DE102012015840A1

DE102012015840A1 - Nachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102012015840A1
Application number: DE102012015840A
Authority: DE
Inventors: James Joshua Driscoll; David Mark Heaton; Ronald Graham Silver; Ted Brandon Shull
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-02-28
Also published as: CN102966413A; US20130047583A1

Abstract

Ein Nachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor weist eine Behandlungsvorrichtung mit einem kombinierten Partikelfilter und SCR-Katalysator auf. Der kombinierte Partikelfilter und SCR-Katalysator behandelt nicht katalytisch behandeltes Abgas von dem Verbrennungsmotor, welches zwischen ungefähr 7 g NOx/KW-hr und ungefähr 10 g NOx/KW-hr aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung ist auf ein Nachbehandlungssystem gerichtet, und insbesondere auf ein Nachbehandlungssystem, welches einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion aufweist.
Hintergrund
Verbrennungsmotoren, welche Dieselmotoren, Benzinmotoren, mit gasförmigem Brennstoff angetriebene Motoren und andere in der Technik bekannte Motoren mit einschließen, stoßen eine komplexe Mischung von Luftverunreinigungen aus. Diese Luftverunreinigungen sind aus Partikeln und gasförmigen Verbindungen zusammengesetzt, welche unter anderem Stickoxide (NO_x) aufweisen. Aufgrund gesteigerter Rücksichtnahme auf die Umwelt sind Abgasemissionsstandards strenger geworden, und die Mengen an Partikeln und NO_x, die durch einen Motor in die Atmosphäre ausgestoßen werden, können abhängig von der Bauart des Motors, von der Größe des Motors und/oder der Klasse des Motors geregelt sein.
Um die Regelungen für Partikel und NO_x zu erfüllen, haben einige Motorenhersteller eine Strategie eingerichtet, welche selektive katalytische Reduktion (SCR = selective catalytic reduction) genannt wird. Die selektive katalytische Reduktion ist ein Verfahren, bei dem ein Reduktionsmittel, üblicherweise Harnstoff ((NH₂)₂CO) oder eine Wasser/Harnstofflösung selektiv in den Abgasstrom eines Motors eingespritzt wird und auf einem stromabwärts gelegenen Substrat absorbiert wird. Die eingespritzte Harnstofflösung zersetzt sich in Ammoniak (NH₃) der mit NO_x im Abgas reagiert, um Wasser (H₂O) und zwei-atomigen Stickstoff (N₂) zu bilden. Motorhersteller, welche den SCR-Prozess einsetzen, bauen typischerweise einen Oxidationskatalysator stromaufwärts des SCR-Substrates ein, um bei der Veränderung der Zusammensetzung des Abgasstroms zu helfen, bevor er in das SCR-Substrat läuft. Solche Oxidationskatalysatoren weisen typischerweise ein poröses Substrat auf, welches aus einem Katalysatormaterial gemacht ist, mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist, oder in einer anderen Weise ein Katalysatormaterial aufweist, wie beispielsweise Palladium, Platin, Vanadium und/oder andere Edelmetalle. Solche Materialen ermöglichen eine Umwandlung von NO zu NO₂ wodurch das Verhältnis von NO₂ zu NO stromaufwärts des SCR-Substrates vergrößert wird. Das erhöhte Niveau an NO₂ welches durch den Oxidationskatalysator geliefert wird, kann dabei helfen, sowohl die NO_x Umwandlung über den SCR-Katalysator zu verbessern, als auch Rußpartikel zu oxidieren, die sich in einem Partikelfilter sammeln.
In einigen Anwendungen muss das Substrat, welches für SCR-Zwecke verwendet wird, eventuell sehr groß sein, um dabei zu helfen, sicherzustellen, dass es genügend Oberfläche oder effektives Volumen hat, um geeignete Mengen von Ammoniak zu absorbieren, die für eine ausreichende katalytische Reduktion von NO_x erforderlich sind. Diese großen Substrate können teuer sein und beträchtliche Mengen an Einbauraum im Abgassystem erfordern. Zusätzlich muss das Substrat weit genug stromabwärts der Einspritzstelle für die Harnstofflösung sein, so dass diese genügend Zeit hat sich zu Ammoniak zu zersetzen und gleichmäßig innerhalb des Abgasflusses zu verteilen, um eine effiziente Reduktion von NO_x zu erreichen. Aufgrund der Größe des SCR-Substrates und dem erforderlichen Raum zwischen dem Substrat und der Einspritzvorrichtung kann eine Packung eines Abgassystems unter Verwendung solcher Komponenten schwierig sein, und eine Packung bzw. Packungsanordnung eines Abgassystems, welches einen Oxidationskatalysator stromaufwärts des SCR-Substrates verwendet, kann sogar noch schwieriger sein. Zusätzlich kann die Verwendung eines Oxidationskatalysators aufgrund der Edelmetalle, die für die Herstellung von Oxidationskatalysatoren verwendet werden, beträchtlich die Kosten des Abgassystems steigern.
Ein beispielhaftes mit SCR bzw. selektiver katalytischer Reduktion ausgerüstetes System zur Verwendung bei einem Verbrennungsmotor wird in dem japanischen Patent mit der Veröffentlichungsnummer 2008/274,851 (der '851 Veröffentlichung) von Makoto offenbart, die am 13. November 2008 veröffentlicht wurde. Dieses System weist eine Abgasreinigungsvorrichtung mit einem Gassammelbehälter, mit einem getrennten Dispersionsbehälter und mit einem Mischrohr auf, welches zwischen dem Gassammelbehälter und dem Gasdispersionsbehälter angeschlossen ist. Ein Partikelfilter und ein Oxidationskatalysator sind in dem Gassammelbehälter angeordnet, während ein SCR-Katalysator und ein Ammoniakreduktionskatalysator in dem Gasdispersionbehälter angeordnet sind. Ein Harnstoffeinspritzvorrichtung ist in dem Mischrohr stromaufwärts des SCR Katalysators angeordnet.
Obwohl das Abgassystem des '851 -Patentes konfiguriert sein kann, um Abgase zu behandeln, kann ein solches System bei vielen Nachbehandlungsanwendungen problematisch sein. Insbesondere können die vielen Kanister bzw. Behälter und Katalysatoren, die bei dem '851-System verwendet werden, die Kosten, die Komplexität der Packung und die Gesamtgröße des Systems vergrößern.
Die Nachbehandlungssysteme der vorliegenden Offenbarung lösen ein oder mehrere der oben dargelegten Probleme und/oder andere Probleme des Standes der Technik.
Zusammenfassung
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein Nachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor eine Behandlungsvorrichtung mit einem kombinierten Partikelfilter und SCR-Katalysator auf. Der kombinierte Partikelfilter und SCR-Katalysator behandelt nicht katalysiertes Abgas aus dem Verbrennungsmotor einschließlich zwischen ungefähr 7 g NOx/kW-hr bzw. kWh und ungefähr 10 g NOx/kW-hr.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein Nachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor eine Behandlungsvorrichtung mit einem ersten SCR-Katalysator, der auf einem Partikelfiltersubstrat angeordnet ist, und einem zweiten SCR-Katalysator stromabwärts des ersten SCR-Katalysators auf. Der erste SCR-Katalysator behandelt nicht katalysiertes Abgas aus dem Verbrennungsmotor. Die Behandlungsvorrichtung ist durch eine NOx-Umwandlungseffizienz von mehr als ungefähr 95 Prozent gekennzeichnet.
In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein Abgasbehandlungsverfahren das Erzeugen von Abgas mit einem Verbrennungsmotor auf, wobei das Abgas zwischen ungefähr 7 g NOx/kW-hr und ungefähr 10 g NOx/kW-hr aufweist. Das Verfahren weist auch auf, das nicht katalysierte Abgas von dem Verbrennungsmotor zu einem kombinierten Partikelfilter und SCR-Katalysator zu leiten. Das Verfahren weist weiter auf, NOx im Abgas mit dem kombinierten Partikelfilter und SCR-Katalysator zu reduzieren, wobei der kombinierte Partikelfilter und SCR-Katalysator ein erstes behandeltes Abgas bildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Teilansicht eines Nachbehandlungssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
Ein beispielhaftes Nachbehandlungssystem 10 ist in 1 gezeigt. Das Nachbehandlungssystem 10 kann eine oder mehrere Behandlungsvorrichtungen 28 aufweisen, die mit einem Verbrennungsmotor 22 verbunden sind, wie beispielsweise mit einem Dieselmotor. Der Motor 22 kann eine Auslassleitung bzw. Abgasleitung 23 aufweisen, welche vom Motor 22 erzeugtes Abgas zur Behandlungsvorrichtung 28 leitet. Der Motor 22 kann auch einen Turbolader 18 aufweisen, der mit der Abgasleitung 23 verbunden ist, und einen Kompressor 20, der vom Turbolader 18 über eine oder mehrere sich drehende Wellen 19 angetrieben wird. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann die Behandlungsvorrichtung 28 strömungsmittelmäßig mit einem Auslass des Turboladers 18 verbunden sein.
Die Behandlungsvorrichtung 28 kann einen oder mehrere Behälter bzw. Kanister 12 aufweisen, die aus einem oder mehreren korrosionsbeständigen Materialien hergestellt sind. Solche Materialen können beispielsweise rostfreien Stahl oder andere ähnliche Metalle aufweisen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen können solche Materialen mit einem Korrosionsschutz behandelt, beschichtet und/oder in anderer Weise damit versehen sein. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Behälter 12 einen einzelnen Einlass 14 und einen einzelnen Auslass 16 auf. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Behandlungsvorrichtung 28 irgendeine Anzahl von Einlässen und Auslässen aufweisen kann, wie erwünscht.
Wie in 1 gezeigt, kann die Behandlungsvorrichtung 28 einen oder mehrere Filter, Katalysatoren und/oder Kombinationen davon aufweisen, um dabei zu helfen, Komponenten des Abgasflusses 44 zu behandeln. Beispielsweise kann die Behandlungsvorrichtung 28 einen kombinierten Dieselpartikelfilter und SCR-Katalysator 30 aufweisen (im Folgenden als „CDS Katalysator 30” bezeichnet), der in dem Behälter 12 angeordnet ist. Wie genauer unten beschrieben wird, kann der CDS-Katalysator 30 ein einzelnes Filtermedium aufweisen, welches konfiguriert ist, um sowohl Partikelfallenfunktionen als auch SCR-Funktionen auszuführen. In zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen kann der CDS-Katalysator 30 alternativ durch einen getrennten und extra dafür vorgesehenen Partikelfilter und einen SCR-Katalysator ersetzt werden, falls erwünscht. Der getrennte Partikelfilter und der SCR-Katalysator können in dem Behälter 12 angeordnet sein, oder können alternativ in getrennten Behältern angeordnet sein.
In weiteren Ausführungsformen kann die Behandlungsvorrichtung 28 einen zusätzlichen Katalysator 32 aufweisen, der in dem Behälter 12 stromabwärts des CDS-Katalysators 30 angeordnet ist. Der zusätzliche Katalysator 32 kann beispielsweise ein SCR-Katalysator sein. In zusätzlichen beispielhaften Ausführungsformen kann der zusätzliche Katalysator einen stromaufwärtsliegenden Bereich 32A aufweisen, der als ein SCR-Katalysator wirkt und einen stromabwärtsliegenden Bereich 32B, der als ein Reinigungskatalysator wirkt, wie beispielsweise als ein Dieseloxidationskatalysator oder als ein Ammoniakoxidationskatalysator. In einer alternativen Ausführungsform kann der zusätzliche Katalysator 32 ein extra dafür vorgesehener Reinigungskatalysator sein (der Katalysator 32 kann beispielsweise keine SCR-Funktion vorsehen).
Der CDS-Katalysator 30 kann konfiguriert sein, um Partikelfallenfunktionen auszuführen. Insbesondere kann der CDS-Katalysator 30 ein Filtrationsmedium aufweisen, welches konfiguriert ist, um Partikelstoffe aus einem Abgasfluss zu entfernen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Filtrationsmedium des CDS-Katalysators 30 ein im Allgemeinen zylindrisches Tiefbett-Filtrationsmedium verkörpern, welches konfiguriert ist, um Partikelstoffe über eine Dicke davon, in im Wesentlichen homogener Weise, anzusammeln. Das Filtrationsmedium kann auch ein Material mit geringer Dichte mit einer Flusseintrittseite und einer Flussaustrittsseite aufweisen, und kann durch einen Sinter-Prozess aus Metall- oder Keramikpartikeln geformt sein. Es wird in Betracht gezogen, dass das Filtrationsmedium alternativ ein Oberflächen-Filtrationsmedium verkörpern kann, welches aus einem Metall- oder Keramikschaum, aus einem Drahtgitter oder aus irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt ist.
Der CDS-Katalysator 30 kann auch konfiguriert sein, um SCR-Funktionen auszuführen. Insbesondere kann des Filtrationsmedium des CDS-Katalysators 30 aus einem Keramikmaterial hergestellt sein oder mit diesem in anderer Weise beschichtet sein, wie beispielsweise Titanoxid, aus einem Basismetalloxid wie beispielsweise Vanadium und Wolfram, Zeoliten und/oder aus Edelmetall. Mit dieser Zusammensetzung kann zersetztes Reduktionsmittel, welches in einem Abgasfluss eingeschlossen ist, welcher durch den CDS-Katalysator 30 läuft, auf der Oberfläche des Filtrationsmediums und/oder innerhalb des Filtrationsmediums absorbiert werden, wo das Reduktionsmittel mit NO_x (NO und NO₂) im Abgas reagieren kann, um Wasser (H₂O) und zweiatomigen Stickstoff (N₂) zu formen. Es wird in Betracht gezogen, dass der CDS-Katalysator 30 sowohl Partikelfallenfunktionen als auch SCR-Funktionen über das gesamte Medium des CDS-Katalysators 30 ausführen kann, oder alternativ in seriell angeordneten Stufen, falls erwünscht. Wenn die NO₂-Niveaus innerhalb des Abgases ausreichend hoch sind, kann die exotherme Reaktion zwischen dem Reduktionsmittel und dem NO_x dabei helfen in passiver Weise den CDS-Katalysator 30 zu regenerieren.
Wie oben beschrieben, kann der zusätzliche Katalysator 32 einen stromaufwärtsliegenden Bereich 32A und einen stromabwärtsliegenden Bereich 32B aufweisen. Insbesondere kann ein einzelner Substratklotz des Katalysators 32 einen stromaufwärtsliegenden Bereich (32A) aufweisen, der in der Nähe und/oder benachbart zum CDS-Katalysator 30 gelegen ist. Der stromaufwärtsliegende Bereich 32A kann aus einem Material hergestellt sein oder in anderer Weise mit einem Material beschichtet sein, welches Reduktionsmittel auf seiner Oberfläche absorbiert oder in anderer Weise Reduktionsmittel für eine Reaktion mit NO_x (NO und NO₂) in dem dorthin durchlaufenden Abgas aufnimmt. Eine solche Reaktion kann Wasser (H₂O) und zwei-atomigen Stickstoff (N₂) bilden. In ähnlicher Weise kann der Substratklotz des Katalysators 32 einen stromabwärtsliegenden Bereich (32B) aufweisen, der in der Nähe und/oder benachbart zum Auslass 16 gelegen ist. Der stromabwärtsliegende Bereich 32B kann benachbart zu und stromabwärts des stromaufwärtsliegenden Bereichs 32A angeordnet sein und kann mit einem anderen Katalysator beschichtet sein, als der stromaufwärtsliegende Bereich 32A oder kann in anderer Weise einen solchen anderen Katalysator enthalten. Solche Katalysatoren können einen Oxidationskatalysator aufweisen, der konfiguriert ist, um restliches Reduktionsmittel im Abgas zu oxidieren.
In beispielhaften Ausführungsformen, in denen der stromabwärtsliegende Bereich 32B des zusätzlichen Katalysators 32 einen Oxidationskatalysator aufweist, kann ein solcher beispielhafter Oxidationskatalysator beispielsweise ein Dieseloxidationskatalysator (DOC-Katalysator) oder ein Ammoniakoxidationskatalysator (AMOx-Katalysator) sein. Solche Oxidationskatalysatoren können irgendein geeignetes Substrat aufweisen, welches mit einem katalysierenden Material beschichtet ist, oder in anderer Weise ein katalysierendes Material enthält, beispielsweise ein Edelmetall, welches eine chemische Reaktion katalytisch unterstützt, um eine Zusammensetzung des Abgases zu verändern, welches durch den Oxidationskatalysator läuft. In einem Ausführungsbeispiel kann ein solcher Oxidationskatalysator Palladium, Platin, Vanadium, oder eine Mischung davon aufweisen, welche eine Oxidation von restlichem Ammoniakgas und/oder eingeschlossenem Reduktionsmittel ermöglicht. Solche Katalysatoren können auch die Oxidation von NO im Abgas zu NO₂ ermöglichen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der zusätzliche Katalysator 32 alternativ oder zusätzlich Partikelfallenfunktionen ausführen (beispielsweise kann der zusätzliche Katalysator 32 eine Partikelfalle aufweisen, wie beispielsweise einen Partikelfilter mit sich kontinuierlich regenerierender Technologie oder einen Partikelfilter mit kontinuierlich katalysierender regenerierender Technologie), Kohlenwasserstoffoxidationsfunktionen, Kohlenmonoxid-Oxidationsfunktionen und/oder andere in der Technik bekannte Funktionen.
Wie in 1 gezeigt, kann ein Spalt 34 an gegenüberliegenden Enden des Behälters 12 bzw. nahe dem Einlass 14 und dem Auslass 16 aufrechterhalten werden. Ein Spalt 34 kann auch zwischen dem CDS-Katalysator 30 und dem zusätzlichen Katalysator 32 beibehalten werden. Die Spalte 34 können als Sammelleitungen dienen, welche eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Abgases über die Stirnseiten der jeweiligen Katalysatoren 30, 32 ermöglichen, die in dem Behälter 12 angeordnet sind. Es wird in Betracht gezogen, dass ein Zugriff auf die Katalysatoren 30, 32 des Nachbehandlungssystems 10 in einigen Situationen hilfreich sein kann. Somit können in beispielhaften Ausführungsformen die Endteile 46, 48 des Behälters 12, der die Spalte 34 am Einlass 14 bzw. am Auslass 16 umschließt, entfernbar mit einem Mittelteil des Behälters 12 verbunden sein, der den CDS-Katalysator 30 und den zusätzlichen Katalysator 32 umschließt. Beispielsweise können die Endteile 46, 48 mit dem Mittelteil verschraubt oder verriegelt sein, falls erwünscht. Bei dieser Konfiguration können die Endteile 46, 48 selektiv zur Inspektion und/oder zum Ersetzen der verschiedenen Katalysatoren 30, 32 entfernt werden.
Eine oder mehrere entfernbare Kupplungen 26 können mit den Endteilen 46, 48 verbunden sein, um die selektive Entfernung der Behandlungsvorrichtung 28 aus dem Nachbehandlungssystem 10 zu ermöglichen. Solche Kupplungen 26 können irgendeine entfernbare luftdichte Kupplungsvorrichtung aufweisen, die in der Technik bekannt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform können solche Kupplungen 26 eine oder mehrere Klemmen, Bügel, Stücke von flexiblen Rohren und/oder ähnliche Vorrichtungen aufweisen, die konfiguriert sind, um eine entfernbare Verbindung zwischen dem Behälter 12 und anderen Komponenten des Nachbehandlungssystems 10 zu ermöglichen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen können die Kupplungen 26 Kobrakopf-Kupplungen bzw. Rohranschlusskupplungen verkörpern, die sich um einen Winkel von ungefähr 90 Grad biegen können. Solche Kupplungen 26 können eine elliptische Öffnung am Behälter 12 und eine kreisförmige Öffnung an einem gegenüberliegenden Ende der Kupplung 26 haben. In noch weiteren Ausführungsformen können andere Arten von Kupplungen verwendet werden, falls erwünscht.
Wie in 1 gezeigt, kann das Nachbehandlungssystem 10 ein Mischrohr 24 aufweisen, welches mit dem Einlass 14 über eine oder mehrere der oben beschriebenen Kupplungen 26 verbunden ist. Das Nachbehandlungssystem 10 kann auch eine Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung 36 aufweisen, die strömungsmittelmäßig mit dem Mischrohr 24 verbunden ist. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung 36 stromaufwärts der Behandlungsvorrichtung 28 angeordnet sein (beispielsweise in einem stromaufwärtsliegenden Ende des Mischrohrs 24 oder in einer der Kupplungen 26) und kann konfiguriert sein, um ein Reduktionsmittel in das Abgas einzuspritzen, welches durch das Mischrohr 24 fließt. Ein gasförmiges oder flüssiges Reduktionsmittel, üblicherweise eine Wasser/Harnstofflösung, Ammoniakgas, verflüssigtes anhydrisches Ammoniak, Ammoniumkarbonat, ein Aminsalz oder Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Dieselbrennstoff, kann durch die Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung 36 in das Abgas, welches durch das Mischrohr 24 läuft, eingesprüht werden oder in anderer Weise eingeleitet werden. Beispielsweise kann die Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung 36 in irgendeiner erwünschten Entfernung stromaufwärts des CDS-Katalysators 30 angeordnet sein, um dem eingespritzten Reduktionsmittel ausreichend Zeit zu geben, sich mit dem Abgas zu vermischen und sich in ausreichender Weise zu zersetzen, bevor es in den CDS-Katalysator 30 eintritt. In beispielhaften Ausführungsformen kann eine gleichmäßige Verteilung von ausreichend zersetztem Reduktionsmittel innerhalb des Abgases, welches durch den CDS-Katalysator läuft, die NO_x-Reduktion darin verbessern. Die Distanz zwischen der Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung 36 und dem Einlass 14 des Behälters 12 (beispielsweise die Länge des Mischrohrs 24) kann basierend auf einer Flussrate des Abgases gewählt werden, welches durch das Nachbehandlungssystem 10 läuft, und/oder basierend auf einer Querschnittsfläche des Mischrohrs 24. In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann die Entfernung zwischen der Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung 36 und dem Einlass 14 des Behälters 12 zwei Fuß oder mehr sein.
Um das Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas zu verbessern, kann ein Mischer 38 in dem Mischrohr 24 angeordnet sein. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Mischer 38 Flügel oder Schaufeln aufweisen, die geneigt sind, um eine Verwirbelungsbewegung des Abgases zu erzeugen, wenn es durch das Mischrohr 24 fließt. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Mischer 38 einen Ring aufweisen, der sich von den Innenwänden des Mischrohrs 24 radial nach innen um eine Distanz zu einer Längsachse des Mischrohrs 24 erstreckt. Ein solcher Ring kann konfiguriert sein, um eine Abgasflussturbulenz innerhalb des Mischrohrs 24 zu begünstigen, wodurch dabei geholfen wird, das Reduktionsmittel in das Abgas einzubringen. In jedem Ausführungsbeispiel kann der Mischer 38 stromaufwärts oder stromabwärts (wie in 1 gezeigt) der Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung 36 angeordnet sein.
Das Nachbehandlungssystem 10 kann auch eine oder mehrere Sonden aufweisen, die angeordnet sind, um Betriebscharakteristika und/oder andere Parameter des Nachbehandlungssystems 10 zu überwachen. Die erste Sonde 40 kann beispielsweise innerhalb des Spalts 34 in der Nähe des Einlasses 14 stromaufwärts des CDS-Katalysators 30 gelegen sein. Zusätzlich kann eine zweite Sonde 42 in dem Spalt 34 in der Nähe des Auslasses 16 stromabwärts des zusätzlichen Katalysators 32 gelegen sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die erste Sonde 40 eine Temperatursonde sein, die konfiguriert ist, um ein erstes Signal zu erzeugen, welches eine Temperatur des Abgases anzeigt, welches in den CDS-Katalysator 30 eintritt. Das erste Signal kann von einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung verwendet werden, um unter anderem eine Betriebstemperatur und eine vorhergesagte Effizienz des CDS-Katalysators 30 zu bestimmen. Die zweite Sonde 42 kann verwendet werden, um einen Bestandteil des Abgases zu detektieren, welches aus dem Katalysator 32 austritt, beispielsweise eine Konzentration von NO_X oder eine Menge von restlichen Reduktionsmitteln. Die zweite Sonde 42 kann ein zweites Signal erzeugen, welches diesen Bestandteil anzeigt, und das zweite Signal kann verwendet werden, um unter anderem eine tatsächliche Effektivität des CDS-Katalysators 30 und/oder des zusätzlichen Katalysators 32 zu bestimmen. Es wird in Betracht gezogen das zumindest eine der Sonden 40, 42 konfiguriert sein kann, um andere Parameter des Nachbehandlungssystems 10 zu überwachen, und für andere Zwecke verwendet werden kann, falls erwünscht.
Industrielle Anwendbarkeit
Das Nachbehandlungssystem 10 der vorliegenden Offenbarung kann auf jegliche Motorkonfiguration anwendbar sein, bei der eine Behandlung des Abgases erforderlich ist, wo die Packung bzw. Anordnung der Komponenten ein wichtiges Problem ist. Während bekannte Nachbehandlungssysteme einen DOC-Katalysator stromaufwärts eines SCR-Katalysators zur Umwandlung von NO in NO₂ verwenden, sind solche DOC-Katalysatoren typischerweise in großen Behältern angeordnet und aufgrund der Edelmetalle, die in DOC-Katalysatoren verwendet werden, sind solche Katalysatoren teuer. Das Nachbehandlungssystem 10 der vorliegenden Offenbarung arbeitet andererseits ohne Verwendung eines DOC-Katalysators stromaufwärts der Behandlungsvorrichtung 28. Als eine Folge nimmt das offenbarte System 10 weniger Raum stromabwärts des Motors 22 ein, und ist weniger teuer, weniger kompliziert und leichter in Fahrzeuge zu packen bzw. einzubauen, welche den Motor 22 verwenden, als bekannte Systeme.
Um für die Umwandlung von NO in NO₂ zu kompensieren, die von dem stromaufwärtsliegenden DOC-Katalysator von bekannten Nachbehandlungssystemen vorgesehen wird, kann der Motor 22 der vorliegenden Offenbarung kalibriert werden, um Abgas mit erhöhten NO_x-Niveaus (wodurch die Menge an NO₂ im Abgas erhöht wird) und verringerten Ruß-Niveaus zu erzeugen. Beispielsweise kann die Zeitsteuerung von Brennstoffeinspritzvorrichtungen in den Zylinder vorgeschoben werden, der Druck von solchen Einspritzungen kann vergrößert werden, der Fluss von rückzirkuliertem Abgas in den Motor 22 kann reduziert oder eliminiert werden und/oder der Durchsatz des Kompressors 20 und/oder des Turboladers 18 können gesteigert werden, um die Erzeugung von solchem Abgas zu ermöglichen. Die erhöhten NO_x-Niveaus, die aus einer solchen Motorkalibrierung bzw. Motoreinstellung resultieren, können eine passive Regeneration des CDS-Katalysators 30 aufgrund der exothermen Reduktionsreaktion in dem darin enthaltenen SCR-Katalysator sicherstellen und können die Brennstoffausnutzung des Motors 22 ebenfalls vergrößern. Solche NO_x-Niveaus können beispielsweise zwischen ungefähr 7 g NOx/kW-hr und ungefähr 10 g NOx/kW-hr sein. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen können solche NO_x-Niveaus größer als ungefähr 10 g NOx/kW-hr sein. Aufgrund einer solchen Kalibrierung kann der Motor 22 Abgas mit einem Verhältnis von NO₂ zu NO von ungefähr 1 zu 2 erzeugen. Zusätzlich kann eine solche Motorkalibrierung eine Verbesserung der Brennstoffausnutzung und eine Verringerung der Rußerzeugung durch den Motor 22 zur Folge haben. Der Abgasfluss durch das Nachbehandlungssystem 10 wird nun beschrieben.
Mit Bezug auf 1 kann der Motor 22 nicht katalysiertes Abgas 44 erzeugen, welches eine komplexe Mischung aus Luftverunreinigungen enthält, welche unter anderem NO_X und Ruß aufweisen. Das Abgas 44 kann vom Motor 22 über die Abgasleitung 23 durch den Turbolader 18 laufen. Das nicht katalysierte Abgas 44 kann dann in das Mischrohr 24 eintreten, wo Reduktionsmittel in das Abgas 44 durch die Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung 36 stromaufwärts des Mischers 38 eingespritzt werden kann. Die Verwirbelung und/oder Turbulenz des Abgases 44, die durch den Mischer 38 begünstigt wird, kann verwendet werden, um das Reduktionsmittel im Abgas 44 einzuschließen und zu verteilen. Wenn die Verwirbelung und/der turbulente Fluss des Abgases und des Reduktionsmittels entlang der Länge des Mischrohrs 24 läuft kann das Reduktionsmittel weiter mit dem nicht katalysierten Abgas 44 homogen vermischt werden, und das Reduktionsmittel kann beginnen sich in Ammoniak zu zersetzen. Somit kann die Länge und die Lage des Mischrohrs 24 zusammen mit dem Mischer 38 eine Zersetzung des eingespritzten Reduktionsmittels begünstigen.
Das nicht katalysierte bzw. katalytisch behandelte Abgas 44 kann vom Mischrohr 24 über den Einlass 14 in den Behälter 12 geleitet werden. Das Abgas 44 kann vom Einlass 14 in den Spalt 34 stromaufwärts des CDS-Katalysators 30 fließen und aufgrund der Veränderung der Querschnittsfläche und/oder des Volumens zwischen dem Mischrohr 24 und dem Endteil 46 kann das nicht katalytisch behandelte Abgas 44 sich stromaufwärts des CDS-Katalysators 30 ausdehnen. Eine solche Ausdehnung bzw. Expansion kann eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des Abgases 44 über eine Stirnseite des CDS-Katalysators 30 ermöglichen. Zu dem Zeitpunkt, wenn das Abgas 44 den CDS-Katalysator 30 erreicht, kann die Masse des Reduktionsmittels zersetzt werden, wodurch eine NO_X-Reduktion innerhalb des CDS-Katalysators 30 und des zusätzlichen Katalysators 32 ermöglicht wird. Der CDS-Katalysators 30 kann das nicht katalytisch behandelte Abgas 44 behandeln, wenn das Abgas 44 durch den CDS-Katalysator 30 läuft. Beispielsweise können Partikelstoffe bzw. Feinstoff aus dem Abgas 44 entfernt werden, und NO_X innerhalb des Abgases 44 kann mit dem Reduktionsmittel am SCR-Katalysator reagieren.
Insbesondere kann das Abgas 44 katalytisch durch den SCR-Katalysator reduziert werden, um Wasser und zwei-atomischen Stickstoff zu bilden. Als eine Folge kann der CDS-Katalysator 30 ein erstes behandeltes Abgas aus dem nicht katalytisch behandelten Abgas 44 bilden. Ein solches erstes behandeltes Abgas kann beispielsweise Abgas sein, welches einem katalytischen Reduktionsprozess unterworfen wurde, in dem NO aus NO₂ geformt wurde. Das erste behandelte Abgas kann aus dem CDS-Katalysator 30 austreten und in den zusätzlichen Katalysator 32 eintreten, wodurch die katalytische Reduktion des NO_X, welches im ersten behandelten Abgas enthalten ist, auftreten kann und restliches Reduktionsmittel, welches von dem ersten behandelten Abgas mitgeführt wird, absorbiert werden kann. In Ausführungsbeispielen, in denen der zusätzliche Katalysator 32 einen SCR-Katalysator aufweist, kann der SCR-Katalysator beispielsweise katalytisch das erste behandelte Abgas reduzieren. Als eine Folge kann der SCR-Katalysator des zusätzlichen Katalysators 32 ein zweites behandeltes Abgas aus dem ersten behandelten Abgas bilden. Solch ein zweites behandeltes Abgas kann beispielsweise behandeltes Abgas sein, welches einem zusätzlichen katalytischen Reduktionsprozess bzw. SCR-Prozess unterworfen wurde, in dem NO aus NO₂ geformt wurde.
In beispielhaften Ausführungsformen kann die Behandlungsvorrichtung 28 durch eine NO_X-Umwandlungseffizienz von mehr als ungefähr 95 Prozent gekennzeichnet sein. Wie der Ausdruck hier bezüglich der SCR-Katalysatoren der Nachbehandlungsvorrichtung 28 verwendet wird, bedeutet der Ausdruck „NO_X-Umwandlungseffizienz” den Prozentsatz von NO_X welches in dem Abgas enthalten ist, welches katalytisch zu N₂ reduziert wird, wenn das Abgas durch die SCR-Katalysatoren oder die Nachbehandlungsvorrichtung 28 läuft. Weiterhin sind die Werte der NO_X-Umwandlungseffizienz die hier besprochen werden, außer wenn dies anders speziell erwähnt wird, mit Behandlungsvorrichtungen am Beginn ihrer Nutzungslebensdauer oder nahe dem Beginn ihrer Nutzungslebensdauer assoziiert. In beispielhaften Ausführungsformen kann der CDS-Katalysator 30 durch eine NO_X-Umwandlungseffizienz von ungefähr 90 Prozent oder weniger gekennzeichnet sein. Der CDS-Katalysator 30 kann eine solche NOx-Umwandlungseffizienz vorsehen, während vorteilhafte Niveaus eines Rückdrucks stromaufwärts der Nachbehandlungsvorrichtung 28 erzeugt werden, während er eine Größe hat, die geeignet zur Packung bzw. zum Einbau in das Nachbehandlungssystem 10 des Motors 22 ist. In solchen beispielhaften Ausführungsformen kann der SCR-Katalysator des zusätzlichen Katalysators 32 durch eine NO_X-Umwandlungseffizienz von mindestens ungefähr 50 Prozent gekennzeichnet sein. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann der SCR-Katalysator des zusätzlichen Katalysators 32 durch eine NOx-Umwandlungseffizienz von zwischen ungefähr 50 Prozent und ungefähr 80 Prozent gekennzeichnet sein. Somit können die jeweiligen NO_X-Umwandlungseffizienzen bzw. NO_X-Umwandlungswirkungsgrade der SCR-Katalysatoren kombiniert werden, um eine NO_X-Umwandlungseffizienz der Behandlungsvorrichtung 28 von mehr als ungefähr 95 Prozent zur Folge zu haben. Solche Niveaus der NO_X-Umwandlungseffizienz können erforderlich sein, um mit Abgasemissionsstandards in Übereinstimmung zu kommen.
Zusätzlich können beispielhafte Ausführungsformen einer Nachbehandlungsvorrichtung, die einen CDS-Katalysator 30 mit einer NO_X-Umwandlungseffizienz von ungefähr 90 Prozent oder weniger und einen zusätzlichen Katalysator 32 mit einem SCR-Katalysator mit einer NO_X-Umwandlungseffizienz zwischen ungefähr 50 Prozent und ungefähr 80 Prozent aufweisen, fähig sein, eine größere Menge an Ruß pro Volumeneinheit des Abgases zu oxidieren als beispielsweise eine Behandlungsvorrichtung, welche einen einzelnen CDS-Katalysator mit einer NO_X-Umwandlungseffizienz von ungefähr 95 Prozent aufweist. Es sei bemerkt, dass beispielsweise eine passive Rußregeneration sich umgekehrt mit der Umwandlung von NO_X in NO₂ verbessern kann. Diese Beziehung ist ein Resultat dessen, dass NO₂ durch die passive Rußoxidationsreaktion und die NO_X-Reduktionsreaktion verbraucht wird, welche in dem einen SCR-Katalysator oder der Vielzahl von SCR-Katalysatoren der Behandlungsvorrichtung 28 stattfinden. Beispielsweise können geringere Niveaus an NO_X-Reduktion am CDS-Katalysator 30 höhere Niveaus an Rußreduktion auf dem Substrat des CDS-Katalysators 30 gestatten. Eine solche NO_X-Reduktion kann beim zusätzlichen Katalysator 32 weiter fortgeführt und/oder vollendet werden, um eine NO_X-Umwandlungseffizienz der Behandlungsvorrichtung von mehr als ungefähr 95 Prozent zu erreichen.
In Ausführungsbeispielen in denen der zusätzliche Katalysator 32 weiter einen DOC-Katalysator oder einen AMOx-Katalysator aufweist, kann das zweite behandelte Abgas vom SCR-Katalysator des zusätzlichen Katalysators 32 zum stromabwärts gelegenen Oxidationskatalysator des zusätzlichen Katalysators 32 laufen. Der Oxidationskatalysator kann katalytisch das zweite behandelte Abgas oxidieren. Insbesondere wenn das zweite behandelte Abgas durch den Oxidationskatalysator läuft, kann restliches Reduktionsmittel, welches im zweiten behandelten Abgas eingeschlossen ist, oxidiert werden. Nach einer Behandlung innerhalb des zusätzlichen Katalysators 32 kann das Abgas durch den Spalt 34 in der Nähe des Endteils 48 laufen, und kann über den Auslass 16 in die Atmosphäre ausgelassen werden, oder zu anderen stromabwärts gelegenen Abgassystemkomponenten.
Das Nachbehandlungssystem 10 kann einfach, kompakt und vergleichsweise kostengünstig sein. Beispielsweise kann das Nachbehandlungssystem 10 einfach und kompakt sein, weil es nur einen einzigen Behälter bzw. Kanister verwenden kann, in dem Katalysatoren vorgesehen sind, die mehrere Funktionen vorsehen. Zusätzlich kann der CDS-Katalysator 30 sowohl eine Funktion als Partikelfalle als auch für die NO_X-Reduktion bieten, während der zusätzliche Katalysator 32 eine Funktion für NO_X-Reduktion und Oxidation bieten kann. Die Einfachheit des Nachbehandlungssystems 10 kann eine Lösung mit geringeren Kosten für die Abgasnachbehandlung zur Folge haben und kann weniger Packungsraum erfordern als bekannte Systeme.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem Nachbehandlungssystem 10 der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer praktischen Ausführung des hier offenbarten Nachbehandlungssystems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Bespiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihr äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2008/274851 [0005, 0006]

Claims

Nachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welches Folgendes aufweist: eine Behandlungsvorrichtung, welche einen kombinierten Partikelfilter und SCR-Katalysator aufweist, wobei der kombinierte Partikelfilter und SCR-Katalysator nicht katalytisch behandeltes Abgas aus dem Verbrennungsmotor behandelt, welches zwischen ungefähr 7 g NOx/KW-hr und ungefähr 10 g NOx/KW-hr aufweist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 1, welches weiter eine Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung aufweist, welche stromaufwärts der Behandlungsvorrichtung angeordnet ist und konfiguriert ist, um ein Reduktionsmittel in das nicht katalytisch behandelte Abgas einzuspritzen.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 2, welches weiter ein Mischrohr aufweist, welches mit einem Einlass der Behandlungsvorrichtung verbunden ist, wobei die Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung strömungsmittelmäßig mit dem Mischrohr verbunden ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 3, welches weiter einen Mischer aufweist, der in dem Mischrohr angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 1, welches weiter einen zusätzlichen Katalysator aufweist, der stromabwärts des kombinierten Partikelfilters und SCR-Katalysators angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 5, wobei der zusätzliche Katalysator einen SCR-Katalysator aufweist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 6, wobei der zusätzliche Katalysator weiter einen Ammoniakoxidationskatalysator oder einen Dieseloxidationskatalysator aufweist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 5, wobei der kombinierte Partikelfilter und SCR-Katalysator und der zusätzliche Katalysator innerhalb eines einzelnen Behälters angeordnet sind.
Nachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welches Folgendes aufweist: eine Nachbehandlungsvorrichtung, welche einen ersten SCR-Katalysator aufweist, der auf einem Partikelfiltersubstrat angeordnet ist, und einen zweiten SCR-Katalysator stromabwärts des ersten SCR-Katalysators, wobei der erste SCR-Katalysator nicht katalytisch behandeltes Abgas aus dem Verbrennungsmotor behandelt, wobei die Behandlungsvorrichtung durch eine NO_x-Umwandlungseffizienz von mehr als ungefähr 95 Prozent gekennzeichnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei die ersten und zweiten SCR-Katalysatoren innerhalb eines einzigen Behälters angeordnet sind, wobei der Behälter zumindest einen entfernbaren Endteil aufweist, der konfiguriert ist, um Zugriff auf den ersten und/oder den zweiten SCR-Katalysator zu gewähren.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei der erste SCR-Katalysator durch eine NO_x-Umwandlungseffizienz von ungefähr 90 Prozent oder weniger gekennzeichnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei der zweite SCR-Katalysator durch eine NO_x-Umwandlungseffizienz zwischen ungefähr 50 Prozent und ungefähr 80 Prozent gekennzeichnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, welches weiter einen Ammoniakoxidationskatalysator oder einen Dieseloxidationskatalysator stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators aufweist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, welches weiter ein Substrat mit einem stromaufwärtsliegenden Bereich und einem stromabwärtsliegenden Bereich aufweist, wobei der zweite SCR-Katalysator auf dem stromaufwärtsliegenden Bereich des Substrates angeordnet ist, und wobei ein Ammoniakoxidationskatalysator oder ein Dieseloxidationskatalysator auf dem stromabwärtsliegenden Bereich des Substrates angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 9, welches ein Mischrohr aufweist, welches mit einem Einlass der Behandlungsvorrichtung verbunden ist, und eine Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung, die strömungsmittelmäßig mit dem Mischrohr stromaufwärts des Einlasses verbunden ist.
Nachbehandlungssystem nach Anspruch 15, welches weiter einen Mischer aufweist, der in dem Mischrohr stromabwärts der Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung und stromaufwärts des Einlasses angeordnet ist.
Abgasbehandlungsverfahren, welches Folgendes aufweist: Erzeugen eines Abgases mittels eines Verbrennungsmotors, wobei das Abgas zwischen ungefähr 7 g NOx/KW-hr und ungefähr 10 g NOx/KW-hr aufweist; Leiten des Abgases ohne katalytische Behandlung aus dem Verbrennungsmotor zu einem kombinierten Partikelfilter- und SCR-Katalysator; und katalytisches Reduzieren von NO_x im Abgas mit dem kombinierten Partikelfilter und SCR-Katalysator, wobei der kombinierte Partikelfilter und SCR-Katalysator ein erstes behandeltes Abgas bildet.
Verfahren nach Anspruch 17, welches weiter aufweist, das erste behandelte Abgas mit einem zusätzlichen SCR-Katalysator zu reduzieren, der stromabwärts des kombinierten Partikelfilters und SCR-Katalysators angeordnet ist, wobei der zusätzliche SCR-Katalysator ein zweites behandeltes Abgas bildet.
Verfahren nach Anspruch 18, welches weiter aufweist, das zweite behandelte Abgas mit einem Ammoniakoxidationskatalysator oder einem Dieseloxidationskatalysator katalytisch zu oxidieren.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das nicht katalytisch behandelte Abgas, welches vom Motor erzeugt wird, durch ein Verhältnis von NO₂ zu NO von ungefähr 1 zu 2 gekennzeichnet ist.