DE102010026890B4 - Abgasbehandlungssystem und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Abgasemissionsbehandlungssystem für ein Fahrzeug, umfassend: einen HC-SCR-Katalysator mit einem Nicht-Pt-Gruppen-Metall-Katalysatormaterial, das auf einer Keramikmatrix angeordnet ist, und der derart konfiguriert ist, dass er eine Abgasströmung von einem Motor aufnimmt, wobei das Nicht-Pt-Gruppen-Metall Ag, eine Ag-Verbindung oder eine Ag-Legierung oder eine Kombination daraus umfasst, und die Keramikmatrix Aluminiumoxid umfasst oder wobei das Nicht-Pt-Gruppen-Metall Kupfer, eine Kupferverbindung, eine Kupferlegierung, Chrom, eine Chromverbindung, eine Chromlegierung, Eisen, eine Eisenverbindung oder eine Eisenlegierung oder eine Kombination daraus umfasst und die Keramikmatrix einen Zeolith umfasst; einen Oxidationskatalysator mit einem Pt-Gruppen-Metall-Katalysatormaterial, und der derart konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem HC-SCR-Katalysator aufnimmt; einen Zwei-Wege-Katalysator umfassend einen U-SCR-Katalysator und einen Partikelfilter, wobei einer des U-SCR-Katalysators oder des Partikelfilters konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem Oxidationskatalysator aufnimmt; und der andere eines U-SCR-Katalysators oder des Partikelfilters konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem jeweiligen aufnimmt, wobei das Abgasemissionsbehandlungssystem ferner eine Kohlenwasserstoffdosiervorrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Kohlenwasserstoffmaterial in die Abgasströmung stromaufwärts des HC-SCR-Katalysators freisetzt, und eine Harnstoffdosiervorrichtung umfasst, die derart konfiguriert ist, dass sie Harnstoff in die Abgasströmung stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators angeordnet freisetzt.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stehen mit Abgasbehandlungssystemen und insbesondere einem Abgasbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit Magerverbrennung in Verbindung.
  • HINTERGRUND
  • Hersteller von Verbrennungsmotoren entwickeln Motorsteuerstrategien, um Kundenbedürfnissen gerecht zu werden und verschiedenen gesetzlichen Regelungen für Emissionen und Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu entsprechen. Eine solche Motorsteuerstrategie umfasst das Betreiben eines Motors bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das überstöchiometrisch ist, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Solch ein Betrieb ist bei Verwendung von sowohl kompressions- bzw. selbstzündenden (Diesel) als auch magerverbrennenden funken- bzw. fremdgezündeten Motoren möglich. Wenn ein Motor mit einem mageren (Sauerstoffüberschuss) Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet, ist die resultierende Verbrennungstemperatur geringer, was zu verringerten Motoraustritts-NOx-Emissionen führt; allerdings ist die wirtschaftliche Anwendung von mager arbeitenden Motoren wegen des Fehlens wirksamer Verfahren zum Entfernen der NOx unter einer mageren Abgasbedingung begrenzt. Deshalb ist die effiziente Reduktion von Stickoxiden (NOx = NO + NO2) aus dem Abgas aus einem Diesel- und Magerverbrennungs-Benzinmotor von Bedeutung, um zukünftigen Emissionsstandards gerecht zu werden und die Fahrzeug-Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern.
  • Die Reduktion von NOx-Emissionen aus einem Abgaszustrom, der einen Sauerstoffüberschuss enthält, stellt eine Herausforderung für Fahrzeughersteller dar. Man schätzt beispielsweise, dass die Konformität mit den Bin 5 Regulations in den Vereinigten Staaten ein Nachbehandlungssystem erfordern kann, dass zu einem NOx-Umwandlungswirkungsgrad von 70–90% bei dem FTP(Federal Test Procedure)-Zyklus auf der Basis von derzeit zu erwartenden Motoraustritts-NOx-Konzentrationen in der Lage ist. Zur praktischen Anwendung muss der Umwandlungswirkungsgrad über einen Betriebsbereich mit niedriger Temperatur (z. B. 200–350°C), die in dem zuvor erwähnten FTP-Zyklus auftritt, und in einem Betriebsbereich mit höherer Temperatur (z. B. 450–500°C), die während eines Hochdrehzahltestzyklus (z. B. US06 Federal Test Procedure) auftritt, erhalten werden.
  • Es sind verschiedene mögliche Nachbehandlungssysteme für Fahrzeuganwendungen vorgeschlagen worden. Eine Vorgehensweise umfasst die Verwendung eines Nachbehandlungssystems, das eine Injektion eines NOx-Reduktionsmittels z. B. Harnstoff, stromaufwärts eines Katalysators für harnstoffselektive Katalysatorreduktion (U-SCR) aufweist, um NOx 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. NOx-Speicherkatalysatoren erfordern typischerweise große Katalysatorvolumen, große Mengen an Metallen der Platingruppe sowie einen Kraftstoff mit wenig Schwefel für einen effizienten Speicherbetrieb. Solche Systeme erfordern eine periodische Katalysatorregeneration, die eine Kraftstoffinjektion zur Erzeugung hoher Abgastemperaturen und die Injektion von Reduktionsmitteln zum Regenerieren des Speichermaterials des Katalysators mit sich bringt.
  • Eine selektive katalytische Reduktion von NOx unter Verwendung von Kohlenwasserstoffen (HC-SCR) ist ausgiebig als ein potentielles alternatives Verfahren für die Entfernung von NOx unter sauerstoffreichen Bedingungen studiert worden. Ionengetauschte Nichtedelmetallzeolithkatalysatoren (beispielsweise Cu-ZSM5) sind unter typischen Fahrzeugbetriebsbedingungen (beispielsweise < 350°C) typischerweise nicht ausreichend aktiv und sind anfällig gegenüber einer Schädigung durch Schwefeldioxid- und Wasserkontakt. Katalysatoren, die Platingruppen-Metalle (beispielsweise Pt/Al2O3) verwenden, arbeiten über ein schmales Temperaturfenster effektiv und sind hochselektiv gegenüber einer N2O-Produktion.
  • Katalytische Vorrichtungen, die aluminiumgeträgertes Silber (Ag/Al2O3) verwenden, haben aufgrund ihrer Fähigkeit zur selektiven Reduktion von NOx unter Magerabgasbedingungen mit einer breiten Vielzahl von Kohlenwasserstoffarten Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Verwendung teilweise oxidierter Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Alkohole) über Ag/Al2O3 erlaubt eine Reduktion von NOx bei geringeren Temperaturen. Jedoch sind derartige Reduktionsmittel an Bord des Fahrzeugs nicht verfügbar. Die bisherige HC-SCR über Ag/Al2O3-Katalysatoren verwendete leichte Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Prope, Propan) und schwerere Kraftstoffkomponenten-Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Oktan, Decan) als ein Reduktionsmittel. Eine NOx-Reduktion unter Verwendung leichterer Kohlenwasserstoffe, die in Motorabgas als die Verbrennungsprodukte vorhanden sind, erzielt eine Umwandlung bei höherer Temperatur, jedoch muss für Ag/Al2-O3-Katalysatoren, die als Kandidaten zum praktischen Gebrauch betrachtet werden sollen, die NO-Reduktion in ein Gebiet mit niedrigerer Temperatur verschoben werden und der Kraftstoff an Bord des Fahrzeugs muss als Reduktionsmittel verwendet werden.
  • Daher besteht ein Bedarf nach einem effektiven Verfahren und einer effektiven Vorrichtung zur selektiven Reduktion von NOx in einem Abgaszustrom für Fahrzeuge und anderen Anwendungen von Verbrennungsmotoren mit Magerverbrennung.
  • In den U.S.-Patentanmeldungen US 2008 0 066 456 A1; US 2008 0 066 454 A1 und US 2008 0 070 778 A1, die hier demselben Anmelder wie diese Anmeldung übertragen sind und hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierdurch eingeschlossen sind, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Reduktion von NOx-Emissionen eines Verbrennungsmotors vorgesehen, die ein Abgasnachbehandlungssystem aufweisen, das eine Silber-Aluminiumoxid- oder eine Silber-Platingruppen-Metall-Aluminiumoxid-Katalysatorreaktorvorrichtung und eine Vorrichtung umfasst, die dazu dient, ein Kohlenwasserstoffreduktionsmittel in den Abgaszustrom stromaufwärts der Silber-Aluminiumoxid-Katalysatorreaktorvorrichtung abzugeben. Ein Steuersystem ist angepasst, um ein Parametermaß von NOx-Gasen in dem Abgaszustrom zu bestimmen; und Kohlenwasserstoffreduktionsmittel in den Abgaszustrom stromaufwärts der Silber-Aluminiumoxid-Katalysatorreaktorvorrichtung auf Grundlage des Parametermaßes von NOx-Gasen abzugeben. Dies umfasst, dass ein bevorzugtes Kohlenwasserstoff/NOx-Verhältnis bestimmt wird und das Kohlenwasserstoffreduktionsmittel in den Abgaszustrom stromaufwärts der Silber-Aluminiumoxid-Katalysatorreaktorvorrichtung auf Grundlage des bevorzugten Kohlenwasserstoff/NOx-Verhältnisses bevorzugt während eines Magerbetriebs des Verbrennungsmotors abgegeben wird. Während die in diesen Anmeldungen beschriebenen Abgassysteme bei der Reduzierung von NOx-Emissionen nützlich sind, können die Konfigurationen nicht bezüglich anderer Abgassystembetrachtungen optimiert werden, einschließlich einer effizienten Harnstoffumwandlung und eines effizienten Harnstoffgebrauchs sowie eines möglichen Harnstoffschlupfs während des Betriebs wie auch HC-Emissionsspitzen und Abgasgeruch bei Kaltstart.
  • Während die vorhergehenden Abgasbehandlungssysteme und -verfahren jeweils zu der Steuerung von Emissionen in Verbindung mit verschiedenen Verbrennungsmotorkonfigurationen und Betriebsschemata, einschließlich Magerverbrennungsbetriebsbedingungen beitragen, sind Systeme und Verfahren, die eine verbesserte Reduktion, Steuerung, oder eine Kombination daraus, von Emissionen bereitstellen, erwünscht.
  • Aus der US 2005/0091968 A1 ist ein Abgasbehandlungssystem bekannt, welches – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – einen aktiven Mager-NOx-Katalysator (ALNC), einen Oxidationskatalysator, einen Harnstoff-SCR-Katalysator und einen Partikelfilter umfasst.
  • In der US 2009/0031702 A1 wird ein Abgasbehandlungssystem offenbart, welches – in der Strömungsrichtung des Abgases gesehen – einen SCR-Reaktor, einen Oxidationsreaktor, einen Partikelrußfilter, eine Injektionsstelle für Harnstoff und zwei SCR-Katalysatoren umfasst.
  • In der US 2005/0069476 A1 wird ein zwei Harnstoff-SCR-Katalysatoren umfassendes Motorabgasbehandlungssystem offenbart.
  • Aus der DE 10 2007 044 192 A1 ist ein System zur selektiven Reduzierung von NOx-Emissionen in einem Abgaszustrom eines Verbrennungsmotors bekannt, welches – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – einen Oxidationskatalysator, eine Injektionsstelle für Kohlenwasserstoff, einen Kohlenwasserstoff-SCR-Katalysator sowie einen zweiten Katalysator umfasst, wobei der zweite Katalysator eine Kombination aus einem Oxidationskatalysator und einem Dieselpartikelfilter ist.
  • In der DE 11 2006 002 071 T5 wird ein Verfahren zur Verringerung von NOx-Emissionen unter Verwendung eines gestaffelten Silber/Aluminiumoxid-Katalysatorsystems beschrieben.
  • In der DE 11 2007 002 826 T5 wird ein selektives katalytisches Mehrbett-Reduktionssystem und -verfahren zum Reduzieren von Stickstoffoxid-Emissionen beschrieben.
  • In der US 2008/0295499 A1 wird ein Abgasbehandlungssystem beschrieben, das unter Verwendung eines Niedrig-Temperatur-Oxidationskatalysators arbeitet.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Emissionsbehandlungssystem für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor umfassend:
    • – einen HC-SCR-Katalysator mit einem Nicht-Pt-Gruppen-Metall-Katalysatormaterial, das auf einer Keramikmatrix angeordnet ist, und der derart konfiguriert ist, dass er eine Abgasströmung von einem Motor aufnimmt, wobei das Nicht-Pt-Gruppen-Metall Ag, eine Ag-Verbindung oder eine Ag-Legierung oder eine Kombination daraus umfasst, und die Keramikmatrix Aluminiumoxid umfasst oder wobei das Nicht-Pt-Gruppen-Metall Kupfer, eine Kupferverbindung, eine Kupferlegierung, Chrom, eine Chromverbindung, eine Chromlegierung, Eisen, eine Eisenverbindung oder eine Eisenlegierung oder eine Kombination daraus umfasst und die Keramikmatrix einen Zeolith umfasst;
    • – einen Oxidationskatalysator mit einem Pt-Gruppen-Metall-Katalysatormaterial, und der derart konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem HC-SCR-Katalysator aufnimmt;
    • – einen Zwei-Wege-Katalysator umfassend einen U-SCR-Katalysator und einen Partikelfilter, wobei einer des U-SCR-Katalysators oder des Partikelfilters konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem Oxidationskatalysator aufnimmt; und
    • – der andere eines U-SCR-Katalysators oder des Partikelfilters konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem jeweiligen aufnimmt,
    • – wobei das Abgasemissionsbehandlungssystem ferner eine Kohlenwasserstoffdosiervorrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Kohlenwasserstoffmaterial in die Abgasströmung stromaufwärts des HC-SCR-Katalysators freisetzt, und eine Harnstoffdosiervorrichtung umfasst, die derart konfiguriert ist, dass sie Harnstoff in die Abgasströmung stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators angeordnet freisetzt.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur selektiven Reduktion der Motorausgangs-NOx-Konzentration zu N2 in einem Abgasstrom eines Fahrzeugs, bei dem ein Abgas durch ein zuvor beschriebenes Abgasemissionsbehandlungssystem für ein Fahrzeug geführt wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist;
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist; und
  • 3 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems, wie hier offenbart ist, ist.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bezug nehmend auf die 13 zeigen schematische Schaubilder beispielhafte Ausführungsformen eines Verbrennungsmotors 10, der insbesondere zur Verwendung bei vielen Typen von Kraftfahrzeugen 1 geeignet ist, wie Autos, Leichtlastwägen, Marinefahrzeugen, Geländefahrzeugen und dergleichen. Der Motor 10 umfasst ein Abgasemissionsnachbehandlungssystem 2 mit einem Abgasbehandlungssteuersystem 3, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut worden ist. Diese beispielhaften Ausführungsformen des Abgasemissionssystems 2 umfassen einen Katalysator 20 für kohlenwasserstoffselektive katalytische Reduktion (HC-SCR), der stromaufwärts eines Oxidationskatalysators (OC) 14, wie eines Dieseloxidationskatalysators, positioniert ist, der seinerseits stromaufwärts eines Zwei-Wege-Katalysators 24 angeordnet ist, der einen Katalysator 26 für harnstoffselektive katalytische Reduktion (U-SCR) und einen Partikelfilter (PF) 28, wie einen DPF, aufweist. Diese Anordnungen des Abgasemissionsbehandlungssystems 2 verbinden vorteilhafterweise den HC-SCR 20 und den OC 14 miteinander, wobei der OC 14 stromabwärts des HC-SCR 20 angeordnet ist, wie beschrieben ist, ordnet jedoch beide dieser Komponenten stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators 24 an. Diese Konfiguration des Abgasemissionsbehandlungssystems 2 sieht die folgenden Vorteile vor. Erstens sieht der HC-SCR 20 eine NOx-Reduktion während Perioden (beispielsweise Betriebstemperaturen > 400°C) vor, wenn der Wirkungsgrad der NOx-Reduktion des U-SCR reduziert ist, einschließlich Perioden, während denen der DPF 28 regeneriert wird. Die Tatsache, dass der HC-SCR 20 entfernt von dem Zwei-Wege-Katalysator 24 angeordnet ist, sieht auch eine physikalische Trennung dieser Vorrichtungen vor, wodurch verhindert wird, dass die hohen Temperaturen in Verbindung mit der Regeneration des DPF 28 die NOx-Reduktionskapazität des HC-SCR 20 reduzieren. Zweitens sieht der Zusatz des HC-SCR 20 eine zusätzliche NOx-Reduktionskapazität für das System 2 vor, so dass keine hohen Harnstoffdosierraten erforderlich sind, um die notwendige NOx-Umwandlungskapazität zu erhalten, sogar, wenn das System 2 einen hohen Wirkungsgrad der NOx-Umwandlung erfordert. Somit können hohe NH3-Schlupfraten (d. h. NH3, der an dem U-SCR-Katalysator 26 vorbei schlupft) in Verbindung mit hohen Harnstoffdosierraten vermieden werden. Drittens kann angesichts der oben beschriebenen Vorteile der hohe Harnstoffverbrauch in Verbindung mit hohen Harnstoffdosierraten insbesondere während der DPF-Regeneration vermieden werden, wodurch der Gebrauch und die zugeordneten Kosten von Harnstoff zum Betrieb des Systems gesenkt werden und die Zeitintervalle zwischen einem Wiederauffüllen des Harnstofftanks erhöht werden. Viertens können Auspuff-HC-Emissionsspitzen und zugeordneter Abgasgeruch während Motorkaltstarts mit einer HC-Rückhaltung durch einen HC-SCR stromaufwärts eines OC 14 reduziert werden. Fünftens unterstützt die Wärme, die durch den OC 14 erzeugt wird, zusammen mit der physikalischen Trennung des OC 14 und des Zwei-Wege-Katalysators 24 die Umwandlung von Harnstoff zu NH3, wodurch die Möglichkeit eines NH3-Schlupfes reduziert wird, der Umwandlungswirkungsgrad der Harnstoff/NH3-Umwandlung erhöht wird und der NOx-Umwandlungswirkungsgrad und die Kapazität des U-SCR 26 gesteigert werden. Der physikalische Abstand des OC 14 und des Zwei-Wege-Katalysators 24 sorgt für eine größere Distanz, über die der Harnstoff mit Wasser wechselwirken und reagieren kann, um Ammoniak zu bilden, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad des Harnstoffs verbessert wird und eine ausreichende Gelegenheit zum Fortführen dieser Reaktion vorgesehen wird, wodurch die Möglichkeit eines Harnstoffschlupfs an dem U-SCR 26 vorbei reduziert wird. Durch den OC 14 hinzugefügte Wärme unterstützt die Harnstoffumwandlung weiter. Sechstens ermöglicht eine Realisierung dieser Synergie, wie oben beschrieben ist, eine Reduktion der Größe des Harnstofftanks mit einer zugeordneten Reduktion des Gewichts des Tanks und damit zugeordnetem Harnstoff, wodurch das Gewicht des Fahrzeugs 1 gesenkt wird, unter sonst gleichen Bedingungen. Siebtens erhöht die Anordnung des OC 14 gerade stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators 24 den Wirkungsgrad des Gebrauchs von nacheingespritztem Kraftstoff (oder Kraftstoff, der in Verbindung mit dem Prozess durch Erzeugung eines fetten Betriebszustandes in dem Motor 10 verwendet wird), da nacheingespritzter Kraftstoff nur zur Erzeugung von Wärme verwendet wird, und diese Anordnung den OC 14 in nächster Nähe zu dem Zwei-Wege-Katalysator 24 bringt, wodurch Wärmeverluste von dem Kraftstoffgebrauch reduziert und der Wirkungsgrad des Motors 10 oder des Fahrzeugs 1 oder von diesen beiden erhöht wird. Achtens steigert diese synergistische Anordnung die NOx-Umwandlungskapazität und den Wirkungsgrad des Abgasemissionssystems 2 und unterstützt die Einhaltung verschiedener gesetzlicher Abgasemissionsregelungen einschließlich von gesetzlichen Dieselabgasemissionsregelungen. Neuntens senkt die Steigerung der NOx-Umwandlungskapazität und des Wirkungsgrades die Kosten des Abgasemissionsbehandlungssystems 2 dadurch, dass eine Reduzierung der Größen der verschiedenen Komponenten dieses Systems ermöglicht wird, wodurch die verwendete Menge an Material in diesen Komponenten, insbesondere Katalysatormaterialien, reduziert wird. Zehntens können durch Anordnung des HC-SCR 20 und des OC 14 in demselben Gehäuse (2 und 3) und ferner durch Integration derselben in einen einzelnen Monolithen in einer Dose (3) besonders vorteilhafte Kombinationen dieser Komponenten erreicht werden, um die Betriebssynergien und Kostenvorteile, wie beschrieben sind, zu erreichen.
  • Das beispielhafte Motor- und Steuersystem umfasst einen herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotor 10 und ein elektronisches Motorsteuermodul (ECM) 5. Der Motor kann ein bekannter Kompressionszündungs- oder Dieselmotor mit einem Betriebsregime sein, so dass er hauptsächlich ein Magerverbrennungsmotor ist, so dass er mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben wird, bei dem die Menge an Kraftstoff geringer oder magerer als die stöchiometrische Menge, die zur Verbrennung erforderlich ist, ist. Alternativ dazu kann der Motor 10 einen Motor aufweisen, der eine beliebige einer Anzahl von Motorsteuerstrategien verwendet, die überstöchiometrisch arbeiten, beispielsweise Motoren mit homogener Kompressionszündung sowie funkengezündete Magerverbrennungsmotoren. Der Motor 10 umfasst eine Mehrzahl von Hubkolben, die an einer Kurbelwelle befestigt sind, die funktionell an einem Fahrzeugantriebsstrang oder -leistungsstrang befestigt ist, um ein Traktionsmoment an den Antriebsstrang zu liefern. Während des Betriebs erzeugen interne Verbrennungsprozesse im Motor 10 einen Abgaszustrom oder eine -strömung, die in der durch Pfeil 4 gezeigten Richtung verläuft und gesetzlich geregelte Bestandteile als Verbrennungsnebenprodukte enthält und die durch das Nachbehandlungssystem vor Freisetzung von dem System umgewandelt werden müssen. Die Bestandteile der Abgasströmung 4, die durch den Motor 10 unter Magerverbrennungsbedingungen erzeugt wird, umfassen unter anderem Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Partikelmaterial (PM).
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 2 ist ein integriertes System, das dazu bestimmt ist, die gesetzlich geregelten Bestandteile der Abgasströmung 4 zu behandeln, um eine Abgasströmung zu erzeugen, die nicht gesetzlich geregelte Bestandteile oder gesetzlich geregelte Bestandteile in Mengen, die von dem System an die Außenumgebung freigesetzt werden können, umfasst, wie durch Reduzierung von Mengen der gesetzlich geregelten Bestandteile auf akzeptable Niveaus oder durch chemische Umwandlung derselben in nicht gesetzlich geregelte Materialien, die freigesetzt werden können. Ein oder mehrere Abgaskrümmer und zugeordnete Leitungen führen und lenken die Abgasströmung 4 zu und durch das Abgasemissionsnachbehandlungssystem 2. Bezug nehmend auf 1 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform eines Nachbehandlungssystems 2 eine Kombination aus einem HC-SCR-Katalysator 20, einem OC 14 und einem Zwei-Wege-Katalysator 24. Der Zwei-Wege-Katalysator 24 umfasst einen U-SCR 26, der stromaufwärts des PF 28 angeordnet ist, wie einen DPF. Alternativ dazu umfasst auch Bezug nehmend auf 1 eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines Nachbehandlungssystems 2 eine Kombination des HC-SCR-Katalysators 20, des OC 24 und des Zwei-Wege-Katalysators 24'. Der Zwei-Wege-Katalysator 24' umfasst einen PF 28, der stromaufwärts des U-SCR 26 angeordnet ist. Bezug nehmend auf die 1 bis 3 verwenden die Abgasemissionsnachbehandlungssysteme 2, die hier beschrieben sind, einschließlich der Komponenten oder Vorrichtungen derselben, wie hier beschrieben ist, Technologien mit verschiedenen Fähigkeiten zur Behandlung der Bestandteilelemente des Abgaszustromes einschließlich Oxidation, selektive katalytische Reduktion, HC-Dosierung und Partikelfilterung, wie hier weiter beschrieben ist. Die Vorrichtungen sind fluidmäßig und funktionell in Reihe verbunden und stehen in Fluidkommunikation miteinander unter Verwendung bekannter Rohre und Leitungen und Verbinder, um die Abgasströmung 4 durch das Abgasnachbehandlungssystem 2 zu halten und zu kanalisieren.
  • Nun Bezug nehmend auf die 13 weist der HC-SCR-Katalysator 20 ein Nicht-Pt-Gruppen-Metall wie nachstehend näher erläutert auf. Das Katalysatormaterial wird in einer beliebigen geeigneten Form bereitgestellt, die die Reduktionsreaktion unterstützt, einschließlich als ein Bett selbstgeträgerter Katalysatorpartikel oder -perlen oder geträgerter Katalysatorpartikel oder -perlen und insbesondere einschließlich Formen, bei denen das Katalysatormaterial als ein Washcoat an den Wänden eines metallischen oder keramischen Durchfluss-Wabenmonolithen vorgesehen ist. Die verwendbaren Nicht-Pt-Gruppen-Metalle umfassen Ag, eine Ag-Verbindung oder eine Ag-Legierung oder eine Kombination daraus, das/die auf einer Keramikmatrix angeordnet ist, die Aluminiumoxid aufweist. Die verwendbaren Nicht-Pt-Gruppen-Metalle umfassen auch Kupfer (Cu), eine Cu-Verbindung, eine Cu-Legierung, Chrom (Cr), eine Cr-Verbindung oder eine Cr-Legierung, Eisen (Fe), eine Fe-Verbindung oder eine Fe-Legierung oder eine Kombination daraus, das/die auf einer Keramikmatrix angeordnet ist, die einen Zeolithen aufweist. Diese Nicht-Pt-Gruppen-Metall-Katalysatormaterialien können auch verschiedenes Übergangsmetall oder Seltenerdmetalle oder Oxide von diesen oder Legierungen von diesen oder Kombinationen daraus als Zusätze bzw. Additive aufweisen. Geeignete Übergangsmetall- oder Seltenerdmetallzusätze umfassen Zr, Nb, Y, Hf, La, Ce oder Nd oder ein Oxid von diesen oder eine Legierung von diesen oder eine Kombination daraus. Die genannten Nicht-Pt-Gruppen-Metall-Katalysatormaterialien können auch Pt-Gruppen-Metalle oder -Legierungen von diesen oder Kombinationen daraus als Zusätze aufweisen. Geeignete Pt-Gruppen-Metall-Legierungszusätze umfassen Pt, Rh, Ir, Ru, Re, Os oder Pd oder Legierungen daraus oder Kombinationen davon. Das Katalysatormaterial einschließlich des Nicht-Pt-Gruppen-Metalls und jeglicher Übergangsmetall- oder Seltenerdmetall-Legierungszusätze können in einer Menge von zumindest etwa 1 gm/cm3 und insbesondere etwa 1 bis etwa 4 gm/cm3 und noch weiter besonders etwa 2 bis etwa 3 gm/cm3 vorhanden sein.
  • Die Keramikmatrix kann ein beliebiges geeignetes Keramikmatrixmaterial aufweisen. Geeignete keramische Materialien, bei denen die Nicht-Pt-Gruppen-Metalle Ag, Ag-Verbindungen oder Ag-Legierungen oder Kombinationen daraus aufweisen, umfassen diejenigen mit Aluminiumoxid. Typischerweise umfasst der Ag-Aluminiumoxid-Katalysator einen Bereich von etwa 1 bis etwa 4 Gew.-% Ag. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das katalytische Material etwa 1 bis etwa 4 Gew.-% Ag2O und insbesondere etwa 2 Gew.-% Ag2O, geträgert auf Aluminiumoxid, wobei das katalytische Material als Washcoat vorgesehen ist, der auf einem Cordierit-Monolithsubstrat mit 400 Zellen pro Quadratzoll geträgert ist. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst das Katalysatormaterial etwa 2 bis 4 Gew.-% Silber in der Form von Ag2O wie auch ein Pt-Gruppen-Metalladditiv, das auf Aluminiumoxid als einer Keramikmatrix geträgert ist, und kann durch Abscheiden von ionischem Silber auf stark hydroxyliertem Aluminiumoxid hergestellt sein. Das Verhältnis des Atomanteils des Pt-Gruppen-Metalls zu dem Gesamten der Atomanteile des Pt-Gruppen-Metalls und dem Ag oder der Ag-Verbindung ist kleiner oder gleich etwa 0,25. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der Atomanteil kleiner als oder gleich etwa 0,20. Bei einer spezifischen Ausführungsform ist der Atomanteil einer Kombination eines Platingruppen-Metall- und Silberkatalysatormaterials kleiner oder gleich etwa 0,10. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen enthält der Katalysator weniger als etwa 1 Gew.-% Platin, beispielsweise weniger als oder gleich etwa 0,75 Gew.-% Platin und insbesondere weniger als etwa 0,50 Gew.-%. Geeignete keramische Matrixmaterialien, bei denen der Nicht-Pt-Gruppen-Metallkatalysator Cu, eine Cu-Verbindung, eine Cu-Legierung, Chrom, eine Chromverbindung, eine Chromlegierung, Eisen, eine Eisenverbindung oder eine Eisenlegierung oder eine Kombination daraus aufweist, umfassen diejenigen mit einem Zeolith, wie ZSM-5, ZSM-11 oder ZSM-12 oder eine Kombination daraus. Das Keramikmatrixmaterial kann eine beliebige geeignete Zeolithstruktur und Oberfläche besitzen, die ausreichend sind, um die katalytische Reduktion von NOx in Verbindung mit den darauf geträgerten Katalysatormaterialien zu unterstützen, wie hier beschrieben ist, einschließlich denjenigen Zeolithstrukturen mit einer Oberfläche von zumindest etwa 400 m2/g.
  • Der Nicht-Pt-Gruppen-Metall-Keramikmatrixkatalysator kann als ein Washcoat auf einem geeigneten Substrat angeordnet sein. Das Substrat kann ein beliebiges von solchen Materialien sein, die typischerweise zur Herstellung von Katalysatoren verwendet werden, und umfasst bevorzugt eine Keramik- oder Metallwabenstruktur. Es kann ein beliebiges geeignetes Substrat verwendet werden, wie ein monolithisches Substrats des Typs mit feinen parallelen Gasströmungsdurchgängen, die sich von einem Einlass oder einer Auslassseite des Substrats hindurch erstrecken, so dass Durchgänge für eine Fluidströmung hindurch offen sind (als Wabendurchflusssubstrate bezeichnet). Die Durchgänge, die im Wesentlichen gerade Pfade von ihrem Fluideinlass zu ihrem Fluidauslass sind, sind durch Wände definiert, an denen das katalytische Material als ein Washcoat beschichtet ist, so dass die Gase, die durch die Durchgänge strömen, mit dem katalytischen Material in Kontakt stehen. Die Strömungsdurchgänge des monolithischen Substrats sind dünnwandige Kanäle, die eine beliebige geeignete Querschnittsform und Größe besitzen können, wie trapezförmig, rechtwinklig, quadratisch, sinusförmig, sechseckig, oval, kreisförmig, etc. Derartige Strukturen können zwischen etwa 60 bis etwa 600 oder mehr Gaseinlassöffnungen (d. h. Zellen) pro Quadratzoll Querschnitt enthalten. Ein Keramiksubstrat kann aus einem beliebigen geeigneten feuerbeständigen Material hergestellt sein, beispielsweise Cordierit, Cordierit-Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Zirkonmullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Magnesiumoxid, Zirkonsilikat, Sillimanit, einem Magnesiumsilikat, Zirkon, Petalit, Aluminiumoxid, einem Aluminosilikat und dergleichen. Die für die Katalysatoren der vorliegenden Erfindung nützlichen Substrate können auch metallischer Natur sein und ein oder mehrere Metalle oder Metalllegierungen aufweisen. Die Metallsubstrate können in verschiedenen Formen verwendet werden, wie einem gewellten Blech oder einer monolithischen Form, wie oben beschrieben ist. Bevorzugte metallische Träger umfassen wärmebeständige Metalle und Metalllegierungen, wie Ti, Ti-Legierungen und rostfreie Stähle verschiedener Güte wie auch andere Legierungen, bei denen Eisen eine wesentliche oder hauptsächliche Komponente ist. Derartige Legierungen können eines oder mehrere aus Nickel, Chrom und/oder Aluminium enthalten, und die gesamte Menge dieser Metalle kann vorzugsweise zumindest 15 Gew.-% der Legierung umfassen, beispielsweise 10–25 Gew.-% Chrom, 3–8 Gew.-% Aluminium und bis zu 20 Gew.-% Nickel. Die Legierungen können auch kleine oder Spurenmengen eines oder mehrerer anderer Metalle, wie Mangan, Kupfer, Vanadium, Titan und dergleichen enthalten. Die Oberfläche der Metallsubstrate kann bei hohen Temperaturen, beispielsweise 1000°C und höher, oxidiert sein, um die Beständigkeit gegenüber Korrosion der Legierungen zu verbessern, indem eine Oxidschicht an den Oberflächen der Substrate gebildet wird. Derartige hochtemperaturinduzierte Oxidation kann die Anhaftung der Keramikmatrix und des Katalysatormaterials an das Substrat steigern.
  • Die Nicht-Pt-Gruppen-Metall-Zeolithmaterialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter Verwendung gut bekannter Prozesse hergestellt werden, einschließlich bekannter Verfahren zum Abscheiden einschichtiger oder mehrschichtiger Washcoats. Ein Washcoat kann leicht in einer oder mehreren Schichten auf einem monolithischen Wabensubstrat hergestellt werden. Ein beispielhafter Prozess zum Herstellen eines Doppelschicht-Washcoats auf einem monolithischen Metallsubstrat ist nachfolgend dargestellt. Es sei zu verstehen, dass der Prozess unten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung variiert werden kann, um einschichtige Washcoats herzustellen, indem der Schritt zum Auftragen der zweiten Schicht weggelassen wird, oder um eine oder mehrere zusätzliche Schichten zu dem Doppelschicht-Washcoat hinzuzufügen, wie unten beschrieben ist.
  • Für einen Doppelschicht-Washcoat wird eine untere Schicht, die fein geteilte Partikel eines feuerbeständigen Metalloxids mit hoher Oberfläche umfasst, wie Gamma-Aluminiumoxid, in einem geeigneten Träger, beispielsweise Wasser, aufgeschlämmt. Das Substrat kann dann ein oder mehrere Male in eine derartige Aufschlämmung getaucht werden oder die Aufschlämmung kann auf das Substrat beschichtet werden (beispielsweise Wabendurchflusssubstrat), so dass die gewünschte Beladung des Metalloxids auf dem Substrat abgeschieden wird. Katalysatormaterialien einschließlich Nicht-Pt-Gruppen-Metallen und jeglicher Seltenerd-, Übergangsmetall- oder Pt-Gruppen-Additive können in der Aufschlämmung als eine Mischung aus wasserlöslichen oder Wasser dispergierbaren Verbindungen oder Komplexen enthalten sein. Anschließend wird das beschichtete Substrat durch Erwärmen, beispielsweise bei 400 bis 600°C für 1 bis 3 Stunden kalziniert.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen wird die Aufschlämmung anschließend gemahlen, so dass im Wesentlichen insgesamt Feststoffe mit Partikelgrößen von weniger als 20 Mikrometer, d. h. 1–15 Mikrometer im durchschnittlichen Durchmesser resultieren. Das Mahlen kann in einer Kugelmühle oder einer anderen ähnlichen Ausstattung durchgeführt werden, und der Feststoffgehalt der Aufschlämmung kann beispielsweise 20–60 Gew.-%, bevorzugt 35–45 Gew.-% sein.
  • Jede Schicht, die anschließend hergestellt und auf der vorher geformten Schicht des kalzinierten Verbundstoffs abgeschieden wird, kann auf eine Art und Weise hergestellt werden, die ähnlich der oben beschriebenen ist. Nachdem alle Beschichtungsvorgänge beendet worden sind, wird der Verbundstoff dann wieder durch Erwärmen beispielsweise bei etwa 400 bis etwa 600°C für 1–3 Stunden kalziniert.
  • Der Nicht-Pt-Gruppen-Metall-Zeolithkatalysator wie auch jegliches Substrat, an dem er abgeschieden ist, einschließlich verschiedenen monolithischen Substraten, wie hier beschrieben ist, wird in einem Gehäuse 23, das ein Metallgehäuse aufweist, wie eine Metalldose mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung oder anderweitig, untergebracht, das zum Stützen und lenken einer Fluidströmung zu dem HC-SCR-Katalysator 20 konfiguriert ist. Das Metallgehäuse 23 kann aus einem geeigneten Material hergestellt sein, einschließlich verschiedener Güten von oxidationsbeständigem Hochtemperaturstahl, wie verschiedenen rostfreien Stählen. Das Gehäuse 23 kann jede beliebige geeignete Form oder Größe einschließlich eines zylindrischen Raumes umfassen. Der Raum kann außerdem Befestigungsmerkmale wie z. B. ein zylindrisches Einlassrohr, das in der Nähe einer Einlassöffnung angeordnet ist, und ein zylindrisches Auslassrohr, das in der Nähe einer Auslassöffnung des Raumes angeordnet ist, umfassen, um den HC-SCR-Katalysator 20 fluidtechnisch mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasbehandlungssystems 2, insbesondere dem OC 14, zu koppeln. Es sei angemerkt, dass der HC-SCR-Katalysator 20 einschließlich des Gehäuses 23 eine oder mehrere zusätzliche Komponenten umfassen kann, um den Betrieb des HC-SCR-Katalysators 20 oder des Abgasbehandlungssystems 2 oder des Steuersystems 3 zu erleichtern, die verschiedene Gas- oder Temperatursensoren, Injektoren (Harnstoff- oder Kraftstoffinjektoren) oder anderweitiges umfassen kann/können, jedoch nicht darauf beschränkt ist/sind. Solche zusätzlichen Merkmale können besonders vorteilhaft zur Überwachung von Charakteristika des Abgases wie z. B. der Strömungsgeschwindigkeit von bestimmten Emissionskomponenten (z. B. Partikelmaterial oder anderen) sein, die besonders vorteilhaft sein können, um die Notwendigkeit zu bestimmen, einen Regenerationsprozess des HC-SCR-Katalysators 20 einzuleiten. Der HC-SCR-Katalysator 20 kann auch den OC 14 umfassen, wie hier beschrieben ist.
  • Wenn die Abgasströmung 4 die Länge des HC-SCR 20, insbesondere die Strömungskanäle und die mit Washcoat beschichteten Zellenwände durchquert, katalysieren der Nicht-Pt-Gruppen-Metallkatalysator oder eine Kombination daraus mit einem Platingruppen-Metallkatalysator verschiedene Reaktionen, wie hier beschrieben ist. Der HC-SCR-Katalysator 20 kann auch dazu verwendet werden, NOx in der Abgasströmung 4 zu N2 zu reduzieren, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reduktionsreaktion in einem Abgasbehandlungssystem 2 existieren, wie unter Bedingungen mit relativ höheren Motorausgangs-HC-Niveaus, wo das 02, das ansonsten die beschriebene Oxidation unterstützen würde, verbraucht worden ist. Diese Reduktionsreaktion kann auch auftreten, wenn relativ höhere HC-Niveaus durch die Direktinjektion von HC stromaufwärts des HC-SCR-Katalysator 20 unter Verwendung der Konfiguration der 13 erhalten werden, wobei diese Bedingungen unter Verwendung des Steuersystems 3, das das ECM 5 enthält, beeinflusst werden können. Eine beispielhafte Reduktionsreaktion für den HC-SCR 20 ist nachfolgend vorgesehen: {HC} + NOx = N2 + CO2 + H2O (1)
  • Die relative Menge an N2, CO2 und H2O hängt von der Beschaffenheit des gewählten HC ab.
  • Unter Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsformen der 13 steht der OC 14 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Motor 10 und ist mit Bezugnahme auf die Abgasströmung 4 stromabwärts von dem HC-SCR-Katalysator 20 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 anderen Komponenten des Abgasbehandlungssystems 1, 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 Platingruppen-Metallkatalysators beschichtet ist. Geeignete Platingruppen-Metalle 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 Platingruppen-Metallkatalysator die Oxidation von CO zu CO2 und katalysiert auch die Oxidation verschiedener Kohlenwasserstoffe (HC) einschließlich gasförmiger Kohlenwasserstoffe und flüssiger Kohlenwasserstoffpartikeln, die unverbrannten/s Kraftstoff oder Öl oder Kraftstoff oder andere HC-Reduktionsmittel umfassen, die in das Abgasbehandlungssystem 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 oder das ECM 5 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 den HC zu reduzieren oder alternativ zu verhindern, dass der HC in der Abgasströmung den Zwei-Wege-Katalysator 24 erreicht und diese Vorrichtung dadurch vergiftet, dass er dessen Fähigkeit, NOx zu katalysieren, reduziert, oder die Außenumgebung durch Abgabe aus dem Abgasbehandlungssystem 2 erreicht.
  • Der OC 14, wie ein Dieseloxidationskatalysator, kann ausgebildet sein, um verschiedene gesetzlich geregelte Abgasbestandteile durch Oxidation in andere gesetzlich geregelte oder nicht geregelte Abgasbestandteile umzuwandeln. Zum Beispiel kann der OC 14 ausgebildet sein, um Kohlenwasserstoffe (HC) in Kohlendioxid CO2 und Wasser (H2O) zu oxidieren, Kohlenmonoxid (CO) in Kohlendioxid (CO2) umzuwandeln, Schwefeldioxid (SO2) zu Schwefeltioxid (SO3) und/oder Schwefelsäure (H2SO4) umzuwandeln und um Stickoxid (NO) in Stickstoffdioxid (NO2) umzuwandeln, oder anderweitig. Unten stehend sind beispielhafte Oxidationsreaktionen angeführt, die mit dem OC 14 der vorliegenden Erfindung vorstellbar sind. HC + O2 = CO2 + H2O (2) CO + 1/2O2 = CO2 (3) 2SO2 + O2 = 2SO3 (4) SO3 + H2O = H2SO4 (5) NO + 1/2O2 = NO2 (6)
  • 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 Platingruppen-Metallen 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 1 gezeigt ist. Das Gehäuse 15 kann jede beliebige geeignete Form oder Größe einschließlich eines zylindrischen Raumes umfassen. Der Raum kann außerdem Befestigungsmerkmale wie z. B. ein zylindrisches Einlassrohr, das in der Nähe einer Einlassöffnung angeordnet ist, und ein zylindrisches Auslassrohr, das in der Nähe einer Auslassöffnung des Raumes angeordnet ist, umfassen, um den OC 14 fluidtechnisch mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasbehandlungssystems 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 des Abgases wie z. B. der Strömungsgeschwindigkeit von bestimmten Emissionskomponenten (z. B. Partikelmaterial oder anderen) sein, die besonders vorteilhaft sein können, um die Notwendigkeit zu bestimmen, einen Regenerationsprozess des HC-SCR-Katalysators 20 oder des Zwei-Wege-Katalysators 24 einzuleiten.
  • Bei einer anderen Ausführungsform kann der OC 14 in einem Gehäuse 23 zusammen mit und stromabwärts des HC-SCR-Katalysators 20 untergebracht sein, wie in 2 gezeigt ist. Bei dieser Konfiguration kann der HC-SCR-Katalysator 20 einen oder mehrere Monolithen aufweisen, wie hier beschrieben ist, und der OC 14 kann einen oder mehrere Monolithen aufweisen, und diese Monolithen können zusammen in das Gehäuse 23 geladen werden, so dass die jeweiligen Monolithen in Fluidkommunikation stehen, so dass die Abgasströmung 4 an einem Einlass zu dem HC-SCR-Katalysator 20 eintreten kann und durch den HC-SCR-Katalysator 20 und den OC 14 an einen Auslass des OC 14 kommuniziert werden kann.
  • Bei noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der OC 14 in das stromabwärtige Ende des HC-SCR-Katalysators 20 enthalten sein, wie in 3 gezeigt ist. Bei dieser Konfiguration kann der HC-SCR-Katalysator 20 einen oder mehrere Monolithen aufweisen, wie hier beschrieben ist, und der OC 14 kann in dem stromabwärtigen Ende des Monolithen des HC-SCR-Katalysators 20, das sich am weitesten stromabwärts befindet, enthalten sein. Der OC 14 kann auf einem Monolithen, der den HC-SCR-Katalysator 20 aufweist, durch Zonenbeschichten der Katalysatormaterialien für jeden enthalten sein, d. h. durch Aufbringen eines geeigneten Washcoats zur Bildung des HC-SCR-Katalysators 20 auf ein Ende eines Monolithen und Aufbringen eines geeigneten Washcoats zur Bildung des OC 14 auf ein entgegengesetztes Ende desselben Monolithen.
  • In einer besonderen Ausführungsform ist der OC 14 ausgebildet, um Stickoxid innerhalb der Abgasströmung 4 in Stickstoffdioxid zu oxidieren (siehe Gleichung 6). Dies ist vorteilhaft, da diese Umwandlung den gesamten NOx-Umwandlungsprozess unterstützt, indem einen anschließende Reduktion zu Stickstoff durch den Zwei-Wege-Katalysator 24 ermöglicht wird, wenn die richtigen Bedingungen für diese Reaktion in dem Abgasbehandlungssystem 2 existieren. Eine Oxidation von Stickstoff und den anderen Bestandteilen, wie hier beschrieben ist, wird unter Magerverbrennungsbedingungen unterstützt, die relativ höhere O2-Niveaus und niedrigere HC-Niveaus aufweisen, wobei diese Bedingungen unter Verwendung des Steuersystems 2, einschließlich des ECM 5 beeinflusst werden können. Demzufolge ist die Anordnung des OC 14 stromaufwärts von dem U-SCR-Katalysator 26 zwischen dem Motor und dem U-SCR-Katalysator 26 besonders vorteilhaft. Es ist auch besonders vorteilhaft, den OC 14 in der Nähe des Motors, bevorzugt so nahe wie möglich am Motor, anzuordnen, um eine Betriebstemperatur im Inneren des OC 14 von mindestens 356°F (180°C) und stärker bevorzugt im Bereich von etwa 482°F (250°C) bis etwa 842°F (450°C) aufrechtzuerhalten.
  • Der Zwei-Wege-Katalysator 24 umfasst einen Katalysator für harnstoffselektive Katalysatorreduktion (U-SCR) und einen DPF 28. Der Zwei-Wege-Katalysator 24 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 werden, um dadurch eine PM-Filterwirkung des DPF 28 bereitzustellen. Der U-SCR-Katalysator 26 ist als ein Washcoat vorgesehen, der auf dem keramischen Wandstrommonolith angeordnet ist. Der Washcoat umfasst einen Reduktionskatalysator, der auf einer keramischen Matrix angeordnet ist. Der Washcoat kann entlang der Zellenwände der Mehrzahl von Einlassdurchgängen oder der Mehrzahl von Auslassdurchgängen oder beiden angeordnet sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Washcoat auf der Mehrzahl von Einlassdurchgängen, die die in den 13 gezeigte Konfiguration bereitstellen, als ein Zwei-Wege-Katalysator 24 angeordnet, wobei der U-SCR-Katalysator 26 stromaufwärts des DPF 28 angeordnet gezeigt ist. Der Zwei-Wege-Katalysator 24 (13) veranschaulicht auch die Konfiguration, bei der der Washcoat an der Mehrzahl von Einlass- und Auslassdurchgängen angeordnet ist. Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Washcoat an der Mehrzahl von Auslassdurchgängen, die die in den 13 gezeigte Konfiguration bereitstellen, als Zwei-Wege-Katalysator 24' angeordnet, wobei der U-SCR-Katalysator 26 als stromabwärts des DPF 28 angeordnet gezeigt ist. Der Washcoat umfasst eine poröse Matrix mit einer Oberfläche, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Reduktionskatalysators beschichtet ist. Der keramische Wandstrommonolith kann aus einer beliebigen geeigneten Keramik einschließlich Cordierit oder Aluminiumoxid oder dergleichen bestehen. Die Verwendung des Zwei-Wege-Katalysators 24 ist vorteilhaft wegen der erzielten Platzreduktion gegenüber der Verwendung eines getrennten DPF 28 und U-SCR-Katalysators 26 wie auch der Reduktion in der Gesamtanzahl einzelner Abgaskomponenten.
  • Der Zwei-Wege-Katalysator 24, einschließlich des DPF 28 und des U-SCR-Katalysators 26 ist ausgebildet, um eine Reduktion von NOx (U-SCR-Katalysator 26) und eine Sammlung von PM (DPF 28) über den größten Teil des Betriebstemperaturbereichs des Abgasbehandlungssystems 2 und des Motors 10 bereitzustellen, der typische Betriebstemperaturen des Abgasbehandlungssystems von etwa 400°F (etwa –200°C) bis etwa 1022°F (etwa 550°C) umfasst. Der DPF 28 des Zwei-Wege-Katalysators 24 filtert Ruß über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Motors 10, der typische Fahrzeugaufbewahrungs/Start-Umgebungstemperaturen von etwa –40°F (etwa –40°C) bis etwa 120°F (etwa 49°C) bis zu Betriebstemperaturen von bis zu etwa 1292°F (etwa 700°C) umfasst. Die passive Regeneration des DPF 28 und Oxidation der Rußpartikel findet in der Gegenwart von NOx über den Temperaturbereich zwischen 482°F (250°C) und etwa 842°F (450°C) statt, wohingegen die aktive Regeneration und Oxidation der Rußpartikel in der Gegenwart von O2 bei Temperaturen von etwa 500°C oder mehr und stärker bevorzugt über den Temperaturbereich zwischen etwa 1112°F (600°C) und etwa 1202°F (650°C) stattfindet.
  • Der Washcoat 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 Zwei-Wege-Katalysator 24 verwendet Ammoniak, um NOx zu reduzieren. Beispielsweise ist bei einer beispielhaften Ausführungsform eine Dosiervorrichtung wie z. B. eine Harnstoffdosiervorrichtung 17 stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 24 vorgesehen, um Harnstoff in den Strom 4 der Abgasströmung einzuleiten, wie. z. B. durch die Einleitung einer Harnstofflösung. Der Harnstoff wird eine ausreichende Distanz stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 24 eingeleitet, um zuzulassen, dass der Harnstoff in der Abgasströmung 4 zerlegt wird, um Ammoniak zu erzeugen, bevor sie in den Zwei-Wege-Katalysator 24 eintritt. In einer vorteilhaften Konfiguration wird Ammoniak auch innerhalb des HC-SCR-Katalysators 20 gebildet und bewegt sich stromabwärts zu dem Zwei-Wege-Katalysator 24. In dieser Konfiguration werden auf Grund des in dem HC-SCR-Katalysator 20 erzeugten Ammoniaks reduzierte Harnstoffmengen benötigt. Nachfolgend sind beispielhafte chemische Umwandlungsreaktionen angeführt, die mit dem Zwei-Wege-Katalysator 24 vorstellbar sind:

    Harnstoffzerlegung: CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2 (7) NOx-Reduktionsreaktionen im Zwei-Wege-Katalysator 24: 6NO + 4NH3 → 5N2 + 6H2O (8) 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O (9) 6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O (10) 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O (11) NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O (12)
  • Es sei angemerkt, dass der Zwei-Wege-Katalysator 24 ausgebildet sein kann, um jede beliebige der oben angeführten Umwandlungen oder Kombinationen aus den oben angeführten Umwandlungen einschließlich aller oben angeführten Umwandlungen durchzuführen. Der Zwei-Wege-Katalysator 24 beginnt bei einer Betriebstemperatur von etwa 356°F (180°C), wie oben beschrieben, zu funktionieren, und kann stärker bevorzugt im Bereich von etwa 482°F (250°C) bis etwa 1022°F (550°C) betrieben werden.
  • Der Zwei-Wege-Katalysator 24 ist innerhalb eines Gehäuses 25 wie z. B. einer Metalldose untergebracht, das ausgebildet ist, um eine Stütze bereitzustellen und die Abgasströmung 4 in den Zwei-Wege-Katalysator 24, durch ihn hindurch und hinaus zu leiten. 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, wie z. B. einem Einlassrohr, und einer Auslassöffnung, z. B. einem Auslassrohr, angeordnet sind, um den Zwei-Wege-Katalysator 24 fluidtechnisch mit einem Abgasrohr und/oder einer anderen Komponente des Abgasbehandlungssystems 2 zu koppeln. Es sei angemerkt, dass der Zwei-Wege-Katalysator 24 einschließlich des Gehäuses 25 eine oder mehrere zusätzliche Komponenten umfassen kann, um den Betrieb des Abgasbehandlungssystems 2 zu erleichtern, die Sensoren, Dosiervorrichtungen (Harnstoff- oder Kraftstoffinjektoren) oder anderweitiges umfassen kann/können, jedoch nicht darauf beschränkt ist/sind. Solche zusätzlichen Merkmale können besonders vorteilhaft zur Überwachung von Charakteristika des Abgases wie z. B. der Mengen oder Strömungsgeschwindigkeiten von bestimmten Emissionsbestandteilen sein, die besonders vorteilhaft für das Steuern des Abgasbehandlungssystems 2 sind, einschließlich der Regeneration des Zwei-Wege-Katalysators 24. Das Abgasbehandlungssystem 2 kann optional auch einzeln oder in Kombination zusätzliche Abgasnachbehandlungsvorrichtungen aufweisen, einschließlich katalysierter oder nicht katalysierter Partikelfilter, zusätzlicher Oxidationskatalysatoren, katalysierter Russfilter, Russfilter, NOx-Fänger, NSR-Katalysatoren, Katalysatoren für teilweise Kohlenwasserstoffoxidation, Luftpumpen, externe Erwärmungsvorrichtungen, Edelmetallkatalysatoren, Schwefelfänger, Phosphorfänger, POX-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.
  • Das Nachbehandlungssystem umfasst Erfassungsvorrichtungen und -systeme, die bevorzugt signaltechnisch mit dem ECM 5 verbunden sind. Die Erfassungsvorrichtungen können einen NOx-Sensor 12, der dazu dient, den Motor 10 verlassende Abgase zu erfassen, einen Temperatursensor 27, der dazu dient, eine Temperatur der Abgase stromaufwärts des HC-SCR-Katalysators 20 zu messen, um eine Betriebstemperatur des HC-SCR-Katalysators 20 zu bestimmen, und eine Abgaserfassungsvorrichtung 22 aufweisen, die ein zweiter Sensor ist, der dazu dient, Bestandteilelemente der Abgase nach dem HC-SCR-Katalysator 20 zur Rückkopplung und zur Diagnose zu überwachen. Der NOx-Sensor 12 umfasst bevorzugt einen Sensor, der dazu dient, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NOx-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 umfasst bevorzugt einen zweiten NOx-Sensor, der dazu dient, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das mit einem Parameterwert für die NOx-Konzentration in dem Abgaszustrom korrelierbar ist. Alternativ dazu kann der NOx-Sensor 12 eine virtuelle Erfassungsvorrichtung umfassen, wobei die NOx-Konzentration in der Abgasströmung 4 auf Grundlage von Motorbetriebsbedingungen bestimmt wird, was eine bekannte Technik darstellt.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 2 umfasst eine Kohlenwasserstoff(HC)-Dosiervorrichtung 16 zur Injektion einer gesteuerten Menge von HC-Reduktionsmittel stromaufwärts des HC-SCR-Katalysators 20. Eine beispielhafte HC-Dosiervorrichtung umfasst einen Kraftstoffinjektor, wie einen Dieselkraftstoffinjektor, zur Injektion von Dieselkraftstoff in die Abgasströmung 4. Die Kraftstoffleitung 30 von dem Motor 10 stellt druckbeaufschlagten Kraftstoff für eine steuerbare Druckreglervorrichtung 32 bereit, wie ein Ventil, deren Ausgang fluidtechnisch durch die Leitung 34 mit der Reduktionsmitteldosiervorrichtung 16 verbunden ist. Die HC-Dosiervorrichtung 16 und die Druckreglervorrichtung 32 sind beide funktionell mit dem ECM 5 verbunden und derart ausgebildet, dass es eine Zeitsteuerung und Menge (beispielsweise Massenstrom) an HC-Injektion, typischerweise in der Form von Fahrzeugkraftstoff, zu dem Abgaszustrom steuert. Alternativ können Kohlenwasserstoffe von einem Kohlenwasserstoffreservoir (nicht gezeigt) oder einer Reformervorrichtung (nicht gezeigt) als ein Reduktionsmittelmaterial zur Reduktion von NOx in dem HC-SCR-Katalysator 20 unter Verwendung einer Nachinjektionssteuerstrategie verwendet werden.
  • Das Abgasbehandlungssystem 2 umfasst auch eine Harnstoffdosiervorrichtung 17, wie einen Harnstoffinjektor, zur Injektion einer gesteuerten Menge an Harnstoff oder Ammoniak als ein Reduktionsmittel stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators 24 von einem Harnstoffreservoir 19 durch die Leitung 21. Wie hierin verwendet, kann der Ausdruck Harnstoff auch die Verwendung von Ammoniak (NH3) als ein Reduktionsmittel umfassen, da der Harnstoff zerlegt wird, um Ammoniak als Reaktionsnebenprodukt zu produzieren, und es ist der Ammoniak, der als eine Reaktionsmittelart in den katalytischen Reaktionen verwendet wird, die in dem Zwei-Wege-Katalysator 24 stattfinden. Ein Beispiel eines geeigneten Harnstoffreservoirs wäre ein Harnstofftank. Die Harnstoffdosiervorrichtung 17 ist funktionell mit dem ECM 5 verbunden, das geeignet ist, die Zeitsteuerung und Menge einer Harnstoffinjektion in die Abgasströmung 4 zu steuern. Wenn Harnstoff als Reduktionsmittel verwendet wird, sollte die Injektion ausreichend stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Katalysator 24 stattfinden, um die Zerlegung des Harnstoffes zu Ammoniak vor dem Eintritt in den Zwei-Wege-Katalysator 24 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) 13, die funktionell mit anderen Vorrichtungen verbunden ist, 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 13 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, 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 z. B. ein Luftansaugsystem, ein Kraftstoffinjektionssystem, ein Zündsystem (wenn ein funkengezündeter Motor verwendet wird, z. B. 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 Bedieneranforderung 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 Abgasemissionssystems 2, wie hier beschrieben ist, ausnutzt, um die Reduktion von NOx unter verschiedenen Betriebsregimes des Motors 10 zu maximieren und auch akzeptable Niveaus einer NOx-Reduktion während einer Regeneration des HC-SCR-Katalysators 20 oder des Zwei-Wege-Katalysators 24 beizubehalten.
  • Es sind Katalysatortemperaturen im Bereich von –40–650°C in dem Abgasemissionsbehandlungssystem 2 möglich, wie auch die folgenden Bereiche von Gasphasenkonzentrationen, denen die Katalysatoren potentiell ausgesetzt sein können: O2 (2–21%), NOx (0–1500 ppm) und H2 (bis zu 4%), geliefert durch entweder einen POx-Kraftstoffreformer oder eine Steuerung für im Zylinder erfolgende Verbrennung, wie Nachinjektion. Zusätzlich resultieren Abgasdurchflüsse im Bereich von 100 kg/Stunde bei Leerlauf bis 1200 kg/Stunde unter Beschleunigungsbedingungen in Raumgeschwindigkeiten (SV) im Bereich von etwa 5000 h–1 bis 60000 h–1 für katalytische Reaktorvorrichtungen. Schwerere Kohlenwasserstoffe (beispielsweise n-Dodecan), die in Dieselkraftstoff vorhanden sind, sehen eine NOx-Umwandlung in einem geringeren Temperaturbereich vor, was eine Einführung einer Sekundär-Kraftstoffinjektion in das Abgas unterstützt. Ein Zusatz von Wasserstoff zu dem Zustrom (beispielsweise durch Integration eines POx-Reformers (nicht gezeigt)) senkt eine Anspringtemperatur für eine NOx-Umwandlung über Ag/Al2O3-Katalysatoren für sowohl leichte (Propen, Propan) als auch schwere (n-Dodecan)-Kohlenwasserstoffe weiter. Ein Zusatz von Kohlenmonoxid in den Abgaszustrom hat keine Reduktion von NOx über Ag/Al2O3-Katalysatoren gezeigt.
  • Die spezifische Steuerstrategie, die verwendet ist, d. h. eine HC-Injektionsmenge gegenüber einer H2-Injektionsmenge gegenüber einem NO2-Anteil, wie hier beschrieben ist, ist schließlich abhängig von der SV und der Temperatur des HC-SCR-Katalysators 20 wie auch der Einlass-NOx-Konzentration. Unter Bedingungen mit geringen O2-Konzentrationen (< 10%) und/oder geringen Temperaturen (< 350°C) ohne Zusatz von überschüssigem H2 in dem Zustrom (d. h. ≤ 250 ppm H2) ist Vorsicht geboten, um sicherzustellen, dass keine zu großen Mengen an HC injiziert werden, um so eine Koksbildung und eine mögliche Deaktivierung des HC-SCR-Katalysators 20 zu minimieren.
  • Abgasbedingungen, die während eines beginnenden Motorbetriebs gesteuert werden können, umfassen die Menge an injiziertem Dieselkraftstoff, d. h. Kohlenwasserstoff (HC), der zur Reduktion von NOx über den HC-SCR-Katalysator 20 verwendet wird, und die H2-Injektionsmenge von entweder einem POx-Kraftstoffreformer oder einer Steuerstrategie einer im Zylinder erfolgenden Nachinjektion. Zusätzlich kann die Größe von AGR (in %) und PCCI-(Kompressionszündung mit Vorgemischladung)-Verbrennung dazu verwendet werden, Motorausgangs-NOx-Konzentrationen zu senken und eine O2-Konzentration in dem Abgaszustrom zu variieren.
  • Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur selektiven Reduktion der Motorausgangs-NOx-Konzentration zu N2 in dem Abgaszustrom unter Verwendung einer Steuerung der Betriebsbedingungen des beispielhaften Verbrennungsmotors während eines überstöchiometrischen Betriebs. Sie umfasst die Bestimmung eines Maßes an NOx-Gasen in dem Abgaszustrom und eines bevorzugten Kohlenwasserstoff/NOx-Verhältnisses auf Grundlage gewählter Parameter des Abgaszustroms; und einer selektiven Abgabe des Kohlenwasserstoffreduktionsmittels in den Abgaszustrom stromaufwärts des Ag-Aluminiumoxid-HC-SCR-Katalysators 20. Kraftstoff ist das bevorzugte Reduktionsmittel zur Reduktion von NOx in dem Silber-Aluminiumoxid-HC-SCR-Katalysator 20. Motorbetriebsbedingungen und Abgastemperaturbereiche sind definiert, die eine optimale NOx-Umwandlung erzielen. Die interessierenden Betriebsparameter des Abgassystems 2 umfassen eine Katalysatorbetriebstemperatur, den Abgasdurchfluss, eine NOx-Konzentration und eine Sauerstoffkonzentration. Die Parameter werden bevorzugt durch das Steuersystem verwendet, um ein optimales HC1/NOx-Verhältnis für die NOx-Reduktion unter den spezifischen Betriebsbedingungen zu berechnen. Das HC1/NOx-Verhältnis ist als eine Menge an injiziertem Kraftstoff auf einer C1-Basis, geteilt durch die Einlass-NOx-Konzentration definiert (beispielsweise 1 ppm verdunsteter Dieselkraftstoff besitzt etwa 14 Kohlenstoffatome; daher erfordert ein HC1:NOx-Verhältnis von 10 mit 100 ppm Einlass-NOx in dem Abgaszustrom eine Injektion von 10 × 100/14 = 71 ppm Dieselkraftstoff). Das HC1/NOx-Verhältnis wird dazu verwendet, die korrigierte Kraftstoffmenge zur NOx-Reduktion über den Katalysator zu berechnen und zu injizieren. Die Motorbetriebsparameter werden ferner dazu verwendet, eine optimale Wasserstoff-(H2)-Konzentration zur NOx-Reduktion zu berechnen, die in den Abgaszustrom unter Verwendung verfügbarer Verfahren injiziert werden kann, wie einem Partialoxidations-Kraftstoffreformer oder einem System mit im Zylinder erfolgenden Nachinjektion. Kriterien zur Auswahl eines optimalen Katalysatorvolumens für einen gegebenen Motor sind definiert und umfassen einen volumetrischen Abgasdurchfluss/Katalysatorvolumen = Raumgeschwindigkeit in h–1. Ferner sind die hier beschriebenen Verfahren wirksam, um eine hohe NOx-Umwandlung bei Motorausgangs/O2-Konzentrationen von so niedrig wie 2% zu erzielen. Derartige Motorsteuerschemata, wie Abgasrückführung (AGR) und Kompressionszündung mit Vorgemischladung (PCCI) und andere Niedertemperaturverbrennungsstrategien werden dazu verwendet, die Motorausgangs-NOx- und O2-Konzentrationen zu variieren, um die optimale NOx-Umwandlung über den Katalysator zu erreichen. Kompromisse zwischen Motorausgangs-NOx-Niveaus und Motorausgangs-O2-Niveaus zur Erzielung der optimalen NOx-Umwandlung sind definiert. Eine Oxidationsvorrichtung, wie ein bekannter Dieseloxidationskatalysator oder eine bekannte Ozon erzeugende Plasmavorrichtung, können stromaufwärts des NOx-Reduktionskatalysators verwendet werden, um NO (hauptsächlich Motorausgangs-NOx-Arten) zu NO2 bei niedriger Temperatur zu oxidieren, um die optimale NOx-Umwandlung zu erzielen. Bei geringen Temperaturen werden bevorzugt wenig Kraftstoffreduktionsmittel und mehr H2 injiziert. Umgekehrt werden bei hohen Temperaturen mehr Kraftstoffreduktionsmittel und weniger H2 injiziert. Unter den hohen Abgasströmungsbedingungen werden höhere Mengen an H2 injiziert. Die vorher erwähnten Betriebsparameter sind anwendbar, um ein optimales HC1/NOx-Verhältnis zur NOx-Reduktion auf Grundlage einer Katalysatorformulierung, beispielsweise einer Ag-Metallbeladung einer Washcoatbeladung und einem Zusatz anderer Nicht-Ag-Komponenten zu berechnen. Die Verwendung derartiger Steuerstrategien erlaubt eine Optimierung einer Fahrzeugkraftstoffwirtschaftlichkeit, während eine maximale NOx-Reduktion über den Katalysator erreicht wird, durch eine Kombination von AGR, PCCI-(Niedertemperatur-)Verbrennung, injizierter Kraftstoffmenge und injizierter H2-Menge. Ferner sind Betriebsgrenzen zur Verwendung von injiziertem Reduktionsmittelkraftstoff unter Bedingungen mit hoher Raumgeschwindigkeit, geringer O2-Konzentration und niedriger Temperatur definierbar, um eine potentielle Koksbildung (kohlenstoffhaltige Abscheidungen) und mögliche Katalysatordeaktivierung ohne Zusatz von überschüssigem H2 in dem Abgaszustrom zu minimieren. Es können Kraftstoffkomponenten, die die optimale NOx-Umwandlung erzielen, festgelegt werden.

Claims (8)

  1. Abgasemissionsbehandlungssystem für ein Fahrzeug, umfassend: einen HC-SCR-Katalysator mit einem Nicht-Pt-Gruppen-Metall-Katalysatormaterial, das auf einer Keramikmatrix angeordnet ist, und der derart konfiguriert ist, dass er eine Abgasströmung von einem Motor aufnimmt, wobei das Nicht-Pt-Gruppen-Metall Ag, eine Ag-Verbindung oder eine Ag-Legierung oder eine Kombination daraus umfasst, und die Keramikmatrix Aluminiumoxid umfasst oder wobei das Nicht-Pt-Gruppen-Metall Kupfer, eine Kupferverbindung, eine Kupferlegierung, Chrom, eine Chromverbindung, eine Chromlegierung, Eisen, eine Eisenverbindung oder eine Eisenlegierung oder eine Kombination daraus umfasst und die Keramikmatrix einen Zeolith umfasst; einen Oxidationskatalysator mit einem Pt-Gruppen-Metall-Katalysatormaterial, und der derart konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem HC-SCR-Katalysator aufnimmt; einen Zwei-Wege-Katalysator umfassend einen U-SCR-Katalysator und einen Partikelfilter, wobei einer des U-SCR-Katalysators oder des Partikelfilters konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem Oxidationskatalysator aufnimmt; und der andere eines U-SCR-Katalysators oder des Partikelfilters konfiguriert ist, dass er die Abgasströmung von dem jeweiligen aufnimmt, wobei das Abgasemissionsbehandlungssystem ferner eine Kohlenwasserstoffdosiervorrichtung, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Kohlenwasserstoffmaterial in die Abgasströmung stromaufwärts des HC-SCR-Katalysators freisetzt, und eine Harnstoffdosiervorrichtung umfasst, die derart konfiguriert ist, dass sie Harnstoff in die Abgasströmung stromaufwärts des Zwei-Wege-Katalysators angeordnet freisetzt.
  2. Emissionsbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Katalysatormaterial des HC-SCR-Katalysators ferner Zr, Nb, Y, Hf, La, Ce oder Nd oder ein Oxid von diesen oder eine Legierung von diesen oder eine Kombination daraus auf der Keramikmatrix angeordnet umfasst.
  3. Emissionsbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Nicht-Pt-Gruppen-Metall Ag oder eine Ag-Verbindung mit etwa 1–4 Gew.-% des Katalysators ist.
  4. Emissionsbehandlungssystem nach Anspruch 3, wobei das Katalysatormaterial des HC-SCR-Katalysators ferner ein auf der Keramikmatrix angeordnetes Pt-Gruppen-Metall umfasst.
  5. Emissionsbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Zeolith ZSM-5, ZSM-11 oder ZSM-12 oder eine Kombination daraus umfasst.
  6. Emissionsbehandlungssystem nach Anspruch 5, wobei das Katalysatormaterial des HC-SCR-Katalysators ferner Zr, Nb, Y, Hf, La, Ce oder Nd oder ein Oxid von diesen oder eine Legierung von diesen oder eine Kombination daraus auf der Keramikmatrix angeordnet umfasst.
  7. Emissionsbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der HC-SCR und der Oxidationskatalysator beide auf einem einzelnen keramischen oder metallischen Durchflussmonolith geformt sind.
  8. Verfahren zur selektiven Reduktion der Motorausgangs-NOx-Konzentration zu N2 in einem Abgasstrom eines Fahrzeugs, bei dem ein Abgas durch ein Abgasemissionsbehandlungssystem für ein Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geführt wird.
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