DE102010023819B4 - Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor Verfahren zu dessen Verwendung und Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem - Google Patents

Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor Verfahren zu dessen Verwendung und Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem

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Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Dieselmotor (2), umfassend: einen HC-SCR-Katalysator (16) für kohlenwasserstoffselektive katalytische Reduktion, der zur Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor (2) zur Aufnahme einer Abgasströmung (8) davon konfiguriert ist, einen Zwei-Wege-Katalysator (18) in Fluidkommunikation mit dem HC-SCR-Katalysator (16) zur Aufnahme der Abgasströmung (8) davon, wobei der Zwei-Wege-Katalysator (18) einen Zwei-Wege-Katalysator (40) für harnstoffselektive katalytische Reduktion und einen Dieselpartikelfilter (38, DPF) umfasst, einer ersten Injektionsvorrichtung (24), die derart konfiguriert ist, dass sie ein Kohlenwasserstoff-, CO-, oder H2-Material oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) zwischen dem HC-SCR-Katalysator (16) und dem Motor (2) injiziert, einer zweiten Injektionsvorrichtung (28), die derart konfiguriert ist, dass sie Harnstoff oder Ammoniak oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) zwischen dem HC-SCR-Katalysator (16) und dem Zwei-Wege-Katalysator (18) injiziert, und einen Controller (6), der zur Steuerung des Betriebs des Motors (2) und der periodischen und selektiven Injektion des Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Materials oder einer Kombination daraus und der periodischen und selektiven Injektion des Harnstoffs oder Ammoniaks oder einer Kombination daraus und zur Bestimmung einer Menge an NOX in der Abgasströmung (8) konfiguriert ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Abgasbehandlungssysteme und im Spezielleren auf ein Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor, auf ein Verfahren zur Verwendung desselben sowie auf ein Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem.
  • HINTERGRUND
  • Hersteller von Verbrennungsmotoren entwickeln Motorbetriebssteuerstrategien, um Kundenbedürfnissen gerecht zu werden und verschiedenen gesetzlichen Regelungen zur Emissionsbegrenzung und Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu entsprechen. Eine solche Motorbetriebssteuerstrategie umfasst das Betreiben eines Motors bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das überstöchiometrisch ist, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Solch ein Betrieb ist bei Verwendung von sowohl kompressions- bzw. selbstzündenden (Diesel) als auch funken- bzw. fremdgezündeten Motoren möglich. Wenn ein Motor mit einem mageren (Sauerstoffüberschuss) Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet, bringen die resultierende Verbrennungstemperatur und der Sauerstoffüberschuss höhere Motoraustritts-NOx mit sich; allerdings ist die wirtschaftliche Anwendung von mager arbeitenden Motoren wegen des Fehlens wirksamer Verfahren zum Entfernen der NOx aus der Abgasströmung unter einer mageren Abgasbedingung begrenzt. Deshalb ist die effiziente Reduktion von Stickoxiden (NOx = NO + NO2) aus dem Abgas aus einem Magerverbrennungs-Diesel- und Benzinmotor von Bedeutung, um zukünftigen Emissionsstandards gerecht zu werden und die Fahrzeug-Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern.
  • Die Reduktion von NOx-Emissionen aus einem Abgaszustrom, der einen Sauerstoffüberschuss enthält, stellt eine Herausforderung für Fahrzeughersteller dar. Man schätzt beispielsweise, dass die Konformität mit den Bin 5 Regulations in den Vereinigten Staaten ein Nachbehandlungssystem erfordern kann, dass zu einem NOx-Umwandlungswirkungsgrad von 70–90% bei dem FTP(Federal Test Procedure)-Zyklus auf der Basis von derzeit zu erwartenden Motoraustritts-NOx-Konzentrationen in der Lage ist. Zur praktischen Anwendung muss der Umwandlungswirkungsgrad über einen Bereich von relativ niedrigen Betriebstemperaturen (z. B. 200–350°C), die in dem zuvor erwähnten FTP-Zyklus auftreten, und in einem Bereich von relativ höheren Betriebstemperaturen (z. B. 450–500°C), die während eines Hochdrehzahltestzyklus (z. B. US06 federal test procedure) auftreten, erhalten werden.
  • Es wurden verschiedene Abgasbehandlungssysteme für Fahrzeuganwendungen unter diesen Magerverbrennungs-Betriebsbedingungen vorgeschlagen. Ein Ansatz kombiniert einen NOx-Speicher-Reduktionskatalysator in Reihe mit einem stromabwärtigen Dieselpartikel-NOx-Reduktionssystem und einem weiter stromabwärtigen Dieseloxidationskatalysator. Für solche Systeme wurde von einer angestrebten Leistung von 75–85% NOx-Reduktion berichtet. Solche Systeme erfordern jedoch eine periodische Katalysatorregeneration, die eine Kraftstoffinjektion zur Erzeugung hoher Abgastemperaturen und die Injektion von Reduktionsmitteln zum Regenerieren des Speichermaterials des Katalysators mit sich bringt. Während der Perioden einer Katalysatorregeneration wird die Aufrechterhaltung der angestrebten NOx-Reduktionsniveaus während eines Betriebes des Fahrzeuges problematisch, da die Komponenten, die regeneriert werden, ein stark reduziertes NOx-Umwandlungsvermögen aufweisen werden.
  • Demgemäß bleibt ein Bedarf an effektiven Abgasbehandlungssystemen und Verfahren zur Verwendung derselben, um NOx in Abgasströmungen von Verbrennungsmotoren mit Magerverbrennung, insbesondere solchen, die in verschiedenen Fahrzeuganwendungen verwendet werden, selektiv zu reduzieren.
  • Das Dokument US 2007/0012032 A1 offenbart ein Hybridsystem zur Abgasemissionsverminderung mit einem ersten spezifischen Reduktionskatalysator für Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid oder Wasserstoff, einem NOx-Adsorptionskatalysator und einem ammoniakspezifischen Reduktionskatalysator, bei welchem optional über eine Steuerung gesteuert Kraftstoff in den Abgasstrom eingespritzt werden kann.
  • Die US 2006/0179825 A1 offenbart ein integrierte NOx- und Partikelreduktionseinrichtungen zur Behandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren, bei welchen in den Abgasstrom gesteuert über eine Ammoniakquelle Ammoniak zur Unterstützung einer NOx-Reduktionsreaktion in einem spezifischen Reduktionskatalysator in den Abgasstrom eingebracht werden kann.
  • Aus der US 2008/0041045 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Unterstützen einer selektiven katalytischen Reduktion bekannt, bei welchen in einen initialen Abgasstrom ein Reduktionsagens zur Unterstützung der katalytischen Reduktion in einer nachgeschalteten Katalysatorkammer in den Abgasstrom eingebracht werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Abgasbehandlungssystem, ein Verfahren zur Verwendung eines Abgasbehandlungssystems sowie ein Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem zu schaffen, bei welchen die im Abgas enthaltenen Anteile an Kohlenwasserstoff-, CO- und H2-Materialien sowie die NOx-Anteile besonders wirkungsvoll reduziert werden können.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Abgasbehandlungssystem erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einem Verfahren zur Verwendung eines Abgasbehandlungssystems erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 3 sowie bei einem Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor vorgesehen. Das Abgasbehandlungssystem umfasst einen Katalysator für Kohlenwasserstoff-selektive katalytische Reduktion (HC-SCR) in Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor zur Aufnahme einer Abgasströmung davon. Das System umfasst auch einen Zwei-Wege-Katalysator in Fluidkommunikation mit dem HC-SCR zur Aufnahme der Abgasströmung davon, wobei der Zwei-Wege-Katalysator einen Katalysator für harnstoffselektive katalytische Reduktion und einen Dieselpartikelfilter (DPF) umfasst.
  • Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung eines Abgasbehandlungssystems, das einen HC-SCR-Katalysator in Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor zur Aufnahme einer Abgasströmung davon; einen Zwei-Wege-Katalysator in Fluidkommunikation mit dem HC-SCR zur Aufnahme der Abgasströmung davon; eine erste Injektionsvorrichtung, die ausgebildet ist, um periodisch und selektiv ein Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Material oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung zwischen dem HC-SCR und dem Motor zu injizieren; eine zweite Injektionsvorrichtung, die ausgebildet ist, um periodisch und selektiv Harnstoff oder Ammoniak oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung zwischen dem HC-SCR und dem Zwei-Wege-Katalysator zu injizieren; und einen Controller, der ausgebildet ist, um den Betrieb des Motors und die periodische und selektive Injektion des Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Materials oder einer Kombination daraus und die periodische und selektive Injektion des Harnstoffs oder Ammoniaks oder einer Kombination daraus zu steuern und die Menge an NOx in der Abgasströmung zu bestimmen, umfasst; vorgesehen: Das Verfahren umfasst, dass der Motor betrieben wird, um die Abgasströmung zu erzeugen. Das Verfahren umfasst auch, dass periodisch und selektiv mithilfe des Controllers zumindest eines von dem Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Material oder einer Kombination daraus, oder dem Harnstoff oder Ammoniak oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung injiziert wird, wobei die Abgasströmung aus dem Motor einen ersten Volumenanteil an NOx (NOx1) aufweist, und die aus dem Zwei-Wege-Katalysator austretende Abgasströmung einen vorbestimmten zweiten Volumenanteil von NOx (NOx2) umfasst.
  • In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ein Dieselmotor und ein Abgasbehandlungssystem vorgesehen. Das Motor- und Abgasbehandlungssystem umfasst einen Dieselmotor, einen HC-SCR-Katalysator in Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor zur Aufnahme einer Abgasströmung davon; und einen Zwei-Wege-Katalysator in Fluidkommunikation mit dem HC-SCR zur Aufnahme der Abgasströmung davon, wobei der Zwei-Wege-Katalysator einen (Zwei-Wege-)Katalysator für Harnstoff-selektive katalytische Reduktion und einen Dieselpartikelfilter (DPF) aufweist.
  • 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 offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in denen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist;
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist;
  • 3 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist;
  • 4 eine schematische Darstellung einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist;
  • 5 eine schematische Darstellung einer fünften beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist;
  • 6 eine schematische Darstellung einer sechsten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist; und
  • 7 eine schematische Darstellung einer siebten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind verbesserte Abgasbehandlungssysteme und -verfahren zur Behandlung von Abgasemissionen aus Dieselmotoren vorgesehen. Die vorliegende Erfindung bietet das Potential reduzierter und gesteuerter Abgasemissionen, die Emissionen von NOx, CO, HC und Dieselpartikel (PM) umfassen, während sie das Gesamtpackaging für das Abgasbehandlungssystem verbessert. Die vorliegende Erfindung bietet auch das Potential verbesserter Emissionsbegrenzungsstrategien und -verfahren und umfasst z. B. Strategien und Verfahren, die den Verbrauch von Kohlenwasserstoff (z. B. Kraftstoff) oder Harnstoff, der benötigt wird, um reduzierte Abgasemissionen zu erzielen, minimieren, oder die die Notwendigkeit der Regeneration, um angesammelte Schwefelverbindungen zu entfernen, minimieren und dadurch die Betriebslebensdauer der Abgassystemkomponenten verlängern. Dies wird durch die Verwendung von vorteilhaften Kombinationen von Abgassystemkomponenten oder -vorrichtungen, die für eine synergistische Wechselwirkung miteinander während des Betriebes von Dieselmotoren besonders geeignet sind, eine Emissionsreduktion zu bewirken, wie auch die Implementierung von Steuerstrategien und -verfahren, die diese vorteilhaften Kombinationen nutzen, erreicht.
  • Im Allgemeinen, unter Bezugnahme auf die in 1 gezeigte Konfiguration, zeigt ein schematisches Diagramm eine Ausführungsform eines Diesel-Verbrennungsmotors 2, eines Steuersystems 4 und eines Motorabgasbehandlungssystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der/das beispielhafte Dieselmotor 2 und Steuersystem 4 umfassen einen Viertakt-Diesel-Verbrennungsmotor 2 und ein elektronisches Motorsteuermodul (ECM) 6, das ausgebildet sein kann, um die Steuerung innerhalb der Abgasströmung 8 in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Steuerverfahren und -strategien zu bewerkstelligen. Der Motor kann einen bekannten selbstgezündeten Motor mit einem Betriebsregime, das hauptsächlich überstöchiometrisch ist, umfassen. Alternativ kann der Dieselmotor 2 einen Motor umfassen, der ausgebildet ist, um eine beliebige aus einer Anzahl von Motorkonfigurationen und zugeordneten Motorsteuerstrategien, die auch jene, welche ein Betriebsregime (oder mehrere Betriebsregimes) aufweisen, das/die überstöchiometrisch ist/sind, d. h. selbstgezündete Motoren mit homogener Ladung, umfassen, zu verwenden. Der Dieselmotor 2 umfasst eine Mehrzahl von sich hin- und herbewegenden Kolben (nicht gezeigt), die an einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) angebracht sind, welche funktionell an einem Antriebstrang wie z. B. einem Fahrzeugantriebstrang (nicht gezeigt) angebracht sein kann, um ein Antriebsdrehmoment an den Antriebstrang zu liefern. Der Dieselmotor 2 kann jede Dieselmotorkonfiguration oder -anwendung sein und verschiedene Fahrzeuganwendungen (z. B. Fahrzeug, Schifffahrt und dergleichen) und auch verschiedene Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. b: Pumpen, Generatoren und dergleichen) umfassen. Während des Betriebes erzeugt der Dieselmotor 2 eine/n Abgaszustrom oder -strömung, durch die Pfeile 8 dargestellt, der/die gesetzlich geregelte und nicht geregelte Emissionsbestandteile enthält, die allgemein Teilgase und Partikelmaterial umfassen. Das Abgasbehandlungssystem 10 ist wirksam, um gesetzlich geregelte Bestandteile wie etwa verschiedene Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Sauerstoffnitride (NOx) und Partikelmaterial (PM) in gesetzlich nicht geregelte Bestandteile wie z. B. Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umzuwandeln.
  • Das Abgasbehandlungssystem 10 umfasst ein integriertes System, das vorgesehen ist, um die gesetzlich geregelten Bestandteilelemente der Abgasströmung 8 in gesetzlich nicht geregelte Bestandteile umzuwandeln. Das Abgasbehandlungssystem 10 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Dieselmotor 2. Wie hierin verwendet, bezieht sich eine fluidtechnische Verbindung auf den Durchgang der Abgasströmung 8 von einer Komponente 12 oder Vorrichtung des Abgasbehandlungssystems zu einer anderen Komponente 12 oder Vorrichtung des Systems, die durch eine beliebige Vorrichtung zur fluidtechnischen Verbindung gebildet sein kann, und eine Abgasleitung wie z. B. ein Rohr 14 oder einen Abgaskrümmer (nicht gezeigt) oder ein Gehäuse wie z. B. eine Metalldose einer Abgasbehandlungskomponente 12 oder -vorrichtung oder eine Kombination davon umfasst. Eine Fluidkommunikation kann von einer Komponente 12 zu einer anderen Komponente 12 oder von einer Komponente zu einer Mehrzahl von Komponenten bestehen oder kann umgekehrt von einer Mehrzahl von Komponenten zu einer einzelnen Komponente bestehen und umfasst eine Kommunikation von dem Motor 2 zu einer Komponente und schließlich Abgas von einer Komponente zu der äußeren Umgebung. Das Abgasbehandlungssystem 10 umfasst einen HC-SCR-Katalysator 16 und einen Zwei-Wege-Katalysator 18, von denen jeder derart konfiguriert ist, dass zumindest ein Emissionsbestandteil in der durch den Betrieb des Dieselmotors 2 erzeugten Abgasströmung 8 behandelt wird. Der HC-SCR-Katalysator 16 ist für eine fluidtechnische Verbindung mit dem Dieselmotor 2 ausgebildet und ist ausgebildet, um die Abgasströmung 8 daraus aufzunehmen. Der HC-SCR-Katalysator 16 umfasst einen Katalysator, der auf einem Substrat angeordnet ist, wie einem Durchströmmonolithen, wie hier beschrieben ist. Der Zwei-Wege-Katalysator 18 ist für eine fluidtechnische Verbindung mit dem HC-SCR-Katalysator 16 ausgebildet und ist ausgebildet, um die Abgasströmung 8 daraus aufzunehmen. Der Zwei-Wege-Katalysator 18 umfasst einen Katalysator, der in einem Substrat angeordnet ist, wie einem Durchströmmonolithen, wie hier beschrieben ist.
  • Wie in 1 gezeigt, kann das Abgasbehandlungssystem 10 optional auch einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 20 umfassen. In der gezeigten spezifischen Kombination ist der DOC 20 stromaufwärts von dem HC-SCR-Katalysator 16 angeordnet, der sich weiter stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 18 befindet. Wie hier verwendet ist, bedeutet eine Komponente, die stromaufwärts in Bezug zu einer anderen Komponente angeordnet ist, im Kontext des Abgasbehandlungssystems 10 allgemein, dass sie sich relativ näher zu dem Motor 2 befindet, als die Quelle der Abgasströmung 8, oder dass die Abgasströmung 8 an der stromaufwärtigen Komponente 12 vor der anderen Komponente 12 ankommt.
  • Das Abgasbehandlungssystem 10 kann auch eine oder mehrere Dosiervorrichtungen 22 wie z. B. einen Fluidinjektor umfassen, um Reaktandenmaterialien für eine Wechselwirkung mit den Komponenten 12 des Abgasbehandlungssystems und die Behandlung der Abgasströmung 8, wie hierin beschrieben, zu dosieren. Unter Bezugnahme auf die 27 umfassen verschiedene Ausführungsformen des Abgasbehandlungssystems 10 eine Kohlenwasserstoff(HC)-Dosiervorrichtung 24 wie z. B. einen Kraftstoffinjektor zum Injizieren einer gesteuerten Menge eines HC-Reduktionsmittels von einer HC-Quelle wie z. B. einem HC-Reservoir 26 oberstromig des HC-SCR-Katalysators 16, wie in den 2 und 47 gezeigt. Wie hierin verwendet, kann der Ausdruck „HC-Reduktionsmittel” einen geeigneten Kohlenwasserstoff (HC) umfassen, er kann auch ein CO- oder H2-Material oder eine Kombination daraus umfassen. Zum Beispiel kann ein Kohlenwasserstoff wie z. B. Dieselkraftstoff über einen geeigneten Reformerkatalysator reformiert werden, um CO und H2 bereitzustellen. Nach dem Reformieren kann der Kohlenwasserstoff, das CO oder H2 oder eine beliebige Kombination daraus in die Abgasströmung 8 injiziert werden. Wenn ein DOC 20 stromaufwärts des HC-SCR-Katalysators 16 verwendet wird, kann die HC-Dosiervorrichtung 24 stromaufwärts des DOC 20 angeordnet sein, um Sauerstoff in der Abgasströmung 8 über Oxidation des HC, während er durch den DOC 20 strömt, zu verbrauchen, was umfasst, dass der Betrieb der HC-Dosiervorrichtung 24 im Wesentlichen den gesamten Sauerstoff in der Abgasströmung 8 verbraucht. Dies würde die kraftstoffreichen Bedingungen bereitstellen, unter denen der HC-SCR-Katalysator 16 die NOx zu N2 reduzieren kann. Die Oxidation von HC im DOC 20 sieht auch exotherme Bedingungen bereit und erzeugt Wärme, um eine gesteigerte Rußoxidation in dem HC-SCR-Katalysator 16 oder möglicherweise auch in dem Zwei-Wege-Katalysator 18 zu unterstützen. Alternativ kann die HC-Dosiervorrichtung 24 unterstromig des DOC 20 angeordnet sein, wie in 3 gezeigt; allerdings besitzen Ausführungsformen mit dieser Konfiguration nicht den Vorteil der Oxidation des HC in dem DOC 20. Ein Beispiel eines geeigneten HC-Reduktionsmittelreservoirs 26 wäre ein Kraftstofftank oder ein Abschnitt einer Kraftstoffleitung, der einen Hoch- oder Niederdruckabschnitt eines Kraftstoffinjektionssystems wie z. B. ein Common-Rail-Kraftstoffinjektionssystem umfasst. Die HC-Reduktionsmittel-Dosiervorrichtung 24 ist funktionell mit dem ECM 6 verbunden, das geeignet ist, die Zeitsteuerung und Menge einer HC-Reduktionsmittelinjektion, typischerweise in der Form von Motorkraftstoff, in die Abgasströmung 8 zu steuern. Alternativ, wie in der Ausführungsform von 1 gezeigt, können unverbrannte Kohlenwasserstoffe aus dem Motor 2 (z. B. unverbrannter Kraftstoff oder Motorausgangs-HC) als ein HC-Reduktionsmittelmaterial verwendet werden, um die NOx in dem HC-SCR-Katalysator 16 zu reduzieren und die oben beschriebenen weiteren Aspekte unter Verwendung des DOC 20 wie etwa durch Verwendung einer Nachinjektions-Steuerstrategie zu fördern.
  • Unter Bezugnahme auf die 17 umfassen verschiedene Ausführungsformen des Abgasbehandlungssystems 10 auch eine Harnstoffdosiervorrichtung 28 wie z. B. einen Harnstoffinjektor zum Injizieren einer gesteuerten Menge von Harnstoff oder Ammoniak als ein Reduktionsmittel aus einem Harnstoffreservoir 30 stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators 18. Wie hierin verwendet, kann der Ausdruck Harnstoff auch die Verwendung von Ammoniak (NH3) als ein Reduktionsmittel umfassen, da der Harnstoff zerlegt wird, um Ammoniak als Reaktionsnebenprodukt zu produzieren, und es ist der Ammoniak, der als eine Reaktionsmittelart in den katalytischen Reaktionen verwendet wird, die in dem Zwei-Wege-Katalysator 18 stattfinden. Ein Beispiel eines geeigneten Harnstoffreservoirs wäre ein Harnstofftank. Die Harnstoffdosiervorrichtung 28 ist funktionell mit dem ECM 6 verbunden, das geeignet ist, die Zeitsteuerung und Menge einer Harnstoffinjektion in die Abgasströmung 8 zu steuern. Wenn Harnstoff als Reduktionsmittel verwendet wird, sollte die Injektion ausreichend stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 18 stattfinden, um die Zerlegung des Harnstoffes zu Ammoniak vor dem Eintritt in den Zwei-Wege-Katalysator 18 zu ermöglichen.
  • Das Abgasbehandlungssystem 10 und das Steuersystem 4 können ein/e oder mehrere Erfassungsvorrichtungen und -systeme umfassen, die/das für eine Signalverbindung mit dem ECM 6 ausgebildet sind. Das Steuersystem 4 kann auch eine Benutzerschnittstelle 7 (UI von user interface) zum Anzeigen von Systeminformation an einen Benutzer umfassen, die Information, die mithilfe irgendeines der hierin beschriebenen Sensoren beschafft wurde, wie auch Information im Zusammenhang mit irgendeinem der hierin beschriebenen Betriebsverfahren oder -modi umfasst. Die Erfassungsvorrichtungen umfassen einen NOx-Sensor 32, der betrieben wird, um die Menge NOx in der Abgasströmung 8 zu bestimmen, wenn sie aus dem Motor 2 austritt. Der NOx-Sensor 32 umfasst bevorzugt einen Sensor, der betrieben wird, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NOx-Konzentration in dem Abgaszustrom korrelierbar ist, und ferner betrieben wird, um ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgaszustromes korrelierbar ist, woraus der Sauerstoffgehalt bestimmt werden kann. Der NOx-Sensor 32 kann in Verbindung mit dem Steuersystem 4 verwendet werden, um die Steuerung des Motors 2 und des Abgasbehandlungssystems 10, einschließlich der Dosiervorrichtungen 22, zu beeinflussen.
  • Die Abgaserfassungsvorrichtungen umfassen auch eine Abgaserfassungsvorrichtung 34. Die Abgaserfassungsvorrichtung 34 kann einen zweiten NOx-Sensor umfassen, der betrieben wird, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NOx-Konzentration in dem Abgaszustrom 8 korrelierbar ist. Alternativ kann die Abgaserfassungsvorrichtung 34 eine virtuelle Erfassungsvorrichtung umfassen, wobei die NOx-Konzentration im Abgaszustrom auf der Basis von Motorbetriebsbedingungen bestimmt wird, was eine bekannte Technik darstellt. Die Abgaserfassungsvorrichtung 34 kann stromabwärts des ersten NOx-Sensors 32 wie z. B. stromabwärts des Zwei-Wege-Katalysators 18 angeordnet sein, sodass die Menge NOx, die aus dem Abgasbehandlungssystem 10 austritt, bestimmt werden kann. Die Abgaserfassungsvorrichtung 34 kann auch in Verbindung mit dem Steuersystem 4 verwendet werden, um die Steuerung des Motors 2 und des Abgasbehandlungssystems 10 zu beeinflussen.
  • Die Erfassungsvorrichtungen können auch einen Temperatursensor 36 oder eine Mehrzahl von Temperatursensoren 36 (nicht gezeigt) umfassen, der/die betrieben wird/werden, um die Temperatur der Abgasströmung 8 innerhalb des Abgasbehandlungssystems 10 zur Verwendung in Verbindung mit dem Steuersystem 4 zu messen, um die Steuerung des Motors 2 und des Abgasbehandlungssystems 10 zu beeinflussen. Als ein Beispiel kann ein Temperatursensor 36 zwischen dem DOC-Katalysator 20 und dem HC-SCR-Katalysator 16 angeordnet sein, um eine Betriebstemperatur des HC-SCR-Katalysators 16 zu bestimmen. Ebenso kann ein Temperatursensor 36 zwischen dem HC-SCR-Katalysator 16 und dem Zwei-Wege-Katalysator 18 angeordnet sein, um eine Betriebstemperatur des Zwei-Wege-Katalysators 18 zu bestimmen.
  • Unter Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsformen der 27 steht der DOC 20 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Motor 2 und ist mit Bezugnahme auf die Abgasströmung 8 oberstromig von dem HC-SCR-Katalysator 16 angeordnet und ist ausgebildet, um bestimmte Bestandteile der Abgasströmung 8 zu oxidieren, um gesetzlich nicht geregelte Nebenprodukte oder Bestandteile zu produzieren, die für eine weitere Behandlung in weiteren Komponenten des Abgasbehandlungssystems 10, wie hierin beschrieben, geeignet sind. Allgemein ist der DOC 20 eine Durchströmvorrichtung, die aus einem metallischen oder keramischen Monolith oder Substrat mit einer wabenähnlichen Struktur besteht, die eine Mehrzahl von allgemein parallelen, längs verlaufenden, miteinander verbundenen Zellen umfasst, welche ein Netzwerk bereitstellen, das eine Mehrzahl von Strömungskanälen zur Aufnahme der Abgasströmung 8 umfasst, und die durch ein entsprechendes Netzwerk von Zellenwänden getrennt sind. Das Substrat weist eine große Oberfläche entlang der Zellenwände auf. Die Zellenwände weisen einen Washcoat auf, der eine poröse keramische Matrix mit einer Oberfläche umfasst, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Metallkatalysators aus der Platingruppe beschichtet ist. Geeignete Metalle aus der Platingruppe umfassen Pt, Pd, Rh, Ru, Os oder Ir oder eine Kombination daraus. Von diesen sind Pt oder Pd oder Kombinationen daraus, einschließlich Legierungen daraus, besonders geeignet. Wenn die Abgasströmung 8 die Länge des DOC 20, insbesondere die Strömungskanäle und die mit dem Washcoat beschichteten Zellenwände durchquert, katalysiert der Metallkatalysator aus der Platingruppe die Oxidation von CO zu CO2 und katalysiert auch die Oxidation verschiedener Kohlenwasserstoffe (HC) einschließlich gasförmiger Kohlenwasserstoffe und flüssiger Kohlenwasserstoffpartikeln, die unverbrannten/s Kraftstoff oder Öl oder Kraftstoff oder andere HC-Reduktionsmittel umfassen, die in das Abgasbehandlungssystem 10 eingebracht werden, um CO2 und H2O zu bilden und damit schädliche Emissionen zu reduzieren. In einer Konfiguration, während eines fortgeschrittenen Verbrennungsbetriebes des Motors, kann das Steuersystem 4 oder das ECM 6 verwendet werden, um eine Verbrennung zu bewirken, die ein höheres Niveau von HC in der Abgasströmung 8 zur Folge hat, als mit stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Gemischen während einer normalen Verbrennung erzeugt wird. Der DOC 20 ist ausgebildet, um die Zerlegung zumindest eines Teils der erhöhten Mengen HC zu katalysieren, um den HC zu reduzieren oder alternativ zu verhindern, dass der HC in der Abgasströmung den Zwei-Wege-Katalysator 18 erreicht und diese Vorrichtung dadurch vergiftet, dass er dessen Fähigkeit, NOx zu katalysieren, reduziert, oder die Außenumgebung durch Abgabe aus dem Abgasbehandlungssystem 10 erreicht.
  • Der DOC 20 kann ausgebildet sein, um verschiedene gesetzlich geregelte Abgasbestandteile durch Oxidation in andere gesetzlich geregelte oder nicht geregelte Abgasbestandteile umzuwandeln. Zum Beispiel kann der DOC 20 ausgebildet sein, um Kohlenwasserstoffe (HC) in Kohlendioxid CO2 und Wasser (H2O) zu oxidieren, Kohlenmonoxid (CO) in Kohlendioxid (CO2) umzuwandeln, Schwefeldioxid (SO2) zu Schwefeltrioxid (SO3), und/oder Schwefelsäure (H2SO4) umzuwandeln und um Stickoxid (NO) in Stickstoffdioxid (NO2) umzuwandeln, oder sonst wie. Unten stehend sind beispielhafte Oxidationsreaktionen angeführt, die mit dem DOC 20 der vorliegenden Erfindung vorstellbar sind. HC + O2 = CO2 + H2O (1) CO + 1/2O2 = CO2 (2) 2SO2 + O2 = 2SO3 (3) SO3 + H2O = H2SO4 (4) NO + 1/2O2 = NO2 (5)
  • Es sollte einzusehen sein, dass der DOC 20 ausgebildet sein kann, um abhängig von den Reaktandenverbindungen und deren in der Abgasströmung 8 anzutreffenden Konzentrationen, der Temperatur des DOC 20 und den als Katalysator ausgewählten Metallen aus der Platingruppe, jede der oben angeführten Umwandlungen, Kombinationen aus den oben angeführten Umwandlungen oder sogar alle oben angeführten Umwandlungen durchführen kann. Es sind auch andere Oxidationen vorstellbar, z. B. eine Oxidation von Aldehyden, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen oder sonstigen. Des Weiteren können die Reaktionen in dem DOC 20 verwendet werden, um den Geruch bestimmter Emissionskomponenten zu reduzieren.
  • Der DOC 20 ist innerhalb eines Gehäuses (nicht gezeigt) untergebracht, das ein Metallgehäuse wie z. B. eine Metalldose mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung oder anderweitiges umfasst und ausgebildet ist, um eine Stütze bereitzustellen und die Fluidströmung in den DOC zu leiten. Das Gehäuse kann jede beliebige geeignete Form oder Größe einschließlich eines zylindrischen Raumes umfassen. Der Raum kann außerdem Befestigungsmerkmale wie z. B. ein zylindrisches Einlassrohr, das in der Nähe einer Einlassöffnung angeordnet ist, und ein zylindrisches Auslassrohr, das in der Nähe einer Auslassöffnung des Raumes angeordnet ist, umfassen, um den DOC 20 fluidtechnisch mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasbehandlungssystems 10 zu koppeln. Es sollte einzusehen sein, dass der DOC 20 einschließlich des Gehäuses eine oder mehrere zusätzliche Komponenten umfassen kann, um den Betrieb des DOC 20 oder des Abgasbehandlungssystems 10 oder des Steuersystems 4 zu erleichtern, die verschiedene Gas- oder Temperatursensoren, Injektoren (Harnstoff- oder Kraftstoffinjektoren) oder anderweitiges umfassen kann/können, jedoch nicht darauf beschränkt ist/sind. Solche zusätzlichen Merkmale können besonders vorteilhaft zur Überwachung von Charakteristika des Abgases wie z. B. der Strömungsgeschwindigkeit von bestimmten Emissionskomponenten (z. B. Partikeln oder anderen) sein, die besonders vorteilhaft sein können, um die Notwendigkeit zu bestimmen, einen Regenerationsprozess des HC-SCR-Katalysators 16 oder des Zwei-Wege-Katalysators 18 einzuleiten.
  • In einer besonderen Ausführungsform ist der DOC 20 ausgebildet, um Stickoxid innerhalb der Abgasströmung 8 in Stickstoffdioxid zu oxidieren (siehe Gleichung 5). Dies ist vorteilhaft, da diese Umwandlung den gesamten NOX-Umwandlungsprozess unterstützt, indem einen anschließende Reduktion zu Stickstoff durch den Zwei-Wege-Katalysator 18 ermöglicht wird, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reaktion in dem Abgasbehandlungssystem 10 existieren. Eine Oxidation von Stickstoff und den anderen Bestandteilen, wie hier beschrieben ist, wird unter Magerverbrennungsbedingungen unterstützt, die relativ höhere O2-Niveaus und niedrigere HC-Niveaus aufweisen, wobei diese Bedingungen unter Verwendung des Steuersystems 4, einschließlich des ECM 6 beeinflusst werden können. Demzufolge ist die Anordnung des DOC 20 oberstromig von dem HC-SCR-Katalysator 16 zwischen dem Motor und dem HC-SCR-Katalysator 16 besonders vorteilhaft. Es ist auch besonders vorteilhaft, den DOC 20 in der Nähe des Motors, bevorzugt so nahe wie möglich am Motor, anzuordnen, um eine Betriebstemperatur im Inneren des DOC 20 von mindestens 356°F (180°C) und stärker bevorzugt im Bereich von etwa 482°F (250°C) bis etwa 842°F (450°C) aufrechtzuerhalten.
  • Wie oben erwähnt, unter Bezugnahme auf die 17, ist der HC-SCR-Katalysator 16 stromabwärts von dem Motor 2 (relativ weiter weg von dem Motor und weiter entlang des Abgasströmungspfades 8) und des DOC 2 (27), zwischen dem DOC 20 (wenn verwendet) und dem Zwei-Wege-Katalysator 18, angeordnet, und ist ausgebildet, um bestimmte Bestandteile der Abgasströmung 8 umzuwandeln, um gesetzlich nicht geregelte Nebenprodukte oder gesetzlich geregelte Bestandteile zu produzieren, die für eine weitere Behandlung in weiteren Komponenten des Abgasbehandlungssystems 10, wie hierin beschrieben, geeignet sind. Der HC-SCR-Katalysator 16 umfasst einen keramischen Durchströmmonolithen mit einem Katalysator-Washcoat, der an den Wänden des Monolithen angeordnet ist. Der HC-SCR-Katalysator 16 kann einen einzelnen keramischen Monolithen umfassen. Alternativ (nicht gezeigt) kann der HC-SCR-Katalysator 16 auch eine Mehrzahl von keramischen Monolithen in einer Parallelkonfiguration, einer Seriellkonfiguration oder einer Kombination daraus umfassen, wie z. B. um die Oberfläche und somit das Volumen an NOX zu erhöhen, das durch den HC-SCR-Katalysator 16 umgewandelt werden kann. Wenn eine Mehrzahl keramischer Monolithen verwendet wird, können diese in einer Mehrzahl von Gehäusen oder gemeinsam in einem einzelnen Gehäuse oder einer Kombination daraus angeordnet sein.
  • Allgemein ist der HC-SCR-Katalysator 16 eine Durchströmvorrichtung, die aus keramischen Monolith oder Substrat mit einer wabenähnlichen Struktur besteht, die eine Mehrzahl von allgemein parallelen, längs verlaufenden miteinander verbundenen Zellen umfasst, welche ein Netzwerk bereitstellen, das eine Mehrzahl von Strömungskanälen zur Aufnahme der Abgasströmung 8 umfasst, und die durch ein entsprechendes Netzwerk von Zellenwänden getrennt sind. Das Substrat weist eine große Oberfläche entlang der Zellenwände auf. Die Zellenwände besitzen einen Washcoat, der eine poröse Matrix mit einer Oberfläche aufweist, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Katalysators beschichtet ist. Der Katalysator kann einen Metallkatalysator der Platingruppe aufweisen. Geeignete Metalle der Platingruppe umfassen Pt, Pd, Rh, Ru, Os oder Ir oder eine Kombination daraus, einschließlich deren Legierungen. Aus diesen Platingruppenmetallen sind besonders Pt, Pd oder Rh oder Kombinationen daraus, einschließlich deren Legierungen, nützlich. Für Metallkatalysatoren der Platingruppe weist ein geeignetes Material für eine poröse Matrix verschiedene Metalloxidkeramiken auf. Von den Metalloxidkeramiken ist Aluminiumoxid (Al2O3) besonders nützlich. Ein Beispiel einer geeigneten keramischen porösen Matrix mit Platingruppenmetall ist Pt/Al2O3. Der Katalysator kann auch einen Unedelmetallkatalysator aufweisen. Geeignete Unedelmetalle umfassen Cu oder Ag oder eine Kombination daraus, einschließlich deren Legierungen. Für Unedelmetallkatalysatoren weist ein geeignetes Metall für eine poröse Matrix verschiedene Zeolite auf. Ein Beispiel einer geeigneten porösen Matrix aus Unedelmetallkatalysator und Zeolit ist Cu-getauschter Zeolit, wie Cu/ZSM-5. HC-SCR-Katalysatoren 16, die Metallkatalysatoren der Platingruppe verwenden, sind effektiv, um die hier beschriebenen Reaktionen bei relativ geringen Temperaturen (beispielsweise etwa 200°C) zu katalysieren, besitzen jedoch einen schmalen Temperaturbereich, über den sie effektiv sind, und sind nicht effektiv, die hier beschriebenen Reaktionen bei relativ höheren Temperaturen zu katalysieren, wie Temperaturen oberhalb etwa 275°C. Die Unedelmetallkatalysatoren sind effektiv, um die hier beschriebenen Reaktionen bei relativ höheren Temperaturen, wie über etwa 325°C, zu katalysieren, sind jedoch nicht effektiv, diese Reaktionen bei geringeren Temperaturen signifikant zu katalysieren. Wenn die sich unterscheidende Leistungsfähigkeit der Katalysatormaterialien vorausgesetzt wird, kann bei einer beispielhaften Ausführungsform ein HC-SCR-Katalysator 16 einen keramischen Monolith mit einem Washcoat oder einer Mehrzahl von Washcoats aufweisen, die sowohl einen Metallkatalysator der Platingruppe als auch einen Unedelmetallkatalysator aufweisen, die axial entlang der Länge des keramischen Monolithen getrennt sind. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die eine Mehrzahl keramischer Monolithen aufweist, kann ein keramischer Monolith einen Metallkatalysator der Platingruppe aufweisen, und ein zweiter keramischer Monolith kann einen Unedelmetallkatalysator aufweisen.
  • Wenn die Abgasströmung 8 die Länge des HCR-SCR 16, insbesondere die Strömungskanäle und die mit Washcoat beschichteten Zellenwände durchquert, katalysieren der Metallkatalysator der Platingruppe oder der Unedelmetallkatalysator oder eine Kombination daraus verschiedene Reaktionen, wie hier beschrieben ist. Bei einer bestimmten Konfiguration ist der HC-SCR-Katalysator 16 derart konfiguriert, dass er Stickoxid (NO) in einer Abgasströmung 8 in Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert, wie auch andere Oxidationsreaktionen, ähnlich denen des DOC 20 (siehe Gleichungen 1–5). Dies ist auch vorteilhaft, da diese Umwandlung den gesamten NOX-Umwandlungsprozess dadurch unterstützt, dass eine anschließende Reduktion zu Stickstoff durch den Zwei-Wege-Katalysator 18 ermöglicht wird, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reaktion in dem Abgasbehandlungssystem 10 vorhanden sind. Dies findet unter Magerverbrennungsbedingungen statt, die relativ höhere O2-Niveaus und geringere HC-Niveaus besitzen, wobei diese Bedingungen durch Verwendung des Steuersystems 4, einschließlich des ECM 6 beeinflusst werden können. Bei derselben Konfiguration kann der HC-SCR 16 auch dazu verwendet werden, NOX in der Abgasströmung 8 zu Stickstoff (N2) zu reduzieren, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reaktion in einem Abgasbehandlungssystem 10 existieren, wie unter Bedingungen mit relativ hohen Motorausgangs-HC-Niveaus, wo das O2, das ansonsten die beschriebene Oxidation unterstützen würde, verbraucht worden ist. Diese Reduktionsreaktion kann auch, wenn relativ hohe HC-Niveaus durch die Direktinjektion von HC stromaufwärts eines HC-SCR-Katalysators 16 erhalten werden, unter Verwendung der Konfiguration der 2 und 47 auftreten, wobei die Bedingungen durch Verwendung des Steuersystems 4, einschließlich des ECM 6, beeinflusst werden können. Eine beispielhafte Reduktionsreaktion für den HC-SCR 16 ist nachfolgend vorgesehen: {HC} + NOX = N2 + CO2 + H2O (6)
  • Die relative Menge an N2, CO2 und H2O hängt von der Beschaffenheit des gewählten HC ab.
  • Der Zwei-Wege-Katalysator 18 umfasst einen DPF 38 und einen Katalysator 40 zur Harnstoff-selektiven Katalysatorreduktion (U-SCR). Der Zwei-Wege-Katalysator 18 ist eine Wandstromvorrichtung, die aus keramischen Monolith oder Substrat mit einer wabenähnlichen Struktur besteht, die eine Mehrzahl von allgemein parallelen, längs verlaufenden miteinander verbundenen Zellen umfasst, welche ein Netzwerk bereitstellen, das eine Mehrzahl von Strömungskanälen für Abgasströmung 8 umfasst, und die durch ein entsprechendes Netzwerk von porösen Zellenwänden getrennt sind. Das Substrat weist eine große Oberfläche entlang der Zellenwände auf. Alternierende benachbarte Zellen weisen einen Einlass oder einen Auslass auf, der verstopft ist, sodass eine alternierende Anordnung von Einlässen verstopft ist, wobei die Einlässe von unmittelbar benachbarten Zellen offen sind, und eine alternierende Anordnung von Auslässen verstopft ist, wobei die Auslässe von unmittelbar benachbarten Zellen offen sind. Die Struktur weist offene Poren in den Zellenwänden auf. Somit gelangt die Abgasströmung 8 in die Mehrzahl von Einlässen und wird durch die porösen Zellenwände und in die benachbarten Auslasszellen hinein getrieben, wo es dann aus der Mehrzahl von nicht verstopften Auslässen strömt. Die Poren lassen zu, dass die gasförmigen Bestandteile durch die Zellenwände hindurch gelangen, während die PM innerhalb der Poren eingefangen werden, um dadurch eine PM-Filterwirkung des DPF 38 bereitzustellen. Der U-SCR-Katalysator 40 ist als ein Washcoat vorgesehen, der auf dem keramischen Wandstrommonolith angeordnet ist. Der Washcoat umfasst einen Reduktionskatalysator, der auf einer keramischen Matrix angeordnet ist. Der Washcoat kann entlang der Zellenwände der Mehrzahl von Einlassdurchgängen oder der Mehrzahl von Auslassdurchgängen oder beiden angeordnet sein. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Washcoat auf der Mehrzahl von Auslassdurchgängen angeordnet. Der Washcoat umfasst eine poröse Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Reduktionskatalysators beschichtet ist. Der keramische Wandstrommonolith kann aus einer beliebigen geeigneten Keramik einschließlich Cordierit oder Aluminiumoxid oder dergleichen bestehen. Die Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 18 ist vorteilhaft wegen der erzielten Platzreduktion gegenüber der Verwendung eines getrennten DPF und U-SCR wie auch der Reduktion in der Gesamtanzahl einzelner Abgaskomponenten.
  • Dann, wenn das Steuersystem 4, entweder durch Steuern der Verbrennung in dem Motor 2 oder durch direkte Dosierung oder Injektion von HC-Reduktionsmittel in das Abgasbehandlungssystem 10 mithilfe der HC-Dosiervorrichtung 24, für Bedingungen in dem Abgasbehandlungssystem 10 sorgt, die fetter als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis sind, was als fetter Zustand bezeichnet wird, wird NO zu Stickstoff mit HC und CO in dem Abgas reduziert, während PM in dem DPF 38 mit dem somit erzeugten aktiven Sauerstoff weiter oxidiert wird. Während der Zwei-Wege-Katalysator 18 den DPF 38 und den U-SCR 40 aufweist, ist das System 10 ausgebildet ist, um eine Reduktion von NOx (U-SCR 40) und eine Sammlung von PM (DPF 38) über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Abgasbehandlungssystems 10 und des Motors 2 bereitzustellen, der typische Fahrzeugaufbewahrungs/Start-Umgebungstemperaturen von etwa –40°F (etwa –40°C) bis etwa 120°F (etwa 49°C) bis zu Betriebstemperaturen von bis zu etwa 1292°F (etwa 700°C) umfasst. Der DPF 38 des Zwei-Wege-Katalysators 18 filtert Ruß über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Motors 2, der typische Fahrzeugaufbewahrungs/Start-Umgebungstemperaturen von etwa –40°F (etwa –40°C) bis etwa 120°F (etwa 49°C) bis zu Betriebstemperaturen von bis zu etwa 1292°F (etwa 700°C) umfasst. Die passive Regeneration des DPF 38 und Oxidation der Rußpartikel findet in der Gegenwart von NOx über den Temperaturbereich zwischen 482°F (250°C) und etwa 842°F (450°C) statt, wohingegen die aktive Regeneration und Oxidation der Rußpartikel in der Gegenwart von O2 bei Temperaturen von etwa 500°C oder mehr und stärker bevorzugt über den Temperaturbereich zwischen etwa 1112°F (600°C) und etwa 1202°F (650°C) stattfindet.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist der Washcoat eine poröse keramische Matrix mit einer Oberfläche auf, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Unedelmetall-Katalysators, d. h. einer Menge, die ausreicht, um die gewünschten chemischen Reaktionen zu katalysieren, beschichtet ist. Geeignete Unedelmetall-Katalysatoren umfassen Kupfer (Cu) oder Eisen (Fe) oder Kombinationen daraus einschließlich Legierungen und Verbindungen daraus. Die poröse Matrix kann jede beliebige geeignete poröse Matrix umfassen. Geeignete poröse Matrizen umfassen verschiedene Zeolithe wie z. B. solche, die Aluminiumoxid umfassen einschließlich verschiedener Aluminiumsilikate. In dem Fall von Cu-Katalysatoren ist ein geeigneter Zeolith einer, der kommerziell als ZSM-5 bekant ist. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst der Washcoat des Zwei-Wege-Katalysators 18 eine poröse keramische Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Unedelmetall-Katalysators beschichtet ist, wobei der Unedelmetall-Katalysator Vanadium aufweist, einschließlich Legierungen und Verbindungen daraus, wie Vanadiumoxid (V2O5). Die poröse Matrix kann jede beliebige geeignete poröse Matrix umfassen. Geeignete poröse Matrizen umfassen Titandioxid wie auch verschiedene Zeolithe, die Titandioxid aufweisen, wie diejenigen, die Aluminiumoxid aufweisen, einschließlich verschiedener Aluminiumsilicate. Poröse Titanoxidmatrizen können auch Wolfram- und Molybdänoxide aufweisen. Die Verwendung eines Unedelmetall-Katalysators erlaubt die Umwandlung der Stickoxide ohne die Verwendung von Edelmetallen.
  • Der Zwei-Wege-Katalysator 18 verwendet Ammoniak, um NOx zu reduzieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Dosiervorrichtung 22 wie z. B. eine Harnstoffdosiervorrichtung 28 stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 18 vorgesehen, um Harnstoff in den Strom 8 der Abgasströmung einzuleiten, wie. z. B. durch die Einleitung einer Harnstofflösung. Der Harnstoff wird eine ausreichende Distanz stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 18 eingeleitet, um zuzulassen, dass der Harnstoff in der Abgasströmung 8 zerlegt wird, um Ammoniak zu erzeugen, bevor sie in den Zwei-Wege-Katalysator 18 eintritt. In einer vorteilhaften Konfiguration wird Ammoniak auch innerhalb des HC-SCR-Katalysators 16 gebildet und bewegt sich stromabwärts zu dem Zwei-Wege-Katalysator 18. In dieser Konfiguration werden auf Grund des in dem HC-SCR-Katalysator 16 erzeugten Ammoniaks reduzierte Harnstoffmengen benötigt. Nachfolgend sind beispielhafte chemische Umwandlungsreaktionen angeführt, die mit dem Zwei-Wege-Katalysator 18 vorstellbar sind:
  • Harnstoffzerlegung:
    • CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2 (7)
  • NOx-Reduktionsreaktionen im Zwei-Wege-Katalysator 18:
    • 6NO + 4NH3 -> 5N2 + 6H2O (8)
    • 4NO + 4NH3 + O2 -> 4N2 + 6H2O (9)
    • 6NO2 + 8NH3 -> 7N2 + 12H2O (10)
    • 2NO2 + 4NH3 + O2 -> 3N2 + 6H2O (11)
    • NO + NO2 + 2NH3 -> 2N2 + 3H2O (12)
  • Es sollte einzusehen sein, dass der Zwei-Wege-Katalysator 18 ausgebildet sein kann, um jede beliebige der oben angeführten Umwandlungen oder Kombinationen aus den oben angeführten Umwandlungen einschließlich aller oben angeführten Umwandlungen durchzuführen. Der Zwei-Wege-Katalysator 18 beginnt bei einer Betriebstemperatur von etwa 356°F (180°C), wie oben beschrieben, zu funktionieren, und kann stärker bevorzugt im Bereich von etwa 482°F (250°C) bis etwa 1022°F (550°C) betrieben werden.
  • Der Zwei-Wege-Katalysator 18 ist innerhalb eines Gehäuses wie z. B. einer Metalldose untergebracht, das ausgebildet ist, um eine Stütze bereitzustellen und die Abgasströmung 8 in den Zwei-Wege-Katalysator 18, durch ihn hindurch und hinaus zu leiten. Das Gehäuse kann jede beliebige geeignete Form oder Größe einschließlich einer zylindrischen Form umfassen. Das Gehäuse kann auch Befestigungsmerkmale umfassen, die in der Nähe einer Einlassöffnung angeordnet sind, wie z. B. ein Einlassrohr, und eine Auslassöffnung, z. B. ein Auslassrohr, um den Zwei-Wege-Katalysator 18 fluidtechnisch mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasbehandlungssystems 10 zu koppeln. Es sollte einzusehen sein, dass der Zwei-Wege-Katalysator 18 einschließlich des Gehäuses eine oder mehrere zusätzliche Komponenten umfassen kann, um den Betrieb des Abgasbehandlungssystems 10 zu erleichtern, die verschiedene Sensoren, Dosiervorrichtungen (Harnstoff- oder Kraftstoffinjektoren) oder anderweitiges umfassen kann/können, jedoch nicht darauf beschränkt ist/sind. Solche zusätzlichen Merkmale können besonders vorteilhaft zur Überwachung von Charakteristika des Abgases wie z. B. der Mengen oder Strömungsgeschwindigkeiten von bestimmten Emissionsbestandteilen sein, die besonders vorteilhaft für das Steuern des Abgasbehandlungssystems 10 sind, einschließlich der Regeneration des Zwei-Wege-Katalysators 18.
  • Bezug nehmend auf 4 umfasst bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform das Abgasbehandlungssystem 10 auch einen zweiten U-SCR-Katalysator 42 stromabwärts des Zwei-Wege-Katalysators 18, so dass dieser derart konfiguriert ist, dass er eine Abgasströmung 8 von dem Zwei-Wege-Katalysator 18 aufnimmt. Der zweite U-SCR-Katalysator 42 kann dazu verwendet werden, die NOX-Umwandlungskapazität des Systems 10 zu steigern. Der zweite U-SCR-Katalysator 42 kann als ein Durchströmkatalysator konfiguriert sein, wie hier beschrieben ist, und kann ein Keramikmonolithsubstrat aufweisen, das einen auf einem Washcoat angeordneten Katalysator aufweist, wie ebenfalls hier beschrieben ist. Der zweite U-SCR-Katalysator 42 kann ein Kupfer- oder Eisenkatalysatormaterial aufweisen, das auf einer porösen Matrix, wie einer Zeolithmatrix, angeordnet ist, wie hier in Verbindung mit dem U-SCR-Katalysator 40 beschrieben ist. Der zweite U-SCR-Katalysator 42 kann in demselben Gehäuse wie der Zwei-Wege-Katalysator 18 und der U-SCR-Katalysator 40 oder in einem separaten Gehäuse untergebracht sein, wie einer Metalldose. Der zweite U-SCR-Katalysator 42 steht in Fluidkommunikation mit einer Abgasleitung 14 zur Kommunikation einer Abgasströmung 8, wie aus dem System 10 heraus, an eine Außenumgebung. Diese Konfiguration kann vorteilhaft sein, wenn es erwünscht ist, die NOX-Umwandlungskapazität des Systems 10 durch Harnstoffinjektion ohne Erhöhung der Größe und Kapazität des Zwei-Wege-Katalysators 18 zu erhöhen, wie beispielsweise, wenn eine Verwendung eines Zwei-Wege-Katalysators 18 mit Standardgröße eingesetzt wird.
  • Bezug nehmend auf 5 ist eine noch weitere beispielhafte Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems 10 gezeigt. Das System 10 umfasst einen zweiten U-SCR-Katalysator 42, wie hier beschrieben ist. Der grundsätzliche Unterschied dieses Systems zu dem, das in 4 gezeigt ist, besteht darin, dass der zweite U-SCR-Katalysator 42 stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators 18 angeordnet ist. Ansonsten kann der zweite U-SCR-Katalysator 42 auf dieselbe Weise konfiguriert sein, wie bei der Ausführungsform desselben, die in Verbindung mit 4 gezeigt ist. Wiederum kann der zweite U-SCR-Katalysator 42 auch zusammen mit dem Zwei-Wege-Katalysator 18 oder in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Bei dieser Ausführungsform sieht der zweite U-SCR-Katalysator 42 auch eine zusätzliche NOX-Umwandlungskapazität für das System 10 vor. Diese Konfiguration kann vorteilhaft sein, wenn es erwünscht ist, die NOX-Umwandlungskapazität des Systems 10 durch Harnstoffinjektion ohne Erhöhung der Größe und Kapazität des Zwei-Wege-Katalysators 18 zu erhöhen, wie beispielsweise, wenn eine Verwendung eines Zwei-Wege-Katalysators 18 mit Standardgröße eingesetzt wird.
  • Bezug nehmend auf 6 ist eine noch weitere beispielhafte Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform umfasst das System 10 eine Mehrzahl von Zwei-Wege-Katalysatoren 18. Die Mehrzahl von Zwei-Wege-Katalysatoren 18 werden parallel Bezug nehmend auf den Strom 8 der Abgasströmung verwendet.
  • Jeder der Mehrzahl von Zwei-Wege-Katalysatoren 18 ist derart konfiguriert, dass er einen Anteil der Abgasströmung 8 von dem H-SCR-Katalysator 16 durch jeweilige Leitungen 14 aufnimmt. Jeder der Zwei-Wege-Katalysatoren 18 kann in einem separaten Gehäuse, wie einer Metalldose oder in einem einzelnen Gehäuse untergebracht sein, das derart angepasst ist, dass es die Anteile der Abgasströmung 8, die jedem der Zwei-Wege-Katalysatoren 18 zugeordnet sind, voneinander getrennt beibehält. Die Konfiguration des Systems 10 bei dieser Ausführungsform kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn ein zweiter Zwei-Wege-Katalysator 18 als eine kostengünstigere Lösung bereitgestellt wird, um den notwendigen Durchsatz der Abgasströmung 8 zu erreichen, anstatt die Größe des einzelnen Zwei-Wege-Katalysators 18 zu erhöhen.
  • Bezug nehmend auf 7 ist eine noch weitere beispielhafte Ausführungsform des Abgasbehandlungssystems 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist auch eine Mehrzahl von Zwei-Wege-Katalysatoren 18 verwendet, ähnlich der Ausführungsform von 6. Bei dieser Ausführungsform sind die Mehrzahl von Zwei-Wege-Katalysatoren 18 jedoch parallel in Bezug auf die Abgasströmung 8 in einem einzelnen Gehäuse angeordnet, wie einer Metalldose. Diese Konfiguration ist vorteilhaft, da sie eine Behandlung größerer Abgasströmungen 8 ermöglicht, als es unter Verwendung eines einzelnen Zwei-Wege-Katalysators 18 möglich wäre, während auch eine Packung des zusätzlichen U-SCR-Katalysators 18 in einem einzelnen Gehäuse beibehalten wird. Diese Konfiguration ist auch vorteilhaft, da die Anzahl von Leitungen 14 an den Einlass- und Auslassseiten des Katalysators auch reduziert ist.
  • Ein anderer vorteilhafter Aspekt des Abgasbehandlungssystems 10 ist die Fähigkeit des DOC 20 oder des HC-SCR-Katalysators 16 oder von beiden, Wärme zu erzeugen, die an den Zwei-Wege-Katalysator 18 übertragen wird. Demzufolge besitzen die hierin veranschaulichten Konfigurationen die Fähigkeit, die Abgasströmung 8, die in den Zwei-Wege-Katalysator 18 eintritt, auf eine Temperatur zu erwärmen, die höher ist als die Temperatur des Abgases, das in den HC-SCR-Katalysator 16 eintritt. Das Hinzufügen von Wärme zu dem Zwei-Wege-Katalysator 18 verbessert seinen Umwandlungswirkungsgrad. Somit stellt die Anordnung des HC-SCR-Katalysators 16 stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 18 eine effizientere Konfiguration des Abgasbehandlungssystems 10 bereit.
  • Die in den 17 gezeigten Konfigurationen sehen die Fähigkeit vor, das Abgasbehandlungssystem 10 abzustimmen, um einen besonderen NOx-Umwandlungswirkungsgrad zu erzielen. Dies kann durch die Verwendung von NOx-Sensoren, Temperatursensoren, Kalibriersoftware, Steueralgorithmen und eines Controllers wie z. B. des ECM 6 oder des Steuersystems 4 oder einer Kombination aus diesen, zusammen mit der periodischen und selektiven Verwendung des Abgasbehandlungssystems 10 mit dem DOC 20, dem HC-SCR-Katalysator 16 oder dem Zwei-Wege-Katalysator 18 oder einer Kombination aus diesen erreicht werden, um einen NOx-Umwandlungswirkungsgrad von 90 Volumenprozent des Abgases und mehr zu erreichen. Wenn beispielsweise ein Wirkungsgrad einer Stickoxidumwandlung/-reduktion (z. B. NOX zu N2) von etwa 20% bis etwa 50% gewünscht ist, kann der HC-SCR-Katalysator 16 verwendet werden, um diesen Wirkungsgrad zu erreichen. In einem weiteren Beispiel, wenn eine höhere NOx-Reduktion (z. B. etwa 90% oder mehr) erwünscht ist, können der DOC 20 und der HC-SCR 16 verwendet werden, um Stickoxide zu etwa 20% bis 60% umzuwandeln/zu reduzieren, und ein Harnstoffinjektor kann verwendet werden, um den Rest der NOx durch den Zwei-Wege-Katalysator 18 umzuwandeln/zu reduzieren. Dieser höhere Umwandlungsprozentsatz von NOx durch die Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 18 ist besonders vorteilhaft über die Lebensdauer des Abgasbehandlungssystems 10, um den zerstörerischen Einflüssen von Schwefelregenerationen auf sowohl den HC-SCR-Katalysator 16 als auch den Zwei-Wege-Katalysator 18 und den entsprechenden Reduktionen in deren Umwandlungswirkungsgrad entgegenzuwirken.
  • Das Abgasbehandlungssystem 10 und der Controller wie z. B. das ECM 6, das Steuersystem 4 oder eine Kombination aus diesen können in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Controller ausgebildet, um in einem ersten Modus zu arbeiten, um den Verbrauch von Harnstoff oder Ammoniak oder einer Kombination aus diesen zu minimieren und die NOx-Umwandlung im Zwei-Wege-Katalysator 18 zu minimieren. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Controller ausgebildet, um in einem zweiten Modus zu arbeiten, um den Verbrauch eines Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Materials oder einer Kombination daraus zu minimieren und die NOx-Umwandlung im HC-SCR-Katalysator 16 zu minimieren. Diese Modi können implementiert sein, um den Verbrauch des Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Materials zu minimieren oder den Verbrauch von Harnstoff oder Ammoniak oder einer Kombination daraus zu minimieren.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Abgasbehandlungssystem 10 derart ausgebildet, dass die Abgasströmung 8 aus dem Motor 2 einen ersten Volumenanteil NOx (NOx1) aufweist und die aus dem Zwei-Wege-Katalysator 18 austretende Abgasströmung einen zweiten Volumenanteil von NOx (NOx2) aufweist, wobei NOx2, < 0,1NOx1 ist. Anders ausgedrückt ist das System für einen Umwandlungswirkungsgrad von NOx von mindestens 90% ausgebildet. In einer Konfiguration, die den HC-SCR-Katalysator 16 und eine periodische und selektive Injektion eines Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Materials oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung 8 oberstromig des HC-SCR-Katalysators 16 verwendet, stellt der HC-SCR-Katalysator 16 eine Reduktion des Volumenanteils von NOx1, ausgedrückt als dritter Volumenanteil von NOx1 (NOx3), in der aus dem Vier-Wege-Katalysator 16 austretenden Abgasströmung bereit, wobei 0,30NOx1 ≤ NOx3 ≤ 0,80NOx1 ist oder ein NOx-Umwandlungswirkungsgrad zwischen etwa 20% und 70% liegt.
  • In einer weiteren Konfiguration, die einen Zwei-Wege-Katalysator 18 und eine periodische und selektive Injektion von Harnstoff oder Ammoniak oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung 8 stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators 18 verwendet, stellt der Zwei-Wege-Katalysator 18 eine Reduktion des Volumenanteils von NOx1, ausgedrückt als vierter Volumenanteil von NOx1 (NOx4), in der aus dem Zwei-Wege-Katalysator 18 austretenden Abgasströmung bereit, wobei 0,05NOx1 ≤ NOx4 ≤ 0,60NOx1 ist.
  • Das Abgasbehandlungssystem 10 umfasst ferner ein ECM 6 und ein Steuersystem 4 zum Steuern der Funktion einer oder mehrerer Komponenten des Abgasbehandlungssystems 10. Dieses kann wenigstens eine Regeneration einer oder mehrerer Komponenten des Abgasbehandlungssystems 10 umfassen. Demzufolge wird in Erwägung gezogen, dass der Controller mit einem oder mehreren Sensoren wie Temperatursensoren, Partikelsensoren, Sauerstoffsensoren oder anderen kommunizieren kann, um den Zustand des Abgasbehandlungssystems 10 zu überwachen. Derartige Sensoren können vor, nach oder sowohl vor als auch nach einer der Komponenten des Abgasbehandlungssystems 10, z. B. DOC 20, HC-SCR-Katalysator 16, Zwei-Wege-Katalysator 18 oder andere angeordnet sein. Des Weiteren kann der Controller mit einer oder mehreren Wärmequellen kommunizieren, die geeignet ist/sind, um eine Regeneration der Komponenten des Abgasbehandlungssystems 10 zu bewirken.
  • Es wird auch in Erwägung gezogen, dass der Controller verwendet werden kann, um ein spezifisches NOx-Reduktions/Umwandlungsziel zu erreichen, das innerhalb der Reduktions/Umwandlungsfähigkeitsgrenzen des Systems 10 liegt. Zum Beispiel kann auf der Basis einer angeordneten Emissionsauflage das Emissionsziel, z. B. die NOx-Umwandlungsauflage fix sein, z. B. 80% betragen. Das Steuersystem 4 mit dem ECM 6 kann NOx1 mithilfe des ersten NOx-Sensors 32 und NOx2 mithilfe eines Abgassensors 34, z. B. eines zweiten NOx-Sensors bestimmen, um die aktuelle NOx-Reduktion zu bestimmen. Wenn der Wert von NOx2 eine ausreichende Reduktion wiedergibt, ist keine Aktivität notwendig. Wenn er dies nicht tut, kann das Steuersystem 4 verwendet werden, um periodisch Harnstoff durch den Harnstoffinjektor oder HC durch den HC-Injektor zu injizieren, um den Zielwert von NOx2 zu erreichen. Wie oben angeführt, kann die Wahl des Reduktionsmittels, Harnstoff oder HC, z. B. auf einem Abstimmungs- oder Steuermodus basieren, der geeignet ist, den Gebrauch einer oder der anderen dieser Komponenten zu minimieren. Das Steuersystem 4 kann die Wahl auch auf der erforderlichen Regeneration des HC-SCR-Katalysators 16 oder des Zwei-Wege-Katalysators 18 begründen, wobei die Wahl einer Vorrichtung und ihres zugehörigen Reduktionsmittels bevorzugt wird, während die andere einer Regeneration unterzogen wird.
  • Die vorliegende Erfindung bietet die folgenden Merkmale und Vorteile. Erstens oxidieren Ausführungsformen, die den DOC 20 aufweisen, NO zu NO2, was die NOX-Reduktion steigert, unter Verwendung des HC-SCR-Katalysators 16 und des Zwei-Wege-Katalysators 18 und erhöhen den gesamten NOX-Umwandlungswirkungsgrad des Systems. Zweitens verwendet die hier beschriebene weiterentwickelte Verbrennung hohe HC-Niveaus entweder infolge der Steuerung des Verbrennungsprozesses, um hohe Motorausgangs-HC-Niveaus zu erzeugen, oder infolge einer Direktinjektion von Kohlenwasserstoff, CO oder HC oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung 8. Die hohen HC-Niveaus können in dem HC-SCR 16 und bei Ausführungsformen, die einen DOC 20 aufweisen, in der Kombination des DOC 20 und des HC-SCR 16 effektiv oxidiert werden, um eine Kohlenwasserstoffvergiftung des Zwei-Wege-Katalysators 18 sowie Auspuff-HC-Emissionen zu minimieren. Drittens kann ein abstimmbarer NOX-Umwandlungswirkungsgrad mit diesem System erreicht werden. Wenn beispielsweise etwa 20% bis etwa 50% NOX-Umwandlungswirkungsgrad gewünscht sind, kann der HC-SCR-Katalysator 16 für die NOX-Reduktion verwendet werden. Viertens kann, wenn ein höherer (d. h. größer als etwa 20 bis etwa 50%) NOX-Umwandlungswirkungsgrad gewünscht ist, die zusätzliche Fähigkeit des kombinierten DOC 20/HC-SCR-Katalysators 16 dazu verwendet werden, eine zusätzliche NOX-Reduktion um etwa 10 bis etwa 15% oder insgesamt bis zu etwa 20% bis etwa 60% zu erreichen, und jegliche zusätzliche NOX-Umwandlung, die benötigt wird, kann unter Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 18 durch Injektion von Harnstoff erreicht werden. Fünftens kann unter Verwendung dieser Methode eine Betriebsart des Abgasbehandlungssystems 10, die versucht, die NOX-Umwandlung des HC-SCR-Katalysators 16 (und des DOC 20 der Ausführungsformen, bei denen er verwendet ist) zu maximieren, dazu verwendet werden, einen Harnstoffverbrauch zu reduzieren, und insbesondere, um den Harnstoffverbrauch zu minimieren und dadurch Harnstoffwiederauffüllintervalle zu erhöhen. Sechstens kann sogar bei Betrieb, wie oben beschrieben ist, unter Verwendung eines Modus, bei dem der HC-SCR-Katalysator 16 für einen großen Teil der NOX-Umwandlung oder sogar den größten Teil der NOX-Umwandlung verwendet wird, die Haltbarkeit des HC-SCR-Katalysators 16 verbessert werden, da das System periodisch und automatisch geschaltet werden kann, um die Abhängigkeit von dem HC-SCR-Katalysator 16 durch Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 18 zu reduzieren, um die NOX-Umwandlungslast auszugleichen, so dass der HC-SCR-Katalysator 16 nicht die gesamte Zeit verwendet wird oder nicht benötigt wird, um bei seinem höchsten NOX-Umwandlungswirkungsgrad zu arbeiten. Ein Ausgleich der NOX-Umwandlungslast zwischen dem HC-SCR-Katalysator 16 und dem Zwei-Wege-Katalysator 18 kann auch dazu verwendet werden, die Schwefelregenerationszyklen, die für den HC-SCR-Katalysator 16 erforderlich sind, zu reduzieren. Siebtens kann mit dem Zwei-Wege-Katalysator 18 stromabwärts des HC-SCR-Katalysators 16 eine NOX-Reduktion bei geringen Abgastemperaturen unter Verwendung des HC-SCR-Katalysators 16 erreicht werden, und bei Ausführungsformen, die einen DOC 20 verwenden, kann sowohl der DOC 20 als auch der HC-SCR-Katalysator 16 zu der Oxidation von NO zu NO2 beitragen, wenn der Zwei-Wege-Katalysator 18 die primäre NOX-Reduktion bereitstellt. Achtens sind bei der Regeneration des DPF 38 und der Oxidation des eingeschlossenen Rußes die Abgastemperaturen zu hoch für einen effektiven Betrieb des HC-SCR-Katalysators 16, jedoch ist eine NOX-Reduktion über Harnstoffinjektion immer noch möglich, wodurch Verbesserungen der NOX-Steuerung während des Regenerationszyklus des DPF 38 ermöglicht werden. Neuntens kann unter hohen Motordrehzahl- und Lastbedingungen die hohe Temperatur der Abgasströmung 8 mit zugeordneten hohen Niveaus an NOX die Kapazität des HC-SCR-Katalysators 16 (oder des DOC 20 oder des HC-SCR-Katalysators 16) überschreiten, um den gewünschten NOX-Umwandlungswirkungsgrad zu erreichen. Unter derartigen Bedingungen ist der hohe NOX-Umwandlungswirkungsgrad und die Steuerung unter Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 18 und der Harnstoffinjektion immer noch möglich.
  • Gemäß der beispielhaften Ausführungsformen ist ein Abgasbehandlungssystem zur Reduzierung von NOX-Emissionen offenbart, das das Verständnis existierender Technologien zur NOX-Reduktion zur Entwicklung synergistischer Kombinationen verwendet, die eine verbesserte NOX-Reduktion und -Steuerung gegenüber jeder der Technologien, wenn sie einzeln verwendet würden, bereitstellen. Die HC-SCR-Katalysatoren allein tendieren dazu, schmale Betriebstemperaturbereiche zu besitzen, die zur NOX-Umwandlung bei relativ geringen Betriebstemperaturen des Abgasbehandlungssystems 10 nützlich sind, während Zwei-Wege-Katalysatoren, die einen U-SCR aufweisen, bei relativ höheren Abgassystembetriebstemperaturen nützlich sind, jedoch zu einer Anfälligkeit gegenüber HC-Vergiftung tendieren. Beispielsweise weist eine Mager-NOX-Technologie auf Grundlage von HC-SCR-Katalysatoren 16 verschiedene Katalysatorformulierungen und Katalysator/Substrat-Kombinationen auf. HC-SCR-Katalysatoren mit Platinkatalysator auf Aluminiumoxidsubstrat (Pt/Al2O3) arbeiten bei geringen Temperaturen (etwa 200°C) und besitzen eine hohe Spitzenumwandlung, jedoch ein sehr schmales Betriebstemperaturfenster, so dass diese HC-SCR-Formulierung durch sich selbst nicht sehr nützlich ist. Ein weiterer Nachteil in Verbindung mit Pt-Katalysatoren ist deren SO2-Oxidationsaktivität geworden, jedoch können sie erfolgreich mit Kraftstoffen mit wenig Schwefel verwendet werden; jedoch ist der Pt-Katalysator auch gegenüber einer Deaktivierung durch Schwefelkontamination anfällig. Andere HC-SCR-Katalysatoren 16 umfassen verschiedene Cu-Zeolit- oder Ag-Zeolit-Katalysator/Substrat-Kombinationen. Diese HC-SCR-Katalysatoren 16 neigen dazu, bei höheren Temperaturen zu arbeiten, besitzen jedoch keine gute Niedertemperaturleistungsfähigkeit. Als ein anderes Beispiel führen die Zwei-Wege-Katalysatoren, die einen Dieselpartikelfilter (DPF) und einen (Zwei-Wege)-Katalysator für harnstoffselektive katalytische Reduktion (DPF + U-SCR) aufweisen, sowohl eine NOX- als auch Partikelmaterial-(PM)-Reduktion durch, da der U-SCR einen Cu/Fe-Zeoliten-(SCR)-Washcoat auf einem Wandstromfilter besitzt. Mit Harnstoffinjektion können Zwei-Wege-Katalysatoren eine hohe NOX-Reduktion erreichen, während ebenfalls eine Partikelmaterialreduktion bereitgestellt wird. Jedoch neigt der U-SCR-Washcoat dazu, Wirkungsgrad zu verlieren, wenn sich zu viel Kohlenwasserstoff (HC) in dem Abgas befindet. Wenn eine Katalysatorkombination eines Mager-NOX-Katalysators 16 (HC-SCR) und eines Zwei-Wege-Katalysators 18 verwendet wird, befindet sich der Mager-NOX-Katalysator 16 stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators 18 und der Harnstoffinjektor für den Zwei-Wege-Katalysator 18 stromabwärts des Mager-NOX-Katalysators; jedoch können viele der oben beschriebenen Nachteile überwunden werden. Beispielsweise oxidiert der Mager-NOX-Katalysator 16 vorteilhaft das NO zu NO2, was bei der NOX-Reduktion unter Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 18 hilft. Ferner weisen gewisse fortgeschrittene Verbrennungsprozesse hohe Motorausgangs-HC-Niveaus auf. Die hohen HC-Niveaus können effektiv mit dieser Kombination von HC-SCR 16 und Zwei-Wege-Katalysatoren 18 verwendet werden, um NOX über den Mager-NOX-Katalysator zu reduzieren, während der Rest der HC zur Freisetzung von Wärmeenergie oxidiert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein abstimmbarer NOX-Umwandlungswirkungsgrad mit diesem System erreicht werden kann. Wenn nur etwa 20 bis etwa 50% NOX-Reduktion bei bestimmten Motorbetriebsregimen nötig sind, oder bei Konfiguration, die auch einen DOC 20 aufweisen, etwa 20 bis etwa 60% der NOX-Reduktion nötig sind, kann der HC-SCR-Katalysator 16 ohne Harnstoffinjektion für den Zwei-Wege-Katalysator 18 verwendet werden, wenn jedoch ein höherer Wirkungsgrad notwendig ist, kann der Zwei-Wege-Katalysator 18 durch Auslösen einer Harnstoffinjektion aktiv gemacht werden. Die Verwendung dieser Vorgehensweise kann einen Harnstoffverbrauch reduzieren und Harnstoffwiederauffüllintervalle erhöhen. Als ein weiterer Vorteil besteht das Potential zur Reduzierung von Abgassystemkosten in Bezug auf Edelmetallbeladung und Gesamtpackungsraum durch Verwendung des Mager-NOX-Katalysators 16 als die NOX-Reduktions-, NO-Oxidations- und HC-Reduktions-Vorrichtung und des Zwei-Wege-Katalysators 18 zur PM- und zusätzlichen NOX-Reduktion. Als ein noch weiterer Vorteil können sowohl eine aktive (unter Verwendung einer HC-Dosierung) als auch passive Mager-NOX-Behandlungsmethode auf Grundlage von Anforderungen an den NOX-Umwandlungswirkungsgrad und Motorausgangs-HC-Niveaus verwendet werden. Im normalen Betrieb ist, wenn ein Motorausgangs-HC hoch ist und eine NOX-Reduktionsanforderung niedrig ist, keine aktive Steuerung erforderlich. Dieses System führt die erforderliche NOX-Reduktion aus. Wenn die NOX-Reduktionsanforderung zunimmt, kann eine in dem Zylinder erfolgende HC-Injektion oder Injektion durch eine separate Dosiervorrichtung, wie eine Kraftstoffinjektion, ausgelöst werden, um das Verhältnis von Kohlenstoff zu NOX (C/N) zu erhöhen, um einen Mager-NOX-Reduktionswirkungsgrad zu steigern. Wenn eine noch weitere NOX-Reduktion gewünscht ist, kann die Harnstoffinjektion ausgelöst werden, um NOX zu N2 in dem Zwei-Wege-Katalysator 18 umzuwandeln. Auf diese Art und Weise kann ein breiter Bereich von NOX-Umwandlungswirkungsgraden erreicht werden, was mit einer dieser Technologien allein nicht möglich wäre. Auch kann ein Harnstoffverbrauch reduziert werden, da die Harnstoffinjektion nicht die gesamte Zeit erforderlich ist. Als ein noch weiterer Vorteil besteht die Möglichkeit, die Abgasbehandlungssystemkosten der Ausführungsformen zu reduzieren, die keinen HC-Injektor oder einen separaten Dieseloxidationskatalysator (DOC) erfordern.
  • Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente derselben ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher sei 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 (8)

  1. Abgasbehandlungssystem (10) für einen Dieselmotor (2), umfassend: einen HC-SCR-Katalysator (16) für kohlenwasserstoffselektive katalytische Reduktion, der zur Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor (2) zur Aufnahme einer Abgasströmung (8) davon konfiguriert ist, einen Zwei-Wege-Katalysator (18) in Fluidkommunikation mit dem HC-SCR-Katalysator (16) zur Aufnahme der Abgasströmung (8) davon, wobei der Zwei-Wege-Katalysator (18) einen Zwei-Wege-Katalysator (40) für harnstoffselektive katalytische Reduktion und einen Dieselpartikelfilter (38, DPF) umfasst, einer ersten Injektionsvorrichtung (24), die derart konfiguriert ist, dass sie ein Kohlenwasserstoff-, CO-, oder H2-Material oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) zwischen dem HC-SCR-Katalysator (16) und dem Motor (2) injiziert, einer zweiten Injektionsvorrichtung (28), die derart konfiguriert ist, dass sie Harnstoff oder Ammoniak oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) zwischen dem HC-SCR-Katalysator (16) und dem Zwei-Wege-Katalysator (18) injiziert, und einen Controller (6), der zur Steuerung des Betriebs des Motors (2) und der periodischen und selektiven Injektion des Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Materials oder einer Kombination daraus und der periodischen und selektiven Injektion des Harnstoffs oder Ammoniaks oder einer Kombination daraus und zur Bestimmung einer Menge an NOX in der Abgasströmung (8) konfiguriert ist.
  2. Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, ferner mit einem Dieseloxidationskatalysator (20), der zwischen dem Motor (2) und dem HC-SCR-Katalysator (16) angeordnet ist, um die Abgasströmung (8) von dem Motor (2) aufzunehmen und diese an den HC-SCR-Katalysator (16) zu kommunizieren.
  3. Verfahren zur Verwendung eines Abgasbehandlungssystems (10) nach Anspruch 1 oder 2,; umfassend, dass: der Motor (2) betrieben wird, um die Abgasströmung (8) zu erzeugen, und zumindest eines aus dem Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Material oder einer Kombination daraus oder dem Harnstoff oder Ammoniak oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung (8) unter Verwendung des Controllers (6) periodisch und selektiv injiziert wird, wobei die Abgasströmung (8) von dem Motor (2) einen ersten Volumenanteil NOX1 von NOX aufweist und die den Zwei-Wege-Katalysator (18) verlassende Abgasströmung (8) einen vorbestimmten zweiten Volumenanteil NOX2 von NOX aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das periodische und selektive Injizieren ein Injizieren des Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Materials oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung (8) umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der HC-SCR-Katalysator eine Reduktion des Volumenanteils NOX1 von NOX, die als ein dritter Volumenanteil NOX3 von NOX ausgedrückt ist, in der den HC-SCR-Katalysator (16) verlassenden Abgasströmung (8) bereitstellt, wobei 0,50NOX1 ≤ NOX3 ≤ 0,80NOX1.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das periodische und selektive Injizieren das Injizieren von Harnstoff oder Ammoniak oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung (8) umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Zwei-Wege-Katalysator (18) eine Reduktion des Volumenanteils NOX1 von NOX bereitstellt, die als ein vierter Volumenanteil NOX4 von NOX ausgedrückt wird, wobei 0,05NOX1 ≤ NOX4 ≤ 0,60NOX1.
  8. Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem, umfassend: einen Dieselmotor (2); und ein Abgasbehandlungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2.
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