DE102010026888B4

DE102010026888B4 - Abgasbehandlungssystem mit einem Aschefilter und Verfahren zum Behandeln einer Abgasströmung

Info

Publication number: DE102010026888B4
Application number: DE102010026888.7A
Authority: DE
Inventors: Shouxian Ren; David B. Brown; Michael Christopher Luckham
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2021-08-26
Anticipated expiration: 2030-07-13
Also published as: CN101956592A; DE102010026888A1; US20110011067A1; US8887495B2; CN101956592B

Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor (12), umfassend:einen Aschefilter (18) mit einem Substrat (20), das einen wabenförmigen Keramik- oder Metalldurchflussmononithen (26) mit mehreren parallelen geraden und durchgehend offenen Gasströmungsdurchgängen (30) aufweist, die sich von einem Einlass (32) zu einem Auslass (34) des Substrats (20) erstrecken, und einer Matrix (22) aus einem eines ersten Zeolithmaterial auf dem Substrat (20), wobei die Matrix derart konfiguriert ist, dass sie eine Abgasströmung (16) von einem Motor (12) aufnimmt; undeine Abgasbehandlungsvorrichtung (58, 80, 74), die eine Matrix eines zweiten Zeolithen umfasst und derart konfiguriert ist, dass sie die Abgasströmung (16) von dem Aschefilter (18) aufnimmt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasbehandlungssystemen mit einem Aschefilter und ein Verfahren zum Behandeln einer Abgasströmung.
Die 10 2008 018 461 A1 beschreibt beispielsweise eine Mischvorrichtung für eine Abgasbehandlungsanlage, die einen SCR-Katalysator enthält, der aus einem Zeolithmaterial gebildet sein kann.
Ferner ist es aus der US 2007 / 0 056 268 A1 bekannt, zwei SCR-Katalysatoren hintereinander anzuordnen.
Die DE 10 2004 001 417 A1 beschreibt einen gewickelten Partikelfilter mit mehreren Strömungskanälen, von denen die Hälfte stromaufwärts und die andere Hälfte stromabwärts verschlossen ist, so dass Abgase, die durch den Filter strömen, gezwungen werden, durch die die einzelnen Kanäle voneinander trennenden Wände zu strömen. Ein entsprechender Filter wird auch in der DE 602 00 979 T2 und in der US 2009 / 0 000 260 A1 beschrieben.
Das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, ausgestoßene Abgas ist ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Abgasemissionen enthält, wie Kohlenmonoxid (CO), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NO_x) wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe), die Partikelmaterial (PM) bilden. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise an Katalysatorträgern oder -substraten angeordnet sind, sind in einem Dieselmotorabgassystem vorgesehen, um bestimmte oder alle von diesen Abgasbestandteilen in gesetzlich nicht geregelte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Beispielsweise stellt die Reduktion von NO_x-Emissionen aus einem Abgaszustrom, der einen Sauerstoffüberschuss enthält, eine Herausforderung für Fahrzeughersteller dar. Man schätzt beispielsweise, dass die Konformität mit den Bin-5-Regulations in den Vereinigten Staaten ein Nachbehandlungssystem 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. Zur praktischen Anwendung muss der Umwandlungswirkungsgrad über einen Betriebsbereich mit niedriger Temperatur (beispielsweise 200 - 350°C), die in dem zuvor erwähnten FTP-Zyklus auftritt, und in einem Betriebsbereich mit höherer Temperatur (z.B. 450 - 550°C), die während eines Hochdrehzahltestzyklus (z.B. US06 Federal Test Procedure) auftritt, erhalten werden.
Das PM enthält Ruß und andere kohlenstoffhaltige Partikel, die oxidiert werden können, um gasförmiges CO oder CO₂ zu erzeugen, wie auch andere nicht feuerbeständige Partikel (d.h. Asche), die nicht oxidiert oder anderweitig behandelt werden können, um diese in gasförmige Bestandteile zur Entfernung von dem System umzuwandeln. Die Zusammensetzung und Morphologie des PM, das aus der Verbrennung in Hubkolben-Verbrennungsmotoren resultiert, sind eine Funktion des Kraftstoffs, des Motortyps, der Motorkonstruktion, des Motorbetriebs wie auch der Steuermethodologie, Umweltbetriebsbedingungen und anderen Faktoren. Beispielsweise erzeugt Motorschmieröl, das in den Brennraum gelangt und teilweise verbrannt wird, einen Großteil der Asche. Als ein weiteres Beispiel kann die Verbrennung in Benzinmotoren organisches Submikronmaterial (OM) wie auch Sulfate und elementares Silizium, Eisen oder Zink oder Schwefel erzeugen. Das elementare Silizium, Eisen und Zink sind nicht feuerbeständige Partikel und umfassen Asche. Als ein weiteres Beispiel kann die Verbrennung in Dieselmotoren auch OM, Sulfate und elementares Silizium, Eisen, Zink oder Schwefel, wie auch Ruß und Ammonium erzeugen und kann etwa 100 bis etwa 1000 mal mehr PM erzeugen, als eine Verbrennung in Benzinmotoren. Der Ruß kann BC (schwarzen Kohlenstoff oder kondensierte Kohlenstoffpartikel) und OM aufweisen. Der BC kann mit einer einzelnen Schicht oder mit mehreren Schichten aus OM, einschließlich polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) wie auch einer Schicht oder mehreren Schichten aus organischen oder anorganischen Verbindungen beschichtet sein. Eine Verbrennung von Dieselkraftstoff kann auch Nitro-PAH-Verbindungen erzeugen, d.h. PAH mit funktionellen Stickstoffgruppen. Ruß aus Hubkolben-Verbrennungsmotoren kann eine Partikelgröße mit einem Durchmesser von weniger als etwa 0,02 µm besitzen.
Verschiedene Partikelfilter (PF) für feuerbeständige Partikel sind verwendet worden, wie Dieselpartikelfiltervorrichtungen (DPF). Es existieren verschiedene bekannte Filterstrukturen, die in DPFs verwendet sind und eine Wirksamkeit bei der Entfernung des Partikelmaterials aus dem Abgas gezeigt haben, wie keramische wabenförmige Wandstromfilter, Filter mit gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern etc. Keramische Wandstromfilter haben in der Kraftfahrzeugindustrie eine signifikante Akzeptanz erfahren.
Der Filter ist ein physikalischer Aufbau zur Entfernung von Partikeln aus Abgas und besitzt infolge der Ansammlung gefilterter Partikel den Effekt der Erhöhung des Abgassystemgegendrucks, der auf den Motor wirkt. Um Gegendruckzunahmen, die durch die Ansammlung von feuerbeständigen Abgaspartikeln bewirkt werden, zu berücksichtigen, wird der DPF periodisch gereinigt oder regeneriert. Eine Regeneration eines DPF bei Fahrzeuganwendungen erfolgt typischerweise automatisiert und wird durch einen Motor- oder anderen Controller auf Grundlage von Signalen gesteuert, die durch Motor- und Abgassystemsensoren erzeugt werden. Das Regenerationsereignis betrifft die Erhöhung der Temperatur des DPF auf Niveaus, die oftmals über 600°C liegen, um die angesammelten Partikel zu verbrennen.
Ein Verfahren zur Erzeugung der Temperaturen, die in dem Abgassystem zur Regeneration des DPF erforderlich sind, besteht darin, nicht verbranntes HC an eine stromaufwärts des DPF angeordnete Oxidationskatalysatorvorrichtung zu liefern. Die HC können durch Injektion von Kraftstoff direkt in den Abgasstrom geliefert werden oder können durch Spätinjektion von Kraftstoff in den Motorbrennraum erreicht werden, was in teilweise verdampftem HC resultiert, das den Motor in dem Abgas verlässt. Das HC wird in der Oxidationskatalysatorvorrichtung oxidiert, was in einer exothermen Reaktion resultiert, die die Temperatur des Abgases anhebt. Das erhitzte Abgas gelangt stromabwärts zu dem DPF und verbrennt die Partikelansammlung. Ein Nachteil dieses Verfahrens zur Regeneration besteht darin, dass die Lieferung von nicht verbranntem HC an das Motorabgassystem den Wirkungsgrad des Motors/Fahrzeugs reduziert, da der Kraftstoff nicht dazu verwendet wird, Nutzarbeit zu verrichten. Zusätzlich kann abhängig von dem Lieferungsort des HC ein Wärmeverlust für den Motor und dem Abgassystem stromaufwärts des DPF signifikant sein, wodurch der Systemwirkungsgrad weiter reduziert wird. Auch kann in einigen Fällen, bei denen Kraftstoff durch zu starke Kraftstoffbelieferung des Motors geliefert wird, ein Teil des Kraftstoffs die Kolben umgehen, was in einer unerwünschten Kraftstoffverdünnung des Motoröls resultiert.
Es ist auch bekannt, dass die Regeneration des DPF SCR-Vorrichtungen negativ beeinflusst, die den Regenerationstemperaturen ausgesetzt sind, indem die katalytische Wirksamkeit der SCR-Katalysatoren, die diesen Temperaturen ausgesetzt sind, verringert wird. Somit verringert sich über die Zeit, wenn die Anzahl von thermischen Regenerationszyklen zunimmt, der Umwandlungswirkungsgrad des SCR. Diese Reduktion des SCR-Umwandlungswirkungsgrades über die Zeit macht es schwieriger, die oben beschriebenen hohen Umwandlungswirkungsgrade zu erreichen.
Somit kann, während verschiedene Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden sind, um die feuerbeständigen Partikel, wie kohlenstoffhaltige Partikel, zu pyrolisieren, der Regenerationsprozess eine negative Wirkung auf die Leistungsfähigkeit des Abgasbehandlungssystems haben. Zusätzlich ist die Behandlung nicht feuerbeständiger Partikel, die hier allgemein als Asche bezeichnet sind, nicht effektiv berücksichtigt worden.
Demgemäß ist es erwünscht, eine effektive Vorrichtung und ein effektives Verfahren zur Behandlung von Asche in Abgasbehandlungssystemen von Hubkolben-Verbrennungsmotoren bereitzustellen, während auch die erforderlichen Niveaus des Systemumwandlungswirkungsgrades für die verschiedenen gesetzlich geregelten Abgasbestandteile beibehalten werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diesem Wunsch gerecht zu werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Abgasbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merlmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste
Weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:

1 eine Tabelle ist, die thermische Alterungsdaten enthält, die die Wirkung einer Aschekontamination auf eine katalytische Abgasbehandlungsvorrichtung zeigen;
2 ein Schaubild der Menge verschiedener chemischer Verbindungen, die mit einer Ascheansammlung in Verbindung stehen, als eine Funktion der Stelle für repräsentative Katalysatortestbricks ist, die in einem Test, wie in 1 beschrieben ist, verwendet sind;
3 eine schematische teilweise Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist;
4 eine beispielhafte Ausführungsform eines diskreten Aschefilters, wie hier offenbart ist, ist;
5 eine vergrößerte Schnittansicht von Gebiet 5 von 4 ist;
6 eine schematische Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines diskreten Aschefilters, wie hier offenbart ist, ist;
7 eine vergrößerte Schnittansicht von Gebiet 7 von 6 ist;
8 eine schematische teilweise Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist;
9 eine schematische Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Aschefilters und einer Abgasbehandlungsvorrichtung, wie hier offenbart ist, ist;
10 eine schematische Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Aschefilters und einer Abgasbehandlungsvorrichtung, wie hier offenbart ist, ist;
11 eine schematische Schnittansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Aschefilters und einer Abgasbehandlungsvorrichtung, wie hier offenbart ist, ist; und
12 eine schematische teilweise Schnittansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist; und eine schematische Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Aschefilters und einer Abgasbehandlungsvorrichtung ist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zusätzlich zu der fortschreitenden Reduktion der Wirksamkeit von SCR-Katalysatorstrukturen, die bei einem thermischen Zyklusverlauf in Verbindung mit einer Regeneration dieser Filter und der zugeordneten Verbrennung des feuerbeständigen PM auftreten kann, wie oben beschrieben ist, haben die Anmelder entdeckt, dass sich nicht feuerbeständige Partikel (Asche) auch an den katalytischen Flächen von SCR-Katalysatorstrukturen ansammeln können, wodurch deren Kapazität, die Oxidation oder Reduktion der verschiedenen Bestandteile einer durch diese strömenden Abgasströmung, wie NO_x, CO, HC und dergleichen zu katalysieren, wie auch die NH₃-Ausgangsniveaus, die aus diesen Umwandlungen resultieren, weiter reduziert werden. Wie in 1 gezeigt ist, die Umwandlungsprozentsätze, die für verschiedene Abgasbestandteile gemäß dem FTP nach einem Altern eines Abgassystems, das einen SCR-Katalysator enthält, für 700 DPF-Regenerationszyklen mit Dieselmotorabgasen, die bei einer Temperatur von etwa 650°C strömen, erreicht werden. 1 zeigt auch die Wirkung einer Aschekontamination an einem identischen Abgassystem (mit einem Harnstoff-SCR-Katalysator), der über 420 Zyklen unter Verwendung eines 4-Modus-Aschealterungszyklus in einem Temperaturbereich von 240 - 540°C mit durch das System strömendem Dieselmotorabgas gealtert wurde. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Reduktion der NO_x-Umwandlungsfähigkeit für diese Systeme, die auf die Ansammlung von Asche in dem System zurückführbar ist. Wie in 2 gezeigt ist, zeigte eine nachfolgende chemische Analyse der SCR-Katalysatorbricks die Anwesenheit von Schmutzstoffen an der katalytischen Fläche der Bricks, die die Verringerung des Wirkungsgrades der NO_x-Umwandlung bewirkte, einschließlich P₂O₅, CaO und ZnO. Die katalytischen Flächen an den Einlassenden des Bricks besaßen die höchsten Niveaus dieser Schmutzstoffe, wobei die Mengen von P₂O₅ und CaO an den Einlassenden der Bricks signifikant höher waren. Zusätzlich zu der Reduktion des Umwandlungswirkungsgrades des Abgassystems kann die Ansammlung dieser Bestandteile auch den Wirkungsgrad des Motors reduzieren, da die reduzierte Fähigkeit der katalytischen Vorrichtung die Verwendung von mehr Oxidationsmittel- oder Reduktionsmittelmaterialien über die Zeit erfordern kann, wie Kraftstoff, Harnstoff und dergleichen, als anderweitig erforderlich wäre. Für Abgassysteme, die auch einen PF verwenden, zeigen diese Ergebnisse auch, dass die Ansammlung nicht feuerbeständiger Partikel in PF-Strukturen, wie einem DPF, auch dazu neigen kann, den Abgassystemgegendruck weiter zu erhöhen. Diese Erhöhung des Gegendrucks kann durch die Regeneration des Filters, wie oben beschrieben ist, aufgrund der nicht feuerbeständigen Beschaffenheit der Partikel nicht vollständig entlastet werden. Somit können diese Partikel dazu tendieren, die Wirksamkeit von Partikelfiltern, die in Abgasbehandlungssystemen verwendet sind, insbesondere Wandstrompartikelfilter, zunehmend zu reduzieren.
Nun Bezug nehmend auf 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung auf ein Abgasbehandlungssystem 10 für die Behandlung gesetzlich geregelter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors, wie eines Dieselmotors 12, gerichtet. Es sei angemerkt, dass der Dieselmotor 12 lediglich beispielhafter Natur ist und dass die Erfindung, die hier beschrieben ist, jeglichen Typ von Hubkolben-Verbrennungsmotor umschließt, der ein Abgasbehandlungssystem 10 aufweist, das einen Abgasaschefilter aufweist. Dies umfasst, ist jedoch nicht darauf beschränkt, Abgasbehandlungssysteme für Benzin-Direkteinspritz-Motoren sowie Motoren mit homogener Kompressionszündung. Zur einfacheren Beschreibung und Diskussion wird die Offenbarung im Kontext eines Dieselmotors 12 und seiner Abgasbehandlungsvorrichtungen diskutiert. Ein Abgasbehandlungssystem 10 umfasst eine Abgasleitung 14, die verschiedene diskrete Segmente umfassen kann, die dazu dienen, eine Abgasströmung 16, die verschiedene feuerbeständige und nicht feuerbeständige PM, einschließlich Asche, enthält, von dem Dieselmotor 12 zu den verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10 zu transportieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Abgasbehandlungssystem 10 zumindest einen Aschefilter 18 und kann bei anderen beispielhaften Ausführungsformen auch eine Mehrzahl von Aschefiltern 18 umfassen. Der Aschefilter 18 wird dazu verwendet, Asche von der Abgasströmung 16 zu filtern und zu sammeln und seine Emission an die Außenumgebung zu verhindern.
Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen umfasst das Abgasbehandlungssystem 10 zumindest eine zusätzliche Abgasbehandlungsvorrichtung. Es kann jede zusätzliche Abgasbehandlungsvorrichtung zusammen mit dem Aschefilter 18 verwendet werden. Beispiele geeigneter zusätzlicher Abgasbehandlungsvorrichtungen umfassen verschiedene Oxidationskatalysatoren (OC), Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (SCR) oder Partikelfilter (PF) oder eine Kombination daraus. Generell abhängig von dem Kraftstoff, der dazu verwendet wird, den Motor zu betreiben, kann jeder geeignete OC verwendet werden und kann jede Art von Benzinoxidationskatalysatoren (GOC) und Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) enthalten. Generell abhängig von dem Kraftstoff, der zum Betrieb des Motors verwendet wird, den Bestandteilen der Abgasströmung 16, den gewünschten Steuergrenzen dieser Bestandteile und anderer Faktoren in Verbindung mit der Steuerung der Emissionen von dem System 10 kann jeder geeignete SCR verwendet werden und kann einen beliebigen Typ von Kohlenwasserstoff-SCR-(HC-SCR)-Katalysatoren, Mager-NO_x-Fänger (LNT), NSR-Katalysatoren oder Harnstoff-SCR-Katalysatoren (U-SCR) oder eine Kombination daraus enthalten. Generell abhängig von dem Kraftstoff, der zum Betrieb des Motors verwendet wird, kann jeder geeignete PF verwendet werden, einschließlich jedem Typ von Benzinpartikelfilter (GPF) und Dieselpartikelfilter (DPF). Zusätzliche Abgasbehandlungsvorrichtungen umfassen insbesondere alle Mehrfach-Katalysatorkonfigurationen einschließlich verschiedenen Zwei-Wege-Katalysator-, Drei-Wege-Katalysator-, Vier-Wege-Katalysator-Konfigurationen und dergleichen und umfassen ferner diejenigen Konfigurationen, die auch einen PF, wie einen DPF, umfassen, und manchmal den PF in der Katalysatorzählung enthalten, beispielsweise einen Zwei-Wege-Katalysator, der einen HC-SCR oder einen Mager-NO_x-Katalysator (LNC), U-SCR, NSR oder LNT und einen DPF enthält. Bei dieser Ausführungsform wird der Aschefilter 18 mit zumindest einer zusätzlichen Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet, um Asche von der Abgasströmung 16 stromaufwärts der Vorrichtung zu filtern und zu sammeln. In dieser Konfiguration verlangsamt oder verhindert der Aschefilter 18 die Reduktion der katalytischen Umwandlungskapazität oder Filtrationskapazität oder -fähigkeit der zusätzlichen Abgasbehandlungsvorrichtung aufgrund der Ansammlung von Asche, was ansonsten in Verbindung mit dem Betrieb des Motors 12 zunehmend stattfinden würde, wenn kein Aschefilter 18 in dem System 10 enthalten wäre.
Bezug nehmend auf die 3 - 7 sind beispielhafte Ausführungsformen eines diskreten Aschefilters 18, d.h. der vorhanden ist und separat von anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen untergebracht ist, in Verbindung mit einem beispielhaften Abgasbehandlungssystem 10 gezeigt. Die Verwendung in Verbindung mit dem System 10, insbesondere die Beschaffenheit und Anordnung der anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen, ist lediglich beispielhaft, um die Verwendung des Aschefilters 18 zu veranschaulichen. Ein diskreter Aschefilter 18, der die gezeigten beispielhaften Ausführungsformen enthält, kann mit einer beliebigen anderen nützlichen Kombination zusätzlicher Abgasbehandlungsvorrichtungen verwendet werden. Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Aschefilter 18 auch mit zusätzlichen Abgasbehandlungsvorrichtungen als ein integrierter Aschefilter 18 integriert sein, wie hier beschrieben und in den 8 bis 10 gezeigt ist.
Wieder Bezug nehmend auf die 3 - 7 umfasst ein Aschefilter 18 ein Substrat 20 mit einem porösen Matrixmaterial 22, wie einer porösen Matrix aus einem Zeolithmaterial, das daran als ein Medium zur Aschefiltration und -sammlung angeordnet ist. Das poröse Matrixmaterial 22 enthält kein Katalysatormaterial, da es opfernd wirkt, um Asche anzusammeln und dadurch zu verhindern, dass sich die Asche an anderer Stelle in dem System ansammelt, insbesondere um eine Ansammlung an den Katalysatormaterialien von verschiedenen katalytischen Vorrichtungen oder in dem Filtrationsmedium verschiedener anderer Filter zu verhindern, wie hier beschrieben ist. Das Substrat 20 kann aus einem beliebigen dieser Materialien geformt sein, die typischerweise als Substrate für Katalysatormaterialien verwendet werden, und umfasst bevorzugt ein Keramik- oder Metallsubstrat 20. Geeignete Substrate 20 umfassen verschiedene Hochtemperaturkeramik und Hochtemperaturmetalle oder -metalllegierungen. Ein Keramiksubstrat 20 kann aus einem beliebigen geeigneten feuerbeständigen Material bestehen; Beispiele umfassen Cordierit, Cordierit-Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Zirkonmullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliziumdioxid Magnesiumoxid, Zirkonsilikat, Sillimanit, ein Magnesiumsilikat, Zirkon, Petalit, Aluminiumoxid, ein Aluminosilikat und dergleichen. Metallsubstrate können oxidations- und wärmebeständige Metalle und Metalllegierungen aufweisen; Beispiele umfassen Ti, Ti-Legierungen und rostfreie Stähle verschiedener Güten wie auch andere Legierungen, bei denen Eisen ein wesentlicher oder hauptsächlicher Bestandteil ist, einschließlich anderer Legierungen, die eines oder mehrere aus Nickel, Chrom oder Aluminium oder einer Kombination daraus enthalten, und die Gesamtmenge dieser Metalle kann vorteilhafterweise zumindest etwa 15 Gew.-% der Legierung, beispielsweise 10 - 25 Gew.-% Chrom, 3 - 8 Gew.-% Aluminium und bis zu 20 Gew.-% Nickel, umfassen. Die Legierungen können auch kleine oder Spurenmengen von einem oder mehreren anderen Metallen, wie Mangan, Kupfer, Vanadium, Titan und dergleichen enthalten. Die Oberflächen der Metallsubstrate können bei hohen Temperaturen, beispielsweise 1000°C und höher, oxidiert werden, um die Beständigkeit gegenüber Korrosion und weitere Oxidation der Legierungen durch Ausbildung einer anhaftenden Oberflächenoxidschicht zu verbessern. Eine derartige Hochtemperaturoxidation kann auch die Anhaftung des porösen Matrixmaterials 22 an dem Substrat 20 fördern.
Besonders nützliche Formen für das Keramiksubstrat 20 umfassen Strukturen eines wabenförmigen Keramik- oder Metalldurchflussmonolithen 26, wie in einem diskreten Aschefilter 18 in den 4 und 5 gezeigt ist.
Wie in den 4, 5, 9 und 11 gezeigt ist, umfassen Substrate 20 mit wabenförmigem Keramik- oder Metalldurchflussmonolithen 26 diejenigen mit einer Mehrzahl feiner paralleler Gasstromdurchgänge 30, die sich von einem Einlass 32 hindurch zu einer Seite eines Auslasses 34 des Substrats 20 erstrecken, so dass die Durchgänge 30 offen für einen Durchgang einer Abgasströmung 16 hindurch sind und als wabenförmige Durchström- bzw. Durchflusssubstrate bezeichnet werden. Für diese Monolithen sind die Durchgänge, die im Wesentlichen gerade Pfade von dem Einlass 32 zu dem Auslass 34 sind, durch eine Mehrzahl miteinander verbundener aneinander angrenzender Seitenwände 36 definiert, an denen poröses Matrixmaterial 22, wie eine Matrix aus einem Zeolithmaterial, entweder als eine Schicht an der Fläche des Substrats 20 oder innerhalb des porösen Substrats 20 allgemein als ein Washcoat angeordnet ist. Der Washcoat kann eine einzelne Schicht oder eine Mehrzahl von Schichten aufweisen und kann eine beliebige geeignete Dicke, Oberfläche, Dicke oder andere Charakteristiken aufweisen, die notwendig sind, um die erwünschte Filterkapazität oder Filtrationsfähigkeit bereitzustellen. Das poröse Matrixmaterial 22 kann ein beliebiges poröses Netzwerk umfassen, einschließlich hochgeordneten porösen Strukturen mit einer geordneten Gruppierung von Poren wie auch jede Art ungeordneter poröser Strukturen, die konfiguriert sind, um Aschepartikel in der Abgasströmung 16 abzufangen. Poröse Matrixmaterialien 22, die verschiedene Zeolithmaterialien enthalten, sind aufgrund ihrer porösen geordneten Strukturen bevorzugt.
Wie in den 12 und 13 gezeigt ist, umfassen Substrate 20 mit wabenartigem keramischem Wandstrommonolith diejenigen mit einer Mehrzahl feiner paralleler komplementärer Einlassdurchgänge 40 und Auslassdurchgänge 42, die durch aneinander angrenzende poröse für Abgas permeable Seitenwände 44 fluidmäßig gekoppelt sind, die aneinander angrenzende Einlassdurchgänge 40 und Auslassdurchgänge 42 fluidtechnisch verbinden. Die Einlassdurchgänge 40, die permeablen Seitenwände 44 und die Auslassdurchgänge 42 sind derart konfiguriert, dass die Abgasströmung 16 von einem Einlass 46 zu einem Auslass 47 des Substrats 20 kommuniziert wird, und werden somit als Waben-Wandstromsubstrate bezeichnet. Für diese Monolithen sehen die Durchgänge entgegen der Erfindung gewundene Pfade von dem Einlass 46 über Einlassdurchgänge 40 zu dem Auslass 47 durch die Auslassdurchgänge 42 über das Netzwerk von Durchgängen, die durch poröse Seitenwände 44 vorgesehen sind, vor. Die Einlassdurchgänge 40 und die Auslassdurchgänge 42 sind durch die Mehrzahl miteinander verbundener aneinander angrenzender Seitenwände 44 definiert, an denen poröses Matrixmaterial 22, wie eine Matrix aus einem Zeolithmaterial, bevorzugt in den Einlassdurchgängen 40 nahe dem Einlass 46 angeordnet ist.
Bezug nehmend auf die 4, 5, 9 und 11 sind die Strömungsdurchgänge des Durchfluss- und Wandstrom-Monolithsubstrats 20 dünnwandige Kanäle, die eine beliebige geeignete Querschnittsform und Größe besitzen können, wie trapezartig, rechtwinklig, quadratisch, sinusförmig, sechseckig, oval, kreisförmig oder dergleichen. Derartige Strukturen können zwischen etwa 60 bis etwa 600 oder mehr Gaseinlassöffnungen (d.h. Zellen) pro Quadratzoll Querschnitt enthalten. Die Substrate 20, die für die Katalysatoren der vorliegenden Erfindung nützlich sind, können auch metallischer Beschaffenheit sein und ein oder mehrere Metalle oder Metalllegierungen enthalten. Die metallischen Substrate können in verschiedenen Formen verwendet werden, wie ein gewelltes Blech oder eine monolithische Form, insbesondere Durchflussmonolithen, wie oben beschrieben ist.
Ungeachtet der Form des Substrats 20 kann das poröse Matrixmaterial 22, wie eine Matrix aus einem Zeolithmaterial, entweder als eine Schicht an der Oberfläche des Substrats 20 oder in den porösen Seitenwänden des Substrats 20 allgemein als ein Washcoat angeordnet sein. Der Washcoat kann eine einzelne Schicht oder kann eine Mehrzahl von Schichten enthalten und kann eine beliebige geeignete Dicke, Oberfläche, Dichte oder andere Charakteristiken aufweisen, die notwendig sind, um die gewünschte Filterkapazität oder Filtrationsfähigkeit bereitzustellen. Das poröse Matrixmaterial 22 kann ein beliebiges poröses Netzwerk einschließlich hochgeordneter poröser Strukturen mit einer geordneten Gruppierung aus Poren wie auch jede Art ungeordneter poröser Strukturen enthalten, die derart konfiguriert sind, um Aschepartikel in der Abgasströmung 16 abzufangen. Die porösen Matrixmaterialien 22, die verschiedene Zeolithmaterialien enthalten, sind aufgrund ihrer hochporösen und hochgeordneten Zeolithstrukturen bevorzugt. Ein Zeolith-Matrixmaterial 22 kann als ein Washcoat aufgetragen werden. Das Zeolith-Matrixmaterial 22 kann ein beliebiges geeignetes Zeolith-Matrixmaterial 22 umfassen. Ein geeignetes Zeolith-Matrixmaterial 22 umfasst einen Aluminiumoxidzeolith. Das Aluminiumoxid-Zeolithmaterial 22 kann auch Siliziumdioxid aufweisen, wie verschiedene Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Verbindungen, einschließlich verschiedener Aluminosilikatmaterialien. Ferner kann das Aluminiumoxid-Zeolithmatrixmaterial auch Zr, Nb, Y, Hf, La, Ce oder Nd oder ein Oxid von diesen oder eine Legierung von diesen oder eine Kombination daraus aufweisen. Das Aluminiumoxidzeolith-Matrixmaterial kann eine Mehrzahl von oberflächenhydroxylierten Aluminiumoxidpartikeln aufweisen. Die oberflächenhydroxylierten Aluminiumoxidpartikel können Böhmit, Pseudo-Böhmit, gallertartiges Böhmit, Diaspor, Nordstrandit, Bayerit oder Gibbsit oder eine Kombination daraus umfassen. Aluminiumoxidzeolith-Matrixmaterial kann NaX-, NaY- oder ZSM-5-Zeolithe oder eine Kombination daraus aufweisen. Das Zeolith-Matrixmaterial kann eine beliebige Porengröße oder Morphologie besitzen, die geeignet ist, um Aschepartikel von einer Abgasströmung 16 abzufangen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die durchschnittliche Porengröße größer als etwa 1 nm. Das Zeolith-Matrixmaterial 22 kann an der Oberfläche von oder innerhalb eines Substrats 20 angeordnet sein. Die Anordnung in einem Substrat 20 kann beispielsweise vorgesehen werden, wenn das Substrat 20 ein poröses Material ist, so dass die Zeolithmatrix in dem porösen Material des Substrats 20 angeordnet sein kann. Wenn ein Washcoat verwendet wird, kann eine beliebige geeignete Dicke oder Anzahl von Schichten des Washcoats verwendet werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann ein Washcoat, entweder eine einzelne Schicht oder als eine Mehrzahl von Schichten, eine Dichte von etwa 1,0 bis etwa 3,0 g/in³ besitzen.
Bezug nehmend auf die 3 - 13 wird die Abgasströmung 16 in den Aschefilter 18 über das Substrat 20 und das poröse Matrixmaterial 22, das daran angeordnet ist, geführt, wie die Matrix aus Zeolithmaterial, so dass die durch die Durchgänge strömenden Gase mit dem porösen Matrixmaterial in Kontakt treten und die in der Strömung 16 enthaltene Asche durch die poröse Matrix gefiltert wird, so dass sie von der Strömung 16 entfernt wird und sich in dem porösen Matrixmaterial 22 ansammelt. Durch Reduzierung der Menge an Asche in der Abgasströmung 16 wird die Menge an Ascheemission von dem System 10 reduziert. Ferner wird die Menge an Asche, die über eine stromabwärtige Abgasbehandlungsvorrichtung (oder Abgasbehandlungsvorrichtungen) strömt, reduziert, wodurch die Möglichkeit für eine Ansammlung von Asche an den katalytischen Flächen oder Filtrationsmedien dieser Vorrichtungen und folglich eine Reduktion ihrer Leistungsfähigkeit, beispielsweise eine reduzierte Oxidationskapazität (für OC), NO_x-Umwandlungskapazität (für U-SCR, HC-SCR, LNC, LNT oder NSR), eine reduzierte Filtrationskapazität aufgrund einer Ansammlung von nicht brennbarer Asche (für PF) reduziert wird. Positiv angemerkt neigt die Integration des Aschefilters 18 zu einer Verbesserung der Betriebsleistungsfähigkeit und verlängert die Betriebslebensdauer des Abgasbehandlungssystems 10.
Bezug nehmend auf die 3 - 7 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform des Systems 10 eine Abgasbehandlungsvorrichtung in der Form eines diskreten Aschefilters 18. Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, kann der Aschefilter 18 ein Substrat 20 mit Durchflussmetall- oder Keramikmonolith 26 mit einem porösen Matrixmaterial 22 aufweisen, wie einem Zeolithmatrixmaterial, das darauf angeordnet ist, wie hier beschrieben ist. Der Monolith 26 ist auf eine intumeszente Matte 48 gewickelt, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wodurch das Substrat 20 gesichert und isoliert wird, das in einer Metallschale oder einen Metallkanister 50 gepackt ist, wie einer Schale aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14. Die Metallschale 50 kann ein Paar Flansche 51 oder ähnliche Befestigungsmerkmale aufweisen, die für die entfernbare Befestigung des Aschefilters 18 an dem System 10, einschließlich der Leitung 14, durch Verwendung einer geeigneten Befestigungsvorrichtung (nicht gezeigt) sorgen, wie einer Mehrzahl von Gewindebolzen (und einer entsprechenden Mehrzahl von um den Umfang beabstandeten Bohrungen, die an dem Flansch 51 angeordnet sind), Umfangsbandklemmen und dergleichen. Die Befestigungsvorrichtungen können dazu verwendet werden, Flansche 51 an zusammenpassende Befestigungsmerkmale, wie Flansche 53, zu befestigen, die Abschnitten der Leitung 14 oder anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen zugeordnet sein können. Dies ist ein vorteilhafter Aspekt eines diskreten Aschefilters 18, da er die Entfernung und den Austausch des Aschefilters 18 während der Betriebslebensdauer des Abgasbehandlungssystems 10 und des Dieselmotors 12 ermöglicht. Somit kann der diskrete Aschefilter 18, der Asche in Verbindung mit einem Betrieb des Dieselmotors 12 und des Abgasbehandlungssystems 10 angesammelt hat, entfernt und gegen einen neuen diskreten Aschefilter 18 ausgetauscht werden, wodurch die Wartung von sowohl dem Dieselmotor 12 als auch dem Abgasbehandlungssystem 10 erleichtert wird. Eine Entfernung und ein Austausch kann gemäß einem vorbestimmten Zeitintervall oder auf Grundlage der Überwachung des Abgasbehandlungssystems 10 durch Verwendung verschiedener Sensoren in Verbindung mit einem Systemcontroller durchgeführt werden, wie hier beschrieben ist.
Eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform eines Aschefilters 18 und Substrats 20 umfasst eine Mehrzahl oder ein Bett 24 aus Partikeln des Substrats 20, die das Zeolith-Matrixmaterial 22 an der Oberfläche von oder innerhalb der Partikel des Substrats 20 angeordnet aufweisen, wie in 6 und 7 gezeigt ist. Der Aschefilter 18 kann in einer Metallschale oder einem Kanister 50 untergebracht sein, wie einer Schale aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14. Ein diskreter Aschefilter 18 kann auch zur entfernbaren Befestigung an dem Abgasbehandlungssystem 10 konfiguriert sein, wie oben in Verbindung mit dem in den 4 und 5 gezeigten Aschefilter beschrieben ist. Das Bett 24 der Partikel des Substrats 20 kann in einem Bettgehäuse oder einer Dose 52 untergebracht sein, die aus denselben Materialien wie das Außengehäuse 50 hergestellt sein kann. Das Bett 24 kann in dem Bettgehäuse 52 durch ein paar befestigter Endkappen 54 eingeschlossen sein, die eine Mehrzahl von Durchbrechungen 44 oder Löchern aufweisen, um zu ermöglichen, dass eine Abgasströmung 16 durch diese zu dem Bett 24 und über die Oberfläche des porösen Matrixmaterials 22 zur Filtration von Asche gelangen kann, wie hier beschrieben ist, und die auch aus denselben Materialien wie das Gehäuse 50 hergestellt sein können.
Wieder Bezug nehmend auf 3 umfasst das Abgasbehandlungssystem 10 auch eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (SCR) 58, die stromabwärts des Aschefilters 18 angeordnet ist. Der SCR-Katalysator 58 kann auch ein Durchfluss-Keramik- oder Metall-Monolithsubstrat 60 umfassen, das in eine intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird, das in eine Metallschale oder einen Kanister 62 gepackt ist, wie eine Schale aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14. Das Substrat besitzt ein darauf aufgetragenes SCR-Katalysatormaterial (nicht gezeigt). Die SCR-Katalysatorzusammensetzung umfasst bevorzugt ein Zeolith-Matrixmaterial mit einem oder mehreren Nichtedelmetallkatalysatormaterialien, die daran angeordnet sind, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V) oder ein Oxid von diesen oder eine Legierung von diesen oder eine Kombination daraus, die effektiv dazu dienen können, NO_x-Bestandteile in der Abgasströmung 16 in der Anwesenheit eines geeigneten Reduktionsmittels, wie Ammoniak (NH₃) umzuwandeln. Das NH₃-Reduktionsmittel 64, das von dem Reduktionsmittelliefertank 66 durch die Leitung 68 geliefert wird, kann in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts des SCR-Katalysators 58 unter Verwendung eines Harnstoffinjektors 70 in Fluidkommunikation mit der Leitung 68 oder ein anderes geeignetes Verfahren zur Lieferung des Reduktionsmittels an die Abgasströmung 16 injiziert werden. Das Reduktionsmittel kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit, einschließlich einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen und kann mit Luft in dem Injektor 70 gemischt werden, um die Dispersion des injizierten Sprühnebels zu unterstützen. Ein Mischer oder Turbulator 72 kann auch in der Abgasleitung 14 in nächster Nähe zu dem Injektor 70 angeordnet sein, um eine vollständige Mischung des Reduktionsmittels 64 mit der Abgasströmung 16 weiter zu unterstützen.
Wieder Bezug nehmend auf 3 umfasst das Abgasbehandlungssystem 10 auch einen Abgas-PF in der Form eines DPF 74, der stromabwärts des SCR-Katalysators 58 angeordnet ist, wobei der DPF 74 dazu dient, die Abgasströmung 16 von PM, einschließlich Ruß und anderen OM-Partikeln zu filtern. Der DPF 74 kann unter Verwendung eines Keramikwandstrommonolithen 76 aufgebaut sein, um diese Materialien von der Abgasströmung 16 zu filtern. Der DPF kann in eine intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt sein, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei der Filter gesichert und isoliert wird, der in eine Metallschale oder einen Metallkanister 78, wie eine Schale aus rostfreiem Stahl mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt ist. Wie hier unter Bezugnahme auf den Aschefilter 18 beschrieben ist, besitzt der keramische Wandstrommonolith 76 eine Mehrzahl permeabler sich in Längsrichtung erstreckender Durchgänge, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände definiert sind. Die Durchgänge umfassen einen Untersatz von Einlassdurchgängen, die ein offenes Einlassende und ein geschlossenes Auslassende besitzen, und einen komplementären Untersatz von Auslassdurchgängen, die ein geschlossenes Einlassende und ein offenes Auslassende besitzen. Eine Abgasströmung 16, die in den DPF 74 durch die Einlassenden der Einlassdurchgänge eintritt, wird zur Wanderung durch benachbarte, sich in Längsrichtung erstreckende Wände zu den Auslassdurchgängen getrieben. Durch diesen Wandstrommechanismus wird die Abgasströmung 16 von Ruß und anderen aM-Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden an den sich in Längsrichtung erstreckenden Wände der Einlassdurchgänge abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem der Dieselmotor ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der Keramik-Wandstrommonolithfilter lediglich beispielhafter Natur ist und dass der DPF andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie Filter aus gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform erfordert die Zunahme des Abgasgegendrucks, die durch die Ansammlung von Ruß und anderem OC-Partikelmaterial bewirkt wird, dass der DPF 74 periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel typischerweise in einer Umgebung mit hoher Temperatur (beispielsweise >600°C).
Optional dazu kann eine Dieseloxidationskatalysatorvorrichtung (DOC) 80 ebenfalls in dem Kanister 78 des DPF 74 angeordnet sein. Der DOC 80 kann ein Durchflussmetall- oder Keramikmonolithsubstrat 82 aufweisen, das in eine intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat in der Metallschale oder dem Kanister 78 gesichert und isoliert wird. Das Substrat 82 besitzt eine Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt), die daran angeordnet ist. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen sein und kann ein Katalysatormaterial aus Metall der Pt-Gruppe enthalten. Geeignete Metallkatalysatoren der Pt-Gruppe umfassen Pt, Rh, Ir, Ru, Re, Os oder Pd oder Legierungen von diesen oder Kombinationen daraus.
Wieder Bezug nehmend auf 3 ist stromaufwärts des DOC 80 in Fluidkommunikation mit der Abgasströmung 16 in der Abgasleitung 14 ein HC- oder Kraftstoffinjektor 84 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 84 steht in Fluidkommunikation mit HC 86, wie Kraftstoff in dem Kraftstoffliefertank 88, oder einer anderen Kraftstoffquelle, wie einer Kraftstoffleitung eines Common-Rail-Kraftstoffinjektionssystems (nicht gezeigt) durch Kraftstoffleitung 90. Der Kraftstoffinjektor 84 ist derart konfiguriert, dass er nicht verbranntes HC 86 in die Abgasströmung 16 zur Lieferung an den DOC 80 einführt. Ein Mischer oder Turbulator 92 kann ebenfalls in der Abgasleitung 14 in nächster Nähe zu dem Kraftstoffinjektor 84 angeordnet sein, um ein vollständiges Mischen des flüssigen oder gasförmigen HC oder Kraftstoffs mit der Abgasströmung 16 weiter zu unterstützen.
Wieder Bezug nehmend auf 3 ist ein Controller, wie ein Fahrzeugcontroller 94 funktionell mit dem Abgasbehandlungssystem 10 durch eine Signalkommunikation mit dem Harnstoffinjektor 70, dem Kraftstoffinjektor 84 und einer Anzahl von Temperatur-, Druck- und Abgassensoren, wie NO_x-Sensoren, Sauerstoffsensoren und dergleichen, verbunden und überwacht und steuert dieses. Der hier verwendete Begriff „Controller“ kann einen beliebigen geeigneten Controller enthalten, wie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Steuerfunktionalität bereitstellen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt ein Drucksensor 96, der stromaufwärts des DPF 74 angeordnet ist, ein Signal, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem Keramikwandstrommonolithfilter 76 und den Gegendruck in dem System 10 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf zur Regeneration des DPF 74 angibt, aktiviert der Controller 94 den HC- oder Kraftstoffinjektor 84, um Kraftstoff in die Abgasleitung 14 zur Mischung mit der Abgasströmung 16 zu liefern. Die Kraftstoff/AbgasMischung tritt in den DPF 74 ein und strömt auch durch den DOC 80, wenn verwendet, wobei eine Oxidation des HC in der Abgasströmung 16 bewirkt wird und die Abgastemperatur auf ein Niveau (>600°C) angehoben wird, das zur Regeneration des Rußes und anderer OM-Partikel in dem Keramikwandstrommonolithfilter 76 geeignet ist. Der Controller 94 kann die Temperatur der exothermen Oxidationsreaktion in dem DPF 74 und dem DOC 80 und dem Keramikwandstrommonolithfilter 76 durch den Temperatursensor 98 überwachen und die Lieferrate des Injektors 84 einstellen, um eine vorbestimmte Temperatur aufrechtzuerhalten. Ein NO_x-Sensor (nicht gezeigt) kann in die Leitung 14 eingesetzt sein, um ein Signal zu erzeugen, das die Menge an Motorausgangs-NO_x angibt, und der Controller 94 kann dieses Signal dazu verwenden, den Harnstoffinjektor 70 für die Injektion von Harnstoff in den SCR-Katalysator 58 für die Reduktion von NO_x zu steuern, um ein vorbestimmtes Niveau von NO_x in der Abgasströmung 16 aufrechtzuerhalten. In Verbindung mit dem System 10 sind viele andere Steuermethodologien möglichen, um das NO_x, HC, CO und PM in Verbindung mit der Abgasströmung 16 zu steuern.
Eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems 10 ist in 8 gezeigt. Das System 10 dieser Ausführungsform ist im Wesentlichen identisch zu dem, das oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass der diskrete Aschefilter 18 gegen einen integrierten Aschefilter 18 (9 und 10) oder einen integralen Aschefilter 18 (11), der zusammen mit dem SCR-Katalysator 58 enthalten ist, ausgetauscht ist. Wie bei den beispielhaften Ausführungsformen, die in den 9 bis 11 veranschaulicht sind, gezeigt ist, ist der integrierte oder integrale Aschefilter 18 mit dem SCR-Katalysator 58 in einem einzelnen Gehäuse 50 kombiniert. Das Gehäuse 50 kann modifiziert sein, wie durch Verlängerung des Gehäuses, um eine Aufnahme des Aschefilters 18 unterzubringen. Kann auch einen Sensor zur Verwendung bei der Steuerung des Abgasbehandlungssystems 10, wie einen NO_x-Sensor 100, zur Messung des NO_x-Gehalts der Abgasströmung 16 und zur Bereitstellung eines Signaleingangs zu dem Controller 94 enthalten. Wie in den 9 und 10 gezeigt ist, kann der integrierte Aschefilter 18 als ein Durchflussmonolith 26 enthalten sein. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 11 kann der integrale Aschefilter 18 an dem Durchflussmonolith 60 des SCR-Katalysators 58 an dem Einlassende des SCR-Katalysators 58 enthalten sein. Dies kann beispielsweise unter Verwendung von Zonenbeschichtungstechniken zur Abscheidung von porösem Matrixmaterial 22 an einem Abschnitt des Durchflussmonolithen 60 des Monolithen 26 erreicht werden, wobei der Rest des Monolithen das Katalysatormaterial aufnimmt, wie hier unter Bezugnahme auf den SCR-Katalysator 58 beschrieben ist. Sowohl der integrierte als auch integrale Aschefilter 18 der beispielhaften Ausführungsformen, wie in den 9 bis 11 gezeigt ist, sind besonders vorteilhaft, da sie die Gesamtlänge des Abgasbehandlungssystems 10 sowie die Raumhüllkurve verkürzt, die für dieses System an Bord des Fahrzeugs, an dem es installiert ist, erforderlich ist, einschließlich des Raums unter der Motorhaube, der den Dieselmotor 12 enthält und der häufig raumbeschränkt ist, d.h. die Anzahl der Komponenten, die zum Packen des Raums erwünscht sind, überschreitet das verfügbare Volumen. Diese Konfigurationen sind auch darin vorteilhaft, dass sie die Kosten der Komponenten, die notwendig sind, um einen diskreten Filter zu packen, wie das Gehäuse, die intumeszente Matte und dergleichen, reduzieren. Die Ausführungsform von 11 ist besonders dahingehend erwünscht, dass der SCR-Katalysator und der Aschefilter als eine einzelne Komponente hergestellt werden können und keine separate Beschaffung, Lieferung und Handhabung und Herstellung erfordern, um in das System 10 eingefügt werden zu können.
Eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems 10 ist in den 12 und 13 gezeigt. Das System 10 dieser Ausführungsform ist in einiger Hinsicht ähnlich denen, die oben beschrieben sind, mit einigen gemeinsamen Elementen; jedoch unterscheidet sich deren Anordnung etwas, wie nachfolgend beschrieben ist. Die Basisanordnung umfasst einen DOC 80, der stromaufwärts eines Zwei-Wege-Katalysators 110 angeordnet ist. Ein Aschefilter 18 ist ein integraler Aschefilter, der an einem Keramikwandstrommonolithen 28 eines Zwei-Wege-Katalysators 110 enthalten ist.
Der DOC 80 ist als eine diskrete Vorrichtung gezeigt und kann ein Durchflussmetall- oder Keramikmonolithsubstrat 82 aufweisen, das in eine intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat in der Metallschale oder dem Kanister 114 gesichert und isoliert wird. Das Substrat 82 besitzt eine Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt), die daran angeordnet ist. Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann ein Katalysatormaterial aus Metall der Pt-Gruppe enthalten. Geeignete Metallmaterialien der Pt-Gruppe umfassen Pt, Rh, Ir, Ru, Re, Os oder Pd oder eine Legierung von diesen oder Kombinationen daraus.
Der Zwei-Wege-Katalysator 110 umfasst einen DPF 74 und einen SCR-Katalysator 58 in der Form eines U-SCR-Katalysators, der in einer Struktur eines einzelnen Wandstrommonolithen 28 untergebracht ist, die dazu verwendet wird, den SCR-Katalysator 58 unterzubringen. Jedoch kann bei anderen Ausführungsformen der SCR-Katalysator 58 andere SCR-Vorrichtungen aufweisen, einschließlich einen HC-SCR-Katalysator, einen LNT-Katalysator oder einen NSR-Katalysator anstelle des U-SCR-Katalysators. Wie in den 12 und 13 gezeigt ist, ist der integrale Aschefilter 18 nahe dem Einlass 46 an den Seitenwänden 44 der Einlassdurchgänge 40 des Monolithen als ein Washcoat angeordnet, wie hier beschrieben ist. Somit ist er stromaufwärts des DPF 74 und des SCR-Katalysators 58 angeordnet. Der Washcoat des Aschefilters 18 kann sich entlang eines Abschnitts von Einlassdurchgängen 40, wie gezeigt ist, erstrecken oder kann sich alternativ dazu entlang der gesamten Länge der Einlassdurchgänge 40 erstrecken. Der DPF 74 umfasst poröse Seitenwände 44. Bei dieser Konfiguration kann der Aschefilter 18 auch eine gewisse DPF-Funktionalität bereitstellen und einige Ruß oder aM-Partikel sammeln; jedoch ist die Funktionalität des DPF 74 im Wesentlichen den Seitenwänden 44 zugeordnet. Der SCR-Katalysator 58 ist stromabwärts von sowohl dem Aschefilter 18 als auch dem DPF 74 angeordnet. Ein Washcoat 59, der das SCR-Katalysatormaterial, das in dem SCR-Katalysator 58 verwendet ist, umfasst, ist nahe den Auslässen 47 an den Seitenwänden der Auslassdurchgänge 42 angeordnet. Dies kann beispielsweise unter Verwendung von Zonenbeschichtungstechniken zum Abscheiden eines porösen Matrixmaterials 22 an dem Einlassdurchgangsabschnitt des Wandstrommonolithen 28 erreicht werden, wobei der Rest des Monolithen den Washcoat 59 des Katalysatormaterials aufnimmt, wie hier unter Bezugnahme auf den SCR-Katalysator 58 beschrieben ist. Das Substrat des Keramikwandstrommonolithen 28 ist in eine intumeszente Matte 116 gewickelt, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat in der Metallschale oder dem Kanister 118 gesichert und isoliert wird. Das Gehäuse 118 kann auch einen Sensor zur Verwendung bei der Steuerung des Abgasbehandlungssystems 10 enthalten, wie einen NO_x-Sensor 100 zum Messen des NO_x-Gehalts der Abgasströmung 16 und zur Bereitstellung eines Signaleingangs an den Controller 94.
Wieder Bezug nehmend auf die 12 und 13 ist ein HC- oder Kraftstoffinjektor 84 stromaufwärts des DOC 80 in Fluidkommunikation mit der Abgasströmung 16 in der Abgasleitung 14 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 84 steht in Fluidkommunikation mit dem HC 86, wie Kraftstoff, in dem Kraftstoffliefertank 88, oder einer anderen Kraftstoffquelle, wie einer Kraftstoffleitung eines Common-Rail-Kraftstoffinjektionssystems (nicht gezeigt) durch Kraftstoffleitung 90. Der Kraftstoffinjektor 84 ist derart konfiguriert, dass er nicht verbranntes HC 86 in die Abgasströmung 16 zur Lieferung an den DOC 80 einführt. Ein Mischer oder Turbulator 92 kann auch in der Abgasleitung 14 in nächster Nähe zu dem Kraftstoffinjektor 84 angeordnet sein, um ein vollständiges Mischen des flüssigen oder gasförmigen HC oder Kraftstoffs mit der Abgasströmung 16 weiter zu unterstützen.
Das NH₃-Reduktionsmittel 64, das von dem Reduktionsmittelliefertank 66 durch die Leitung 68 geliefert wird, kann in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts des SCR-Katalysators 58 unter Verwendung eines Harnstoffinjektors 70 in Fluidkommunikation mit der Leitung 68 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Lieferung des Reduktionsmittels an die Abgasströmung 16 injiziert werden. Das Reduktionsmittel kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit, einschließlich einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen und kann mit Luft in dem Injektor 70 gemischt werden, um die Dispersion des injizierten Sprühnebels zu unterstützen. Ein Mischer oder ein Turbulator 72 kann auch in der Abgasleitung 14 in nächster Nähe zu dem Injektor 70 angeordnet sein, um ein vollständiges Mischen des Reduktionsmittels 64 mit der Abgasströmung 16 weiter zu unterstützen.
Ein Controller, wie ein Fahrzeugcontroller 94, ist mit dem Abgasbehandlungssystem 10 durch eine Signalkommunikation mit dem Harnstoffinjektor 70, dem Kraftstoffinjektor 84 und einer Anzahl von Temperatur-, Druck- und Abgassensoren, wie NO_x-Sensoren, Sauerstoffsensoren und dergleichen funktionell verbunden und überwacht und steuert dieses. Der hier verwendete Begriff „Controller“ kann einen beliebigen geeigneten Controller aufweisen, wie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Steuerfunktionalität bereitstellen.

Claims

Abgasbehandlungssystem (10) für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor (12), umfassend: einen Aschefilter (18) mit einem Substrat (20), das einen wabenförmigen Keramik- oder Metalldurchflussmononithen (26) mit mehreren parallelen geraden und durchgehend offenen Gasströmungsdurchgängen (30) aufweist, die sich von einem Einlass (32) zu einem Auslass (34) des Substrats (20) erstrecken, und einer Matrix (22) aus einem eines ersten Zeolithmaterial auf dem Substrat (20), wobei die Matrix derart konfiguriert ist, dass sie eine Abgasströmung (16) von einem Motor (12) aufnimmt; und eine Abgasbehandlungsvorrichtung (58, 80, 74), die eine Matrix eines zweiten Zeolithen umfasst und derart konfiguriert ist, dass sie die Abgasströmung (16) von dem Aschefilter (18) aufnimmt.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Abgasbehandlungsvorrichtung einen Oxidationskatalysator (80), einen Partikelfilter (74), einen SCR-Katalysator (58) oder eine Kombination daraus umfasst.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der SCR-Katalysator (58) einen HC-SCR-Katalysator, einen Mager-NO_x-Fänger, einen NSR-Katalysator oder einen U-SCR-Katalysator umfasst.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Zeolithmaterial NaX, NaY oder ZSM-5 oder eine Kombination daraus umfasst.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Zeolithmatrix Aluminiumoxid umfasst.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 5, wobei die erste Zeolithmatrix ferner Siliziumdioxid umfasst.
Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Zeolithmatrix an der Oberfläche von oder in einem Substrat (20) angeordnet ist.
Verfahren zum Behandeln einer Abgasströmung (16) von einem Verbrennungsmotor (12), umfassend, dass: ein Abgasbehandlungssystem (10) gemäß Anspruch 1 vorgesehen wird; und der Motor (12) betrieben wird, um die Abgasströmung (16), die eine Menge an Asche enthält, zu erzeugen; und die Abgasströmung (16) unter Verwendung des Aschefilters (18) gefiltert wird, um die Menge an Asche in der Abgasströmung (16) zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, dass: der Aschefilter (16) entfernt wird; ein Austausch-Aschefilter (16) bereitgestellt wird.