DE102010021589A1 - Abgasnachbehandlungssystem - Google Patents
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Abstract
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem zur Reduzierung von Bestandteilen in dem Abgas eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Ein keramischer Monolith ist in dem Abgasbehandlungssystem angeordnet und besitzt sich hindurch erstreckende Abgasströmungsdurchgänge, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände dazwischen definiert sind. Eine erste Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas ist auf einen ersten Abschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen. Eine zweite Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden in dem Abgas ist seriell stromabwärts auf einen zweiten Abschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen. Die zweite katalytische Zusammensetzung ist derart konfiguriert, dass sie Ammoniak- und Kohlenwasserstoffschlupf an der ersten katalytischen Zusammensetzung vorbei reduziert.
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren.
- HINTERGRUND
- Dieselmotorabgas ist ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (”CO”), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (”KW”) und NOx wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Partikelmaterial bilden. Katalysatorzusammensetzungen und Substrate, auf denen die Katalysatoren angeordnet sind, können in einem Dieselmotorabgassystem vorgesehen sein, um bestimmte oder alle dieser Abgasbestandteile in nicht regulierte Komponenten umzuwandeln. Systeme zur Behandlung von Dieselabgasemission können einen oder mehrere aus einem edelmetallhaltigen Dieseloxidationskatalysator (”DOC”), einem Dieselpartikelfänger oder -filter (”DPF”) und einer Katalysatorvorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) für die Reduktion von NOx enthalten.
- Eine Abgasbehandlungstechnologie zur Verwendung für eine hohe Partikelmaterialreduktion ist der DPF. Es existieren verschiedene bekannte Filteraufbauten, die ihre Wirksamkeit bei der Entfernung des Partikelmaterials aus Dieselabgas gezeigt haben, wie keramische Waben-Wandstromfilter bzw. -”Wall-Flow”-Filter, gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. keramische Wandstromfilter haben bei Kraftfahrzeuganwendungen eine signifikante Akzeptanz erfahren. Der Filter ist ein physikalischer Aufbau zur Entfernung von Partikeln von Abgas, und somit besitzt das Sammeln von Partikeln die Wirkung, dass der Abgassystemgegendruck, dem der Motor ausgesetzt ist, zunimmt. Um Zunahmen des Gegendrucks zu berücksichtigen, die durch die Ansammlung von Abgaspartikeln bewirkt werden, wird der DPF periodisch gereinigt oder regeneriert. Eine Regeneration betrifft das Verbrennen gesammelter Partikel typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°C), was in einer Zunahme der Niveaus an NOx-Komponenten in dem Abgasstrom resultieren kann. Der DPF kann einen SCR-Katalysator aufweisen, der unterstützt durch stromaufwärts eingespritzten Ammoniak (NH3) in der Form von Gas, Flüssigkeit oder in einer Harnstofflösung enthalten, das NOx in Stickstoff (”N2”) umwandelt.
- Ein Verfahren zur Erzeugung der Temperaturen, die in dem Abgassystem zur Regeneration des DPF erforderlich sind, besteht darin, überschüssige KW an einen stromaufwärts des DPF angeordneten Oxidationskatalysator zu liefern. In dem Oxidationskatalysator werden KW oxidiert, was eine exotherme Reaktion zur Folge hat, die die Abgastemperatur auf Niveaus anhebt, die für die DPF-Regeneration erforderlich sind, wodurch das abgefangene Partikelmaterial verbrannt oder oxidiert und der Fänger gereinigt wird.
- Während des Regenerationsereignisses kann ein Teil der überschüssigen KW durch den Oxidationskatalysator an den DPF gelangen. Da KW einen regulierten Abgasbestandteil bilden, sollte eine Freisetzung an die Atmosphäre vermieden werden, um maßgebliche Regulierungen zu erfüllen. Ähnlicherweise sollte die Menge an Ammoniak, die in den Abgasstrom eingespritzt wird, darauf beschränkt werden, was für eine vollständige NOx-Umwandlung erforderlich ist. Jedoch können Umstände auftreten, bei denen ein Teil des Ammoniak durch die Aktivität des SCR-Katalysators nicht verbraucht wird und durch den DPF gelangt. Die Freisetzung von nicht umgewandelten Ammoniak ist unerwünscht.
- Demgemäß ist es erwünscht, eine Abgassystemkonfiguration bereitzustellen, die die Niveaus von nicht umgewandeltem KW, CO und NH3 in dem Abgasstrom, der aus dem Betrieb des DPF resultiert, reduziert.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem zur Reduzierung von Bestandteilen in dem Abgas eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Ein keramischer Monolith ist in dem Abgasbehandlungssystem angeordnet und besitzt sich durch diesen hindurch erstreckende Abgasströmungsdurchgänge, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände dazwischen definiert sind. Eine erste Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas ist auf einen ersten Abschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen. Eine zweite Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Ammoniak in dem Abgas ist seriell stromabwärts separat auf einen zweiten Abschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen. Die zweite katalytische Zusammensetzung ist derart konfiguriert, dass sie einen Schlupf von Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak an dem Abgasbehandlungssystem vorbei reduziert.
- Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgasbehandlungssystem zur Reduzierung von Bestandteilen in dem Abgas eines Verbrennungsmotors einen keramischen monolithischen Wandstromfilter, der in dem Abgasbehandlungssystem angeordnet ist und sich durch diesen hindurch erstreckende Abgasströmungsdurchgänge aufweist, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände dazwischen definiert sind. Ein erster Untersatz von Abgasströmungsdurchgängen besitzt offene Einlässe und geschlossene Auslässe, um Einlassdurchgänge zu definieren. Ein zweiter Untersatz von Abgasströmungsdurchgängen besitzt geschlossene Einlässe und offene Auslässe, um Auslassdurchgänge zu definieren. Abgas tritt in den keramischen monolithischen Wandstromfilter durch die Einlassdurchgänge ein und strömt durch diesen, während es durch die sich längs erstreckenden Wände gefiltert wird, um den Filter durch die Auslassdurchgänge zu verlassen. Eine erste Katalysatorzusammensetzung, die mit einem Ammoniak-Reduktionsmittel betreibbar ist, um Stickoxide in dem Abgas katalytisch zu reduzieren, ist auf einen ersten Abschnitt des keramischen monolithischen Wandstromfilters aufgetragen. Eine zweite Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak in dem Abgas ist seriell stromabwärts separat auf einen zweiten Abschnitt des keramischen monolithischen Wandstromfilters aufgetragen.
- Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgasbehandlungssystem zur Reduzierung von Bestandteilen in dem Abgas eines und Verbrennungsmotors einen Oxidationskatalysator und einen Partikelfilter stromabwärts des Oxidationskatalysators zur Entfernung von Partikeln von dem Abgas. Eine erste Katalysatorzusammensetzung, die dazu dient, Stickoxide in dem Abgas katalytisch zu reduzieren, ist auf einen ersten Abschnitt des Partikelfilters aufgetragen, und eine zweite Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak in dem Abgas ist seriell stromabwärts auf einen zweiten Abschnitt des Partikelfilters aufgetragen.
- Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotors ist; und -
2 eine axiale Schnittansicht ist, die schematisch einen Abschnitt eines keramischen Monolithen zeigt, der in dem Abgasbehandlungssystem von1 verkörpert ist. - BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Bezug nehmend auf
1 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung auf ein Abgasbehandlungssystem10 für die Reduzierung regulierter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors, wie eines Dieselmotors12 , gerichtet. Das Abgasbehandlungssystem10 enthält eine Abgasleitung14 , die Abgas von dem Dieselmotor12 an die verschiedenen Abgasbehandlungskomponenten des Abgasbehandlungssystems transportiert. Die Abgasbehandlungskomponenten können einen Dieseloxidationskatalysator (”DOC”)16 enthalten. Der DOC kann eine Strömung durch einen keramischen Monolithen (nicht gezeigt) aufweisen, der einen daran angeordneten Oxidationskatalysator besitzt. Der Oxidationskatalysator kann als ein Washcoat aufgetragen sein und kann Metalle der Edelmetallgruppe enthalten, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) und andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus. Der DOC16 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nichtflüchtiger KW und CO nützlich, die verbrannt werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. - Stromabwärts des DOC
16 kann ein Reduktionsmittel in das Abgas20 in der Abgasleitung14 eingespritzt werden. NH3 in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung kann als das Reduktionsmittel verwendet werden und kann mit Luft in der Düse (18 ) der Einspritzeinrichtung gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprühnebels zu unterstützen. Der Abgasstrom, der den hinzugesetzten NH3 enthält, gelangt durch eine SCR-Vorrichtung, in diesem Fall einen DPF mit einem daran aufgetragenen SCR-Katalysator. Der DPF/SCR22 ist derart konfiguriert, dass er das Abgas filtert, um Kohlenstoff und andere Partikel zu entfernen, und die NOx-Niveaus, die in dem Abgasstrom vorhanden sind, reduziert. Der DPF/SCR22 , der eben beschrieben wurde, wird typischerweise als eine 2-Wege-Vorrichtung infolge seiner Fähigkeit bezeichnet, mehr als eine einzelne Abgaskomponente zu behandeln oder zu entfernen. - Der DPF/SCR
22 kann mit einem keramischen monolithischen Wandstromfilter23 ,2 , aufgebaut sein, der eine Mehrzahl sich in Längsrichtung erstreckender Durchgänge24 besitzt, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände26 definiert sind. Die Durchgänge24 umfassen einen Untersatz von Einlassdurchgängen28 , die ein offenes Einlassende30 und ein geschlossenes Auslassende32 besitzen, und einen Untersatz von Auslassdurchgängen34 , die ein geschlossenes Einlassende36 und ein offenes Auslassende38 aufweisen. Abgas, das in den DPF/SCR22 durch das Einlassende30 der Einlassdurchgänge28 eintritt, wird zur Wanderung durch die zugeordneten, sich in Längsrichtung erstreckenden Wände26 zu den Auslassdurchgängen34 getrieben. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas20 von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel40 werden an den sich in Längsrichtung erstreckenden Wänden26 der Einlassdurchgänge28 abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, dem der Dieselmotor12 ausgesetzt ist. - Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems
10 enthält eine SCR-Katalysatorzusammensetzung42 bevorzugt einen Zeolith und eine oder mehrere Komponenten aus unedlem Metall, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), die effizient dazu dienen können, die NOx-Bestandteile in dem Abgas20 über den Betriebsbereich des DPF/SCR22 umzuwandeln. Die SCR-Katalysatorzusammensetzung42 kann auf die sich in Längsrichtung erstreckenden Wände26 der Einlassdurchgänge28 , der Auslassdurchgänge34 oder beide des keramischen monolithischen Wandstromfilters23 aufgetragen sein. Aufgrund der porösen Beschaffenheit des keramischen monolithischen Wandstromfilters23 kann der SCR-Katalysator auch in den Wänden des Substrates aufgetragen sein, um die Kontaktzeit zwischen dem Abgas20 und der SCR-Katalysatorzusammensetzung42 zu erhöhen. Der DPF/SCR22 arbeitet als ein effektives Partikelfilter- und SCR-System, das zur Beseitigung des NOx in dem Motorabgas nützlich ist, während gleichzeitig Partikelmaterial davon entfernt wird. - Um Abgasgegendruckprobleme zu berücksichtigen, die durch eine Partikelansammlung bewirkt werden, wird der DPF/SCR
22 periodisch gereinigt oder regeneriert. Die Regeneration betrifft eine Oxidation oder Verbrennung des angesammelten Partikelmaterials40 typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°C). Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden überschüssige KW an den DOC16 zur Oxidation darin geliefert. Die durch die Oxidation der KW bewirkte exotherme Reaktion erhöht die Temperatur des Abgases20 stromaufwärts des DPF/SCR22 auf erforderliche Regenerationsniveaus, wodurch das abgefangene Partikelmaterial verbrannt oder oxidiert wird und der Fänger gereinigt wird. - Im Betrieb des DPF/SCR
22 und insbesondere während des Regenerationsereignisses können ein Teil überschüssiger KW und CO durch den Oxidationskatalysator an den DPF/SCR22 gelangen. Da KW und CO regulierte Abgasbestandteile sind, sollte deren Freisetzung an die Atmosphäre minimiert werden, um maßgebliche Regulierungen zu erfüllen. Ähnlicherweise sollte die Menge an NH3, die in das Abgas20 eingespritzt wird, darauf beschränkt sein, was für eine vollständige NOx-Umwandlung erforderlich ist. Jedoch können Umstände auftreten, bei denen ein Teil des NH3 durch die Aktivität des SCR-Katalysators nicht umgewandelt wird und durch den DPF/SCR22 gelangt. Die Freisetzung von nicht umgewandeltem NH3 ist unerwünscht. - Der unbeabsichtigte Durchgang von KW, CO und/oder NH3 durch den DPF/SCR
22 wird als ein ”Schlupf” bezeichnet. Um den Schlupf von KW, CO und/oder NH3 durch den DPF/SCR22 zu reduzieren, wird ein zusätzlicher Katalysator44 , der Metalle der Edelmetallgruppe enthält, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder ein anderer geeigneter oxidierender Katalysator oder eine Kombination daraus, seriell stromabwärts der SCR-Katalysatorzusammensetzung42 ,2 , benachbart den offenen Auslassenden38 der Auslassdurchgänge34 des DPF/SCR22 aufgetragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform und zur Verbesserung der Durchflusscharakteristiken des DPF/SCR22 wird der zusätzliche Katalysator44 separat auf den DPF/SCR aufgetragen und nicht über die SCR-Katalysatorzusammensetzung42 geschichtet. Bei einem Eintritt oder ”Schlupf” von überschüssigen KW, überschüssigem CO und/oder NH3 in die durch den stromabwärtigen Katalysator44 definierte Zone werden diese in nicht regulierte und erwünschte Elemente oxidiert. Als ein Ergebnis wird der KW-, CO- und/oder NH3-Schlupf in dem den DPF/SCR22 verlassenden Abgas ohne zusätzliche Kosten oder Komplexität einer separaten alleinstehenden Katalysatorvorrichtung stromabwärts des DPF/SCR22 für eine KW-, CO- und NH3-Schlupfsteuerung behandelt. - Während die Erfindung unter Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Äquivalente gegen Elemente derselben ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen zur Anpassung einer bestimmten Situation oder eines bestimmten Materials an die Lehren der Erfindung ohne Abweichung von dem wesentlichen Schutzumfang derselben durchgeführt werden. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art offenbart sind, die zur Ausführung dieser Erfindung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen, umfasst.
Claims (10)
- Abgasbehandlungssystem zur Reduzierung von Bestandteilen in dem Abgas eines Verbrennungsmotors, umfassend: einen keramischen Monolithen, der in dem Abgasbehandlungssystem angeordnet ist und sich hindurch erstreckende Abgasströmungsdurchgänge besitzt, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände dazwischen definiert sind; eine erste Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem Abgas, die auf einen ersten Abschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen ist; und eine zweite Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak in dem Abgas, die seriell stromabwärts separat auf einen zweiten Abschnitt der Abgasströmungsdurchgänge aufgetragen ist.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der keramische Monolith ein monolithischer Wandstromfilter ist, umfassend: sich in Längsrichtung erstreckende Durchgänge, die einen ersten Untersatz von Einlassdurchgängen mit einem offenen Einlassende und einem geschlossenen Auslassende und einen zweiten Untersatz von Auslassdurchgängen mit einem geschlossenen Einlassende und einem offenen Auslassende aufweisen, wobei das Abgas in den monolithischen Wandstromfilter durch das Einlassende der Durchgänge eintritt und durch die sich in Längsrichtung erstreckenden Wände zu den Auslassdurchgängen strömt, um Partikel von dem Abgas zu entfernen.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Katalysatorzusammensetzung einen Reduktionskatalysator umfasst, der Zeolith und eine oder mehrere Komponenten aus unedlem Metall enthält, und die zweite Katalysatorzusammensetzung einen Oxidationskatalysator umfasst, der ein oder mehrere Metalle der Edelmetallgruppe enthält.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 3, wobei die unedlen Metalle des Reduktionskatalysators Eisen, Kobalt, Kupfer, Vanadium und Kombinationen daraus umfassen.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 3, wobei die Metalle der Edelmetallgruppe des Oxidationskatalysators Platin, Palladium, Rhodium oder Kombinationen daraus umfassen.
- Abgasbehandlungssystem zur Reduzierung von Bestandteilen in dem Abgas eines Verbrennungsmotors, umfassend: einen keramischen monolithischen Wandstromfilter, der in dem Abgasbehandlungssystem angeordnet ist; Abgasströmungsdurchgänge, die sich durch den keramischen monolithischen Wandstromfilter erstrecken und durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände dazwischen definiert sind; einen ersten Untersatz von Abgasströmungsdurchgängen mit einem offenen Einlassende und einem geschlossenen Auslassende, die Einlassdurchgänge definieren; einen zweiten Untersatz von Abgasströmungsdurchgängen mit einem geschlossenen Einlassende und einem offenen Auslassende, die Auslassdurchgänge definieren, wobei das Abgas in den keramischen monolithischen Wandstromfilter durch die Einlassdurchgänge eintritt und durch die sich in Längsrichtung erstreckende Wände wandert und dadurch gefiltert wird, um den keramischen monolithischen Wandstromfilter durch die Auslassdurchgänge zu verlassen; eine erste Katalysatorzusammensetzung, die mit einem Ammoniak Reduktionsmittel betreibbar ist, um Stickoxide in dem Abgas katalytisch zu reduzieren, und die auf einen ersten Abschnitt des keramischen monolithischen Wandstromfilters aufgetragen ist; und eine zweite Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak in dem Abgas, die seriell stromabwärts separat auf einen zweiten Abschnitt des keramischen monolithischen Wandstromfilters aufgetragen ist.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 6, wobei die erste Katalysatorzusammensetzung einen Reduktionskatalysator umfasst, der Zeolith und eine oder mehrere Komponenten aus unedlem Metall enthält, und die zweite Katalysatorzusammensetzung einen Oxidationskatalysator umfasst, der ein oder mehrere Metalle der Edelmetallgruppe enthält.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei das unedle Metall des Reduktionskatalysators Eisen, Kobalt, Kupfer oder Vanadium oder Kombinationen daraus umfasst.
- Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei das Metall der Edelmetallgruppe des Oxidationskatalysators Platin, Palladium, Rhodium oder Kombinationen daraus umfasst.
- Abgasbehandlungssystem zur Reduzierung von Bestandteilen in dem Abgas eines Verbrennungsmotors, umfassend: einen Oxidationskatalysator, der in dem Abgasbehandlungssystem angeordnet ist; einen Partikelfilter stromabwärts des Oxidationskatalysators, um Partikel von dem Abgas zu entfernen; eine erste Katalysatorzusammensetzung, die dazu dient, Stickoxide in dem Abgas katalytisch zu reduzieren, und die auf einen ersten Abschnitt des Partikelfilters aufgetragen ist; und eine zweite Katalysatorzusammensetzung zur katalytischen Oxidation von Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak in dem Abgas, die seriell stromabwärts auf einen zweiten Abschnitt des Partikelfilters aufgetragen ist.
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