DE102010023820B4

DE102010023820B4 - Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor, Verfahren zur Verwendung eines Abgasbehandlungssystems und Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102010023820B4
Application number: DE102010023820.1A
Authority: DE
Inventors: Rahul Mital; David B. Brown; Yongsheng He; Jong H. Lee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2030-06-16
Also published as: DE102010023820A1; US8635855B2; CN101979846A; US20100319320A1; CN101979846B

Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Dieselmotor (2), umfassend: einen Mager-Stickoxid-(NOX)-Fänger (16) in Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor (2) zum Aufnehmen einer Abgasströmung (8) davon; einen Zwei-Wege-Katalysator (18) in Fluidkommunikation mit dem Mager-Stickoxid-Fänger zur Aufnahme der Abgasströmung davon, wobei der Zwei-Wege-Katalysator einen Katalysator für hamstoffselektive katalytische Reduktion (40, U-SCR) und einen Dieselpartikelfilter (38, DPF) umfasst, eine erste Injektionsvorrichtung (22, 24), die derart ausgebildet ist, dass sie ein Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Material oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) zwischen dem Mager-NOX-Fänger (16) und dem Motor (2) injiziert, eine zweite Injektionsvorrichtung (22, 28), die derart konfiguriert ist, dass sie Harnstoff oder Ammoniak oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) zwischen dem Mager-NOX-Fänger (16) und dem Zwei-Wege-Katalysator (18) injiziert, und einen Controller (6), der derart konfiguriert ist, dass er den Betrieb des Motors (2) sowie die periodische und selektive Injektion des Kohlenwasserstoff-, CO- oder H2-Materials oder einer Kombination daraus und eine periodische und selektive Injektion des Harnstoffs oder Ammoniaks oder einer Kombination daraus steuert und eine Menge an NOX in der Abgasströmung (8) bestimmt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Abgasbehandlungssysteme und im Spezielleren auf ein Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor, ein Verfahren zur Verwendung eines Abgasbehandlungssystems und 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-NO_x mit sich; allerdings ist die wirtschaftliche Anwendung von mager arbeitenden Motoren wegen des Fehlens wirksamer Verfahren zum Entfernen der NO_x aus der Abgasströmung unter einer mageren Abgasbedingung begrenzt. Deshalb ist die effiziente Reduktion von Stickoxiden (NO_x = 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 NO_x-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 NO_x-Umwandlungswirkungsgrad von 70–90% bei dem FTP(Federal Test Procedure)-Zyklus auf der Basis von derzeit zu erwartenden Motoraustritts-NO_x-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 NO_x-Speicher-Reduktionskatalysator in Reihe mit einem stromabwärtigen Dieselpartikel-NO_x-Reduktionssystem und einem weiter stromabwärtigen Dieseloxidationskatalysator. Für solche Systeme wurde von einer angestrebten Leistung von 75–85% NO_x-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 NO_x-Reduktionsniveaus während eines Betriebes des Fahrzeuges problematisch, da die Komponenten, die regeneriert werden, ein stark reduziertes NO_x-Umwandlungsvermögen aufweisen werden.
Die US 2006/0179825 A1 offenbart integrierte NO_x- und Partikelreduktionseinrichtungen zur Behandlung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren, bei welchen in den Abgasstrom gesteuert über eine Ammoniakquelle Ammoniak zur Unterstützung einer NO_x-Reduktionsreaktion in einem spezifischen Reduktionskatalysator in den Abgasstrom eingebracht werden kann.
Demgemäß bleibt ein Bedarf an effektiven Abgasbehandlungssystemen und Verfahren zur Verwendung derselben, um NO_x in Abgasströmungen von Verbrennungsmotoren mit Magerverbrennung, insbesondere solchen, die in verschiedenen Fahrzeuganwendungen verwendet werden, selektiv weiter zu reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, bei einem Verfahren zur Verwendung eines Abgasbehandlungssystems erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 3 und bei einem Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor vorgesehen. Das Abgasbehandlungssystem umfasst einen Mager-Stickstoff-(NO_x)-Fänger (LNT) in Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor zur Aufnahme einer Abgasströmung davon. Das System umfasst auch einen Zwei-Wege-Katalysator in Fluidkommunikation mit dem LNT zu 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 LNT-Katalysator in Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor zur Aufnahme einer Abgasströmung davon; einen Zwei-Wege-Katalysator in Fluidkommunikation mit dem LNT 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 LNT 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 LNT 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 NO_x 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 NO_x1 an NO_x aufweist, und die aus dem Zwei-Wege-Katalysator austretende Abgasströmung einen vorbestimmten zweiten Volumenanteil NO_x2 von NO_x 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 LNT-Katalysator in Fluidkommunikation mit dem Dieselmotor zur Aufnahme einer Abgasströmung davon und einen Zwei-Wege-Katalysator in Fluidkommunikation mit dem LNT 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 NO_x, 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 Lebensdauer 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 Steuersystem 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 Betriebsregime) aufweisen, das überstöchiometrisch ist, 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 Partikeln umfassen. Das Abgasbehandlungssystem 10 ist wirksam, um gesetzlich geregelte Bestandteile wie etwa verschiedene Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) und Partikel (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 LNT-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 LNT-Katalysator 16 ist für eine fluidtechnische Verbindung mit dem Dieselmotor 2 ausgebildet und ist ausgebildet, um die Abgasströmung 8 daraus aufzunehmen. Der LNT-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 LNT-Katalysator 16 ausgebildet und ist ausgebildet, um die Abgasströmung 8 daraus aufzunehmen. Der Zwei-Wege-Katalysator 18 umfasst einen Katalysator, der auf 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 LNT-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 2–7 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 stromaufwärts des LNT-Katalysators 16, wie in den 2 und 4–7 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 LNT-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 LNT-Katalysator 16 die NO_x 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 LNT-Katalysator 16 oder möglicherweise auch in dem Zwei-Wege-Katalysator 18 zu unterstützen. Alternativ kann die HC-Dosiervorrichtung 24 stromabwärts 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 NO_x in dem LNT-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 1–7 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 NO_x-Sensor 32, der betrieben wird, um die Menge NO_x in der Abgasströmung 8 zu bestimmen, wenn sie aus dem Motor 2 austritt. Der NO_x-Sensor 32 umfasst bevorzugt einen Sensor, der betrieben wird, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Sensor umfassen, der betrieben wird, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NO_x-Konzentration in dem Abgaszustrom 8 korrelierbar ist. Alternativ kann die Abgaserfassungsvorrichtung 34 eine virtuelle Erfassungsvorrichtung umfassen, wobei die NO_x-Konzentration im Abgaszustrom auf der Basis von Motorbetriebsbedingungen bestimmt wird, was eine bekannte Technik darstellt. Die Abgaserfassungsvorrichtung 34 kann stromabwärts des ersten NO_x-Sensors 32 wie z. B. stromabwärts des Zwei-Wege-Katalysators 18 angeordnet sein, sodass die Menge NO_x, 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 LNT-Katalysator 16 angeordnet sein, um eine Betriebstemperatur des LNT-Katalysators 16 zu bestimmen. Ebenso kann ein Temperatursensor 36 zwischen dem LNT-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 2–7 steht der DOC 20 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Motor 12 und ist mit Bezugnahme auf die Abgasströmung 8 stromaufwärts von dem LNT-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 Metall- 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 Kohlenwasserstoffteilchen, die uriverbrannten/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, NO_x 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 Schwefeltioxid (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 LNT-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 stromaufwärts von dem LNT-Katalysator 16 zwischen dem Motor und dem LNT-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 1–7, ist der LNT-Katalysator 16 stromabwärts von dem Motor 2 (relativ weiter weg von dem Motor und weiter entlang des Abgasströmungspfades) und des DOC 2 (2–7), 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 LNT-Katalysator 16 umfasst einen keramischen Durchströmmonolithen mit einem Katalysator-Washcoat, der an den Wänden des Monolithen angeordnet ist. Der LNT-Katalysator 16 kann einen einzelnen keramischen Monolithen umfassen. Alternativ (nicht gezeigt) kann der LNT-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 LNT-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 LNT-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. Der Washcoat ist an den Zellenwänden des keramischen Durchflussmonolithen angeordnet. Der Washcoat umfasst einen Oxidationskatalysator, ein Adsorptionsmittel und einen Reduktionskatalysator, die an der porösen Matrix angeordnet sind. Der Washcoat kann irgendwo entlang der Zellenwände der Mehrzahl von Zellendurchgängen, entweder entlang der ganzen Länge oder nahe dem Einlass oder dem Auslass oder beiden angeordnet sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Washcoat entlang der ganzen Länge der Zellendurchgänge angeordnet. Der Washcoat umfasst eine poröse Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Oxidationskatalysators, eines Adsorptionsmittels und eines Reduktionskatalysators beschichtet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Oxidationskatalysator Pt oder Pd umfassen; das Adsorptionsmittel kann ein Oxid oder eine andere Verbindung von Ba, Ca, Sr, Mg, K, Na, Li, Cs, La oder Y oder eine Kombination daraus umfassen; und der Reduktionskatalysator kann Rh umfassen. Die poröse Matrix kann eine poröse Keramikmatrix, einschließlich verschiedener poröser Zeolithmatrizen aufweisen. Der keramische Wandstrommonolith kann aus einer beliebigen geeigneten Keramik einschließlich Cordierit oder Aluminiumoxid oder dergleichen bestehen.
Das Adsorptionsmittel ist das NOx-Speichermaterial des LNT-Katalysators 16. Das Adsorptionsmittel ist auf dem Washcoat angeordnet und kann sich auch in die Zellenwände hinein erstrecken. Unter Bedingungen, die magerer sind als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis und als magerer Zustand bezeichnet werden, wird NOx an dem Oxidationskatalysator oxidiert und durch Adsorption an dem Adsorptionsmittel, hauptsächlich in der Form eines Nitrats, gespeichert. 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 NOx aus dem NOx-Speichermaterial ausgetragen. NO wird mit dem HC und CO im Abgas zu Stickstoff reduziert, während die PM in dem DPF 40 mit dem so erzeugten Sauerstoff aktiven weiter oxidiert werden. Der LNT-Katalysator 16 ist ausgebildet, um eine Adsorption von NOx 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. Allgemein beginnt die katalytische Zerlegung von NOx in dem LNT-Katalysator 16 bei einer Betriebstemperatur von 356°F (180°C) stattzufinden, wobei eine stärker bevorzugte Betriebstemperatur für die NOx-Zerlegung in einem {LNT-Katalysator 16 mindestens etwa 392°F (200°C) beträgt und ein noch stärker bevorzugter Betriebstemperaturbereich des Zwei-Wege-Katalysators zwischen etwa 482°F (250°C) und etwa 842°F (450°C) liegt. Ähnlicherweise filtert der DPF 38 des Zwei-Wege-Katalysators 18 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.
NOX-Adsorbersysteme des LNT-Katalysators 16 umfassen ein NOX-Sorbtionsmittel. Die Speicherkomponenten in NOx-Adsorbern umfassen Erdalkalielemente und Alkalimetalle einschließlich Ba, Ca, Sr, Mg, K, Na, Li, Cs, La oder Y oder Kombinationen daraus, allgemein als Oxide oder andere Verbindungen dieser Elemente. Der Gesamtzyklus des NOx-Adsorberbetriebes kann durch die folgenden fünf Schritte beschrieben werden:
Der erste Schritt ist die Stickstoffmonoxidoxidation zu Stickstoffdioxid: NO + ½O₂ = NO₂ (6)
Der zweite Schritt ist die Adsorption der Stickoxide (NO₂ oder NO): BaO + NO₂ + ½O₂ = Ba(NO₃) (7)
Die Umwandlung schreitet mit der Reduktionsmittelentwicklung voran. Sobald die Abgasströmung 8 in einen HC-(z. B. Kraftstoff-)reichen Zustand geschaltet wurde, wird der Sauerstoffüberschuss durch reduzierende Spezies ersetzt, die Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Wasserstoff umfassen. Der dritte und der vierte Schritt sind die NOx-Freisetzung von den Nitrit- oder Nitratstellen: Ba(NO₃)₂ = BaO + 2NO + 1½O₂ (8) Ba(NO₃)₂ = BaO + 2NO₂ + ½O₂ (9)
Der fünfte Schritt ist die NOx-Reduktion zu Stickstoff, wobei einer der möglichen Reduktionswege lautet: NO + CO = ½N₂ + CO₂ (10)
Während des Betriebes unter fetten Bedingungen produziert der LNT-Katalysator 16 vorteilhafterweise auch Ammoniak. Einige der möglichen Reaktionsschritte umfassen: CH₄ + 1/2O₂ → CO + 2H₂ (11) CO + H₂O → CO₂ + H₂ (12) NO + (5/2)H₂ → NH₃ + H₂O (13)
Wenn die Abgasströmung 8 die Länge des LNT-Katalysators 16 durchquert, insbesondere die Strömungskanäle und die mit Washcoat beschichteten Zellenwände, katalysiert der Metallkatalysator der Platingruppe oder der Unedelmetall-Katalysator oder eine Kombination derselben verschiedene Reaktionen, wie hier beschrieben ist. Bei einer bestimmten Konfiguration ist der LNT-Katalysator 16 derart konfiguriert, dass er Stickoxid in der Abgasströmung 8 wie auch andere Oxidationsreaktionen ähnlich denen des DOC 20 (siehe Gleichungen 1–5) oxidiert. Dies ist auch vorteilhaft, da diese Umwandlung den Gesamt-NO_X-Umwandlungsprozess unterstützt, indem eine anschließende Reduktion zu Stickstoff durch den Zwei-Wege-Katalysator 18 ermöglicht wird, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reaktion in dem Abgasbehandlungssystem 10 existieren. Dies erfolgt unter Magerverbrennungsbedingungen, die relativ höhere O₂-Niveaus und geringere HC-Niveaus besitzen, wobei diese Bedingungen durch Verwendung des Steuersystems 4, das das ECM 6 enthält, beeinflusst werden können. In dieser selben Konfiguration kann der LNT-Katalysator 16 auch dazu verwendet werden, NO_X in der Abgasströmung 8 zu Stickstoff zu reduzieren, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reduktionsreaktion innerhalb eines Abgasbehandlungssystems 10 existieren, wie bei Bedingungen mit relativ höheren Motorausgangs-HC-Niveaus, bei denen das O₂, das die beschriebene Oxidation anderweitig unterstützen würde, verbraucht worden ist. Diese Reduktionsreaktion kann auch auftreten, wenn relativ höhere HC-Niveaus durch die Direktinjektion von HC stromaufwärts des LNT-Katalysators 16 unter Verwendung der Konfiguration der 2–7 erhalten werden, wobei diese Bedingungen unter Verwendung des Steuersystems 4, das das ECM 6 enthält, beeinflusst werden können.
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 Anzahl einzelner Abgaskomponenten. Das System 10 des Zwei-Wege-Katalysators 18, einschließlich des DPF 38 und des U-SCR 40, ist ausgebildet, 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 PM 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 PM-Partikel findet in der Gegenwart von NOx über den Temperaturbereich zwischen etwa 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 des Zwei-Wege-Katalysators 18 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 Keramik 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 LNT-Katalysators 16 gebildet und bewegt sich stromabwärts zu dem Zwei-Wege-Katalysator 18. In dieser Konfiguration werden auf Grund des in dem LNT-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 (14)

NO_x-Reduktionsreaktionen im Zwei-Wege-Katalysator 18:

6NO + 4NH₃ → 5N₂ + 6H₂O (15)
4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O (16)
6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O (17)
2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O (18)
NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O (19)

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. 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 Strömungsgeschwindigkeit 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 NO_X-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 Zeolitmatrix, 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 NO_X-Umwandlungskapazität des Systems 10 durch Harnstoffinjektion ohne Erhöhung der Größe und Kapazität des Zwei-Wege-Katalysators 18 zu steigern, wie beispielsweise, wenn ein Zwei-Wege-Katalysator 18 mit Standardgröße verwendet 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 NO_X-Umwandlungskapazität für das System 10 vor. Diese Konfiguration kann vorteilhaft sein, wenn es erwünscht ist, die NO_X-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 LNT-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 ein Einbau 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 LNT-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 LNT-Katalysator 16 eintritt. Das Hinzufügen von Wärme zu dem Zwei-Wege-Katalysator 18 verbessert seinen Umwandlungswirkungsgrad. Somit stellt die Anordnung des LNT-Katalysators 16 stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 18 eine effizientere Konfiguration des Abgasbehandlungssystems 10 bereit.
Die in den 1–7 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 LNT-Katalysator 16 oder dem Zwei-Wege 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 70% gewünscht ist, kann der LNT-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 LNT-Katalysator 16 verwendet werden, um Stickoxide zu etwa 20% bis 85% 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 LNT-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 NO_x-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 NO_x-Umwandlung im LNT-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 NO_x (NO_x1) aufweist und die aus dem Zwei-Wege-Katalysator 18 austretende Abgasströmung einen zweiten Volumenanteil von NO_x (NO_x2) aufweist, wobei NO_x2 ≤ 0,1NO_x1 ist. Anders ausgedrückt ist das System für einen Umwandlungswirkungsgrad von NO_x von mindestens 90% ausgebildet. In einer Konfiguration, die den LNT-Katalysator 16 und eine periodische und selektive Injektion eines Kohlenwasserstoff-, CO- oder H₂-Materials oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung 8 stromaufwärts des LNT-Katalysators 16 verwendet, stellt der LNT-Katalysator 16 eine Reduktion des Volumenanteils von NO_x1, ausgedrückt als dritter Volumenanteil von NO_x1 (NO_x3), in der aus dem LNT-Katalysator 16 austretenden Abgasströmung bereit, wobei 0,30NO_x1 ≤ NO_x3 ≤ 0,80NO_x1 ist oder ein Umwandlungswirkungsgrad etwa 20% bis 70% ist.
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 NO_x1, ausgedrückt als vierter Volumenanteil von NO_x1 (NO_x4), in der aus dem Zwei-Wege-Katalysator 18 austretenden Abgasströmung bereit, wobei 0,05NO_x1 ≤ NO_x4 ≤ 0,60NO_x1 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 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, LNT-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 NO_x1 mithilfe des ersten NOx-Sensors 32 und NO_x2 mithilfe eines Abgassensors 34, z. B. eines zweiten NOx-Sensors bestimmen, um die aktuelle NOx-Reduktion zu bestimmen. Wenn der Wert von NO_x2 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 NO_x2 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 LNT-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 eine Anzahl von Merkmalen und Vorteile. Erstens ist gemäß den beispielhaften Ausführungsformen ein Abgasbehandlungssystem 10 zur Reduzierung von NO_X-Emissionen offenbart, das das Verständnis existierender Technologien zur NO_x-Reduktion zur Entwicklung synergetischer Kombinationen verwendet, die eine verbesserte NO_X-Reduktion und Steuerung gegenüber jeder der Technologien bereitstellt, wenn sie einzeln verwendet würden. Die LNT-Katalysatoren allein tendieren zu schmaleren Betriebstemperaturbereichen, die zur NO_X-Um wandlung bei relativ geringen Betriebstemperaturen des Abgasbehandlungssystems 10 nützlich sind, während Zwei-Wege-Katalysatoren, die einen U-SCR verwenden, bei relativ höheren Abgassystembetriebstemperaturen nützlich sind, jedoch dazu tendieren, gegenüber einer HC-Vergiftung anfällig zu sein. Als ein Beispiel führen Zwei-Wege-Katalysatoren, die einen Dieselpartikelfilter (DPF) und einen (Zweiwege)-Katalysator für Harnstoff-selektive katalytische Reduktion (DPF + U-SCR) aufweisen, beide eine NO_X und Partikelmaterial-(PM)-Reduktion durch, da der U-SCR einen Cu/Fe-Zeolit(SCR)-Washcoat auf einem Wandstromfilter besitzt. Mit einer Harnstoffinjektion können die Zwei-Wege-Katalysatoren eine hohe NO_X-Reduktion erreichen, während auch eine Partikelmaterialreduktion bereitgestellt wird. Während der U-SCR-Washcoat des Zwei-Wege-Katalysators nützlich ist, neigt er dazu, Wirkungsgrad zu verlieren, wenn sich zu viel Kohlenwasserstoff (HC) in dem Abgas befindet. Dieser Mangel wird überwunden; wenn jedoch eine Katalysatorkombination eines Mager-NO_X-Fänger-Katalysators 16 (LNT) und eines Zwei-Wege-Katalysators 18 verwendet ist, befindet sich der Mager-NO_X-Katalysator 16 stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators 18 und der Harnstoffinjektor für den Zwei-Wege-Katalysator 18 stromabwärts des Mager-NO_X-Katalysators 16. Beispielhaft oxidiert der Mager-NO_X-Katalysator 16 vorteilhafterweise das NO zu NO₂, was die NO_X-Reduktion unter Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 18 unterstützt. Ferner besitzen gewisse fortgeschrittene Verbrennungsprozesse höhere Motorausgangs-HC-Niveaus. Die höheren HC-Niveaus können effektiv mit dieser Kombination des LNT-Katalysators 16 und der Zweiwege-Katalysatoren 18 verwendet werden, um NO_X über den Mager-NO_X-Katalysator zu reduzieren, während der Rest der HC zur Freisetzung von Wärmeenergie oxidiert wird.
Ausführungsformen, die den DOC 20 umfassen, oxidieren NO zu NO₂, was das Abfangen oder Speichern und die anschließende Reduktion von NO_X unter Verwendung des LNT-Katalysators 16 und des Zwei-Wege-Katalysators 18 vorteilhafterweise steigert und den Gesamt-NO_X-Umwandlungswirkungsgrad des Systems erhöht.
Die hierin beschriebene fortgeschrittene Verbrennung wird, entweder infolge einer Steuerung des Verbrennungsprozesses, um hohe Motoraustritts-HC-Niveaus zu produzieren, oder infolge einer direkten Injektion eines Kohlenwasserstoffes, CO oder H₂ oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung 8, hohe HC-Niveaus verwenden. Die hohen HC-Niveaus können in dem LNT-Katalysator 16 und in Ausführungsformen wirkungsvoll und vorteilhaft oxidiert werden, die einen DOC 20 in der Kombination aus dem DOC 20 und einem LNT-Katalysator 16 umfassen, um eine Kohlenwasserstoff-Vergiftung des Zwei-Wege-Katalysators 18 und Auspuff-HC-Emissionen zu minimieren.
Es kann auch ein abstimmbarer NOx-Umwandlungswirkungsgrad mit diesem System vorteilhaft erzielt werden. Wenn z. B. ein NOx-Umwandlungswirkungsgrad von etwa 20% bis etwa 70% erwünscht ist, kann der LNT-Katalysator 16 zur NOx-Reduktion verwendet werden. Wenn ein höherer (z. B. mehr als etwa 20 bis etwa 70%) NOx-Umwandlungswirkungsgrad erwünscht ist, kann die begrenzte Fähigkeit des kombinierten DOC 20/LNT-Katalysators 16 verwendet werden, um eine zusätzliche NOx-Reduktion von etwa 10 bis etwa 15% oder insgesamt von bis zu etwa 80% bis etwa 85% zu erzielen, und jede zusätzlich NOx-Umwandlung, die benötigt wird, kann mithilfe des Zwei-Wege-Katalysators 18 durch Injizieren von Harnstoff erzielt werden. Während Perioden mit geringer NO_x-Umwandlungsanforderung (z. B. wenn eine Umwandlung von weniger als 50% gefordert ist) kann der LNT allein verwendet werden, indem abwechselnd magere und fette Betriebsbedingungen bereitgestellt werden, entweder durch Steuerung des Betriebs des Motors 10 oder durch Dosieren von HS, wie hier beschreiben ist.
Mithilfe dieses Ansatzes kann ein Betriebsmodus des Abgasbehandlungssystems, der danach trachtet, die NOx-Umwandlung des LNT-Katalysators 16 (und des DOC 20 in Ausführungsformen, in denen er verwendet wird) zu maximieren, verwendet werden, um den Harnstoffverbrauch vorteilhaft zu reduzieren und im Spezielleren den Verbrauch von Harnstoff zu minimieren und dadurch die Intervalle des Harnstoffauffüllens zu erhöhen.
Selbst bei einem Betrieb wie oben beschrieben unter Verwendung eines Modus, in dem der LNT-Katalysator 16 für einen Großteil der NOx-Umwandlung oder sogar den größten Teil der NOx-Umwandlung verwendet wird, kann die Haltbarkeit des LNT-Katalysators 16 vorteilhaft verbessert werden, da das System, um die Abhängigkeit von dem LNT 16 durch die Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 18 zu reduzieren, periodisch und automatisch umgeschaltet werden kann, um die NOx-Umwandlungslast auszugleichen, sodass der LNT-Katalysator 16 nicht die ganze Zeit verwendet wird oder nicht bei seinem höchsten NOx-Umwandlungswirkungsgrad arbeiten muss. Das Ausgleichen der NOx-Umwandlungslast zwischen dem LNT-Katalysator 16 und dem Zwei-Wege-Katalysator 18 kann auch verwendet werden, um die für den LNT-Katalysator 16 erforderlichen Schwefelregenerationszyklen zu reduzieren. Auch wird durch Kombination der beiden Technologien die Verwendung von LNT-Katalysatoren, die gut bekannte NOX-Reduktionstechnologien darstellen, jedoch aufgrund von Haltbarkeitsproblemen in Verbindung mit einem reduzierten Umwandlungswirkungsgrad als eine Funktion zunehmender Schwefelregenerationszyklen keinen breiten Einsatz gefunden haben, ermöglicht, da die Zwei-Wege-Katalysatoren dazu verwendet werden können, die Anzahl erforderlicher LNT-Katalysatorregenerationszyklen zu reduzieren, und auch als eine Sicherung in dem Fall einer Reduktion des Umwandlungswirkungsgrades oder eines Ausfalls der LNT-Katalysatoren vorhanden sind.
Durch Anordnen des Zwei-Wege-Katalysators 18 stromabwärts des LNT-Katalysators 16 kann eine NOx-Reduktion bei niedrigen Abgastemperaturen mithilfe des LNT-Katalysators 16 erzielt werden, und in Ausführungsformen, die einen DOC 16 verwenden, können sowohl der DOC 20 als auch der LNT-Katalysator 16 zu der Oxidation von NO zu NO₂ beitragen, wenn der Zwei-Wege-Katalysator 18 die primäre NO_x-Reduktion bereitstellt. Auch wird jegliches während dieses Prozesses erzeugte NH3 vorteilhaft durch den SCR stromabwärts verwendet, um weiter NO_X zu reduzieren.
Während der Regeneration des DPF 38 und Oxidation von eingefangenem PM werden die Abgastemperaturen zu hoch für einen effektiven Betrieb des LNT-Katalysators 16 sein, aber eine NO_x-Reduktion über eine Harnstoffinjektion ist vorteilhafterweise weiterhin möglich, wodurch Verbesserungen der NO_x-Steuerung während des Regenerationszyklus des DPF 38 zugelassen sind.
Unter hohen Motordrehzahl- und -lastbedingungen kann die hohe Temperatur der Abgasströmung 8 mit den zugehörigen hohen Niveaus an NO_x die Kapazität des LNT-Katalysators 16 (oder des DOC 20 und des LNT-Katalysators 16) überschreiten, um den gewünschten NO_x-Umwandlungswirkungsgrad zu erzielen. Unter solchen Bedingungen werden vorteilhaft ein/e hohe/r NO_x-Umwandlungswirkungsgrad und -Steuerung mithilfe des Zwei-Wege-Katalysators 18 und der Harnstoffinjektion weiterhin möglich sein.
Es existiert auch die Möglichkeit, die Abgassystemkosten in Bezug auf die Edelmetallbeladung und den Gesamtpackaging durch Verwendung des LNT-Katalysators 16 als die NO_X-Reduktions-, NO-Oxidations- und HC-Reduktionsvorrichtung und des Zwei-Wege-Katalysators 18 zur PM- und zusätzlichen NO_X-Reduktion vorteilhafterweise zu reduzieren.
Sowohl aktive (unter Verwendung einer HC-Dosierung) als auch passive Mager-NO_X-Behandlungsmethoden können vorteilhafterweise auf Grundlage von Anforderungen des NO_X-Umwandlungswirkungsgrades und von Motorausgangs-HC-Niveaus verwendet werden. Im Normalbetrieb, wenn die Motorausgangs-HC hoch sind und die NO_X-Reduktionsanforderung gering ist, ist keine aktive Steuerung notwendig. Dieses System führt die erforderliche NO_X-Reduktion durch Abfangen von NO_X in dem LNT 16 aus. Die Kombination des DOC 20 und des LNT 16 sieht auch eine Reduktion von etwa 10–15% im NO_X aufgrund deren Funktionsweise als ein Katalysator für Kohlenwasserstoff-selektive katalytische Reduktion (HC-SCR) vor, d. h. die Oxidation von NO zu NO₂ durch den Katalysator der Pt-Gruppe von sowohl DOC 20 als auch LNT 16 und der Reduktion von einigem der NO₂ über den Rh-Reduktionskatalysator des LNT 16. Wenn der Fänger voll wird oder die NO_X-Reduktionsanforderung steigt, kann eine in dem Zylinder erfolgende HC-Injektion oder eine Injektion durch eine separate Dosiervorrichtung, wie eine Kraftstoffinjektion, ausgelöst werden, um eine Reduktion des abgefangenen NO_X zu unterstützen. Wenn eine noch weitere NO_X-Reduktion erwünscht ist, kann eine Harnstoffinjektion ausgelöst werden, um NO_X zu N₂ in dem Zwei-Wege-Katalysator 18 umzuwandeln. Auf diese Art und Weise kann ein breiter Bereich von NO_X-Umwandlungswirkungsgraden erreicht werden, was mit einer einzelnen dieser Technologien nicht möglich wäre. Auch kann der Harnstoffverbrauch reduziert werden, da die Harnstoffinjektion nicht die ganze Zeit benötigt wird. Als ein noch weiterer Vorteil besteht die Möglichkeit, die Kosten des Abgasbehandlungssystems bei 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

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Dieselmotor (2), umfassend: einen Mager-Stickoxid-(NO_X)-Fänger (16) in Fluidkommunikation mit einem Dieselmotor (2) zum Aufnehmen einer Abgasströmung (8) davon; einen Zwei-Wege-Katalysator (18) in Fluidkommunikation mit dem Mager-Stickoxid-Fänger zur Aufnahme der Abgasströmung davon, wobei der Zwei-Wege-Katalysator einen Katalysator für hamstoffselektive katalytische Reduktion (40, U-SCR) und einen Dieselpartikelfilter (38, DPF) umfasst, eine erste Injektionsvorrichtung (22, 24), die derart ausgebildet ist, dass sie ein Kohlenwasserstoff-, CO- oder H₂-Material oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) zwischen dem Mager-NO_X-Fänger (16) und dem Motor (2) injiziert, eine zweite Injektionsvorrichtung (22, 28), die derart konfiguriert ist, dass sie Harnstoff oder Ammoniak oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) zwischen dem Mager-NO_X-Fänger (16) und dem Zwei-Wege-Katalysator (18) injiziert, und einen Controller (6), der derart konfiguriert ist, dass er den Betrieb des Motors (2) sowie die periodische und selektive Injektion des Kohlenwasserstoff-, CO- oder H₂-Materials oder einer Kombination daraus und eine periodische und selektive Injektion des Harnstoffs oder Ammoniaks oder einer Kombination daraus steuert und eine Menge an NO_X in der Abgasströmung (8) bestimmt.
Abgasbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, ferner mit einem Dieseloxidationskatalysator (DOC, 20), der zwischen dem Motor (2) und dem Mager-NO_X-Fänger (16) angeordnet ist, zur Aufnahme der Abgasströmung (8) von dem Motor (2) und zur Kommunikation derselben an den Mager-NO_X-Fänger (16).
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 des Kohlenwasserstoff-, CO- oder H₂-Materials oder einer Kombination daraus oder des Harnstoffs oder Ammoniaks 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 NO_X1 von NO_X besitzt und die den Zwei-Wege-Katalysator (18) verlassende Abgasströmung (8) einen vorbestimmten zweiten Volumenanteil NO_X2 von NO_X besitzt, der kleiner als NO_X1 ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das periodische und selektive Injizieren umfasst, dass das Kohlenwasserstoff-, CO- oder H₂-Material oder eine Kombination daraus in die Abgasströmung (8) injiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Mager-Stickoxid-Fänger (16) eine Volumenanteilsreduktion von NO_X1 bereitstellt, die als ein dritter Volumenanteil NO_X3 von NO_X in der den Mager-NO_X-Fänger (16) verlassenden Abgasströmung (8) ausgedrückt wird, wobei 0,10NO_X1 ≤ NO_X3 ≤ 0,60NO_X1.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das periodische und selektive Injizieren ein Injizieren des Harnstoffs oder Ammoniaks oder einer Kombination daraus in die Abgasströmung (8) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Zwei-Wege-Katalysator (18) eine Volumenanteilsreduktion von NO_X bereitstellt, die als ein vierter Volumenanteil NO_X4 von NO_X ausgedrückt wird, wobei 0,10NO_X1 ≤ NO_X4 ≤ 0,60NO_X1.
Dieselmotor- und Abgasbehandlungssystem, umfassend: einen Dieselmotor (2); ein Abgasbehandlungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2.