DE102011112877B4

DE102011112877B4 - Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011112877B4
Application number: DE102011112877.1A
Authority: DE
Inventors: Eugene V. Gonze; Michael J. Paratore jun.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: US20120060471A1; CN102400749B; US8776495B2; CN102400749A; DE102011112877A1

Abstract

Abgasnachbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend:eine Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit einem Abgas von dem Verbrennungsmotor (12), die derart konfiguriert ist, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor (12) aufzunehmen;eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (18) mit einem Einlass (26) und einem Auslass (28) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) und mit einem erstem Substrat (20), einer Heizung (30) und einem zweiten Substrat (22), die seriell zwischen dem Einlass (26) und dem Auslass (28) angeordnet sind;eine Kohlenwasserstoffversorgung (58), die mit der Abgasleitung (14) stromaufwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung (18) zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches darin verbunden ist und in Fluidkommunikation damit steht; und wobei die Heizung (30) derart konfiguriert ist, den Kohlenwasserstoff darin zu oxidieren und die Temperatur des zweiten Substrates (22) und des hindurchgelangenden Abgases anzuheben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasbehandlungssysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere ein effizientes System zum Erreichen von Betriebstemperaturen.
Das von einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor emittierte Abgas stellt ein heterogenes Gemisch dar, 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 („PM“) bilden. Katalysatorzusammensetzungen, die typischerweise an Katalysatorträgern oder -substraten angeordnet sind, sind in einem Motorabgassystem vorgesehen, um gewisse oder alle dieser Abgasbestandteile in nicht regulierte Abgaskomponenten umzuwandeln.
Eine Technologie, die entwickelt worden ist, um die Niveaus von NO_x-Emissionen in Magerverbrennungsmotoren (beispielsweise Dieselmotoren) zu reduzieren, die Kraftstoff in Sauerstoffüberschuss verbrennen, umfassen eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion („SCR“ von engl.: „selective catalytic reduction“). Die SCR-Katalysatorzusammensetzung enthält bevorzugt einen Zeolith sowie ein oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen („Fe“), Kobalt („Co“), Kupfer („Cu“) oder Vanadium, die effizient dazu dienen können, NO_x-Bestandteile in dem Abgas in Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak („NH₃‟) umzuwandeln. Obwohl der Gebrauch eines Katalysators die Reduktion von Aktivierungsenergie, die für die SCR-Vorrichtung erforderlich ist, unterstützt, resultiert die stetig zunehmende Effizienz von Diesel- oder anderen Magerverbrennungsmotoren in kälteren Abgastemperaturen, wenn sie moderat betrieben werden und nach einem Motorstart. Derartige kältere Betriebstemperaturen verzögern den Betriebsstart der SCR-Vorrichtung, der eine minimale Betriebstemperatur erreichen muss, um NO_x effizient zu reduzieren.
Typischerweise kann ein SCR bis mehrere Minuten nach dem Motorstart möglicherweise keine geeigneten Betriebstemperaturen erreichen, was angesichts immer strenger werdender Emissionsregulierungen für Kraftfahrzeuge nicht mehr durchführbar ist. Ein Hauptmitwirkender für ein langsames Katalysatoranspringen ist neben den geringeren Abgastemperaturen, die auftreten, die thermische Masse des Motors und des Abgassystems, das sich zwischen dem Motor und der SCR-Vorrichtung erstreckt. Die thermische Masse kann den Motor, den Motorabgaskrümmer, eine Oxidationskatalysator-(„OC“-)Vorrichtung wie auch die Abgasleitung aufweisen. Eine Reduzierung der thermischen Masse, die stromaufwärts einer SCR-Vorrichtung nach einem Motorkaltstart erhitzt werden muss, reduziert die Zeit zum SCR-Betrieb und die Reduktion von durch das Abgassystem emittiertem NO_x.
DE 40 35 971 A1 offenbart eine Katalysatoranordnung für die Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren, die mindestens einen ersten Teilkatalysator, einen zweiten Teilkatalysator und eine elektrischen Heizeinrichtung aufweist. Dabei ist die Heizeinrichtung zwischen dem ersten Teilkatalysator und dem zweiten Teilkatalysator angeordnet.
US 2007 / 0 277 515 A1 beschreibt eine Abgasemissionssteuerungsvorrichtung, bei der ein wärmeregenerativer Partikelfilter verwendet wird, der einen Filterkörper zum Auffangen von Partikeln und eine elektrische Heizvorrichtung umfasst, wobei die aufgefangenen Partikel durch Erwärmung durch die elektrische Heizvorrichtung zur erzwungenen Regeneration des Partikelfilters verbrannt werden. Eine Steuereinheit führt die erzwungene Regeneration in einem Motorstoppzustand nur dann durch, wenn die Spannung einer Batterie höher als ein vorgeschriebener Wert ist, und unterbricht diese vorübergehend, wenn der Motorstartvorgang in dem Motorstoppzustand durchgeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgasnachbehandlungssystem zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Zeiten für den Betrieb einer SCR-Vorrichtung und für die Reduktion von durch das Abgassystem emittiertem NO_x zu optimieren.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß umfasst ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit einem Abgas an den Verbrennungsmotor und die derart ausgebildet, ein Abgas an den Verbrennungsmotor aufzunehmen, und eine Oxidationskatalysatorvorrichtung, die einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung aufweist und ein erstes Substrat, eine Heizung und ein zweites Substrat, die zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet sind, aufweist. Eine Kohlenwasserstoffversorgung ist mit der Abgasleitung stromaufwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches darin verbunden und steht in Fluidkommunikation damit, wobei die Heizung derart konfiguriert ist, den Kohlenwasserstoff darin zu oxidieren und die Temperatur des zweiten Substrates und des hindurchgelangenden Abgases anzuheben.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor eine Abgasleitung in Fluidkommunikation mit einem Abgas von dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen, eine Oxidationskatalysatorvorrichtung, die einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung aufweist und ein erstes Substrat, eine elektrische Heizung und ein zweites Substrat besitzt, die seriell zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet sind, wobei das erste Substrat eine größere thermische Masse als das zweite Substrat aufweist, eine Kohlenwasserstoffversorgung, die mit der Abgasleitung stromaufwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches darin verbunden ist und in Fluidkommunikation damit steht, eine elektrische Versorgung, die mit der elektrischen Heizung verbunden und derart konfiguriert ist, die Temperatur der Heizung anzuheben, um den Kohlenwasserstoff darin zu oxidieren und die Temperatur des zweiten Substrates und des hindurchgelangenden Abgases anzuheben, und eine Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung aufweist und derart konfiguriert ist, das erwärmte Abgas davon aufzunehmen.
Ein zur Ausführung mit dem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem geeignetes, beispielhaftes Verfahren zum Betrieb eines Abschnitts eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasleitung in Fluidkommunikation mit einem Abgas von dem Verbrennungsmotor, die derart konfiguriert ist, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor aufzunehmen, einer Oxidationskatalysatorvorrichtung, die einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung besitzt und ein erstes Substrat, eine Heizung und ein zweites Substrat aufweist, die seriell zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet sind, wobei das erste Substrat eine größere thermische Masse als das zweite Substrat aufweist, einer Kohlenwasserstoffversorgung, die mit der Abgasleitung stromaufwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffs daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches darin verbunden ist und in Fluidkommunikation damit steht, und einer Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, die einen Einlass und einen Auslass in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung stromabwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung aufweist und derart konfiguriert ist, das erhitzte Abgas davon aufzunehmen, umfasst ein Überwachen der Temperatur der Vorrichtung für selektive katalytische Reduktion, ein Bestimmen, ob die Temperatur bei einem Niveau ist, bei dem sie NO_x in dem Abgas reduzieren kann, ein Aktivieren der Heizung, wenn bestimmt wird, dass für die Reduktion von NO_x in dem Abgas die Temperatur kleiner als erforderlich ist, ein Überwachen der Temperatur der Heizung, um zu bestimmen, ob die Temperatur auf einem Niveau ist, bei der sie Kohlenwasserstoff in dem Abgas oxidieren kann, und ein Aktivieren des Kraftstoffinjektors, wenn die Temperatur der Heizung eine Temperatur erreicht hat, bei der sie Kohlenwasserstoff in dem Abgas oxidieren kann.

1 ist eine schematische Ansicht eines Abgasbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor; und
2 ist eine Schnittansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer 2-Wege-SCR/PF-Vorrichtung, die Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert; und
3 ist ein Betriebsdiagramm, das einen Betriebsmodus einen Abschnitts des Abgasbehandlungssystems veranschaulicht, das Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert.

Nun Bezug nehmend auf 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung auf ein Abgasbehandlungssystem 10 für die Reduzierung regulierter Abgasbestandteile eines Verbrennungsmotors 12 gerichtet. Es sei angemerkt, dass der Verbrennungsmotor 12 Dieselmotorsysteme, Benzindirektinjektionsmotorsysteme und Motorsysteme mit homogener Kompressionszündung aufweisen kann, jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Das Abgasbehandlungssystem 10 weist eine Abgasleitung 14 auf, die mehrere Segmente umfassen kann, die dazu dienen, Abgas 16 von dem Verbrennungsmotor 12 an die verschiedenen Abgasbehandlungsvorrichtungen des Abgasbehandlungssystems 10 zu transportieren. Bei den beispielhaften Ausführungsformen, die gezeigt sind, umfassen die Abgasbehandlungsvorrichtungen eine Oxidationskatalysator-(„OC“-)Vorrichtung 18. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die OC-Vorrichtung 18 ein erstes und zweites Durchström-Metall- oder Keramik-Monolithsubstrat 20 und 22, die seriell in einer starren Schale oder einem starren Kanister 24 zwischen einem Einlass 26 und einem Auslass 28 gepackt sind, die in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 stehen und derart konfiguriert sind, die Strömung von Abgas 16 hindurch zu unterstützen. Die Substrate 20 und 22 besitzen eine daran angeordnete Oxidationskatalysatorverbindung 23. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform kann die Oxidationskatalysatorverbindung als ein Washcoat aufgetragen sein und kann Platingruppenmetalle, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus enthalten. Die OC-Vorrichtung 18 ist bei der Behandlung nicht verbrannter gasförmiger und nichtflüchtiger HC und CO nützlich, die von dem Motor als Teil des Abgases 16 emittiert und oxidiert werden, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform liegt bei einer typischen Fahrzeuganwendung mit kleiner bis mittlerer Abgabe das Gesamtvolumen der Substrate 20 und 22 in dem Bereich von etwa 4 bis 6 Liter, wobei das erste stromaufwärtige Substrat 20 ein Volumen im Bereich von 2 bis 4 Litern besitzt und das zweite stromabwärtige Substrat 22 ein Volumen im Bereich von etwa 1 bis 2 Litern besitzt. Mit einem Volumenbereich von etwa 1 bis 2 Litern hat das zweite stromabwärtige Substrat 22 eine signifikant geringere thermische Masse als das erste Substrat 20. Eine Heizung, wie eine elektrische Heizung 30, ist in dem Kanister 24 der OC-Vorrichtung 18 zwischen dem ersten und zweiten Substrat 20 und 22 angeordnet (kann als ein „Mittel-Brick“ bezeichnet werden). Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die elektrische Heizung 30 aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut sein, das elektrisch leitend ist, wie ein gewickelter oder gestapelter Metallmonolith 32. Eine elektrische Leitung 34, die mit einem elektrischen System, wie einem elektrischen Fahrzeugsystem 36, verbunden ist, liefert Elektrizität an die elektrische Heizung 30, um dadurch die Temperatur des Monolithen 32 anzuheben, wie nachfolgend weiter beschrieben ist. Wie die Substrate 20 und 22 kann eine Oxidationskatalysatorverbindung (nicht gezeigt) auf die elektrische Heizung 30 als ein Washcoat aufgetragen sein und enthält bei der gezeigten Ausführungsform Platingruppenmetalle, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Vorrichtung 38 für selektive katalytische Reduktion („SCR“) stromabwärts der OC-Vorrichtung 18 angeordnet. Auf eine Art und Weise ähnlich der OC-Vorrichtung 18 kann die SCR-Vorrichtung 38 ein Durchström-Keramik- oder Metall-Monolithsubstrat 40 aufweisen, das in eine starre Schale oder einen starren Kanister 42 mit einem Einlass 44 und einem Auslass 46 in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt und derart konfiguriert ist, die Strömung von Abgas 16 hindurch zu unterstützen. Das Substrat 40 besitzt eine SCR-Katalysatorzusammensetzung 41, die darauf aufgetragen ist. Die SCR-Katalysatorzusammensetzung 41 enthält bei der gezeigten Ausführungsform einen Zeolith sowie ein oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen („Fe“), Kobalt („Co“), Kupfer („Cu“) oder Vanadium, die Nox-Bestandteile in dem Abgas 16 in der Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Ammoniak („NH₃‟) und bei Temperaturen effizient umwandeln, die im Bereich von 200°C liegen. Wenn Betriebstemperaturen der SCR-Vorrichtung 38 unterhalb der aktiven Betriebstemperatur liegen, kann nicht behandeltes Abgas 16 durch die SCR-Vorrichtung 38 gelangen und von dem Abgasnachbehandlungssystem 10 emittiert werden.
Bei der beispielhaften Ausführungsform wird das NH₃-Reduktionsmittel 48, das von dem Reduktionsmittelliefertank 50 durch Leitung 52 geliefert wird, in die Abgasleitung 14 an einer Stelle stromaufwärts der SCR-Vorrichtung 38 unter Verwendung eines Reduktionsmittelinjektors 54 in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 oder ein anderes geeignetes Verfahren zur Lieferung des Reduktionsmittels an das Abgas 16 geliefert. Das Reduktionsmittel liegt bei der gezeigten Ausführungsform in der Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Harnstofflösung vor und kann mit Luft in dem Reduktionsmittelinjektor 54 gemischt werden, um die Dispersion des injizierten Sprühnebels zu unterstützen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform steht stromaufwärts der OC-Vorrichtung 18 angeordnet ein Kraftstoffinjektor 58 in Fluidkommunikation mit dem Abgas 16 in der Abgasleitung 14. Der Kraftstoffinjektor 58 in Fluidkommunikation mit einem HC-haltigen Kraftstoff 60 in dem Kraftstoffliefertank 62 durch die Kraftstoffleitung 64 ist derart konfiguriert, nicht verbrannten kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff 60 in den Abgasstrom zur Lieferung an die OC-Vorrichtung 18 einzuführen.
Ein Controller, wie ein Antriebsstrang- oder ein Fahrzeugcontroller 68, ist funktionell mit dem Abgasbehandlungssystem 10 durch Signalkommunikation mit einer Anzahl von Sensoren verbunden und überwacht dieses, wie einen Temperatursensor 70, der die Temperaturen nahe dem Einlass 44 der SCR-Vorrichtung 38 überwacht, und einem Temperatursensor 72, der die Temperatur nahe dem Auslass 28 der OC-Vorrichtung 18 überwacht. Der hier verwendete Begriff „Controller“ kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten aufweisen, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Bezug nehmend auf 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Betriebs eines Abschnitts des Abgasnachbehandlungssystems 10 gezeigt. Dieser Betrieb startet bei 80 und kann nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 12 kontinuierlich ablaufen. Der Controller 68 überwacht bei 82 durch den Temperatursensor 70 die Temperatur benachbart des Einlasses 44 der SCR-Vorrichtung 38, um zu bestimmen, ob sich die Temperatur auf einem Niveau (etwa 200°C oder darüber) befindet, bei dem sie die Niveaus von NOx in dem Abgas 16 reduzieren kann. Wenn der Controller 68 bei 83 bestimmt, dass die Temperatur für den SCR-Katalysatorbetrieb oder das Anspringen des SCR-Katalysators kleiner als erforderlich ist, aktiviert sie die elektrische Heizung 30 bei 84. Wenn die Temperatur für den Betrieb oder das Anspringen des SCR-Katalysators ausreichend ist, endet der Betrieb bei 94. Der Controller 68 überwacht bei 86 durch den Temperatursensor 72 oder ein Modell zur Simulation der Temperatur benachbart des Auslasses 28 der OC-Vorrichtung 18, um zu bestimmen, ob die Temperatur der elektrischen Heizung 30 auf einem Niveau (etwa 250°C oder darüber) ist, bei der sie HC-haltigen Kraftstoff 60 in dem Abgas 16 oxidieren oder verbrennen kann. Wenn der Controller 68 bei 86 bestimmt, dass die Temperatur der elektrischen Heizung 30 eine Temperatur erreicht hat, bei der sie Kraftstoff oxidieren oder verbrennen kann, aktiviert er den Kraftstoffinjektor 58 bei 88 und liefert Kraftstoff 60 in das Abgas 16.
Der injizierte Kraftstoff 60 verbrennt, wenn er durch die elektrische Heizung 30 gelangt, und erhitzt schnell das kleinere zweite Substrat 22. Aufgrund seiner geringen thermischen Masse relativ zu dem Gesamtvolumen der OC-Vorrichtung 18 erreicht das zweite Substrat 22 eine Oxidationstemperatur (etwa 250°C oder darüber) in einer signifikant kürzeren Zeit, als erforderlich wäre, wenn die gesamte OC-Vorrichtung 18 erhitzt werden müsste. Infolge der Oxidation des Kraftstoffes 60 in der elektrischen Heizung 30 und des zweiten Substrats 22 der OC-Vorrichtung 18 wird die Temperatur des Abgases 16 signifikant angehoben und hebt infolgedessen schnell die Temperatur der SCR-Vorrichtung 38 auf ihre Betriebstemperatur. Der Controller 68 überwacht bei 90 durch den Temperatursensor 70 die Temperatur benachbart des Einlasses 44 der SCR-Vorrichtung 38, um zu bestimmen, ob sich die Temperatur auf einem Niveau (etwa 200°C oder darüber) befindet, bei der sie die Niveaus von NO_x in dem Abgas 16 reduzieren kann. Wenn der Controller 68 bei 90 bestimmt, dass die Temperatur bei oder oberhalb derjenigen liegt, die zum Betrieb oder zum Anspringen des SCR-Katalysators erforderlich ist, deaktiviert er die elektrische Heizung 30 bei 92 und reduziert oder stoppt die Strömung von Kraftstoff 60 durch den Kraftstoffmjektor 58. Zur selben Zeit aktiviert er den Reduktionsmittelinjektor 54 zur Lieferung des Ammoniakreduktionsmittels 48 an das Abgas 16 innerhalb der Abgasleitung 14. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 12 überwacht der Controller 68 weiterhin bei 83 die Temperaturen der OC-Vorrichtung 18 und der SCR-Vorrichtung 38, und, wenn er bestimmt, dass die Temperatur einer der Vorrichtungen unter ihr Betriebsniveau fällt, kann der Betrieb wiederholt werden, um geeignete Betriebstemperaturen der beiden Vorrichtungen wiederherzustellen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform endet der Betrieb bei 94, wenn der Verbrennungsmotor 12 abgeschaltet wird.
Bezug nehmend auf 2 kann bei einer anderen Ausführungsform die SCR-Vorrichtung 38 auch eine Partikelfilter-(„PF“-)Vorrichtung 38A umfassen, die dazu dient, das Abgas 16 von Kohlenstoff und anderen Partikeln zu filtern. Die PF-Vorrichtung 38A kann unter Verwendung eines Keramik-Wandströmungsmonolithfilters 100 aufgebaut sein, der in eine starre Schale oder einen starren Kanister 102 mit einem Einlass 104 und einem Auslass 106 in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung 14 gepackt ist. Der Keramik-Wandströmungsmonolithfilter 100 besitzt eine Mehrzahl sich in Längsrichtung erstreckender Durchgänge 108, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände 110 definiert sind. Die Durchgänge 108 umfassen einen Untersatz von Einlassdurchgängen 112, die ein offenes Einlassende 114 und ein geschlossenes Auslassende 116 besitzen, und einen Untersatz von Auslassdurchgängen 118, die ein geschlossenes Einlassende 120 und ein offenes Auslassende 122 besitzen. Abgas 16, das in die PF-Vorrichtung 38A durch die offenen Einlassenden 114 der Einlassdurchgänge 112 eintritt, wird durch benachbarte, sich in Längsrichtung erstreckende Wände 110 zu den Auslassdurchgängen 118 getrieben. Durch diesen Wandströmungsmechanismus wird das Abgas 16 von Kohlenstoff und anderen Partikeln 124 gefiltert. Die gefilterten Partikel 124 werden an den sich in Längsrichtung erstreckenden Wänden 110 der Einlassdurchgänge 112 abgelagert, und besitzen mit der Zeit die Wirkung der Erhöhung des Abgasgegendrucks, dem der Verbrennungsmotor 12 ausgesetzt ist. Es sei angemerkt, dass der Keramik-Wandströmungsmonolithfilter 100 lediglich beispielhafter Natur ist, und dass die PF-Vorrichtung 38A andere Filtervorrichtungen aufweisen kann, wie Filter ausgewickelter oder gepackter Faser, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern, etc. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform besitzt der Keramik-Wandströmungsmonolithfilter 100 der PF-Vorrichtung 38A eine darauf aufgetragene SCR-Katalysatorzusammensetzung 41. Der Zusatz der SCR-Katalysatorzusammensetzung 41 zu der PF-Vorrichtung 38A resultiert in einer 2-Wege-Abgasbehandlungsvorrichtung, die in der Lage ist, sowohl die NOx-Komponenten des Abgases 16 zu reduzieren als auch Kohlenstoff und andere Partikel 124 zu entfernen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform erfordert die Zunahme des Abgasgegendruckes, die durch die Ansammlung von Kohlenstoff und anderen gefilterten Partikeln 124 bewirkt, dass der PF 38A periodisch gereinigt oder regeneriert wird. Die Regeneration betrifft die Oxidation oder das Verbrennen des angesammelten Kohlenstoffs und anderer Partikel 124 typischerweise in einer Hochtemperaturumgebung (> 600°C). Bei einer beispielhaften Ausführungsform erzeugen Gegendrucksensoren 126 und 128, die stromaufwärts bzw. stromabwärts des PF 38A angeordnet sind, Signale, die die Druckdifferenz über den Keramik-Wandströmungsmonolithfilter 100 angeben, der von dem Controller 68, 1, verwendet wird, um die Kohlenstoff- und Partikelbeladung darin zu bestimmen. Bei einer Bestimmung, dass der Gegendruck ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, den PF 38A zu regenerieren, erhöht der Controller 68 die Temperatur der elektrischen Heizung 30 der OC-Vorrichtung 18 auf ein Niveau, das zur schnellen HC-Oxidation geeignet ist (etwa 450°C). Der Temperatursensor 72, der in der Schale 24 der OC-Vorrichtung 18 angeordnet ist, überwacht die Temperatur des Abgases 16 stromabwärts der OC-Vorrichtung 18. Wenn die elektrische Heizung 30 die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, aktiviert der Controller 68 den Kraftstoffmjektor 58, um Kraftstoff 60 in die Abgasleitung 14 zum Mischen mit dem Abgas 16 zu liefern. Das Kraftstoff/Abgasgemisch tritt in die OC-Vorrichtung 18 ein und strömt durch die elektrische Heizung 30, die eine schnelle Oxidationsreaktion und resultierende Exotherme bewirkt. Das erhitzte Abgas, das aus der Oxidationsreaktion in der Heizung 30 resultiert, strömt durch das zweite Substrat 22, das eine weitere vollständige Oxidation des HC in dem Abgas 16 bewirkt und die Abgastemperatur auf ein Niveau (> 600°C) anhebt, das zur Regeneration des Kohlenstoffs und Partikelmaterials 124 in dem Keramik-Wandströmungsmonolithfilter 100 geeignet ist. Der Controller 68 kann die Temperatur der exothermen Oxidationsreaktion in dem Keramik-Wandströmungsmonolithfilter 100 durch den Temperatursensor 70 überwachen und die HC-Lieferrate des Kraftstoffinjektors 58 einstellen, um eine vorbestimmte Temperatur beizubehalten.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist es denkbar, dass unter gewissen Umständen der Kraftstoffinjektor 58 weggelassen werden kann. Stattdessen kann eine Motorsteuerung der Kohlenwasserstoffniveaus in dem Abgas 16 verwendet werden. Wenn die Heizung 30 die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, stellt der Controller 68 den zeitlichen Verlauf wie auch die Rate/Häufigkeit der Kraftstofflieferung des Verbrennungsmotors 12 ein, um überschüssigen, nicht verbrannten Kraftstoff in die Abgasleitung 14 zum Mischen mit dem Abgas 16 zu liefern.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung verwenden eine elektrische Heizung, die im Mittel-Brick in einer Oxidationskatalysatorvorrichtung angeordnet ist, in der das stromaufwärtige Substrat ein größeres Volumen besitzt, als das Katalysatorsubstrat, das stromabwärts der elektrischen Heizung angeordnet ist. Die kleinere Größe (beispielsweise etwa 1 Liter gegenüber etwa 5 Litern) und die resultierende geringere thermische Masse des stromabwärtigen Katalysatorsubstrats resultiert in einem schnellen Anspringen und einem schnellen Erwärmen des Abgases stromaufwärts einer SCR-Vorrichtung, einer PF-Vorrichtung oder einer Kombination daraus, während eine geringere Menge an Kraftstoff verwendet wird, als erforderlich wäre, wenn die gesamte OC-Vorrichtung dazu verwendet würde, das Abgas zu erwärmen, wodurch das während des Erwärmungsereignisses erzeugte CO₂ reduziert wird.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (10) für einen Verbrennungsmotor (12), umfassend: eine Abgasleitung (14) in Fluidkommunikation mit einem Abgas von dem Verbrennungsmotor (12), die derart konfiguriert ist, ein Abgas von dem Verbrennungsmotor (12) aufzunehmen; eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (18) mit einem Einlass (26) und einem Auslass (28) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) und mit einem erstem Substrat (20), einer Heizung (30) und einem zweiten Substrat (22), die seriell zwischen dem Einlass (26) und dem Auslass (28) angeordnet sind; eine Kohlenwasserstoffversorgung (58), die mit der Abgasleitung (14) stromaufwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung (18) zur Lieferung eines Kohlenwasserstoffes daran und zur Bildung eines Abgas- und Kohlenwasserstoffgemisches darin verbunden ist und in Fluidkommunikation damit steht; und wobei die Heizung (30) derart konfiguriert ist, den Kohlenwasserstoff darin zu oxidieren und die Temperatur des zweiten Substrates (22) und des hindurchgelangenden Abgases anzuheben.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat (20) ein größeres Volumen als das zweite Substrat (22) besitzt.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 2, wobei das Volumen des ersten Substrats (20) im Bereich von etwa 2 bis 4 Liter liegt und das Volumen des zweiten Substrats (22) im Bereich von etwa 1 bis 2 Liter liegt.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Katalysatorverbindung, die auf eines von der Heizung (30), dem ersten und zweiten Substrat (20, 22) oder einer Kombination daraus aufgetragen ist und ein Platingruppenmetall umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 4, wobei das Platingruppenmetall eines aus Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh) oder andere geeignete oxidierende Katalysatoren oder eine Kombination daraus umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, ferner mit: einer Vorrichtung (38) für selektive katalytische Reduktion mit einem Einlass (4) und einem Auslass (46) in Fluidkommunikation mit der Abgasleitung (14) stromabwärts der Oxidationskatalysatorvorrichtung (18) und die derart konfiguriert ist, das erhitzte Abgas davon aufzunehmen; einem Substrat (40), das in der Vorrichtung (38) für selektive katalytische Reduktion angeordnet ist; und eine Katalysatorverbindung (41), die an dem Substrat (40) zur Reduktion von Komponenten von NO_x in dem Abgas angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 6, wobei die Katalysatorverbindung (41) ein Zeolith und eine Grundmetallkomponente aufweist, die eines aus Eisen („Fe“), Kobalt („Co“), Kupfer („Cu“) oder Vanadium oder eine Kombination daraus umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 6, wobei das in der Vorrichtung (38) für selektive katalytische Reduktion angeordnete Substrat (40) eine Partikelfiltervorrichtung (38A) ist.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 8, wobei die Partikelfiltervorrichtung (38A) umfasst: einen Keramikmonolithfilter (100), der sich hindurch erstreckende Abgasströmungsdurchgänge (108) aufweist, die durch sich in Längsrichtung erstreckende Wände (110) dazwischen definiert sind, wobei die Abgasströmungsdurchgänge (108) umfassen: einen ersten Untersatz von Einlassdurchgängen (112), die ein offenes Einlassende (114) und ein geschlossenes Auslassende (122) besitzen; und einen zweiten Untersatz von Auslassdurchgängen (118), die ein geschlossenes Einlassende (120) und ein offenes Auslassende (122) besitzen, wobei das Abgas in den Keramikmonolithen (100) durch die Einlassdurchgänge (112) eintritt und durch die sich in Längsrichtung erstreckenden Wände (110) zu dem Auslass (106) gelangt.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 6, ferner umfassend: einen Controller (68) in Signalkommunikation mit der Vorrichtung (38) für selektive katalytische Reduktion durch einen Sensor (70), der derart konfiguriert ist, die Temperatur davon zu messen, um die Heizung (30) und den Kraftstoffinjektor (58) zu aktivieren, wenn die gemessene Temperatur unterhalb seiner Betriebstemperatur liegt.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 8, ferner umfassend: einen Controller (68) in Signalkommunikation mit der Partikelfiltervorrichtung (38A) durch einen Sensor, der derart konfiguriert ist, die Druckdifferenz darüber zu messen, um die Heizung (30) und den Kraftstoffinjektor (58) zu aktivieren, wenn die gemessene Druckdifferenz ein Niveau erreicht hat, das den Bedarf angibt, die Partikelfiltervorrichtung (38A) zu erwärmen und darin gesammelte Abgaspartikel zu verbrennen.
Abgasnachbehandlungssystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Heizung (30) eine elektrische Heizung ist.