DE102011015734B4

DE102011015734B4 - Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011015734B4
Application number: DE102011015734.4A
Authority: DE
Inventors: Jianwen Li; Rahul Mital
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: CN102213123A; CN102213123B; US20110239624A1; DE102011015734A1; US8763369B2

Abstract

Abgasbehandlungssystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12), umfassend:eine Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit der Brennkraftmaschine (12), die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von der Brennkraftmaschine (12) aufnimmt und das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems (10) leitet;eine erste Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (22), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) angeordnet und zur Aufnahme des Abgases und zur Reduktion von NOx-Bestandteilen darin konfiguriert ist,eine erste Oxidationskatalysatorvorrichtung (18), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stromaufwärts der ersten Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (22) angeordnet und zur Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff aus der Brennkraftmaschine (12) heraus konfiguriert ist;einen Kohlenwasserstoffinjektor (38), der stromabwärts der ersten Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (22) mit der Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit dem Abgas zur Lieferung von Kohlenwasserstoff daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches verbunden ist;eine zweite Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (60), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stromabwärts des Kohlenwasserstoffinjektors (38) angeordnet und zur Aufnahme und zum Mischen des Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches und zur Reduktion von NOx-Bestandteilen darin konfiguriert ist,eine zweite Oxidationskatalysatorvorrichtung (32), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stromabwärts der zweiten Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (60) angeordnet und derart konfiguriert ist, das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch zu oxidieren, um die Temperatur des Abgases anzuheben; undeine Partikelfilteranordnung (28) mit einem Abgasfilter (30) zum Sammeln von Kohlenstoff und Partikeln, die darin angeordnet sind, in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), die stromabwärts der zweiten Oxidationskatalysatorvorrichtung (32) zur Aufnahme des erhitzten Abgases und zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die in dem Abgasfilter (30) gesammelt sind, angeordnet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine und insbesondere ein effizientes System zur Regeneration eines Abgaspartikelfilters.
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 („NO_x“), 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 NO_x 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 NO_x-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 NO_x-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 NO_x-Reduktion über die NO_x-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 NO_x-Reduktionsvorrichtung ausgeprägter werden, was in einer schnellen Alterung des Katalysators und einer Haltbarkeit, die geringer als erwünscht ist, resultiert.
Herkömmliche Abgasbehandlungssysteme sind in den Druckschriften DE 10 2007 044 191 A1 , US 6 915 629 B2 , „HC-SCR Catalyst Performance in Reducing NOx Emissions from a Diesel Engine Running Transient Test Cycles“ von M. B. Viola (erschienen in SAE Technical Papers Series 2008-01-2487, 2008), DE 10 2006 009 934 A1 , DE 10 2006 025 131 A1 und DE 103 00 298 A1 beschrieben.
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. Eine erste Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ist in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung angeordnet und zur Aufnahme des Abgases und zur Reduktion von NO_x-Bestandteilen darin konfiguriert. Ein Kohlenwasserstoffinjektor ist stromabwärts der ersten Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion mit der Abgasleitung in Fluidkommunikation mit dem Abgas zur Lieferung von Kohlenwasserstoff daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches verbunden. Eine zweite Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion ist in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts des Kohlenwasserstoffinjektors angeordnet und zur Aufnahme und zum Mischen des Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches und zur Reduktion von NO_x-Bestandteilen darin konfiguriert. Eine Oxidationskatalysatorvorrichtung ist in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der zweiten 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.
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.
Figurenliste
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 kein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und
2 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems für einen Brennkraftmaschine ist, das kein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
3 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems für einen Brennkraftmaschine ist, das kein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt; und
4 eine schematische Ansicht einer noch anderen Ausführungsform eines Abgasbehandlungssystems für einen Brennkraftmaschine ist, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Es sei zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Bezugnehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform auf ein Abgasbehandlungssystem, das allgemein mit 10 bezeichnet ist, für die Reduktion regulierter Abgasbestandteile, die durch einen Brennkraftmaschine 12 emittiert 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 Abgasleitung 14 auf, die verschiedene Segmente umfassen kann, die dazu dienen, Abgas 16 von der Maschine 12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10 zu transportieren. Die Abgasbehandlungsvorrichtungen können eine erste Oxidationskatalysatorvorrichtung („OC1“) 18 aufweisen. Die OC1 kann mit einem Durchström-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat 20 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 Kanister 21 eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 aufweist. Das Substrat 20 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 OC1 18 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 OC1 18 angeordnet sein. Auf eine Weise ähnlich dem OC1 kann die SCR-Vorrichtung 22 auch mit einem Durchström-Keramik- oder Metall-Monolithsubstrat 24 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 Kanister 25 eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 aufweist. Das Substrat 24 besitzt eine NO_x 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, NO_x-Bestandteile in dem Abgas 16 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-Reduktionsmittel 23, das von dem Reduktionsmittelliefertank 19 durch die Leitung 17 geliefert wird, wird in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 22 unter Verwendung eines Injektors 26, der in Fluidkommunikation mit der Leitung 14 steht, oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Lieferung des Reduktionsmittels an das Abgas 16 injiziert. Das Reduktionsmittel kann in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung vorliegen und kann mit Luft in dem Injektor 26 gemischt werden, um die Dispersion des injizierten Sprühnebels zu unterstützen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Abgasfilteranordnung („PF“) 28 in dem Abgasbehandlungssystem 10 stromabwärts der SCR-Vorrichtung 22 angeordnet und dient dazu, das Abgas 16 von Kohlenstoff und anderen abgasbezogenen Partikeln zu filtern. Die PF-Vorrichtung 28 kann unter Verwendung eines Keramik-Wandströmungs-Monolith-Abgasfilters 30 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 Kanister 31 eingebaut ist, die/der einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 aufweist. Abgas 16, das in den Abgasfilter 30 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 Abgasfilter 30 abgeschieden und besitzen mit der Zeit die Wirkung einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, dem die Maschine 12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der keramische Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 lediglich beispielhafter Natur ist, und dass der PF 28 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-Vorrichtung 28 zwischen der PF-Vorrichtung und der SCR-Vorrichtung 22 angeordnet. Die OC2 32 kann in einem separaten Kanister 34 angeordnet sein, 1, oder kann bei einer anderen Ausführungsform in dem PF-Kanister 31 angeordnet sein, 2. Ähnlich dem OC1 18 kann der OC2 32 ein Durchström-Metall- oder Keramikmonolithsubstrat 34 aufweisen, das in eine intumeszente oder nicht intumeszente Matte (nicht gezeigt) eingewickelt ist, die sich bei Erwärmung ausdehnt, um das Substrat in dem Kanister 35; oder 31 in dem Fall der Montage in dem PF28 zu sichern und zu isolieren. Das Substrat 34 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 OC1 18 und der SCR-Vorrichtung 22 in Fluidverbindung mit dem Abgas 16 in der Abgasleitung 14 ein HC- oder Kraftstoffinjektor 38 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 38 in Fluidkommunikation mit der HC-Versorgung 40 in dem Kraftstoffliefertank 42 durch die Fluidleitung 44 ist derart konfiguriert, dass nicht verbranntes HC 40 in den Abgasstrom stromaufwärts des OC1 18 und der SCR-Vorrichtung 22 eingeführt wird. Ein Controller, wie ein Fahrzeugcontroller 48, ist funktionell mit dem Abgasbehandlungssystem 10 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 Gegendrucksensor 50, der stromaufwärts der PF-Vorrichtung 28 angeordnet ist, derart konfiguriert, dass er ein Signal erzeugt, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem Keramik-Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den Abgasfilter 30 der PF-Vorrichtung 28 zu reinigen oder zu regenerieren, aktiviert der Controller 48 den Kraftstoffinjektor 38, um die HC 40 in das Abgas 16 zu injizieren, wie beschrieben ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC1 18 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 Kraftstoffinjektor 38 injiziert wird. Der OC1 18 ist derart konfiguriert, dass er nur den Anteil an injiziertem HC 46 oxidiert, der eine Erhöhung der Temperatur des Abgases 16 auf eine erste Abgastemperatur von etwa 450°C bis 500°C stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 22 zur Folge hat. Bei dieser Temperatur absorbiert die SCR-Vorrichtung 22 nicht unverbranntes HC 46, das durch den OC1 18 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-NO_x-Reduktionsleistungsfähigkeit von dem Abgasbehandlungssystem 10 resultiert.
Der verbleibende Anteil von injiziertem HC 40, der durch die SCR-Vorrichtung 22 gelangt, wird vollständig mit dem Abgas 16 infolge seines Durchgangs hindurchgemischt. Nach seinem Austritt von der SCR-Vorrichtung 22 tritt das gut gemischte und verdampfte HC/Abgas-Gemisch vor seinem Eintritt in den PF 28 in den OC2 32 ein, wo der verbleibende Anteil des nicht verbrannten injizierten HC 40 oxidiert wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC2 32 ein Volumen, das 25 % bis 45 % des Maschinenhubraums repräsentiert und eine Katalysatorverbindungsbeladung aufweist, die ausreichend aktiv ist, um den verbleibenden Anteil des HC 40 zu oxidieren, der durch den Kraftstoffinjektor 38 injiziert ist, der jedoch durch den OC1 18 gelangt oder geschlupft ist. Eine Oxidation des HC 40 in dem OC2 32 resultiert in einer Zunahme der Temperatur des Abgases 16 auf eine zweite Abgastemperatur von etwa 600°C bis etwa 650°C stromaufwärts der PF-Vorrichtung 28; einer Temperatur, die zur Verbrennung des Kohlenstoff- und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 geeignet ist. Der Controller 48 kann die Temperatur des erhitzten Abgases in dem keramischen Wandströmungsmonolithfilter 30 durch den Temperatursensor 52 wie auch die Abgastemperatur stromaufwärts des OC1 18 durch den Temperatursensor 54 überwachen und die Rate der HC-Lieferung des Injektors 38 einstellen, um die gewünschten Abgastemperaturen beizubehalten, wie angegeben ist.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform, 2, ist es vorstellbar, dass in einigen Fällen auf den Kraftstoffinjektor 38 zugunsten einer Maschinensteuerung der Kohlenwasserstoffniveaus in dem Abgas 16 verzichtet werden kann. In einem solchen Fall ist der Controller 48 funktionell mit dem Abgasbehandlungssystem 10 verbunden und überwacht das Abgasbehandlungssystem 10 durch Signalkommunikation mit einer Anzahl von Sensoren, wie einem Gegendrucksensor 50. Der Gegendrucksensor 50 ist derart konfiguriert, dass er ein Signal erzeugt, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 angibt, und bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den PF 28 zu reinigen oder zu regenerieren, stellt der Controller 48 den Maschinenzündzeitpunkt und/oder die Rate/Frequenz der Kraftstofflieferung zu der Maschine 12 ein, um überschüssigen, nicht verbrannten Kraftstoff (HC) in die Abgasleitung 14 zu mischen mit dem Abgas 16 zu liefern. Wie oben beschrieben ist, besitzt der OC1 18 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 Maschine 12 in dem Abgas 16 verlässt. Der OC1 18 ist derart konfiguriert, dass er nur den Anteil von überschüssigem HC in dem Abgas oxidiert, der eine Zunahme der Temperatur des Abgases 16 auf eine erste Gastemperatur von etwa 450°C bis 500°C stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 22 zur Folge hat. Bei dieser Temperatur absorbiert die SCR-Vorrichtung 22 nicht unverbranntes HC, das durch den OC1 18 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-NO_x-Reduktionsleistungsfähigkeit von dem Abgasbehandlungssystem 10 resultiert.
Der verbleibende Anteil von überschüssigem HC, der durch die SCR-Vorrichtung 22 gelangt ist, tritt in den OC2 32 ein, wo er oxidiert wird, bevor er in den Abgasfilter 30 der PF-Vorrichtung 28 eintritt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC2 32 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 Maschine 12 in dem Abgas 16 verlässt, der jedoch durch den OC1 18 gelangt oder geschlupft ist, und hat eine Zunahme der Temperatur des Abgases 16 auf eine zweite Abgastemperatur von etwa 600°C bis 650°C stromaufwärts der PF-Vorrichtung 28 zur Folge, die zur Verbrennung des Kohlenstoff- und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 geeignet ist. Der Controller 48 kann die Temperatur der erhitzten Abgastemperatur in dem Abgasfilter 30 durch den Temperatursensor 52 wie auch die Abgastemperatur stromaufwärts des OC1 18 durch den Temperatursensor 54 überwachen und den Maschinenzündzeitpunkt und die Rate/Frequenz der Kraftstofflieferung zu der Maschine 12 einstellen, um die gewünschten Abgastemperaturen beizubehalten, wie angegeben ist.
Die Verwendung eines kleinen OC1 18 stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 22 in Kombination mit einem kleinen OC2 32 stromabwärts der SCR-Vorrichtung 22, jedoch stromaufwärts des Abgasfilters 30 der PF-Vorrichtung 28, sieht einen hohen NO_x-Umwandlungswirkungsgrad während der Regeneration des PF 28 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-Vorrichtung 28 ist, kann ein signifikanter thermischer Verlust von dem Abgas 16 durch die verschiedenen Komponenten und Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10 vermieden werden, wodurch der Verbrauch von HC während der Regeneration der PF-Vorrichtung 28 reduziert und der Kraftstoffwirkungsgrad der Maschine 12 verbessert wird.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, kann es bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein, eine Erhöhung der Temperatur des Abgases 16 so lange zu vermeiden, bis es durch die SCR-Vorrichtung 22 gelangt ist, um die Haltbarkeit der Vorrichtung zu verlängern. In einem solchen Fall ist ein HC- oder Kraftstoffinjektor 38 stromabwärts des OC1 18 in Fluidkommunikation mit dem Abgas 16 in der Abgasleitung 14 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 38 in Fluidkommunikation mit der HC-Versorgung 40 in dem Kraftstoffversorgungstank 42 durch die Fluidleitung 44 ist derart konfiguriert, dass nicht verbranntes HC 40 in den Abgasstrom stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 22 injiziert wird. Wie vorher beschrieben, erzeugt ein Gegendrucksensor 50, der stromaufwärts der PF-Vorrichtung 28 angeordnet ist, ein Signal, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den Abgasfilter 30 der PF-Vorrichtung 28 zu reinigen oder zu regenerieren, aktiviert der Controller 48 den Kraftstoffinjektor 38, um HC 40 in das Abgas 16 zu injizieren. Das injizierte HC 40 gelangt durch die SCR-Vorrichtung 22, wo es vollständig mit dem Abgas 16 gemischt wird. Nach seinem Austritt von der SCR-Vorrichtung 22 tritt das gut gemischte HC-Abgasgemisch in den OC2 32 ein, wo es vor seinem Eintritt in den PF 28 oxidiert wird. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC2 32 ein Volumen und weist eine Katalysatorverbindungsbeladung auf, die ausreichend aktiv ist, um das HC 40 zu oxidieren, das durch den Kraftstoffinjektor 38 injiziert wird, und resultiert in einer Zunahme der Temperatur des Abgases 16 auf etwa 600°C bis 650°C stromaufwärts der PF-Vorrichtung 28; einer Temperatur, die zur Verbrennung des Kohlenstoff- und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 geeignet ist. Der Controller 48 kann die Temperatur des erhitzten Abgases in dem keramischen Wandströmungsmonolithfilter 30 durch den Temperatursensor 52 wie auch die Abgastemperatur stromaufwärts des OC1 18 durch den Temperatursensor 54 überwachen und die Rate der HC-Lieferung des Injektors 38 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 und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, kann es bei einigen Anwendungen auch vorteilhaft sein, einen Kontakt eines Anteils der SCR-Vorrichtung 22 mit nicht verbranntem HC zu vermeiden, wie auch eine Erhöhung der Temperatur des Abgases 16 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-Vorrichtung 60 stromabwärts des OC1 18 und der SCR-Vorrichtung 22 in Fluidkommunikation mit dem Abgas 16 in der Abgasleitung 14 angeordnet. Ein HC- oder Kraftstoffinjektor 38 in Fluidkommunikation mit der HC-Versorgung 40 in dem Kraftstoffversorgungstank 42 durch die Fluidleitung 44 ist derart konfiguriert, dass nicht verbranntes HC 40 in den Abgasstrom zwischen der SCR-Vorrichtung 60 und der SCR-Vorrichtung 22 eingeführt wird. In dieser Konfiguration vermeidet der SCR 22 die Möglichkeit einer HC-Kontamination, während die SCR-Vorrichtung 60 weiter zur vollständigen Mischung des injizierten HC 40 mit dem Abgas 16 verfügbar ist. Wie vorher beschrieben wurde, erzeugt ein Gegendrucksensor 50, der stromaufwärts der PF-Vorrichtung 28 angeordnet ist, ein Signal, das die Kohlenstoff- und Partikelbeladung in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 angibt. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den Abgasfilter 30 der PF-Vorrichtung 28 zu reinigen oder zu regenerieren, aktiviert der Controller 48 den Kraftstoffinjektor 38, um HC 40 in das Abgas 16 zu injizieren. Das injizierte HC 40 gelangt durch die SCR-Vorrichtung 60, wo es mit dem Abgas 16 vollständig gemischt wird. Nach seinem Austritt von der SCR-Vorrichtung 60 tritt das gut gemischte HC/Abgasgemisch in den OC2 32 ein, wo es vor seinem Eintritt in den PF 28 oxidiert wird. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform besitzt der OC2 32 ein Volumen und weist eine Katalysatorverbindungsbeladung auf, die ausreichend aktiv ist, um das HC 40 zu oxidieren, das durch den Kraftstoffinjektor 38 injiziert wird, und resultiert in einer Zunahme der Temperatur des Abgases 16 auf etwa 600°C bis 650°C stromaufwärts der PF-Vorrichtung 28; einer Temperatur, die zur Verbrennung des Kohlenstoff- und Partikelmaterials in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Abgasfilter 30 geeignet ist. Der Controller 48 kann die Temperatur des erhitzten Abgases in dem keramischen Wandströmungsmonolith-Filter 30 durch den Temperatursensor 52 wie auch die Abgastemperatur stromaufwärts des OC1 18 durch den Temperatursensor 54 überwachen und die HC-Lieferrate des Injektors 38 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.

Claims

Abgasbehandlungssystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12), umfassend: eine Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit der Brennkraftmaschine (12), die derart konfiguriert ist, dass sie ein Abgas von der Brennkraftmaschine (12) aufnimmt und das Abgas zwischen einer Mehrzahl von Vorrichtungen des Abgasbehandlungssystems (10) leitet; eine erste Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (22), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) angeordnet und zur Aufnahme des Abgases und zur Reduktion von NO_x-Bestandteilen darin konfiguriert ist, eine erste Oxidationskatalysatorvorrichtung (18), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stromaufwärts der ersten Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (22) angeordnet und zur Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff aus der Brennkraftmaschine (12) heraus konfiguriert ist; einen Kohlenwasserstoffinjektor (38), der stromabwärts der ersten Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (22) mit der Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit dem Abgas zur Lieferung von Kohlenwasserstoff daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches verbunden ist; eine zweite Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (60), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stromabwärts des Kohlenwasserstoffinjektors (38) angeordnet und zur Aufnahme und zum Mischen des Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches und zur Reduktion von NO_x-Bestandteilen darin konfiguriert ist, eine zweite Oxidationskatalysatorvorrichtung (32), die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stromabwärts der zweiten Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion (60) angeordnet und derart konfiguriert ist, das Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisch zu oxidieren, um die Temperatur des Abgases anzuheben; und eine Partikelfilteranordnung (28) mit einem Abgasfilter (30) zum Sammeln von Kohlenstoff und Partikeln, die darin angeordnet sind, in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14), die stromabwärts der zweiten Oxidationskatalysatorvorrichtung (32) zur Aufnahme des erhitzten Abgases und zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln, die in dem Abgasfilter (30) gesammelt sind, angeordnet ist.
Abgasbehandlungssystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12) nach Anspruch 1, wobei die zweite Oxidationskatalysatorvorrichtung (32) in der Partikelfilteranordnung (28) angeordnet ist.
Abgasbehandlungssystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12) nach Anspruch 1, wobei die Katalysatorverbindung in den Oxidationskatalysatorvorrichtungen (18, 32) einen Washcoat umfasst, der Metalle der Platingruppe enthält, wie Platin („Pt“), Palladium („Pd“), Rhodium („Rh“) und andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder Kombinationen daraus.
Abgasbehandlungssystem (10) für eine Brennkraftmaschine (12) nach Anspruch 1, ferner mit: einem Gegendrucksensor (50) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stromaufwärts des Abgasfilters (30), der derart konfiguriert ist, dass er ein Signal erzeugt, das einen Gegendruck des Abgases angibt; und einen Controller (48) in Signalkommunikation mit dem Gegendrucksensor (50) und dem Kohlenwasserstoffinjektor (38), der derart konfiguriert ist, dass er den Kohlenwasserstoffinjektor (38) aktiviert, um Kohlenwasserstoff in das Abgas zu injizieren, wenn der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den Abgasfilter (30) zu erwärmen, um Kohlenstoff und Partikel, die darin gesammelt sind, zu verbrennen.
Abgasbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, ferner mit: einem Temperatursensor (52), der zur Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) benachbart der Partikelfilteranordnung (28) konfiguriert ist und zur Erzeugung eines Signals konfiguriert ist, das eine Temperatur des Abgases angibt; und einen Controller (48) in Kommunikation mit dem Temperatursensor (52) und dem Kohlenwasserstoffinjektor (38), der derart konfiguriert ist, dass er die Rate der Kohlenwasserstofflieferung von dem Kohlenwasserstoffinjektor (38) einstellt, um eine gewünschte Abgastemperatur zur Verbrennung von Kohlenstoff und Partikeln in dem Abgasfilter (30) beizubehalten.