x aus Abgas, das durch den DOC 30 strömt, absorbieren und speichern.
Es sollte verständlich sein und gewürdigt werden, dass abgesehen von dem LNT-Katalysator 32 jede Form eines aus dem Stand der Technik bekannten NO_x-Absorbers verwendet werden kann, ohne vom Wesen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zudem kann der LNT-Katalysator 32 außerhalb des DOC 30 vorgesehen werden. Ferner kann der DOC 30 eine andere Form als eine zylindrische Form aufweisen. Zum Beispiel kann der DOC 30 eine ovale Form aufweisen.
Unter Bezug auf 3 beginnt ein Verfahren 100 zum Betreiben einer Abgasanlage 28 bei Schritt 102. Wenn bei Schritt 102 die Brennkraftmaschine unter kühlen Abgastemperaturen, beispielsweise während der Kaltstartphase des FTP-75-Zyklus (des Federal Test Procedure), oder unter bestimmten Brennkraftmaschinenbetriebsbedingungen niedriger Last startet und läuft, kann der Katalysator der SCR-Einrichtung 34 aufgrund der niedrigen Temperatur keine ausreichende NO_x-Menge wirksam reduzieren. Im Allgemeinen kann die SCR-Einrichtung 34 NO_x wirksam in Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) umwandeln, wenn das Abgas und somit die SCR-Einrichtung 34 eine vorbestimmte Temperatur erreichen. Wenn die Abgastemperatur niedrig ist und unter der vorbestimmten Temperatur liegt, kann in dem Abgas enthaltenes NO_x bei Schritt 104 in dem LNT-Katalysator 32 absorbiert und gespeichert werden. Der LNT-Katalysator 32 kann NO_x wirksam absorbieren und speichern, wenn die Temperatur des Abgases unter der vorbestimmten Temperatur liegt. Zudem wandelt der DOC 30 einen Prozentsatz von NO in NO₂ um, wenn die Abgastemperatur niedrig ist. Dadurch wird die in die Atmosphäre freigesetzte NO_x- Menge reduziert, wenn die SCR-Einrichtung 34 die NO_x-Emissionen nicht wirksam reduziert.
Wenn die Brennkraftmaschine weiter läuft, steigt die Temperatur des Abgases und folglich der Abgasanlage 28. Wenn bei Schritt 106 die Temperatur des Abgases die vorbestimmte Temperatur erreicht, wird der Katalysator in der SCR-Einrichtung 34 beim Reduzieren von NO_x-Emissionen wirksam. An diesem Punkt kann die Dosieranlage 42 bei Schritt 108 beginnen, Reduktionsmittel, z. B. Harnstoff, zu dem Abgas einzuspritzen. In dem Abgas enthaltenes NO_x kann beginnen, in der SCR-Einrichtung 34 einen SCR-Prozess zu durchlaufen, so dass das schädliche NO_x zu H₂O und N₂ reduziert wird.
Im Allgemeinen wird die NO_x-Speicherfähigkeit des LNT-Katalysators 32 bei steigender Abgastemperatur schlechter. Wenn daher bei Schritt 110 die Temperatur des Abgases weiter steigt, bewirkt die Wärme aus dem Abgasstrom, dass der LNT-Katalysator 32 das NO_x freisetzt, das zuvor bei niedriger Abgastemperatur gespeichert wurde. Bei Schritt 112 wird das freigesetzte NO_x für den SCR-Prozess zu der SCR-Einrichtung 34 geleitet. Nachdem das Abgas in der SCR-Einrichtung 34 den SCR-Prozess durchlaufen hat, kann das Abgas zu dem DPF 36 geleitet werden, wo Dieselpartikelmaterial oder Ruß entfernt werden. Das behandelte Abgas wird dann bei Schritt 114 an die Atmosphäre freigesetzt und der gesamte Prozess endet bei Schritt 116.
Im Allgemeinen absorbiert der NO_x-Absorber (in dem veranschaulichenden Beispiel der LNT-Katalysator 32) NO_x und setzt in dem NO_x-Absorber absorbiertes NO_x beruhend auf Temperaturen des Abgases frei. Die SCR-Einrichtung 34 wandelt aus dem NO_x-Absorber freigesetztes NO_x beruhend auf Temperaturen des Abgases um. Die Zeiten zum Freisetzen von NO_x aus dem NO_x-Absorber zu der SCR-Einrichtung 34 können abhängig von chemischen Zusammensetzungen des NO_x-Absorbers variieren.
Der LNT-Katalysator 32 ist vorrangig zum Zweck des Absorbierens und Speicherns von NO_x während der Kaltstartphase einer Brennkraftmaschine, nicht zur NO_x-Reduktion, vorgesehen. Daher benötigt die Abgasanlage 28 der vorliegenden Offenbarung gegenüber herkömmlichen Abgasanlagen, die den LNT-Katalysator über den gesamten Zeitraum des Brennkraftmaschinenbetriebs für NO_x-Reduktion nutzen, nur eine kleine Menge des LNT-Katalysators 32, die zum Absorbieren von NO_x während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine oder unter Betriebsbedingungen niedriger Last ausreicht. Aufgrund der kleinen Menge des LNT-Katalysators 32 kann der LNT-Katalysator 32 in Form eines Bricks oder einer Washcoat-Schicht vorliegen, der bzw. die in dem DOC 30 angebracht ist. Daher vergrößert das Hinzufügen des LNT-Katalysators 32 nicht den Raum, der herkömmlicherweise für die Abgasanlage 28 erforderlich ist.
Mit der Aufnahme des LNT-Katalysators 32 stromaufwärts der SCR-Einrichtung 34 für NO_x-Absorption bei niedriger Temperatur benötigt die vorliegende Abgasanlage 28 zudem kein externes Heizmittel, das üblicherweise bei der herkömmlichen Abgasanlage 28 zum Verkürzen der Kaltstartphase erforderlich ist. Daher weist die Abgasanlage 28 der vorliegenden Offenbarung eine verbesserte Emissionsteuerungsleistung ohne Anheben des Kraftstoffverbrauchs auf. Da der LNT-Katalysator 32 bei niedrigen Temperaturen zeitweilig NO_x speichern kann und das gespeicherte NO_x bei hohen Temperaturen automatisch für den SCR-Prozess freisetzt, ist ferner eine üblicherweise in den herkömmlichen Abgasanlagen zum Regenerieren des LNT-Katalysators erforderliche Mager-Fett-Anpassung von Abgas nicht erforderlich.
Der Fachmann kann nun anhand der vorstehenden Beschreibung ermessen, dass die breite Lehre der Offenbarung in verschiedener Form umgesetzt werden kann. Während diese Offenbarung bestimmte Beispiele umfasst, sollte daher der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt werden, da für den Fachmann bei genauer Betrachtung der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche andere Abwandlungen nahe liegen können.

Claims

Abgasanlage umfassend: eine Einrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) zum Umwandeln von NO_x aus Abgas in Stickstoff und Wasser; und einen NO_x-Absorber, der NO_x des Abgases absorbiert und der das in dem NO_x-Absorber absorbierte NO_x in die SCR-Einrichtung freisetzt.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei der NO_x NO_x absorbiert und das in dem NO_x-Absorber absorbierte NO_x beruhend auf Temperatur des Abgases freisetzt.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei die SCR-Einrichtung das aus dem NO_x-Absorber freigesetzte NO_x beruhend auf Temperatur des Abgases umwandelt.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei der NO_x-Absorber bei einer ersten Temperatur NO_x absorbiert und bei einer zweiten Temperatur das absorbierte NO_x freisetzt, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei die SCR-Einrichtung stromabwärts des NO_x-Absorbers angeordnet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei der NO_x-Absorber einen Mager-NO_x-Fallen(LNT)-Katalysator umfasst.
Abgasanlage nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) stromaufwärts der SCR-Einrichtung.
Abgasanlage nach Anspruch 7, wobei der NO_x-Absorber benachbart zu einem Auslass des DOC angeordnet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 7, wobei der NO_x-Absorber eine an dem DOC angebrachte Washcoat-Schicht umfasst.
Abgasanlage nach Anspruch 9, wobei die Washcoat-Schicht durch eine Zonenbeschichtungstechnik an einem Auslass des DOC ausgebildet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 7, wobei der NO_x-Absorber einen an dem DOC angebrachten Brick umfasst.
Abgasanlage nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine stromabwärts des NO_x-Absorbers und stromaufwärts der SCR-Einrichtung angeordnete Dosieranlage zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in das Abgas.
Abgasanlage nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen stromabwärts der SCR-Einrichtung angeordneten Dieselpartikelfilter (DPF).
Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage umfassend: Absorbieren von NO_x aus Abgas in einen NO_x-Absorber; Freisetzen des in dem NO_x-Absorber absorbierten NO_x in eine SCR-Einrichtung; und Umwandeln des aus dem NO_x-Absorber freigesetzten NO_x in Stickstoff und Wasser.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Absorbieren von NO_x des Abgases, das Freisetzen des absorbierten NO_x und das Umwandeln des freigesetzten NO_x beruhend auf Temperatur des Abgases durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: Absorbieren von NO_x in dem NO_x-Absorber bei einer ersten Temperatur und Freisetzen des absorbierten NO_x bei einer zweiten Temperatur, wobei die zweite Temperatur höher als die erste Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der NO_x-Absorber einen Mager-NO_x-Fallen(LNT)-Katalysator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der NO_x-Absorber stromaufwärts der SCR-Einrichtung angeordnet ist.