DE102010024702A1

DE102010024702A1 - Abgasnachbehandlungssystem mit selektiver katalytischer Reduktion und dieses enthaltender Motor

Info

Publication number: DE102010024702A1
Application number: DE102010024702A
Authority: DE
Inventors: Rahul Rochester Hills Mital; Jianwen West Bloomfield Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-02-10
Also published as: CN101936203A; US20100326059A1

Abstract

Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasnachbehandlungssystem offenbart. Das System umfasst einen Oxidationskatalysator (OC), der zur Aufnahme einer Abgasströmung von einem Motor konfiguriert ist. Das System umfasst auch einen nicht beschichteten Partikelfilter (PF), der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem OC konfiguriert ist. Das System umfasst ferner auch eine Abgasfluid-(EF)-Dosiervorrichtung, die zum Dosieren eines EF in die Abgasströmung stromaufwärts des nicht beschichteten PF konfiguriert ist. Noch weiter weist das System einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) auf, der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem nicht beschichteten PF konfiguriert ist, wobei der OC, der nicht beschichtete PF und der SCR-Katalysator ein Abgasnachbehandlungssystem umfassen. Ein Harnstoffinjektor kann als die EF-Dosiervorrichtung vorgesehen und derart angeordnet sein, dass sie Harnstoff beispielsweise in die Abgase stromaufwärts des nicht beschichteten PF injiziert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/220,667, die am 26. Juni 2009 eingereicht wurde und hierdurch durch Bezugnahme hier in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stehen mit Abgasbehandlungssystemen und insbesondere einem Abgasbehandlungssystem für Verbrennungsmotoren mit Magerverbrennung und Fahrzeugen, die diese enthalten, in Verbindung.
HINTERGRUND
Hersteller von Verbrennungsmotoren müssen Kundenbedürfnissen gerecht werden und verschiedene gesetzliche Regelungen für reduzierte Emissionen und eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit erfüllen. Ein Beispiel eines Weges der Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit besteht darin, einen Motor bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu betreiben, das überstöchiometrisch (Sauerstoffüberschuss) ist. Beispiele von Magerverbrennungsmotoren umfassen Kompressionszündungs-(Diesel-) und mager verbrennende Fremdzündungsmotoren. Jedoch besteht, während ein Magerverbrennungsmotor eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit besitzt, die Tendenz, dass dieser höhere Emissionen an Stickoxiden (NO_x) besitzt. Die kommerzielle Anwendung von Magerverbrennungsmotoren ist aufgrund des Fehlens wirksamer Verfahren zur ausreichenden Entfernung von NO_x von dem mageren Abgasstrom, bevor dieser das Auspuffrohr verlässt, zur Einhaltung gesetzlicher Regelungen beschränkt. Deshalb ist die effiziente Reduktion von NO_x von Magerverbrennungs-Benzin- und Dieselabgas, bevor es das Auspuffrohr verlässt, wichtig, um zukünftigen Emissionsstandards gerecht zu werden und die Fahrzeug-Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern.
Die Reduktion von NO_x-Emissionen aus einem Abgasstrom, der einen Sauerstoffüberschuss enthält, stellt eine Herausforderung für Fahrzeughersteller dar. Man schätzt, dass die Konformität mit dem Bin 5 Regulations in den Vereinigten Staaten ein Nachbehandlungssystem für Diesel- und Benzinmotoren erfordern kann, das 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. Ein derartiger Umwandlungswirkungsgrad muss bei einer Vielzahl von Betriebstemperaturen im Bereich zwischen 200 bis 550°C während verschiedener Teile des vorher erwähnten FTP-Zyklus oder beispielsweise der US06 Federal Test Procedure erhalten werden.
Es sind verschiedene mögliche Nachbehandlungssysteme für Fahrzeuganwendungen vorgeschlagen worden. Diese Systeme verwenden verschiedene Abgasnachbehandlungsvorrichtungen. Ein derartiges Nachbehandlungssystem verwendet einen Katalysator für harnstoffselektive Katalysatorreduktion (SCR) und ein NO_x-Reduktionsmittel, beispielsweise Harnstoff, das stromaufwärts des Katalysators injiziert und in Ammoniak umgewandelt wird, das dazu verwendet wird, NO_x zu N₂ zu reduzieren. Die Verwendung von Harnstoff als ein Reduktionsmittel erfordert eine Harnstoffverteilungsinfrastruktur und ein am Fahrzeug befindliches Überwachungssystem für dieses sekundäre Fluid und kann bei Kaltwetterklima aufgrund des relativ hohen Gefrierpunktes (–12°C) der Harnstofflösung potentielle Probleme besitzen. NO_x-Speicherkatalysatoren erfordern typischerweise große Katalysatorvolumen, große Mengen an Metallen der Platingruppe sowie einen Kraftstoff mit wenig Schwefel für einen effizienten Speicherbetrieb. Derartige Systeme erfordern eine periodische Katalysatorregeneration, die eine Kraftstoffinjektion oder Injektion von Reduktionsmitteln zur Regeneration des Speichermaterials des Katalysators betrifft.
Während Systeme, die SCR-Katalysatoren verwenden, zur NO_x-Reduktion in Strömen der Abgasströmung mit Sauerstoffüberschuss verwendet worden sind, ist das Packen der verschiedenen Katalysatoren insbesondere in relativ kleineren Fahrzeugen mit relativ kürzeren Radabständen aufgrund des reduzierten Raumes, der verfügbar ist, um die gewünschten Kombinationen von Katalysatoren zu packen, problematisch geworden. Beispielsweise ist es bei einigen der kleineren Schwerlast-Fahrzeuge erwünscht, den SCR zuletzt zu packen, wo er am weitesten von dem Motor entfernt ist und die Betriebstemperaturen des Abgassystems am geringsten sind, um eine thermische Schädigung der SCR-Katalysatormaterialien zu minimieren und dadurch die Betriebslebensdauer des SCR-Katalysators zu maximieren. Während diese Anordnung erwünscht ist, existiert allgemein nicht ausreichend Raum, um den SCR zuletzt zu packen, während auch die notwendigen Mischlänge zur Umwandlung des injizierten Harnstoffs in Ammoniak bereitgestellt wird, insbesondere, wenn das System auch eine oder mehrere zusätzliche Abgasbehandlungsvorrichtungen für die Reduktion von NO_x oder Oxidation oder Reduktion anderer Abgasbestandteile, einschließlich Kohlenmonoxid (CO), verschiedener Kohlenwasserstoffe (HC), Partikelmaterial (PM) und dergleichen, verwendet.
Demgemäß besteht ein Bedarf, Abgasnachbehandlungssysteme zu entwickeln, die die nötige NO_x-Umwandlung unter Sauerstoffüberschuss-(Magerverbrennungs-)Bedingungen unter Verwendung eines SCR-Katalysators bereitstellen, und die an Fahrzeugen mit relativ kurzen Radabständen und kleinräumigen Ummantelungen gepackt werden können. Es besteht auch ein Bedarf, den SCR zuletzt anzuordnen, während auch andere Abgasbehandlungsvorrichtungen in dem an dem Fahrzeug verfügbaren Raum enthalten sind, während der notwendige Wirkungsgrad der NO_x-Reduktion bereitgestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasnachbehandlungssystem offenbart. Das System umfasst einen Oxidationskatalysator (OC), der zur Aufnahme einer Abgasströmung von einem Motor konfiguriert ist. Das System weist auch einen nicht beschichteten Partikelfilter (PF) auf, der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem OC konfiguriert ist. Das System weist auch ferner eine Abgasfluid-(EF)-Dosiervorrichtung auf, die zum Dosieren eines EF in die Abgasströmung stromaufwärts des nicht beschichteten PF konfiguriert ist. Ferner weist das System einen SCR-Katalysator auf, der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem Pf konfiguriert ist, wobei der OC, der nicht beschichtete PF, die EF-Dosiervorrichtung und der SCR-Katalysator ein Abgasnachbehandlungssystem umfassen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ein Verbrennungsmotor und ein Abgasnachbehandlungssystem offenbart. Der Verbrennungsmotor weist ein Abgasnachbehandlungssystem auf. Das Abgasnachbehandlungssystem weist einen OC auf, der zur Aufnahme einer Abgasströmung von dem Motor konfiguriert ist. Das Abgasnachbehandlungssystem weist auch einen nicht beschichteten PF auf, der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem OC konfiguriert ist. Das System weist auch ferner eine Abgasfluid-(EF)-Dosiervorrichtung auf, die zum Dosieren eines EF in die Abgasströmung stromaufwärts des nicht beschichteten PF konfiguriert ist. Noch weiter weist das System auch einen SCR-Katalysator auf, der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem PF konfiguriert ist, wobei der OC, der nicht beschichtete PF, die EF-Dosiervorrichtung und der SCR-Katalysator ein Abgasnachbehandlungssystem umfassen.
Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Abgasnachbehandlungssystems offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein OC bereitgestellt wird, der zur Aufnahme einer Abgasströmung von einem Motor konfiguriert ist. Das Verfahren weist auch auf, dass ein nicht beschichteter PF fluidtechnisch mit dem OC zur Aufnahme der Abgasströmung von dem OC verbunden wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine EF-Dosiervorrichtung stromaufwärts des PF zum Dosieren eines EF in die Abgasströmung fluidtechnisch verbunden wird. Ferner umfasst das Verfahren, dass ein SCR-Katalysator zur Aufnahme der Abgasströmung von dem PF fluidtechnisch verbunden wird, wobei der OC, die EF-Dosiervorrichtung, der PF und der SCR-Katalysator ein Abgasnachbehandlungssystem umfassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen offensichtlich, wobei die Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Verbrennungsmotors und eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist; und;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Beispielhaften Ausführungsform eines Verbrennungsmotors und eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun Bezug nehmend auf die 1 und 2 zeigen schematische Schaubilder beispielhafte Ausführungsformen eines Verbrennungsmotors 10, der zur Verwendung bei vielen Typen von Motorfahrzeugen 1, wie Autos, Kleinlastern, Marinefahrzeugen, Geländewagen und dergleichen, wie auch zahlreiche fest installierte Anwendungen besonders geeignet ist, wie Generatoren, Pumpen und dergleichen. Der Motor 10 weist ein Abgasnachbehandlungssystem 2 auf, das eine Mehrzahl von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen aufweist. Diese beispielhaften Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems 2 umfassen einen OC 14, wie einen Dieseloxidationskatalysator, der dazu verwendet wird, bestimmte Bestandteile der Abgasströmung 4 zu oxidieren. Der OC 14 ist stromaufwärts des PF 26, wie einem Dieselpartikelfilter (DPF), angeordnet, der dazu verwendet wird, um PM von der Abgasströmung 4 zu filtern. Der OC 14 kann auch zur Regeneration des PF 26 durch Erzeugung von Wärme zur Oxidation des PM verwendet werden, wie hier beschrieben ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 2 weist auch einen Katalysator 28 für harnstoffselektive Katalysatorreduktion (SCR) auf, der stromabwärts eines nicht beschichteten PF 26 angeordnet ist. Optional dazu kann das System 2 auch einen zweiten OC 40 stromabwärts des SCR-Katalysators 28 aufweisen, um jegliche verbleibende HC zu oxidieren und die Wahrscheinlichkeit eines HC, Ammoniak- oder CO-Schlupfs durch das System, d. h. eines Durchgangs durch das System ohne Umwandlung, zu reduzieren. Der physikalische Abstand des OC 14 und des SCR-Katalysators 28 durch den nicht beschichteten PF 26 sieht eine größere Distanz vor, über die der Harnstoff verdampfen und sich mischen und durch Thermolyse- und Hydrolysereaktionen in Ammoniak umgewandelt werden kann, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad des Harnstoffs verbessert und eine ausreichende Möglichkeit für ein Auftreten dieser Reaktion bereitgestellt wird, wodurch das NO_x-Umwandlungsvermögen des SCR-Katalysators 28 gesteigert wird. Die aus den Oxidationsreaktionen in dem OC 14 resultierende Wärme unterstützt ferner eine Harnstoffumwandlung. Die Anordnung des OC 14 gerade stromaufwärts des PF 26 erhöht den Wirkungsgrad des Gebrauchs von nachinjiziertem Kraftstoff, da der nachinjizierte Kraftstoff nur zur Erzeugung von Wärme verwendet wird, und diese Anordnung bringt den OC 14 in nächste Nähe zu dem PF 26, wodurch Wärmeverluste aus dem Kraftstoffgebrauch reduziert werden und der Wirkungsgrad des PF 26 wie auch des Motors 10 oder Fahrzeugs 1 oder von beiden in Fällen erhöht wird, in denen der Kraftstoff von dem Fahrzeugkraftstofftank gezogen wird.
Das Abgasnachbehandlungssystem 2 kann mit einem beliebigen Verbrennungsmotor und Motorsteuersystem 3 verwendet werden. Ein beispielhafter Motor 10 und ein beispielhaftes Steuersystem 3 weisen einen herkömmlichen diesel-, benzin- oder erdgasbetriebenen Vier-Takt-Verbrennungsmotor sowie ein elektronisches Motorsteuermodul (ECM) 5 auf. Der Motor 10 kann einen Kompressionszündungs- oder Dieselmotor mit einem Betriebsregime aufweisen, so dass er hauptsächlich ein Magerverbrennungsmotor ist und mit einem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, bei dem die Menge an Kraftstoff geringer oder magerer als die für die Verbrennung erforderliche stöchiometrische Menge ist, oder von einer anderen Perspektive, wo der Sauerstoff die stöchiometrische Menge überschreitet. Alternativ dazu kann der Motor 10 einen Motor aufweisen, der eine einer Anzahl von Motorsteuerstrategien verwendet, die überstöchiometrisch arbeiten, z. B. Motoren mit homogener Kompressionszündung sowie Magerverbrennungs-Fremdzündungsmotoren. Der Motor 10 weist einen oder mehrere Hubkolben auf, die an einer Kurbelwelle befestigt sind, die funktionell an einem Antriebsstrang oder Leistungsstrang eines Fahrzeugs 1 angebracht ist, um Traktionsmoment an den Antriebsstrang zu liefern. Während des Betriebs erzeugen Verbrennungsprozesse in dem Motor 10 eine/n Abgaszustrom oder -strömung, der/die sich in der durch Pfeil 4 gezeigten Richtung bewegt und gesetzlich geregelte Bestandteile, wie Verbrennungsnebenprodukte, enthält, und die durch das Nachbehandlungssystem vor Freisetzung von dem System 2, wie beispielsweise an eine externe Umgebung, umgewandelt werden müssen. Die Bestandteile der Abgasströmung 4, die durch den Motor 10 unter Magerverbrennungsbedingungen erzeugt werden, enthalten unter anderem HC, CO, NO_x und PM.
Das Abgasnachbehandlungssystem 2 stellt ein integriertes System dar, das dazu bestimmt ist, die gesetzlich geregelten Bestandteile der Abgasströmung 4 zu behandeln, um eine Strömung zu erzeugen, die nicht gesetzlich geregelte Bestandteile oder gesetzlich geregelte Bestandteile in Mengen enthält, die von dem System an die externe Umgebung freigesetzt werden können, wie durch Reduzierung von Mengen der gesetzlich geregelten Bestandteile auf akzeptable Niveaus oder durch chemisches Umwandeln derselben in nicht gesetzlich geregelte Materialien, die freigesetzt werden können. Ein oder mehrere Abgaskrümmer 11 und zugeordnete Leitungen 13 führen und lenken die Abgasströmung 4 zu und durch das Abgasnachbehandlungssystem 2. Bezug nehmend auf die 1–2 verwenden die hier beschriebenen Abgasnachbehandlungssysteme 2 einschließlich der Komponenten und Vorrichtungen derselben, die hier beschrieben sind, Technologien mit verschiedenen Fähigkeiten zur Behandlung der Bestandteilelemente des Abgaszustromes, einschließlich Oxidation, selektive katalytische Reduktion, HC-(beispielsweise Kraftstoff-) oder Reduktionsmittel-(beispielsweise Harnstoff-)Dosierung und Partikelfilterung, wie hier weiter beschrieben ist. Die Vorrichtungen sind fluidtechnisch und funktionell in Reihe und in Fluidkommunikation miteinander unter Verwendung bekannter Rohre oder Leitungen 13 und Verbinder verbunden, um die Abgasströmung 4 aufzunehmen und diese durch das Abgasnachbehandlungssystem 2 zu leiten.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsformen der 1 und 2 steht der OC 14 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Motor 10 und ist mit Bezugnahme auf die Abgasströmung 4 stromabwärts von dem Motor 10 angeordnet und ist ausgebildet, um bestimmte Bestandteile der Abgasströmung 4 zu oxidieren, um gesetzlich nicht geregelte Nebenprodukte oder Bestandteile zu produzieren, die für eine weitere Behandlung in weiteren Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 2, wie hierin beschrieben, geeignet sind. Allgemein ist der OC 14 eine Durchströmvorrichtung, wie hier beschrieben ist, 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 4 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. Diejenigen, die sowohl Pt als auch PD aufweisen, sind besonders nützlich, wie diejenigen mit Pt:Pd-Verhältnissen von etwa 2:1 bis etwa 4:1. Wenn die Abgasströmung 4 die Länge des OC 14, 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 HC einschließlich gasförmiger HC's und flüssiger HC-Partikel, die unverbrannten/s Kraftstoff oder Öl oder Kraftstoff oder andere HC-Reaktanden umfassen, die in das Abgasnachbehandlungssystem 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 3, das das ECM 5 umfasst, verwendet werden, um eine Verbrennung zu bewirken, die ein höheres Niveau von HC in der Abgasströmung 4 zur Folge hat, als während einer normalen Verbrennung erzeugt wird. Der OC 14 ist ausgebildet, um die Zerlegung zumindest eines Teils der erhöhten Mengen HC zu katalysieren, um die HC zu reduzieren oder alternativ zu verhindern, dass die HC in der Abgasströmung den SCR-Katalysator 28 erreichen und diese Vorrichtung dadurch vergiften, dass sie dessen Fähigkeit, NO_x zu katalysieren, reduzieren, oder die Außenumgebung durch Abgabe aus dem Abgasbehandlungssystem 2 erreichen.
Der OC 14, wie ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) in dem Falle eines Abgasnachbehandlungssystems 2 für einen Dieselmotor 10, kann derart konfiguriert sein, dass verschiedene gesetzlich geregelte Abgasbestandteile in andere gesetzlich geregelte oder gesetzlich ungeregelte Abgasbestandteile durch Oxidation umgewandelt werden. Zum Beispiel kann der OC 14 ausgebildet sein, um HC in Kohlendioxid CO₂ und Wasser (H₂O) zu oxidieren, CO in Kohlendioxid (CO₂) umzuwandeln, Schwefeldioxid (SO₂) zu Schwefeltrioxid (SO₃), und/oder Schwefelsäure (H₂SO₄) umzuwandeln und um Stickoxid (NO) in Stickstoffdioxid (NO₂) umzuwandeln, oder anderweitig. Beispielhafte Oxidationsreaktionen, die mit dem OC 14 vorstellbar sind, sind nachfolgend vorgesehen: HC + O₂ = CO₂+ H₂O (1) CO + 1/2O₂ = CO₂ (2) 2SO₂ + O₂ = 2SO₃ (3) SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (4) NO + 1/2O₂ = NO₂ (5)
Es sei angemerkt, dass der OC 14 derart ausgebildet sein kann, dass er abhängig von den Reaktandenverbindungen und deren in der Abgasströmung 4 anzutreffenden Konzentrationen, der Temperatur des OC 14 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 OC 14 verwendet werden, um den Geruch bestimmter Emissionskomponenten zu reduzieren.
Der OC 14 kann innerhalb eines separaten Gehäuses 15 untergebracht sein, 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 OC 14 zu leiten, wie in den 1 und 2 gezeigt ist. Das Gehäuse 15 kann jede beliebige geeignete Form oder Größe einschließlich eines zylindrischen Raumes umfassen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform war das Gehäuse 15 für den OC 14 allgemein zylindrischer Form mit einem Volumen von etwa 5,0 Litern und mit einem zulaufenden Einlass und Auslass und mit zugeordneten Befestigungsflanschen, um die Zylinderwand zum Eingriff mit und zur Fluidkopplung an jeweiligen Abgasleitungen mit ihren zugeordneten Befestigungsflanschen zu verkleinern. Der Raum, wie auch anderen hier beschriebene Räume, können 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 OC 14 fluidtechnisch mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 2 zu koppeln. Es sei angemerkt, dass der OC 14 einschließlich des Gehäuses 15 eine oder mehrere zusätzliche Komponenten umfassen kann, um den Betrieb des OC 14 oder des Abgasbehandlungssystems 2 oder des Steuersystems 3 zu erleichtern, die verschiedene Gas- oder Temperatursensoren, Injektoren (Harnstoff- oder Kraftstoffinjektoren) oder anderweitiges umfassen können, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Solche zusätzlichen Merkmale können besonders vorteilhaft zur Überwachung von Charakteristika der Abgasströmung 4 wie z. B. der Strömungsgeschwindigkeit von bestimmten Emissionskomponenten (z. B. Partikelmaterial oder andere) sein, die besonders vorteilhaft sein können, um die Notwendigkeit zu bestimmen, bestimmte Systemprozesse wie z. B. die Regeneration des PF 26 oder des SCR-Katalysators 28 auszulösen.
Der PF 26 ist eine Wandstromvorrichtung, die aus keramischem 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 4 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 4 in die Mehrzahl von Einlässen und wird durch die porösen Zellenwände und in die benachbarten Auslasszellen hinein getrieben, wo sie dann aus der Mehrzahl von nicht verstopften Auslässen heraus strömt. Die Poren lassen zu, dass die gasförmigen Bestandteile durch die Zellenwände hindurch gelangen, während das PM innerhalb der Poren eingefangen wird, um dadurch eine PM-Filterwirkung des PF 26 bereitzustellen. Der PF 26 kann eine vorbestimmte Größe an Porosität aufweisen, die gewählt ist, um selektiv PM in der Abgasströmung 4 über einen Bereich vorbestimmter Abgasdurchflüsse in dem Abgasnachbehandlungssystem 2 zu filtern, wobei die Porengröße kleiner als eine vorbestimmte Partikelgröße des PM gewählt ist, das in der Abgasströmung 4 vorhanden ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die durchschnittliche Porengröße so gewählt, dass sie kleiner als die durchschnittliche Größe der PM-Partikel ist. Beispielsweise ist bei benzinbetriebenen Motoren die durchschnittliche Partikelgröße des PM allgemein kleiner als die durchschnittliche Partikelgröße von PM in Dieselmotoren, wobei daher die Porengröße des PF 26, der in Benzinmotoren verwendet ist, so gewählt sein kann, dass sie kleiner als die durchschnittliche Porengröße des PF 26, der in Dieselmotoren (z. B. DPF) verwendet ist, gewählt ist. Es kann jede geeignete Porengröße verwendet werden. Es kann jedes geeignete Material für den PF 26 verwendet werden, einschließlich verschiedener Hochtemperatur-Keramikmaterialien. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der PF 26 ein Keramikmaterial aufweisen, das Cordierit oder Aluminiumoxid oder eine Kombination von diesen umfasst. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der PF 26 unbeschichtet, d. h. er ist nicht mit einem Material beschichtet, das derart ausgelegt ist, dass es die Oxidation oder Reduktion der Bestandteile der Abgasströmung 4 katalysiert.
Der SCR-Katalysator 28 kann beispielsweise als ein Washcoat vorgesehen sein, der auf einem keramischen Durchflussmonolith oder -substrat mit einer wabenähnlichen Struktur angeordnet ist, die eine Mehrzahl von allgemein parallelen, längs verlaufenden miteinander verbundenen Zellen umfasst, welche ein Netzwerk bereitstellen, das eine Mehrzahl von Strömungskanälen für Abgasströmung 4 umfasst, und die durch ein entsprechendes Netzwerk von Zellenwänden getrennt sind. Das Substrat weist eine große Oberfläche entlang der Zellenwände auf. Der Washcoat umfasst einen Reduktionskatalysator, der auf einer keramischen Matrix angeordnet ist. Der Washcoat kann entlang der Zellenwände in einer beliebigen geeigneten Konfiguration angeordnet sein. Beispielsweise kann er nahe der Zelleneinlässe oder der Zellenauslässe oder einer Kombination von diesen oder entlang der gesamten Länge der Zellen angeordnet sein. Der Washcoat umfasst eine poröse Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines geeigneten Reduktionskatalysators beschichtet ist. Der keramische Wandstrommonolith kann aus einer beliebigen geeigneten Keramik einschließlich Cordierit oder Aluminiumoxid oder dergleichen bestehen.
Der PF 26 und der SCR-Katalysator 28 sind derart ausgebildet, dass eine Reduktion von NO_x (SCR-Katalysator 28) und Sammlung und Umwandlung von PM (PF 26) über den größten Teil des Betriebstemperaturbereichs des Abgasnachbehandlungssystems 2 und des Motors 10 vorgesehen werden, der typische Betriebstemperaturen des Abgasbehandlungssystems von etwa 302°F (etwa 150°C) bis etwa 1202°F (etwa 650°C) aufweist. Der PF 26 ist unbeschichtet und derart ausgelegt, dass er Ruß über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Motors 10 filtert, 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 PF 26 und Oxidation der Rußpartikel findet in der Gegenwart von NO_x 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.
Der Washcoat des SCR-Katalysators weist eine poröse keramische Matrix mit einer Oberfläche auf, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Nichtedelmetall-Katalysators, d. h. einer Menge, die ausreicht, um die gewünschten chemischen Reaktionen zu katalysieren, beschichtet ist. Geeignete Nichtedelmetall-Katalysatoren umfassen Kupfer (Cu), Chrom (Cr) oder Eisen (Fe) oder eine Kombination daraus, einschließlich Legierungen und Verbindungen daraus. Die poröse Matrix kann jede beliebige geeignete poröse Matrix umfassen. Geeignete poröse Matrizen umfassen verschiedene Zeolithe. In dem Fall von Cu-Katalysatoren ist ein geeigneter Zeolith einer, der kommerziell als ZSM-5 bekant ist. Die Verwendung eines Nichtedelmetall-Katalysators erlaubt die Umwandlung der Stickoxide ohne die Verwendung von Edelmetallen. Der SCR-Katalysator 28 verwendet Ammoniak, um NO_x zu reduzieren. Beispielsweise ist bei einer beispielhaften Ausführungsform eine Dosiervorrichtung, wie z. B. eine Harnstoffdosiervorrichtung 17, stromaufwärts von dem nicht beschichteten PF 26 zur Einführung eines Abgasfluids (EF) und in dem Fall von Abgasfluiden, die mit Dieselabgas-Nachbehandlungssystemen verwendet sind, eines Diesel-EF (DEF), wie Harnstoff, in den Strom 4 der Abgasströmung vorgesehen, wie durch Einführung einer Harnstofflösung in die Abgasströmung 4. Das EF wird eine ausreichende Distanz stromaufwärts von dem unbeschichteten PF 26 eingeleitet, um zuzulassen, dass das Fluid, z. B. eine Harnstofflösung, in der Abgasströmung 4 reagiert, um Ammoniak zu erzeugen, bevor sie in den SCR-Katalysator 28 eintritt. Nachfolgend sind beispielhafte chemische Umwandlungsreaktionen angeführt, die mit dem SCR-Katalysator 28 vorstellbar sind:
Harnstoffzerlegung: CO(NH₂)₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂ (6) NO_x-Reduktionsreaktionen im SCR-Katalysator 28: 6NO + 4NH₃ → 5N₂ + 6H₂O (7) 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O (8) 6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O (9) 2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O (10) NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O (11)
Es sei angemerkt, dass der SCR-Katalysator 28 ausgebildet sein kann, um jede beliebige der oben angeführten Umwandlungen oder Kombinationen aus den oben angeführten Umwandlungen einschließlich aller oben angeführten Umwandlungen durchzuführen. Der SCR-Katalysator 28 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.
Bezug nehmend auf 2 können der PF 26 und der SCR-Katalysator 28 beispielsweise in einem einzelnen Gehäuse 25, wie einer Metalldose, untergebracht sein, die derart konfiguriert ist, dass sie eine Abstützung bereitstellt und die Abgasströmung 4 in den PF 26 und aus dem SCR-Katalysator 28 lenkt. Das Gehäuse 25 kann jede beliebige geeignete Form oder Größe einschließlich einer zylindrischen Form umfassen. Das Gehäuse 25 kann auch Befestigungsmerkmale umfassen, die in der Nähe einer Einlassöffnung angeordnet sind, wie z. B. ein Einlassrohr, und eine Auslassöffnung, z. B. Auslassrohr, um das Gehäuse 25 fluidtechnisch mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 2 zu koppeln. Es sei angemerkt, dass das Gehäuse 25 eine oder mehrere zusätzliche Komponenten umfassen kann, um den Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems 2 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 der Abgasströmung 4 wie z. B. der Mengen oder Strömungsgeschwindigkeiten von bestimmten Emissionsbestandteilen sein, die besonders vorteilhaft für das Steuern des Abgasnachbehandlungssystems 2 sind, einschließlich der Regeneration des PF 26.
Das Abgasnachbehandlungssystem 2 kann optional auch einzeln oder in Kombination zusätzliche Abgasnachbehandlungsvorrichtungen aufweisen, einschließlich katalysierter oder nicht katalysierter Partikelfilter, zusätzlicher Oxidationskatalysatoren, katalysierter Russfilter, Russfilter, NO_x-Fänger, NSR-Katalysatoren, Katalysatoren für teilweise Kohlenwasserstoffoxidation, Luftpumpen, externe Erwärmungsvorrichtungen, Edelmetallkatalysatoren, Schwefelfänger, Phosphorfänger, PO_x-Reformer und dergleichen. Jede der zusätzlichen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen verwendet Technologien mit verschiedenen Fähigkeiten zur Behandlung der Bestandteilelemente der Abgasströmung 4. Diese Vorrichtungen können fluidtechnisch in Reihe oder parallel unter Verwendung bekannter Rohre, Leitungen und Verbinder verbunden sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform, wie in den 1 und 2 gezeigt ist, kann das Abgasnachbehandlungssystem 2 einen zweiten OC 40 aufweisen, um die Oxidation gewisser Bestandteile in der Abgasströmung 4 sicherzustellen und deren Freisetzung von dem System zu verhindern, einschließlich nicht verbrannter HC, Ammoniak, Harnstoff oder CO. Ein zweiter OC 40 kann in einem separaten Gehäuse 45 (1) untergebracht sein, wie derjenige, der oben für den OC 14 beschrieben ist, oder kann alternativ dazu zusammen mit dem SCR 28 oder PF 26 und dem SCR-Katalysator 28 in einem einzelnen Gehäuse 25 (2) untergebracht sein.
Bezug nehmend auf 1 können der nicht beschichtete PF 26 und der SCR-Katalysator 28 auch beispielsweise jeweils in separaten Gehäusen 25.1, 25.2 untergebracht sein, wie Metalldosen, die derart konfiguriert sind, dass sie eine Abstützung bereitstellen und die Abgasströmung 4 in, durch und aus diesen Vorrichtungen lenken. Die Gehäuse 25 können eine beliebige geeignete Form oder Größe einschließlich einer zylindrischen Form besitzen, wie oben in Verbindung mit dem Gehäuse 15 beschrieben ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform waren die Gehäuse 25.1 (PF 26) und 25.2 (SCR-Katalysator 28) allgemein zylindrischer Form mit Volumen von etwa 8,7 Liter bzw. 13,2 Liter und mit zulaufenden Einlässen und Auslässen, um die Zylinderwand zum Eingriff mit und zur Fluidkopplung zu jeweiligen Abgasleitungen zu verkleinern. Die Gehäuse 25.1 und 25.2 können jeweils auch Befestigungsmerkmale aufweisen, die nahe einer Einlassöffnung, wie einem Einlassrohr, und einer Auslassöffnung angeordnet sind, wie einem Auslassrohr, um die Vorrichtungen mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 2 fluidtechnisch zu koppeln. Es sei angemerkt, dass die Gehäuse 25.1 und 25.2 eine oder mehrere zusätzliche Komponenten zur Erleichterung eines Betriebs des Abgasnachbehandlungssystems 2 aufweisen können, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, verschiedene Sensoren, Dosiervorrichtungen (Harnstoff- oder Kraftstoffinjektoren) oder andere.
Das Nachbehandlungssystem umfasst Erfassungsvorrichtungen und -systeme, die signaltechnisch mit dem Steuersystem 3, das das ECM 5 aufweist, verbunden sind und in Signalkommunikation mit diesem stehen. Die Erfassungsvorrichtungen können einen NO_x-Sensor 12, der dazu dient, den Motor 10 verlassende Abgase zu erfassen, einen Temperatursensor 27, der dazu dient, eine Temperatur von Abgasen zu messen, oder einen Drucksensor (nicht gezeigt) aufweisen, um eine Beschränkung der porösen Durchgänge der Zellenwände des PF 26 durch Ansammlung von PM zu erfassen. Der NO_x-Sensor 12 umfasst bevorzugt einen Sensor, der dazu dient, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NO_x-Konzentration in der Abgasströmung 4 korrelierbar ist, und ferner dazu dient, ein zweites elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgaszustromes korrelierbar ist, aus dem der Sauerstoffgehalt bestimmt werden kann. Die Abgaserfassungsvorrichtung 22 kann optional einen zweiten NO_x-Sensor, der dazu dient, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NO_x-Konzentration in dem Abgaszustrom korrelierbar ist, einen Temperatursensor oder einen Drucksensor oder eine Kombination daraus umfassen. Alternativ dazu kann der NO_x-Sensor 12 eine virtuelle Erfassungsvorrichtung umfassen, wobei die NO_x-Konzentration in der Abgasströmung 4 auf Grundlage von Motorbetriebsbedingungen bestimmt wird, was eine bekannte Technik darstellt.
Das Abgasnachbehandlungssystem 2 umfasst optional eine HC-Dosiervorrichtung 16 zur Injektion einer gesteuerten Menge von HC-Reduktionsmittel stromaufwärts des OC 14. Eine beispielhafte HC-Dosiervorrichtung umfasst einen Kraftstoffinjektor, wie einen Dieselkraftstoffinjektor in dem Fall, wenn der Motor 10 ein Dieselmotor ist, zur Injektion von Dieselkraftstoff in die Abgasströmung 4. Bei einer beispielhaften Ausführungsform stellt die Kraftstoffleitung 30 von dem Motor 10 druckbeaufschlagten Kraftstoff für eine steuerbare Druckreglervorrichtung 32 bereit, wie ein Ventil, deren Ausgang fluidtechnisch durch die Leitung 34 mit der HC-Dosiervorrichtung 16 verbunden ist. Die HC-Dosiervorrichtung 16 und die Druckreglervorrichtung 32 sind beide funktionell mit dem Steuersystem 3, das das ECM 5 aufweist, verbunden und stehen in Signalkommunikation mit diesem, das derart ausgebildet ist, dass es eine Zeitsteuerung und Menge (beispielsweise Massenstrom) an HC-Injektion, typischerweise in der Form von Fahrzeugkraftstoff, zu der Abgasströmung 4 steuert. Alternativ dazu können Kohlenwasserstoffe von einem Kohlenwasserstoffreservoir (nicht gezeigt) oder einer Reformervorrichtung (nicht gezeigt) verwendet werden.
Bezug nehmend auf die 1 und 2 weist bei beispielhaften Ausführungsformen das Abgasnachbehandlungssystem 2 auch eine Abgasfluid-(EF)-Dosiervorrichtung 17 auf, wie beispielsweise einen Harnstoffinjektor, zur Injektion einer gesteuerten Menge von EF 19 als ein Reduktionsmittel stromaufwärts des nicht beschichteten PF 26 von einem EF-Reservoir 23 durch eine Leitung 21. Der hier verwendete Begriff ”EF” umfasst Harnstoff in allen Formen, einschließlich wässriger Lösungen, und kann auch die Verwendung von Ammoniak (NH₃) als ein Reduktionsmittel aufweisen, da sich der Harnstoff zersetzt, um Ammoniak als ein Reaktionsnebenprodukt zu erzeugen, und es ist der Ammoniak, der als eine Reaktandenarten in den katalytischen Reaktionen verwendet wird, die in dem SCR-Katalysator 28 auftreten. Er kann auch andere Materialien enthalten, die dazu verwendet werden können, Ammoniak direkt zur Injektion in die Abgasströmung 4 bereitzustellen, oder die Ammoniak entweder direkt oder indirekt bei Injektion in die Abgasströmung 4 bereitstellen. Ein Beispiel eines geeigneten EF-Reservoirs 23 ist ein Harnstofftank. Die EF-Dosiervorrichtung 17 ist funktionell mit dem ECM 5 verbunden und steht in Signalkommunikation mit diesem, das derart ausgebildet ist, dass es eine Zeitsteuerung und Menge an Injektion von EF 19 in die Abgasströmung 4 steuert. Wenn Harnstoff als das Reduktionsmittel verwendet wird, sollte die Injektion ausreichend stromaufwärts von dem nicht beschichteten PF 26 stattfinden, um die Zersetzung des Harnstoffs zu Ammoniak vor einem Eintritt in den SCR-Katalysator 28 zu ermöglichen.
Das Steuersystem 3 umfasst bevorzugt eine verteilte Steuermodularchitektur, die eine Mehrzahl von Steuermodulen aufweist, die derart angepasst sind, dass sie eine koordinierte Steuerung der verschiedenen Fahrzeugsysteme bereitstellen, einschließlich des hier beschriebenen Leistungsstrangsystems. Das Steuersystem dient dazu, Eingänge von Erfassungsvorrichtungen zu überwachen, entsprechende Information zu synthetisieren und Algorithmen auszuführen, um verschiedene Aktuatoren zu steuern und damit Bedieneranforderungen zu erfüllen und Steuerziele zu erreichen, einschließlich derartiger Parameter, wie Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen, Leistung, Fahrverhalten und Schutz der Ausstattung. Die verteilte Controllerarchitektur umfasst das ECM 5 und eine Anwenderschnittstelle (UI von User Interface) 7, die funktionell mit anderen Vorrichtungen verbunden ist und in Signalkommunikation mit diesen steht, durch die ein Fahrzeugbediener typischerweise einen Betrieb des Fahrzeugs und des Leistungsstrangs steuert oder lenkt. Vorrichtungen, durch die ein Fahrzeugbediener eine Eingabe in die UI 7 macht, umfassen typischerweise ein Gaspedal, ein Bremspedal, eine Getriebegangwahlvorrichtung und eine Fahrzeuggeschwindigkeitsregelung. Jede/s der vorstehend erwähnten Steuermodule und -vorrichtungen kommuniziert mit anderen Steuermodulen, Vorrichtungen, Sensoren und Aktuatoren über einen Hochgeschwindigkeits-Local-Area-Network-(”LAN”)-Bus, der allgemein als Punkt 6 gezeigt ist. Der LAN-Bus 6 erlaubt eine strukturierte Übermittlung von Steuerparametern und -befehlen zwischen den verschiedenen Prozessoren, Steuermodulen und Vorrichtungen. Das spezifische Kommunikationsprotokoll, das verwendet wird, ist anwendungsspezifisch. Der LAN-Bus und geeignete Protokolle sorgen für eine robuste Nachrichtenübermittlung und Mehrfach-Steuermodul-Schnittstellenbildung zwischen den vorstehend erwähnten Steuermodulen und anderen Steuermodulen, die eine Funktionalität, wie etwa Antiblockierbremsen, Traktionssteuerung und Fahrzeugstabilität, bereitstellen.
Das ECM 5 umfasst eine Zentralverarbeitungseinheit, die signaltechnisch mit flüchtigen und nicht flüchtigen Speichervorrichtungen über Datenbusse elektrisch verbunden ist. Das ECM 5 ist funktionell an Erfassungsvorrichtungen und anderen Ausgabevorrichtungen angebracht und steht in Signalkommunikation mit diesen, um einen Betrieb des Motors 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 2 zu überwachen und zu steuern, wie gezeigt ist. Die Ausgabevorrichtungen umfassen bevorzugt Subsysteme, die zur richtigen Steuerung und zum richtigen Betrieb des Motors notwendig sind, einschließlich, nur beispielhaft, ein Luftansaugsystem, ein Kraftstoffinjektionssystem, ein Zündsystem (wenn ein funkengezündeter Motor verwendet ist, beispielsweise ein Motor mit homogener Kompressionszündung), ein Abgasrückführungs-(AGR)-System und ein Verdunstungssteuersystem. Die Motorerfassungsvorrichtungen umfassen Vorrichtungen, die dazu dienen, einen Motorbetrieb, externe Bedingungen und eine Bedieneranweisung zu überwachen, und sind typischerweise signaltechnisch über Kabelbäume an dem ECM 5 angebracht.
Algorithmen, die in den nichtflüchtigen Speichervorrichtungen gespeichert sind, werden durch die Zentralverarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingänge von den Erfassungsvorrichtungen zu überwachen und Motorsteuer- und Diagnoseroutinen zur Steuerung des Betriebs des Motors unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen auszuführen. Die Verwendung des ECM 5 zur Steuerung und Diagnose des Betriebs verschiedener Aspekte des Verbrennungsmotors 10 ist dem Fachmann gut bekannt. Jedoch kann das ECM 5 derart angepasst sein, dass es die einzigartigen Vorteile des Abgasnachbehandlungssystems 2, wie hier beschrieben ist, ausnutzt, um die Reduktion von NO_x unter verschiedenen Betriebsregimes des Motors 10 zu maximieren und auch akzeptable Niveaus einer NO_x-Reduktion während des Betriebs des Fahrzeugs 1 und des Motors 10 aufrechtzuerhalten, einschließlich während einer Regeneration des PF 26 oder des SCR-Katalysators 28.
Der Motor 10 und das Abgasnachbehandlungssystem 2 sehen eine Kombination vor, bei der die Leistungsfähigkeit des Abgasnachbehandlungssystems nicht aufgrund von Raumbeschränkungen an dem Fahrzeug beschränkt ist, was mit Kosten bereitgestellt werden kann, die mit denen existierender Behandlungssysteme konkurrenzfähig sind, und mit einem Wirkungsgrad der NO_x-Umwandlung, der ausreichend ist, um Bin 5- und FTP-Zyklus-Auspuffregelungen zu erfüllen. Bei vielen existierenden Konstruktionen existiert, obwohl es erwünscht wäre, nicht ausreichend Raum, um den SCR zuletzt zu packen, während eine ausreichende Mischlänge zur DEF-(beispielsweise Harnstoff)-Injektion bereitgestellt wird. Diese umfassen beispielsweise Schwerlastwägen mit kurzem Radabstand, die die Verwendung von Abgasbehandlungsvorrichtungen erfordern, die in der Lage sind, signifikante Abgasvolumen zu verarbeiten, jedoch einen beschränkten Raum besitzen, in den die notwendigen Abgasbehandlungsvorrichtungen zwischen den Achsen gepackt werden müssen. Als ein Beispiel ermöglicht das Abgasnachbehandlungssystem 2 dieser Erfindung das Packen eines 5 Liter OC 14, eines 8,7 Liter nicht beschichteten DPF 26 und eines 13,2 Liter SCR-Katalysators 28 vor der Hinterachse. Das Abgasnachbehandlungssystem 2 dieser Erfindung sieht ein derartiges Nachbehandlungssystem vor, bei dem der SCR-Katalysator 28 stromabwärts des PF 26 in der an dem Fahrzeug verfügbaren RaumUmmantelung angeordnet ist, und zwar ohne Gefährdung des Wirkungsgrades der NO_x-Umwandlung. Das Packen des SCR-Katalysators 28 nach dem PF 26 besitzt den Vorteil, dass er unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich Regenerationen, insbesondere im Vergleich zu anderen Systemen, bei denen der SCR stromaufwärts des DPF in einer einzelnen Dose angeordnet ist, geringeren Abgastemperaturen ausgesetzt ist. Das Wandstromsubstrat des PF 26 sieht die Mischumgebung vor, die erforderlich ist, um eine Gleichförmigkeit von NH₃ an der Seite des SCR-Katalysators 28 sicherzustellen. Der PF 26 sieht auch eine gewisse NH₃-Speicherfähigkeit in dem unbeschichteten Wandstromsubstrat vor, was auch die NO_x-Reduktionsfähigkeit des SCR-Katalysators 28 steigert. Der PF 26 befindet sich näher an dem Motor, was für die thermische Regulierung, insbesondere die Wärmerückhaltung zur Verwendung in dem PF 26 zur Zersetzung von PM besser ist. Das NO_x reagiert vollständig zuerst mit Ruß, wodurch eine verbesserte Wirkung einer katalytischen Reduktionstemperatur (CRT) bereitgestellt wird, was in längeren Regenerationsintervallen, einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit und einer PF-Haltbarkeit resultiert. Zusätzlich kann die Verwendung des zweiten OC 40 stromabwärts des SCR-Katalysators 28 zur Steuerung von HC-, Harnstoff-, Ammoniak- oder CO-Schlupf hinzugefügt werden. Da der PF 26 keinen Washcoat oder keine Metalle der Platingruppe aufweist, kann die zugeordnete Kosteneinsparung von dem PF 26 beispielsweise dazu verwendet werden, einen zweiten OC 40 bereitzustellen, ohne die Kosten des Abgasnachbehandlungssystems 2 relativ zu herkömmlichen Abgasnachbehandlungssystemen zu erhöhen. Der Bedarf nach Harnstoffmischern in Abgasleitungen 13 ist bei dieser Anordnung aufgrund des Raums, der zur Umwandlung von Harnstoff vor Erreichen des SCR-Katalysators 28 verfügbar ist, und des Mischeffekts, der von dem Wandstromsubstrat des PF 26 realisiert wird, minimiert, was in weiteren Kostenreduktionen relativ zu herkömmlichen Nachbehandlungssystemen resultiert. Der Gegendruck aufgrund des Wandstromsubstrats des PF 26 sieht eine hohe Strömungsgleichförmigkeit von Harnstoff/Ammoniak an dem Einlass des PF 26 vor. Da die Abgasströmung 4 durch die Substratwände getrieben wird, sieht dies eine ausreichende Möglichkeit zur noch weiteren Mischung des EF vor, und so wird mit der Zeit, wenn es den Einlass des SCR-Katalysators 28 erreicht, die NH₃-Verteilung im Wesentlichen homogen.
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 gegen Elemente 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

Abgasnachbehandlungssystem, umfassend: einen Oxidationskatalysator (OC), der zur Aufnahme einer Abgasströmung von einem Motor konfiguriert ist; einen nicht beschichteten Partikelfilter (PF), der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem OC konfiguriert ist; eine Abgasfluid-(EF)-Dosiervorrichtung, die zum Dosieren eines EF in die Abgasströmung stromaufwärts des nicht beschichteten PF konfiguriert ist; und einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem nicht beschichteten PF konfiguriert ist, wobei der OC, die EF-Dosiervorrichtung, der nicht beschichtete PF und der SCR-Katalysator ein Abgasnachbehandlungssystem umfassen.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten OC, der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem SCR-Katalysator konfiguriert ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der nicht beschichtete PF und der SCR-Katalysator in einem einzelnen Gehäuse untergebracht sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, wobei der nicht beschichtete PF, der SCR-Katalysator und der zweite OC in einem einzelnen Gehäuse untergebracht sind.
Verbrennungsmotor und Abgasnachbehandlungssystem, umfassend: einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasbehandlungssystem, wobei das Abgasbehandlungssystem umfasst: einen Oxidationskatalysator (OC), der zur Aufnahme einer Abgasströmung von dem Motor konfiguriert ist; einen nicht beschichteten Partikelfilter (PF), der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem OC konfiguriert ist; eine Abgasfluid-(EF)-Dosiervorrichtung, die zum Dosieren eines EF in die Abgasströmung stromaufwärts des nicht beschichteten PF konfiguriert ist; und einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem PF konfiguriert ist.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, ferner mit einem zweiten OC, der zur Aufnahme der Abgasströmung von dem SCR-Katalysator konfiguriert ist.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei der nicht beschichtete PF und der SCR-Katalysator in einem einzelnen Gehäuse untergebracht sind.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei der SCR-Katalysator und der zweite OC jeweils an einem separaten Metall- oder Keramiksubstrat oder einer Kombination daraus angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Abgasnachbehandlungssystems, umfassend, dass: ein Oxidationskatalysator (OC) vorgesehen wird, der zur Aufnahme einer Abgasströmung von einem Motor konfiguriert ist; ein nicht beschichteter Partikelfilter (PF) fluidtechnisch mit dem OC zur Aufnahme der Abgasströmung von dem OC verbunden wird; eine Abgasfluid-(EF)-Dosiervorrichtung stromaufwärts des nicht beschichteten PF fluidtechnisch zur Dosierung eines EF in die Abgasströmung verbunden wird; und ein Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) fluidtechnisch zur Aufnahme der Abgasströmung von dem nicht beschichteten PF verbunden wird, wobei der OC, die EF-Dosiervorrichtung, der nicht beschichtete PF und der SCR-Katalysator ein Abgasnachbehandlungssystem umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass ein zweiter OC zur Aufnahme der Abgasströmung von dem SCR-Katalysator fluidtechnisch verbunden wird.