DE102009051875A1

DE102009051875A1 - Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102009051875A1
Application number: DE102009051875A
Authority: DE
Inventors: David B. Brighton Brown; Jong H. Rochester Hills Lee; Shuguang Troy Lu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2010-08-05
Also published as: CN101732991A; US20100115930A1

Abstract

Es ist ein System zur selektiven katalytischen Reduktion zum Reduzieren von Stickoxiden in der Abgasströmung eines Verbrennungsmotors offenbart. Das System besitzt einen in der Abgasströmung angeordneten keramischen Monolithen und umfasst hindurch verlaufende Abgasströmungsdurchgänge. Eine Hochtemperatur-Katalysatorzusammensetzung für selektive katalytische Reduktion ist auf einen Einlassabschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen, und eine Niedertemperatur-Katalysatorzusammensetzung zur selektiven katalytischen Reduktion ist auf einen Auslassabschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen. Die Hoch- und die Niedertemperatur-Katalysatoren zur katalytischen Reduktion dienen dazu, Stickoxide bei einem Hochlast- und Niederlastbetrieb des Verbrennungsmotors zu reduzieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Emissionsbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren können einen Oxidationskatalysator stromaufwärts eines Systems für selektive katalytische Reduktion aufweisen, der zur Beseitigung der Stickoxide (NO_x) in dem Abgasstrom verwendbar ist. Bei Dieselmotoren kann auch ein Rußfilter, der üblicherweise als eine Dieselpartikelabfangeinrichtung bezeichnet ist, in dem System zur Entfernung von Partikeln aus dem Abgas enthalten sein.
Dieselmotorabgas stellt ein heterogenes Gemisch dar, das nicht nur gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (”CO”), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (”HC”) und Stickoxide (”NO_x”) enthält, sondern auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe), die den Ruß bilden. Katalysatorzusammensetzungen und Substrate, auf denen die Katalysatoren angeordnet sind, können in Dieselmotorabgassystemen vorgesehen sein, um gewisse oder alle von diesen Abgasbestandteilen in nicht gesetzlich geregelte Komponenten umzuwandeln. Beispielsweise können die Dieselabgassysteme eines oder mehrere aus einem Dieseloxidationskatalysator, einem Dieselpartikelfilter sowie einem Katalysator für die Reduktion von NO_x enthalten.
Eine Nachbehandlungstechnologie zur Verwendung für eine hohe Rußreduzierung ist der Dieselpartikelfilter (”DPF”). Es existieren verschiedene bekannte Filterstrukturen, die bei der Entfernung des Rußes von dem Dieselabgas wirksam sind, wie Wabenwandströmungsfilter, Filter mit gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Die Keramikwandströmungsfilter haben bei Kraftfahrzeuganwendungen eine signifikante Akzeptanz erfahren. Der Filter ist ein physikalischer Aufbau zur Entfernung von Partikeln von Abgas, und somit besitzt ein Ansammeln von Partikeln die Wirkung der Erhöhung des Gegendrucks auf den Motor. Um Gegendruckerhöhungen zu berücksichtigen, die durch die Partikelansammlung bewirkt werden, wird der DPF periodisch regeneriert. Die Regeneration betrifft das Verbrennen von angesammelten Partikeln typischerweise in einer sauerstoffreichen (mageren) Umgebung mit hoher Temperatur (> 600°C), was in einer Zunahme der Niveaus an NO_x-Komponenten in dem Abgasstrom resultieren kann. Ähnlicherweise kann in Benzinmotoren, die Magerverbrennungstechnologien für einen verbesserten Kraftstoffwirkungsgrad verwenden, eine ähnliche sauerstoffreiche Umgebung ebenfalls in einer Zunahme der Niveaus an NO_x-Komponenten in dem Abgas resultieren.
Eine NO_x-Verringerungstechnologie, die für Kraftfahrzeuganwendungen entwickelt wurde, ist die selektive katalytische Reduktion (”SCR”), bei der NO_x mit Ammoniak (”NH₃”) in Stickstoff (”N₂”) über einem Katalysator reduziert wird, der typischerweise aus unedlen Metallen besteht. Bei Kraftfahrzeuganwendungen wird Harnstoff (typischerweise in wässriger Lösung vorhanden) als die Quelle des Ammoniaks verwendet. Die SCR stellt eine effiziente Umwandlung von NO_x dar, solange die Abgastemperatur innerhalb des aktiven Temperaturbereichs des Katalysators liegt. Ein Problem mit bekannten SCR-Katalysatoren ist, dass hohe Abgastemperaturen, wie sie während des DPF-Regenerationsereignisses in einem Dieselsystem oder einem Hochlastbetrieb in einem Benzinmotor auftreten, viele SCR-Katalysatorzusammensetzungen katalytisch weniger effektiv machen können, während kältere Niederlasttemperaturen von Motorabgas einen ähnlichen Effekt auf andere Katalysatorzusammensetzungen besitzen können.
Diskrete Substrate, die jeweils Katalysatoren enthalten, um spezifische Komponenten des Abgases zu berücksichtigen, sind verfügbar. Jedoch ist es erwünscht, die Gesamtgröße, die Komplexität wie auch die Kosten vollständiger Systeme zu reduzieren. Eine Vorgehensweise, um dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, den DPF mit einer Katalysatorzusammensetzung zu beschichten, die für die Umwandlung der NO_x-Komponente des Abgasstroms effektiv ist und die zu einer effizienten Umwandlung bei hohen und bei geringen Temperaturen über den gesamten Betriebsbereich des DPF in der Lage ist.
KURZE BESCHREIBUGN DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein System für selektive katalytische Reduktion zur Reduzierung von Stickoxiden (”NO_x”) in dem Abgas eines Verbrennungsmotors einen keramischen Monolithen, der in dem Abgas angeordnet ist und in Längsrichtung verlaufende Abgasströmungsdurchgänge besitzt. Eine Hochtemperatur-Katalysatorzusammensetzung, die für eine katalytische Reduktion bei hoher Temperatur gewählt ist, ist auf einen Einlassabschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen, und eine Niedertemperatur-Katalysatorzusammensetzung, die für eine katalytische Reduktion bei niedriger Temperatur gewählt ist, ist auf einen Auslassabschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen. Die Hochtemperatur- und die Niedertemperatur-Katalysatoren zur katalytischen Reduktion dienen dazu, Stickoxide bei Hochlast- und Niederlastbetrieb des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen offensichtlich. Die Zeichnungen, die die detaillierte Beschreibung begleiten, sind nachfolgend beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
2 ist eine axiale Schnittansicht, die schematisch einen Keramikwandströmungsmonolithen zeigt;
3 ist eine Kurve des Wirkungsgrads der NO_x-Reduktion für das Abgasbehandlungssystem von 1;
4 ist eine NH₃-Oxidationskurve für das Abgasbehandlungssystem von 1;
5 ist eine Ausführungsform einer Katalysatorbeladungskurve für das Abgasbehandlungssystem von 1; und
6 ist eine weitere Ausführungsform einer Katalysatorbeladungskurve für das Abgasbehandlungssystem von 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung auf ein Abgasbehandlungssystem 10 für die Reduzierung gesetzlich geregelter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors, wie eines Dieselmotors 12, gerichtet. Das Behandlungssystem 10 umfasst eine Abgasleitung 14, die das Abgas von dem Dieselmotor 12 an die verschiedenen Abgasbehandlungskomponenten des Abgasbehandlungssystems transportiert. Die Abgaskomponenten können einen Oxidationskatalysator 16 enthalten, der bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nichtflüchtiger Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid nützlich ist, die verbrannt werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
Stromabwärts des Oxidationskatalysators kann ein Reduktionsmittel als ein Sprühnebel über eine Injektordüse 18 in die Abgasströmung 20 in der Abgasleitung 14 injiziert werden. Es kann wässriger Harnstoff als der Ammoniakvorläufer verwendet werden, der mit Luft in der Injektordüse 18 gemischt werden kann, um eine Dispersion des injizierten Sprühnebels zu unterstützen. Der den zugesetzten Ammoniak enthaltende Abgasstrom wird an eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (”SCR”) gefördert; in diesem Fall den Dieselpartikelfilter (”DPF”) 22. Der DPF dient dazu, das Abgas zu filtern, um Kohlenstoff und andere Partikel zu entfernen, und um die Stickoxide (”NO_x”), die in dem Abgasstrom vorhanden sind, durch die Verwendung mehrerer SCR-Katalysatoren zu reduzieren.
Der DPF 22 kann mit einem Keramikwandströmungsmonolithen 23, 2, aufgebaut sein, der eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Durchgangen 24 besitzt, die durch in Längsrichtung verlaufende Wände 26 geformt sind. Die Durchgänge 24 umfassen Einlassdurchgänge 28, die ein offenes Einlassende 30 und ein geschlossenes Auslassende 32 besitzen, und Auslassdurchgänge 4, die ein geschlossenes Einlassende 36 und ein offenes Auslassende 38 besitzen. Abgas, das in den DPF durch das Einlassende 30 der Einlassdurchgänge 28 eintritt, wird zur Wanderung durch die in Längsrichtung verlaufenden Wände 26 zu den Auslassdurchgängen 34 getrieben. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel 40 werden an den Wänden 26 der Einlassdurchgänge 28 gesammelt. Die sich ansammelnden Partikel besitzen die Wirkung einer Erhöhung des Gegendrucks auf den Dieselmotor 12. Um Gegendruckerhöhungen zu berücksichtigen, die durch die Partikelansammlung bewirkt werden, wird der DPF periodisch regeneriert. Die Regeneration betrifft ein Verbrennen der angesammelten Partikel 40 typischerweise in einer sauerstoffreichen (mageren) Umgebung mit einer hohen Temperatur (> 600°C), die in einer Zunahme der Niveaus der NO_x-Komponente in dem Abgasstrom resultieren kann.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Emissionsbehandlungssystems 10 enthält eine erste SCR-Katalysatorzusammensetzung 42 bevorzugt einen Zeolith wie auch eine unedle Metallkomponente, wie Eisen (”Fe”), die effizient dazu dienen kann, NO_x-Bestandteile in der Abgasströmung 20 bei hohen Temperaturen umzuwandeln, die während der Regeneration in dem DPF 22 auftreten (d. h. > 600°C). Andere geeignete Hochtemperaturmetalle können Kobalt (”Co”) aufweisen. Die Hochtemperatur-SCR-Katalysatorzusammensetzung 42 wird auf die Wände der Einlassdurchgänge 28 des Keramikwandströmungsmonolithen 23 aufgetragen. Eine zweite SCR-Katalysatorzusammensetzung 44, die ebenfalls bevorzugt einen Zeolith wie auch eine unedle Metallkomponente enthält, wie Kupfer (”Cu”), die effizient dazu dienen kann, NO_x-Bestandteile in der Abgasströmung 20 bei geringen Temperaturen, die in dem DPF 22 während eines Niederlastbetriebs auftreten (d. h. < 600°C), umzuwandeln, wird gleichermaßen auf die Wände der Auslassdurchgänge 34 des Keramikwandströmungsmonolithen 23 aufgetragen. Andere geeignete Niedertemperaturmetalle können Vanadium (”V”) und dergleichen aufweisen. Die 3 und 4 zeigen die Leistungsfähigkeit der beiden SCR-Katalysatorzusammensetzungen 42 und 44 über den Betriebstemperaturbereich des DPF 22. Der NO_x-Reduktionswirkungsgrad der Hochtemperatur-SCR-Katalysatorzusammensetzung 42 erweitert den Umwandlungsbereich der Vorrichtung in den Temperaturbereich, der während des Hochlastbetriebs und der Regeneration des DPF auftritt. Der NO_x-Reduktionswirkungsgrad der Niedertemperatur-SCR-Katalysatorzusammensetzung 44 erweitert den Umwandlungsbereich der Vorrichtung in den Temperaturbereich, der während einer Niederlast oder einem Startvorgang des Motors auftritt. Zusätzlich, und wie in 4 gezeigt ist, nimmt während eines Niedertemperaturbetriebs die Niedertemperatur-SCR-Katalysatorzusammensetzung 44 NH₃ auf, das sich an der Hochtemperatur-SCR-Katalysatorzusammensetzung 42 vorbei bewegt. Die Niedertemperatur-SCR-Katalysatorzusammensetzung 44 verwendet das NH₃, um eine effektive NO_x-Reduktion sicherzustellen. Somit ermöglicht die zweifache SCR-Katalysatorkombination, dass der DPF als ein effektives SCR-System arbeitet, das zur Beseitigung des NO_x in dem Motorabgasstrom bei Hochlastbetrieb oder bei DPF-Regenerationszyklen wie auch während eines Geringlastbetriebs bei niedriger Temperatur nützlich ist.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform, die durch die Katalysatorbeladungsdiagramme der 5 und 6 gezeigt ist, kann eine Aufbringung oder Beladung der Hochtemperatur- und der Niedertemperatur-SCR-Katalysatoren 42, 44 entlang der axialen Länge des Filters variiert werden, was in einer relativ gleichförmigen Gesamtkatalysatorbeladung 46 entlang der Länge des keramischen Monolithen 23 resultiert. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform variiert die Konzentration jedes Katalysators in einer axialen Richtung, um so allmählich zu- oder abzunehmen, wie es der Fall sein kann. Das Ergebnis ist eine gleichförmige Gesamtbeladung jeweiliger Katalysatoren 42, 44. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die Katalysatorbeladung in der Axialrichtung konstant, jedoch besetzt jeder Katalysator hauptsächlich einen bestimmten axialen Abschnitt des Monolithen 23, was wiederum in einer gleichförmigen Gesamtbeladung der jeweiligen Katalysatoren 42, 44 resultiert.
Während die Erfindung hinsichtlich der Anwendung auf einen Keramikwandströmungsmonolithen für die Zwecke der Kombination der DPF- und der SCR-Katalysatorvorrichtungen beschrieben worden ist, wodurch eine separate Vorrichtung von dem Abgassystem beseitigt wird, ist es beabsichtigt, dass in einigen Fällen separate Vorrichtungen durch die Anwendung bestimmt sein können. Wie es vorher angegeben wurde, kann in Benzinmotoren, die Magerverbrennungstechnologien für einen verbesserten Kraftstoffwirkungsgrad verwenden, eine ähnliche sauerstoffreiche Umgebung auch eine Zunahme der Niveaus von NO_x-Komponenten in dem Abgas bewirken. Während ein DPF bei Benzinmotoren typischerweise nicht erforderlich ist, kann die Behandlung der Abgasströmung von einem Mager-Benzinmotor gut Nutzen aus einer Hochtemperatur-Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Reduktion, die auf einen Einlassabschnitt der Austragsströmungsdurchgänge eines Durchfluss-(d. h. Nicht-Wandströmungs-)Monolithen aufgetragen ist, und einer Niedertemperatur-Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Reduktion ziehen, die auf einen Auslassabschnitt der Austragsströmungsdurchgänge aufgetragen ist. Somit ist beabsichtigt, dass die Erfindung auch Anwendung auf Keramikmonolithvorrichtungen mit gerader Strömung besitzt, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was derzeit als die praktischste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, sei zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu be stimmt ist, verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb des Erfindungsgedankens und des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

System zur selektiven katalytischen Reduktion zum Reduzieren von Stickoxiden (”NO_x”) in dem Abgas eines Verbrennungsmotors, umfassend: einen keramischen Monolith, der in dem Abgas angeordnet ist und hindurch verlaufende Abgasströmungsdurchgänge besitzt, die durch längs verlaufende Wände dazwischen definiert sind; eine Hochtemperatur-Katalysatorzusammensetzung für eine katalytische Reduktion bei hoher Temperatur, die auf einen Einlassabschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen ist; eine Niedertemperatur-Katalysatorzusammensetzung für eine katalytische Reduktion bei niedriger Temperatur, die auf einen Auslassabschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen ist; und wobei die Hochtemperatur- und die Niedertemperatur-Katalysatoren für katalytische Reduktion dazu dienen, Stickoxide bei einem Hochlast- und Niederlastbetrieb des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
System für selektive katalytische Reduktion nach Anspruch 1, wobei der keramische Monolith ein Wandströmungskeramikmonolith ist, wobei die längs verlaufenden Durchgänge Einlassdurchgänge, die ein offenes Einlassende und ein geschlossenes Auslassende besitzen, und Auslassdurchgänge aufweisen, die ein geschlossenes Einlassende und ein offenes Auslassende besitzen, wobei das Abgas in den Wandströmungsmonolithen durch das Einlassende der Durch gänge eintritt und durch die längs verlaufenden Wände zu den Auslassdurchgängen wandert.
System für selektive katalytische Reduktion nach Anspruch 2, wobei die Hochtemperatur-Katalysatorzusammensetzung für die katalytische Reduktion bei hoher Temperatur auf die längs verlaufenden Wände der Einlassdurchgänge aufgetragen ist und die Niedertemperatur-Katalysatorzusammensetzung für katalytische Reduktion bei niedriger Temperatur auf die längs verlaufenden Wände der Auslassdurchgänge aufgetragen ist.
System zur selektiven katalytischen Reduktion zur Reduzierung von Stickoxiden (”NO_x”) in der Abgasströmung eines Verbrennungsmotors, umfassend: einen Keramikwandströmungsmonolithen, der in der Abgasströmung angeordnet ist; Abgasströmungsdurchgänge, die durch den Keramikwandströmungsmonolithen verlaufen und durch in Längsrichtung verlaufende Wände dazwischen definiert sind; wobei die Abgasströmungsdurchgänge Einlassdurchgänge, die ein offenes Einlassende und ein geschlossenes Auslassende besitzen, und Auslassdurchgänge aufweisen, die ein geschlossenes Einlassende und ein offenes Auslassende besitzen; wobei das Abgas in den Keramikwandströmungsmonolithen durch das Einlassende der Durchgangseinlassdurchgänge eintritt und durch die längs verlaufenden Wände zu den Auslassdurchgängen wandert; eine Hochtemperatur-Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Reduktion bei hoher Temperatur, die auf einen Einlassabschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen ist; eine Niedertemperatur-Katalysatorzusammensetzung für eine katalytische Reduktion bei niedriger Temperatur, die auf einen Auslassabschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen ist; und wobei die Hochtemperatur- und die Niedertemperatur-Katalysatoren zur katalytischen Reduktion dazu dienen, Stickoxide bei einem Hochlast- und Niederlastbetrieb des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
System zur selektiven katalytischen Reduktion nach einem der Ansprüche 1 oder 4, wobei der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist.
System zur selektiven katalytischen Reduktion nach einem der Ansprüche 1 oder 4, wobei der Verbrennungsmotor ein Benzinmotor ist.
System zur selektiven katalytischen Reduktion nach Anspruch 4, wobei die Katalysatorzusammensetzung für eine katalytische Reduktion bei hoher Temperatur auf die längs verlaufenden Wände der Einlassdurchgänge aufgetragen ist und die Katalysatorzusammensetzung für die katalytische Reduktion bei niedriger Temperatur auf die längs verlaufenden Wände der Auslassdurchgänge aufgetragen ist.
System zur selektiven katalytischen Reduktion nach einem der Ansprüche 1 oder 4, wobei die Hochtemperatur-Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Reduktion bei hoher Temperatur einen Zeolith und eine erste unedle Metallkomponente umfasst und die Niedertemperatur-Katalysatorzusammensetzung zur katalyti schen Reduktion bei niedriger Temperatur einen Zeolith und eine zweite unedle Metallkomponente umfasst.
System zur selektiven katalytischen Reduktion nach einem der Ansprüche 1 oder 4, wobei die erste unedle Metallkomponente Eisen umfasst, und/oder wobei die zweite unedle Metallkomponente Kupfer umfasst.
System zur selektiven katalytischen Reduktion nach einem der Ansprüche 1 oder 4, wobei die Beladung der Zusammensetzungen entlang der axialen Länge des Keramikmonolithen variiert ist, was in einer relativ gleichförmigen Katalysatorbeladung entlang der Länge des Monolithen resultiert.