DE102011015734A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regeneration eines Abgasfilters - Google Patents
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Abstract
Ein Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine umfasst eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit der Brennkraftmaschine, um das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Abgasbehandlungsvorrichtungen zu leiten. Ein Kohlenwasserstoffinjektor in Fluidkommunikation mit dem Abgas liefert Kohlenwasserstoff daran. Eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ist stromabwärts des Kohlenwasserstoffinjektors angeordnet und derart konfiguriert, den Kohlenwasserstoff und das Abgas aufzunehmen und zu mischen und Komponenten von NOx darin zu reduzieren. Eine Oxidationskatalysatorvorrichtung ist in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion angeordnet und derart konfiguriert, das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch zu oxidieren, um die Temperatur des Abgases anzuheben. Eine Partikelfilteranordnung ist stromabwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung zur Aufnahme des erhitzten Abgases und zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die in dem Abgasfilter gesammelt sind, angeordnet.
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stehen mit Abgasbehandlungssystemen für Brennkraftmaschinen und insbesondere mit einem effizienten System zur Regeneration eines Abgaspartikelfilters in Verbindung.
- HINTERGRUND
- Das Abgas, das von einer Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, ist ein heterogenes Gemisch, das gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (”CO”), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (”HC”) und Stickoxide (”NOx”), wie auch Materialien in kondensierter Phase (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Partikelmaterial bilden. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise an Katalysatorträgern oder -substraten, die in dem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet sind, angeordnet sind, sind vorgesehen, um bestimmte oder alle von diesen Abgasbestandteilen in gesetzlich nicht regulierte Abgaskomponenten umzuwandeln. Beispielsweise können Abgassysteme für Brennkraftmaschinen eine oder mehrere edelmetallhaltige Oxidationskatalysatoren (”OC”) für die Reduktion von CO und HC aus der Maschine, einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (”SCR”) für die Reduktion von NOx und eine Partikelfiltervorrichtung (”PF”) zur Entfernung von Partikelmaterial aufweisen.
- Bei einer Abgasbehandlungstechnologie im Gebrauch für hohe Niveaus an Partikelmaterialreduktion kann der PF eine von verschiedenen Abgasfilterstrukturen verwenden, die eine Wirksamkeit bei der Entfernung des Partikelmaterials von dem Abgas gezeigt haben. Derartige Abgasfilterstrukturen können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, keramische Waben-Wandströmungsfilter, Filter aus gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Keramikwandströmungsfilter haben in Kraftfahrzeuganwendungen eine signifikante Akzeptanz erfahren.
- Der Abgasfilter ist ein physikalischer Aufbau zur Entfernung von Partikeln von Abgas, und infolge dessen besitzt die Ansammlung gefilterter Partikel in dem Abgasfilter die Wirkung der Erhöhung des Gegendrucks in dem Abgassystem, dem die Maschine ausgesetzt ist. Um Gegendruckzunahmen, die durch die Ansammlung von Abgaspartikeln in dem Abgasfilter bewirkt werden, zu berücksichtigen, wird der PF periodisch gereinigt oder regeneriert. Eine Regeneration eines PF in Fahrzeuganwendungen erfolgt typischerweise automatisch und wird durch einen Maschinen- oder anderen geeigneten Controller auf Grundlage von Signalen, die durch Maschinen- und Abgassystemsensoren erzeugt werden, gesteuert. Das Regenerationsereignis betrifft die Erhöhung der Temperatur des PF-Filters typischerweise durch Erwärmung des Maschinenabgases auf Niveaus, die oftmals bei oder über 600°C liegen, um die angesammelten Partikel zu verbrennen.
- Ein Verfahren zur Erzeugung der Abgastemperaturen, die in dem Abgassystem zur Regeneration des PF erforderlich sind, besteht darin, nicht verbrannte HC an eine Oxidationskatalysatorvorrichtung, die stromaufwärts des PF angeordnet ist, zu liefern. Die HC können an das Abgassystem durch Direktkraftstoffinjektion in das Abgassystem geliefert werden oder können durch ”Über-Kraftstoffbelieferung” der Brennkraftmaschine erreicht werden, was in nicht verbrannten HC resultiert, die die Maschine in dem Abgas verlassen. Die HC werden in der Oxidationskatalysatorvorrichtung in einer exothermen Reaktion oxidiert, die die Temperatur des Abgases erhöht. Das erwärmte Abgas gelangt stromabwärts zu dem PF und verbrennt die Partikelansammlung.
- Ein Nachteil dieses Regenerationsverfahrens besteht darin, dass es typischerweise erwünscht ist, die NOx-Reduktionsvorrichtung in dem Abgassystem an einer Stelle anzuordnen, die sich stromaufwärts des PF befindet, um die Vorrichtung vor Hochtemperaturauslenkungen zu schützen, die durch PF-Regenerationen bewirkt werden. Ähnlicherweise ist es erwünscht, die NOx-Reduktionsvorrichtung stromabwärts des OC anzuordnen, um die empfindlichen SCR-Katalysatoren vor einer Vergiftung durch HC-Adsorption zu schützen. Wenn der OC dazu verwendet wird, das Abgas, wie beschrieben, während der Regeneration des PF zu erwärmen, kann eine NOx-Reduktion über die NOx-Reduktionsvorrichtung aufgrund der hohen Temperaturen im Wesentlichen reduziert werden, die durch die Oxidation des HC in dem OC erzeugt werden. Zusätzlich kann eine thermische Schädigung der NOx-Reduktionsvorrichtung ausgeprägter werden, was in einer schnellen Alterung des Katalysators und einer Haltbarkeit, die geringer als erwünscht ist, resultiert.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit der Brennkraftmaschine, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von der Brennkraftmaschine aufnimmt und das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems leitet. Ein Kohlenwasserstoffinjektor ist mit der Abgasleitung verbunden und steht in Fluidkommunikation mit dem Abgas darin zur Lieferung von Kohlenwasserstoff daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches. Eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ist in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts des Kohlenwasserstoffinjektors angeordnet und derart konfiguriert, das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch aufzunehmen und zu mischen und die Komponenten von NOx in dem Abgas zu reduzieren. Eine Oxidationskatalysatorvorrichtung ist in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion angeordnet und derart konfiguriert, das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch zu oxidieren, um die Temperatur des Abgases anzuheben. Eine Partikelfilteranordnung, die einen Abgasfilter zur Sammlung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin angeordnet sind, aufweist, steht in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung und ist stromabwärts der zweiten Oxidationskatalysatorvorrichtung zur Aufnahme des erwärmten Abgases und Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die in dem Abgasfilter gesammelt sind, angeordnet.
- Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine, die eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit der Brennkraftmaschine, die derart konfiguriert ist, ein Abgas von der Brennkraftmaschine aufzunehmen und das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems zu leiten, einen Kohlenwasserstoffinjektor, der mit der Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Abgas zur Lieferung von Kohlenwasserstoff daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches verbunden ist, eine erste Oxidationskatalysatorvorrichtung, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts des Kohlenwasserstoffinjektors angeordnet ist, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die zur Reduktion von Komponenten von NOx in dem Abgas konfiguriert und in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der ersten Oxidationskatalysatorvorrichtung angeordnet ist, eine zweite Oxidationskatalysatorvorrichtung, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion angeordnet ist, und eine Partikelfilteranordnung mit einem Abgasfilter zur Sammlung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin angeordnet sind, in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, und die stromabwärts der zweiten Oxidationskatalysatorvorrichtung angeordnet ist, aufweist, ein Liefern von Kohlenwasserstoff an das Abgas durch den Kohlenwasserstoffinjektor. Ein Oxidieren eines ersten Anteils des Kohlenwasserstoffs in dem Abgas in dem ersten Oxidationskatalysator, um die Temperatur des Abgases auf eine erste Temperatur anzuheben. Ein Leiten des Abgases durch die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion und ein Mischen desselben darin. Ein Oxidieren eines zweiten Anteils des Kohlenwasserstoffs in dem Abgas in dem zweiten Oxidationskatalysator, um die Temperatur des Abgases auf eine zweite Temperatur anzuheben. Und ein Liefern des Abgases bei der zweiten Temperatur an die Partikelfilteranordnung zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die an dem Abgasfilter angeordnet sind.
- Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen offensichtlich, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems für einen Brennkraftmaschine ist, das Merkmale der Erfindung verkörpert; und -
2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems für einen Brennkraftmaschine ist, das Merkmale der Erfindung verkörpert; -
3 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems für einen Brennkraftmaschine ist, das Merkmale der Erfindung verkörpert; und -
4 eine schematische Ansicht einer noch anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems für einen Brennkraftmaschine ist, das Merkmale der Erfindung verkörpert. - BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Gebräuche zu beschränken. Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
- Bezugnehmend auf
1 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung auf ein Abgasbehandlungssystem, das allgemein mit10 bezeichnet ist, für die Reduktion regulierter Abgasbestandteile, die durch einen Brennkraftmaschine12 ermittiert werden, gerichtet. Es sei angemerkt, dass die hier beschriebene Erfindung in verschiedenen Maschinensystemen, die einen Abgaspartikelfilter implementieren, implementiert sein kann und soll. Derartige Maschinensysteme können, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Benzindirektinjektionssysteme sowie Maschinensysteme mit homogener Kompressionszündung aufweisen. - Das Abgasbehandlungssystem
10 weist eine Abgasleitung14 auf, die verschiedene Segmente umfassen kann, die dazu dienen, Abgas16 von der Maschine12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems10 zu transportieren. Die Abgasbehandlungsvorrichtungen können eine erste Oxidationskatalysatorvorrichtung (”OC1”)18 aufweisen. Die OC1 kann mit einem Durchström-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat20 aufgebaut sein, das in eine intumeszente oder nicht intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird, das in einer starren Schale oder einem Kanister21 eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung14 aufweist. Das Substrat20 besitzt eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt). Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle enthalten, wie Platin (”Pt”), Palladium (”Pd”), Rhodium (”Rh”) und andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus. Die OC118 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nicht flüchtiger HC und CO verwendbar, die in einer exothermen Reaktion oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. - Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (”SCR”)
22 stromabwärts des OC118 angeordnet sein. Auf eine Weise ähnlich dem OC1 kann die SCR-Vorrichtung22 auch mit einem Durchström-Keramik- oder Metall-Monolithsubstrat24 aufgebaut sein, das in eine intumeszente oder nicht intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei das Substrat gesichert und isoliert wird, das in einer starren Schale oder einem Kanister25 eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung14 aufweist. Das Substrat24 besitzt eine NOx reduzierende Katalysatorzusammensetzung, wie eine daran aufgetragene SCR-Katalysatorzusammensetzung (nicht gezeigt). Die SCR-Katalysatorzusammensetzung enthält bevorzugt einen Zeolith sowie ein oder mehrere Grundmetallkomponenten, wie Eisen (”Fe”), Kobalt (”Co”), Kupfer (”Cu”) oder Vanadium (”V”), die effizient dazu dienen können, NOx-Bestandteile in dem Abgas16 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak (”NH3”) zu reduzieren. Die SCR-Katalysatorverbindung ist eine temperaturbeständige Katalysatorverbindung, die bevorzugt beständig gegenüber HC-Adsorption und Vergiftung wie auch Hochtemperaturauslenkungen ist, wie mit bestimmten Katalysatorverbindungen auf Kupferbasis gezeigt worden ist. Das NH3-Reduktionsmittel23 , das von dem Reduktionsmittelliefertank19 durch die Leitung17 geliefert wird, wird in die Abgasleitung14 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung22 unter Verwendung eines Injektors26 , der in Fluidkommunikation mit der Leitung14 steht, oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Lieferung des Reduktionsmittels an das Abgas16 injiziert. Das Reduktionsmittel kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung vorliegen und kann mit Luft in dem Injektor26 gemischt werden, um die Dispersion des injizierten Sprühnebels zu unterstützen. - Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Abgasfilteranordnung (”PF”)
28 in dem Abgasbehandlungssystem10 stromabwärts der SCR-Vorrichtung22 angeordnet und dient dazu, das Abgas16 von Kohlenstoff und anderen abgasbezogenen Partikeln zu filtern. Die PF-Vorrichtung28 kann unter Verwendung eines Keramik-Wandströmungs-Monolith-Abgasfilters30 aufgebaut sein, der in eine intumeszente oder nicht intumeszente Matte (nicht gezeigt) gewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, wobei der Filter gesichert und isoliert wird, der in einer starren wärmebeständigen Schale oder einem Kanister31 eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung14 aufweist. Abgas16 , das in den Abgasfilter30 eintritt, wird durch poröse, sich benachbart erstreckende Wände getrieben, und durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas von Kohlenstoff und anderen Partikeln gefiltert. Die gefilterten Partikel werden in dem Abgasfilter30 abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, dem die Maschine12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der keramische Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 lediglich beispielhafter Natur ist, und dass der PF28 andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie Filter aus gewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. - Bei einer beispielhaften Ausführungsform erfordert die Zunahme des Abgasgegendruckes, der durch die Ansammlung von Partikelmaterial bewirkt wird, dass die PF-Vorrichtung
28 periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°C). Zu Regenerationszwecken ist eine zweite Oxidationskatalysatorvorrichtung (”OC2”)32 stromaufwärts der PF-Vorrichtung28 zwischen der PF-Vorrichtung und der SCR-Vorrichtung22 angeordnet. Die OC232 kann in einem separaten Kanister34 angeordnet sein,1 , oder kann bei einer anderen Ausführungsform in dem PF-Kanister31 angeordnet sein,2 . Ähnlich dem OC118 kann der OC232 ein Durchström-Metall- oder Keramikmonolithsubstrat34 aufweisen, das in eine intumeszente oder nicht intumeszente Matte (nicht gezeigt) eingewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, um das Substrat in dem Kanister35 ; oder31 in dem Fall der Montage in dem PF28 zu sichern und zu isolieren. Das Substrat34 besitzt eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt). Die Oxidationskatalysatorverbindung kann als ein Washcoat aufgetragen werden und kann Platingruppenmetalle enthalten, wie Platin (”Pt”), Palladium (”Pd”), Rhodium (”Rh”) und andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus. - Wie in
1 gezeigt ist, ist stromaufwärts des OC118 und der SCR-Vorrichtung22 in Fluidverbindung mit dem Abgas16 in der Abgasleitung14 ein HC- oder Kraftstoffinjektor38 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor38 in Fluidkommunikation mit der HC-Versorgung40 in dem Kraftstoffliefertank42 durch die Fluidleitung44 ist derart konfiguriert, dass nicht verbranntes HC40 in den Abgasstrom stromaufwärts des OC118 und der SCR-Vorrichtung22 eingeführt wird. Ein Controller, wie ein Fahrzeugcontroller48 , ist funktionell mit dem Abgasbehandlungssystem10 durch eine Signalkommunikation mit einer Anzahl von Sensoren verbunden und überwacht dieses. Der hier verwendete Begriff ”Controller” kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung oder andere geeignete Komponenten aufweisen, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Gegendrucksensor50 , der stromaufwärts der PF-Vorrichtung28 angeordnet ist, derart konfiguriert, dass er ein Signal erzeugt, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem Keramik-Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den Abgasfilter30 der PF-Vorrichtung28 zu reinigen oder zu regenerieren, aktiviert der Controller48 den Kraftstoffinjektor38 , um die HC40 in das Abgas16 zu injizieren, wie beschrieben ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC118 ein Volumen, das 20% bis 40% des Maschinenhubraums repräsentiert, und umfasst eine Katalysatorverbindungsbeladung, die ausreichend aktiv ist, dass nur ein Anteil des HC oxidiert wird, der durch den Kraftstoffinjektor38 injiziert wird. Der OC118 ist derart konfiguriert, dass er nur den Anteil an injiziertem HC46 oxidiert, der eine Erhöhung der Temperatur des Abgases16 auf eine erste Abgastemperatur von etwa 450°C bis 500°C stromaufwärts der SCR-Vorrichtung22 zur Folge hat. Bei dieser Temperatur absorbiert die SCR-Vorrichtung22 nicht unverbranntes HC46 , das durch den OC118 in einen nicht oxidierten Zustand gelangt ist, wodurch eine Vergiftung und eine Deaktivierung der SCR-Katalysatorzusammensetzung vermieden wird. Zusätzlich haben Temperaturen in dem Bereich von 450°C bis 500°C keine thermische Schädigung der temperaturbeständigen SCR-Katalysatorzusammensetzung zur Folge, was in einer zuverlässigen Langzeit-NOx-Reduktionsleistungsfähigkeit von dem Abgasbehandlungssystem10 resultiert. - Der verbleibende Anteil von injiziertem HC
40 , der durch die SCR-Vorrichtung22 gelangt, wird vollständig mit dem Abgas16 infolge seines Durchgangs hindurchgemischt. Nach seinem Austritt von der SCR-Vorrichtung22 tritt das gut gemischte und verdampfte HC/Abgas-Gemisch vor seinem Eintritt in den PF28 in den OC232 ein, wo der verbleibende Anteil des nicht verbrannten injizierten HC40 oxidiert wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC232 ein Volumen, das 25% bis 45% des Maschinenhubraums repräsentiert und eine Katalysatorverbindungsbeladung aufweist, die ausreichend aktiv ist, um den verbleibenden Anteil des HC40 zu oxidieren, der durch den Kraftstoffinjektor38 injiziert ist, der jedoch durch den OC118 gelangt oder geschlupft ist. Eine Oxidation des HC40 in dem OC232 resultiert in einer Zunahme der Temperatur des Abgases16 auf eine zweite Abgastemperatur von etwa 600°C bis etwa 650°C stromaufwärts der PF-Vorrichtung28 ; einer Temperatur, die zur Verbrennung des Kohlenstoff und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 geeignet ist. Der Controller48 kann die Temperatur des erhitzten Abgases in dem keramischen Wandströmungsmonolithfilter30 durch den Temperatursensor52 wie auch die Abgastemperatur stromaufwärts des OC118 durch den Temperatursensor54 überwachen und die Rate der HC-Lieferung des Injektors38 einstellen, um die gewünschten Abgastemperaturen beizubehalten, wie angegeben ist. - Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform,
2 , ist es vorstellbar, dass in einigen Fällen auf den Kraftstoffinjektor38 zugunsten einer Maschinensteuerung der Kohlenwasserstoffniveaus in dem Abgas16 verzichtet werden kann. In einem solchen Fall ist der Controller48 funktionell mit dem Abgasbehandlungssystem10 verbunden und überwacht das Abgasbehandlungssystem10 durch Signalkommunikation mit einer Anzahl von Sensoren, wie einem Gegendrucksensor50 . Der Gegendrucksensor50 ist derart konfiguriert, dass er ein Signal erzeugt, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 angibt, und bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den PF28 zu reinigen oder zu regenerieren, stellt der Controller48 den Maschinenzündzeitpunkt und/oder die Rate/Frequenz der Kraftstofflieferung zu der Maschine12 ein, um überschüssigen, nicht verbrannten Kraftstoff (HC) in die Abgasleitung14 zu mischen mit dem Abgas16 zu liefern. Wie oben beschrieben ist, besitzt der OC118 ein Volumen, das 20% bis 40% des Maschinenhubraums repräsentiert, und umfasst eine Katalysatorverbindungsbeladung, die ausreichend aktiv ist, um nur einen Anteil des HC zu oxidieren, der die Maschine12 in dem Abgas16 verlässt. Der OC118 ist derart konfiguriert, dass er nur den Anteil von überschüssigem HC in dem Abgas oxidiert, der eine Zunahme der Temperatur des Abgases16 auf eine erste Gastemperatur von etwa 450°C bis 500°C stromaufwärts der SCR-Vorrichtung22 zur Folge hat. Bei dieser Temperatur absorbiert die SCR-Vorrichtung22 nicht unverbranntes HC, das durch den OC118 in einen nicht oxidierten Zustand gelangt ist, wodurch eine Vergiftung und Deaktivierung der SCR-Katalysatorzusammensetzung vermieden wird. Zusätzlich haben Temperaturen im Bereich von 450°C bis 500°C keine thermische Schädigung der SCR-Katalysatorzusammensetzung zur Folge, was in einer zuverlässigen Langzeit-NOx-Reduktionsleistungsfähigkeit von dem Abgasbehandlungssystem10 resultiert. - Der verbleibende Anteil von überschüssigem HC, der durch die SCR-Vorrichtung
22 gelangt ist, tritt in den OC232 ein, wo er oxidiert wird, bevor er in den Abgasfilter30 der PF-Vorrichtung28 eintritt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC232 ein Volumen, das 25% bis 45% des Maschinenhubraumes repräsentiert, und umfasst eine Katalysatorverbindungsbeladung, die ausreichend aktiv ist, dass der verbleibende Anteil des HC oxidiert wird, der die Maschine12 in dem Abgas16 verlässt, der jedoch durch den OC118 gelangt oder geschlupft ist, und hat eine Zunahme der Temperatur des Abgases16 auf eine zweite Abgastemperatur von etwa 600°C bis 650°C stromaufwärts der PF-Vorrichtung28 zur Folge, die zur Verbrennung des Kohlenstoff- und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 geeignet ist. Der Controller48 kann die Temperatur der erhitzten Abgastemperatur in dem Abgasfilter30 durch den Temperatursensor52 wie auch die Abgastemperatur stromaufwärts des OC118 durch den Temperatursensor54 überwachen und den Maschinenzündzeitpunkt und die Rate/Frequenz der Kraftstofflieferung zu der Maschine12 einstellen, um die gewünschten Abgastemperaturen beizubehalten, wie angegeben ist. - Die Verwendung eines kleinen OC1
18 stromaufwärts der SCR-Vorrichtung22 in Kombination mit einem kleinen OC232 stromabwärts der SCR-Vorrichtung22 , jedoch stromaufwärts des Abgasfilters30 der PF-Vorrichtung28 , sieht einen hohen NOx-Umwandlungswirkungsgrad während der Regeneration des PF28 wie auch eine verbesserte SCR-Katalysatorhaltbarkeit aufgrund der Reduzierung oder Beseitigung eines thermischen Schadens an dem SCR-Katalysator vor. Durch Bewegen eines Anteils des HC-Oxidationsereignisses zu einer Stelle, die eng benachbart der PF-Vorrichtung28 ist, kann ein signifikanter thermischer Verlust von dem Abgas16 durch die verschiedenen Komponenten und Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems10 vermieden werden, wodurch der Verbrauch von HC während der Regeneration der PF-Vorrichtung28 reduziert und der Kraftstoffwirkungsgrad der Maschine12 verbessert wird. - Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die in
3 gezeigt ist, kann es bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein, eine Erhöhung der Temperatur des Abgases16 so lange zu vermeiden, bis es durch die SCR-Vorrichtung22 gelangt ist, um die Haltbarkeit der Vorrichtung zu verlängern. In einem solchen Fall ist ein HC- oder Kraftstoffinjektor38 stromabwärts des OC118 in Fluidkommunikation mit dem Abgas16 in der Abgasleitung14 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor38 in Fluidkommunikation mit der HC-Versorgung40 in dem Kraftstoffversorgungstank42 durch die Fluidleitung44 ist derart konfiguriert, dass nicht verbranntes HC40 in den Abgasstrom stromaufwärts der SCR-Vorrichtung22 injiziert wird. Wie vorher beschrieben, erzeugt ein Gegendrucksensor50 , der stromaufwärts der PF-Vorrichtung28 angeordnet ist, ein Signal, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den Abgasfilter30 der PF-Vorrichtung28 zu reinigen oder zu regenerieren, aktiviert der Controller48 den Kraftstoffinjektor38 , um HC40 in das Abgas16 zu injizieren. Das injizierte HC40 gelangt durch die SCR-Vorrichtung22 , wo es vollständig mit dem Abgas16 gemischt wird. Nach seinem Austritt von der SCR-Vorrichtung22 tritt das gut gemischte HC-Abgasgemisch in den OC232 ein, wo es vor seinem Eintritt in den PF28 oxidiert wird. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC232 ein Volumen und weist eine Katalysatorverbindungsbeladung auf, die ausreichend aktiv ist, um das HC40 zu oxidieren, das durch den Kraftstoffinjektor38 injiziert wird, und resultiert in einer Zunahme der Temperatur des Abgases16 auf etwa 600°C bis 650°C stromaufwärts der PF-Vorrichtung28 ; einer Temperatur, die zur Verbrennung des Kohlenstoff- und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 geeignet ist. Der Controller48 kann die Temperatur des erhitzten Abgases in dem keramischen Wandströmungsmonolithfilter30 durch den Temperatursensor52 wie auch die Abgastemperatur stromaufwärts des OC118 durch den Temperatursensor54 überwachen und die Rate der HC-Lieferung des Injektors38 einstellen, um die gewünschten Abgastemperaturen beizubehalten, wie angegeben ist. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird der OC1 nur für die Reduktion von CO und HC aus der Maschine heraus verwendet. - Bei einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform, die in
4 gezeigt ist, kann es bei einigen Anwendungen auch vorteilhaft sein, einen Kontakt eines Anteils der SCR-Vorrichtung22 mit nicht verbranntem HC zu vermeiden, wie auch eine Erhöhung der Temperatur des Abgases16 so lange zu vermeiden, bis es durch den SCR gelangt ist, um die Haltbarkeit der Vorrichtung weiter zu verlängern. In einem solchen Fall ist eine zweite SCR-Vorrichtung60 stromabwärts des OC118 und der SCR-Vorrichtung22 in Fluidkommunikation mit dem Abgas16 in der Abgasleitung14 angeordnet. Ein HC- oder Kraftstoffinjektor38 in Fluidkommunikation mit der HC-Versorgung40 in dem Kraftstoffversorgungstank42 durch die Fluidleitung44 ist derart konfiguriert, dass nicht verbranntes HC40 in den Abgasstrom zwischen der SCR-Vorrichtung60 und der SCR-Vorrichtung22 eingeführt wird. In dieser Konfiguration vermeidet der SCR22 die Möglichkeit einer HC-Kontamination, während die SCR-Vorrichtung60 weiter zur vollständigen Mischung des injizierten HC40 mit dem Abgas16 verfügbar ist. Wie vorher beschrieben wurde, erzeugt ein Gegendrucksensor50 , der stromaufwärts der PF-Vorrichtung28 angeordnet ist, ein Signal, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den Abgasfilter30 der PF-Vorrichtung28 zu reinigen oder zu regenerieren, aktiviert der Controller48 den Kraftstoffinjektor38 , um HC40 in das Abgas16 zu injizieren. Das injizierte HC40 gelangt durch die SCR-Vorrichtung60 , wo es mit dem Abgas16 vollständig gemischt wird. Nach seinem Austritt von der SCR-Vorrichtung60 tritt das gut gemischte HC/Abgasgemisch in den OC232 ein, wo es vor seinem Eintritt in den PF28 oxidiert wird. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC232 ein Volumen und weist eine Katalysatorverbindungsbeladung auf, die ausreichend aktiv ist, um das HC40 zu oxidieren, das durch den Kraftstoffinjektor38 injiziert wird, und resultiert in einer Zunahme der Temperatur des Abgases16 auf etwa 600°C bis 650°C stromaufwärts der PF-Vorrichtung28 ; einer Temperatur, die zur Verbrennung des Kohlenstoff- und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter30 geeignet ist. Der Controller48 kann die Temperatur des erhitzten Abgases in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Filter30 durch den Temperatursensor52 wie auch die Abgastemperatur stromaufwärts des OC118 durch den Temperatursensor54 überwachen und die HC-Lieferrate des Injektors38 einstellen, um die gewünschten Abgastemperaturen beizubehalten, wie angegeben ist. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wird der OC1 nur für die Reduktion von CO und HC aus der Maschine heraus verwendet. - Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und äquivalente Gegenelemente derselben ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Abwandlungen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art offenbart sind, die zum Ausführen dieser Erfindung denkbar ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.
Claims (19)
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, umfassend: eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit der Brennkraftmaschine, die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von der Brennkraftmaschine aufnimmt und das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems leitet; einen Kohlenwasserstoffinjektor, der mit der Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Abgas zur Lieferung von Kohlenwasserstoff daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches verbunden ist; eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts des Kohlenwasserstoffinjektors angeordnet und zur Aufnahme und zum Mischen des Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches und zur Reduktion von NOx-Bestandteilen darin konfiguriert ist, eine Oxidationskatalysatorvorrichtung, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion angeordnet und derart konfiguriert ist, das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch zu oxidieren, um die Temperatur des Abgases anzuheben; und eine Partikelfilteranordnung mit einem Abgasfilter zum Sammeln von Kohlenstoff und Partikeln, die darin angeordnet sind, in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, die stromabwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung zur Aufnahme des erhitzten Abgases und zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die in dem Abgasfilter gesammelt sind, angeordnet ist.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner mit einer Oxidationskatalysatorvorrichtung, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromaufwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion angeordnet und zur Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff aus der Maschine heraus konfiguriert ist.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der Kohlenwasserstoffinjektor mit der Abgasleitung stromaufwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion und der stromaufwärts davon angeordneten Oxidationskatalysatorvorrichtung verbunden ist.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei der Kohlenwasserstoffinjektor die Brennkraftmaschine ist.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der Kohlenwasserstoffinjektor mit der Abgasleitung stromaufwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion und stromabwärts der davon stromaufwärts angeordneten Oxidationskatalysatorvorrichtung verbunden ist.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, ferner mit einer zweiten Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die stromaufwärts des Kohlenwasserstoffinjektors und stromabwärts der davon stromaufwärts angeordneten Oxidationskatalysatorvorrichtung angeordnet ist.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei die Oxidationskatalysatorvorrichtung stromaufwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ein Volumen besitzt, das 20% bis 40% des Maschinenhubraums repräsentiert, und eine Katalysatorverbindungsbeladung aufweist, die ausreichend aktiv ist, dass nur ein Anteil des Kohlenwasserstoffs in dem Kohlenwasserstoff- und Abgasgemisch oxidiert wird und das Abgas auf eine erste Temperatur angehoben wird.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei die erste Abgastemperatur etwa 450° bis 500°C stromaufwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion beträgt.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei die Oxidationskatalysatorvorrichtung stromabwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ein Volumen aufweist, das 25% bis 45% des Maschinenhubraumes repräsentiert, und eine Katalysatorverbindungsbeladung aufweist, die ausreichend aktiv ist, dass der verbleibende Anteil des Kohlenwasserstoffs in dem Kohlenwasserstoff und Abgasgemisch oxidiert wird und die Abgastemperatur auf eine zweite Temperatur angehoben wird.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei die zweite Abgastemperatur etwa 600° bis 650°C stromaufwärts der Partikelfilteranordnung beträgt.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion eine daran angeordnete temperaturbeständige Katalysatorverbindung aufweist, die beständig gegenüber Kohlenwasserstoffadsorption und -vergiftung ist.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion eine Katalysatorverbindung umfasst, die einen Zeolith und eine oder mehrere Basismetallkomponenten umfasst, wie Eisen (”Fe”), Kobalt (”Co”), Kupfer (”Cu”) oder Vanadium (”V”), die dazu dienen können, NOx-Bestandteile in dem Abgas in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak, umzuwandeln.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Oxidationskatalysatorvorrichtung in der Partikelfilteranordnung angeordnet ist.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die Katalysatorverbindung in den Oxidationskatalysatorvorrichtungen einen Washcoat umfasst, der Metalle der Platingruppe enthält, wie Platin (”Pt”), Palladium (”Pd”), Rhodium (”Rh”) und andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner mit: einem Gegendrucksensor in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromaufwärts des Abgasfilters, der derart konfiguriert ist, dass er ein Signal erzeugt, das einen Gegendruck des Abgases angibt; und einen Controller in Signalkommunikation mit dem Gegendrucksensor und dem Kohlenwasserstoffinjektor, der derart konfiguriert ist, dass er den Kohlenwasserstoffinjektor aktiviert, um Kohlenwasserstoff in das Abgas zu injizieren, wenn der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den Abgasfilter zu erwärmen, um Kohlenstoff und Partikel, die darin gesammelt sind, zu verbrennen.
- Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, ferner mit: einem Temperatursensor, der zur Fluidkommunikation mit der Abgasleitung benachbart der Partikelfilteranordnung konfiguriert ist und zur Erzeugung eines Signals konfiguriert ist, das eine Temperatur des Abgases angibt; und einen Controller in Kommunikation mit dem Temperatursensor und dem Kohlenwasserstoffinjektor, der derart konfiguriert ist, dass er die Rate der Kohlenwasserstofflieferung von dem Kohlenwasserstoffinjektor einstellt, um eine gewünschte Abgastemperatur zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln in dem Abgasfilter beizubehalten.
- Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine, die eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit der Brennkraftmaschine, die derart konfiguriert ist, ein Abgas von der Brennkraftmaschine aufzunehmen und das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems zu leiten, einen Kohlenwasserstoffinjektor, der mit der Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Abgas zur Lieferung von Kohlenwasserstoff daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches verbunden ist, eine erste Oxidationskatalysatorvorrichtung, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts des Kohlenwasserstoffinjektors angeordnet ist, eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die zur Reduktion von Komponenten von NOx in dem Abgas konfiguriert und in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der ersten Oxidationskatalysatorvorrichtung angeordnet ist, eine zweite Oxidationskatalysatorvorrichtung, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion angeordnet ist, und eine Partikelfilteranordnung mit einem Abgasfilter zur Sammlung von Kohlenstoff und Partikeln, die darin angeordnet sind, in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung, und die stromabwärts der zweiten Oxidationskatalysatorvorrichtung angeordnet ist, aufweist, umfassend: Liefern von Kohlenwasserstoff an das Abgas durch den Kohlenwasserstoffinjektor; Oxidieren eines ersten Anteils des Kohlenwasserstoffs in dem Abgas in dem ersten Oxidationskatalysator, um die Temperatur des Abgases auf eine erste Temperatur anzuheben; Leiten des Abgases durch die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion und ein Mischen desselben darin; Oxidieren eines zweiten Anteils des Kohlenwasserstoffs in dem Abgas in dem zweiten Oxidationskatalysator, um die Temperatur des Abgases auf eine zweite Temperatur anzuheben; und Liefern des Abgases bei der zweiten Temperatur an die Partikelfilteranordnung zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die an dem Abgasfilter angeordnet sind.
- Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, ferner umfassend: Anordnen eines Temperatursensors in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung benachbart der Partikelfilteranordnung und Erzeugen eines Signals, das eine Temperatur des Abgases angibt; und Anordnen eines Controllers in Signalkommunikation mit dem Temperatursensor und dem Kohlenwasserstoffinjektor, der die Rate der Kohlenwasserstofflieferung zu dem Abgas einstellt, um eine gewünschte Abgastemperatur beizubehalten, um Kohlenstoff und Partikel in dem Abgasfilter zu verbrennen.
- Verfahren zum Betrieb eines Abgasbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, ferner umfassend ein Anwenden einer temperaturbeständigen Katalysatorverbindung auf die Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die beständig gegenüber Kohlenwasserstoffadsorption und -vergiftung ist.
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