DE102012214197A1 - Verfahren und systeme für ein motorabgasreinigungssystem - Google Patents

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Douglas Allen Dobson
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Abstract

Es werden Systeme und Verfahren für eine an einen Abgaskrümmer gekoppelte geschichtete Abgasreinigungseinrichtung bereitgestellt. Verschiedene Formulierungen können in mehrere Schichten der Einrichtung integriert werden, damit verschiedene Abgasreinigungsfunktionen innerhalb räumlicher Beschränkungen gruppiert werden können. Die Schichten können so organisiert werden, dass eine funktionelle Störung reduziert und die funktionelle Synergie zwischen den verschiedenen Abgasreinigungsfunktionen verbessert wird.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren und Systeme für die Abgasreinigung eines Fahrzeugs mit einem Dieseloxidationskatalysator mit mehr als einer katalytischen Umgebung.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Bei dem Bemühen, strenge Emissionsrichtlinien einzuhalten, können Fahrzeugmotoren mit einem Abgasreinigungssystem konfiguriert werden, einschließlich verschiedener Abgasreinigungseinrichtungen wie etwa Dreiwege-Katalysatoren, Dieseloxidationskatalysatoren, Partikelfiltern, NOx-Katalysatoren und HC-Fallen (Hydrocarbon – Kohlenwasserstoff). Die verschiedenen Abgasreinigungseinrichtungen können in verschiedenen Konfigurationen angeordnet werden.
  • Eine Beispielkonfiguration wird von Maaseidvaag et al. in US 6,167,696 gezeigt. Dabei ist ein Dreiwege-Katalysator vor einer HC-Falle, einer NOx-Falle und einem elektrisch geheizten Katalysator enthalten. Eine weitere Beispielkonfiguration wird von Yamato et al. in US 7,181,903 gezeigt. Dort ist ein Dreiwege-Katalysator hinter einer NOx-Falle und einem eine HC-Falle enthaltenden Plasmareaktor enthalten. Auf der Basis der spezifischen Konfiguration und der Reihenfolge der verschiedenen Abgasreinigungseinrichtungen in dem Abgasreinigungssystem von ‘696 und ‘903 werden verschiedene Steuerstrategien (z.B. Temperatursteuerstrategien) zum Koordinieren ihrer Aktivitäten verwendet.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch mit solchen Systemen potentielle Probleme identifiziert. Als ein Beispiel können die verschiedenen Funktionen miteinander wetteifern und/oder sich gegenseitig stören. Beispielsweise können NO-Spezies durch einen Dieseloxidationskatalysator vor einem NOx-Katalysator nach einem Motorkaltstart zu NO2 oxidiert werden. Die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidoxidierungsfunktion des Dieseloxidationskatalysators kann jedoch die NO-Oxidationsfunktion des Katalysators stören. Selbst bei unterschiedlichen Konfigurationen wird folglich eine Emissionseinhaltung möglicherweise nicht erzielt. Dieses Problem kann sich verschlimmern, wenn Emissionsrichtlinien verschärft werden, während Verbrennungsprozesse mit signifikant niedrigeren Abgastemperaturen effizienter werden. Als ein weiteres Beispiel können die verschiedenen Konfigurationen und die niedrigeren Abgastemperaturen die Abgasreinigungseinrichtungstemperatursteuerstrategien komplizierter machen. Als noch ein weiteres Beispiel kann aufgrund von Verpackungsvolumenbeschränkungen am Fahrzeug der für die verschiedenen Konfigurationen und Funktionalitäten des Abgasreinigungssystems verfügbarer Raum begrenzt sein. Insgesamt können sich Abgasemissionen verschlechtern.
  • Bei einem Beispiel können einige der obigen Probleme durch ein geschichtetes Abgasreinigungssystem, das an einen Fahrzeugmotorabgaskrümmer gekoppelt ist, mindestens teilweise behandelt werden. Bei einer Ausführungsform umfasst das geschichtete System eine erste, obere Schicht mit einem ersten, oxidierenden Katalysator, eine zweite Zwischenschicht mit einer HC-Falle zum Einfangen von Abgas-HCs und eine dritte, untere Schicht mit einem zweiten, anderen oxidierenden Katalysator. Die zweite Schicht kann zwischen der ersten und dritten Schicht positioniert sein, und alle die Schichten können auf einem Substratträger geschichtet sein und von diesem getragen werden. Auf diese Weise können verschiedene Formulierungen in einer gewählten Reihenfolge auf ein Substrat geschichtet werden, damit verschiedene Abgasreinigungsfunktionen innerhalb räumlicher Beschränkungen gruppiert werden können, um synergistische Vorzüge bereitzustellen.
  • Beispielsweise kann ein Abgasreinigungssystem eine geschichtete Abgasreinigungseinrichtung vor einem oder mehreren NOx-Katalysatoren und Partikelfiltern enthalten. Bei einem Beispiel kann die geschichtete Abgasreinigungseinrichtung ein geschichtetes Dieseloxidationskatalysatorsystem sein, wobei mehrere Schichten auf einem Substratträger geschichtet sind und von diesem getragen werden. Eine erste, obere Schicht kann einen ersten, oxidierenden Katalysator wie etwa einen Dieseloxidationskatalysator (DOC – Diesel Oxidation Catalyst), zum Oxidieren von Abgaskohlenwasserstoffen (HCs – Hydrocarbons) und Erzeugen einer exothermen Reaktion für nachgeschaltete Partikelfilter oder HC-Fallen enthalten. Beispielsweise können Abgas-HCs oxidiert werden, um eine periodisch exotherme Reaktion zu erzeugen, wie etwa zum Unterstützen der Regenerierung eines nachgeschalteten Partikelfilters. Eine zweite Zwischenschicht kann eine HC-Falle zum Einfangen von Abgas-HCs enthalten. Eine dritte, untere Schicht kann einen zweiten, anderen oxidierenden Katalysator zum Oxidieren von Abgas-NO-Spezies zu NO2-Spezies enthalten. Die Abgas-NO2-Spezies können dann in einer nachgeschalteten NOx-Falle oder einem NOx-reduzierenden Katalysator eingefangen oder umgewandelt werden. Durch Halten der Abgas-HCs in der zweiten Schicht kann die NO-Oxidationsreaktion der dritten Schicht vor HC-Störung geschützt werden. Zusätzlich zu einer spezifizierten Funktionalität kann jede Schicht auch eine spezifizierte Washcoat-Beladung und/oder Edelmetallbeladung aufweisen, die sich für die spezifische Funktionalität der Schicht eignet. Die Ladungen können auch auf der Fahrzeuganwendung und dem spezifischen Emissionsprofil basieren. Beispielsweise kann bei Fahrzeugen, die mit Kraftstoffen oder Kalibrierungen mit einem höheren HC-Gehalt in dem Abgas während eines Kaltstarts arbeiten, die Einrichtung so konfiguriert sein, dass die Kapazität der zweiten Schicht mit der HC-Falle vergrößert ist. Als ein weiteres Beispiel kann bei Fahrzeugen, die mit Motoren mit magerer Verbrennung arbeiten, die einen höheren NOx-Gehalt in dem Abgas aufweisen, die Einrichtung so konfiguriert sein, dass die Kapazität der dritten Schicht erhöht ist, um die NO2-Ausbildung zu verbessern. Bei noch weiteren Ausführungsformen können eine oder mehrere der Schichten innerhalb des Substratträgers wie etwa einem hochporösen Substratträger enthalten sein, um den Gegendruck zu reduzieren.
  • Auf diese Weise kann eine Abgasreinigungseinrichtung mit verschiedenen Formulierungen in den verschiedenen Schichten konfiguriert werden, um verschiedene Abgasreinigungsfunktionen zu integrieren und synergistische Vorzüge bereitzustellen. Durch Reduzieren der funktionalen Störung und Verbessern der funktionalen Synergie kann die Qualität von Abgasemissionen verbessert werden.
  • Es versteht sich, dass die obige kurze Darstellung vorgelegt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Sie soll keine wichtigen oder essentiellen Merkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren, dessen Schutzbereich ausschließlich durch die Ansprüche, die auf die ausführliche Beschreibung folgen, definiert wird. Weiterhin ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die etwaige, oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung erwähnten Nachteile lösen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung des an das Motorsystem von 1 gekoppelten Abgasreinigungssystems.
  • 3–5 zeigen Ausführungsbeispiele einer geschichteten Abgasreinigungseinrichtung.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm auf hoher Ebene, das eine Routine zum Betreiben der geschichteten Abgasreinigungseinrichtung von 3–5 darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung betrifft Systeme und Verfahren für eine geschichtete Abgasreinigungseinrichtung, die an den Abgaskrümmer eines Motorsystems, wie etwa das Motorsystem von 1, gekoppelt ist. Die geschichtete Abgasreinigungseinrichtung kann ein geschichtetes Dieseloxidationskatalysatorsystem (DOC – Diesel Oxidation Catalyst) sein, wie in 2 gezeigt, vor einer oder mehreren anderen Abgasreinigungseinrichtungen positioniert, wie etwa eine oder mehrere NOx-reduzierende Katalysatoren und Partikelfilter (PM – Particulate Matter), die an den Motorabgaskrümmer gekoppelt sind. Die verschiedenen Schichten der geschichteten Einrichtung können verschiedene Formulierungen enthalten, um das Ausführen verschiedener Abgasreinigungsfunktionen innerhalb der räumlichen Beschränkungen der Einrichtung zu ermöglichen. Die verschiedenen Formulierungen können geschichtet sein, wie in 3–5 gezeigt, um die funktionale Störung zu reduzieren, während funktionale Synergien ermöglicht werden. Wie in 6 gezeigt, kann Abgas über und durch die geschichtete Einrichtung geschickt werden, um Abgaskohlenwasserstoffe zurückzuhalten und zu oxidieren und die Abgastemperatur anzuheben, während Abgas-NO-Spezies für das nachfolgende Einfangen auf einer nachgeschalteten NOx-Falle oder eine Niedertemperaturreduktion in einem geregelten Katalysator (SCR – Selective Catalytic Reduction) zu NO2 oxidiert werden, der Harnstoff oder ein anderes NOx-Reduktionsmittel verwendet. Auf diese Weise kann die Qualität von Abgasemissionen verbessert werden.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 8 mit einem Motor 10 mit mehreren Zylindern 30. Der Motor 10 enthält einen Motoreinlass 23 und einen Motorauslass 25. Der Motoreinlass 23 enthält ein Drosselventil 62, das fluidisch an den Motoreinlasskrümmer 44 über eine Einlasspassage 42 gekoppelt ist. Der Motorauslass 25 enthält einen Abgaskrümmer 48, der zu einer Abgaspassage 35 führt, die Abgas zur Atmosphäre lenkt. Der Motorauslass 25 enthält ein Abgasreinigungssystem 22 mit einer oder mehreren, in einer eng gekoppelten Position montierten Abgasreinigungseinrichtung 70. Die eine oder die mehreren Abgasreinigungseinrichtungen können verschiedene Kombinationen und Anordnungen (wie in 2 gezeigt) eines (in 3–5 beschriebenen) geschichteten Dieseloxidationskatalysators, einen Dreiwege-Katalysator, eine NOx-Magerfalle, einen geregelten Katalysator, einen Dieselpartikelfilter, einen Oxidationskatalysator usw. enthalten. Es versteht sich, dass andere Komponenten in dem Motor enthalten sein können, wie etwa eine Vielzahl an Ventilen und Sensoren.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann der Motoreinlass 23 weiterhin eine Aufladeeinrichtung wie etwa einen Verdichter 74 enthalten. Der Verdichter 74 kann konfiguriert sein, Einlassluft mit atmosphärischem Luftdruck anzusaugen und sie auf einen höheren Druck zu verstärken. Die Aufladeeinrichtung kann ein Verdichter eines Turboladers sein, wobei die aufgeladene Luft vor dem Drosselventil eingeleitet wird, oder der Verdichter eines Supercharger, wobei das Drosselventil vor der Aufladeeinrichtung positioniert ist. Unter Verwendung der aufgeladenen Einlassluft kann ein aufgeladener Motorbetrieb durchgeführt werden.
  • Das Motorsystem 8 kann an ein Kraftstoffsystem 18 gekoppelt sein, das einen an ein Kraftstoffpumpsystem 21 gekoppelten Kraftstofftank 20 enthält. Der Kraftstofftank 20 kann mehrere Kraftstoffmischungen enthalten, einschließlich ein Kraftstoff mit einem Bereich von Alkoholkonzentrationen, wie etwa verschiedene Benzin-Ethanol-Mischungen einschließlich E10, E85, Benzin usw. und Kombinationen davon. Das Kraftstoffpumpsystem 21 kann eine oder mehrere Pumpen zur Druckbeaufschlagung von den Einspritzdüsen des Motors 10 wie etwa der beispielhaften Einspritzdüse 66 zugeführten Kraftstoff enthalten. Wenngleich nur eine einzelne Einspritzdüse 66 gezeigt ist, sind zusätzliche Einspritzdüsen für jeden Zylinder vorgesehen. Es versteht sich, dass das Kraftstoffsystem 18 ein Kraftstoffsystem ohne Rückführung, ein Kraftstoffsystem mit Rückführung oder verschiedene andere Arten von Kraftstoffsystem sein kann.
  • Das Fahrzeugsystem 6 kann weiterhin ein Steuersystem 14 enthalten. Das Steuersystem 14 ist so gezeigt, dass es Informationen von mehreren Sensoren 16 (von denen hierin verschiedene Beispiele beschrieben sind) empfängt und Steuersignale an mehrere Aktuatoren 81 (von denen hierin verschiedene Beispiele beschrieben sind) sendet. Als ein Beispiel können die Sensoren 16 einen vor der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Abgassensor 126, einen Temperatursensor 128 und einen Drucksensor 129 enthalten. Andere Sensoren wie etwa zusätzliche Druck-, Temperatur-, Luft-Kraftstoff-Verhältnis- und Zusammensetzungssensoren können an verschiedene Orte in dem Fahrzeugsystem gekoppelt sein, wie hier ausführlicher erörtert. Als ein weiteres Beispiel können die Aktuatoren eine Kraftstoffeinspritzdüse 66 und ein Drosselventil 62 enthalten. Das Steuersystem 14 kann einen Controller 12 enthalten. Der Controller kann Eingabedaten von den verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingabedaten verarbeiten und die Aktuatoren als Reaktion auf die verarbeiteten Eingabedaten auf der Basis einer darin programmierten Anweisung oder eines darin programmierten Codes, die einer oder mehreren Routinen entsprechen, auslösen. Eine Beispielsteuerroutine ist hier bezüglich 6 beschrieben.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Abgasreinigungssystems 22. Das Abgasreinigungssystem 22 kann eine oder mehrere, an einen Motorabgaskrümmer gekoppelte Abgasreinigungseinrichtungen enthalten. Diese können beispielsweise eine geschichtete Dieseloxidationskatalysatoreinrichtung (oder ein geschichtetes Dieseloxidationskatalysatorsystem) 202, die vor einer NOx-Steuereinrichtung 204 und einer PM-Steuereinrichtung 206 positioniert ist, enthalten. Die NOx-Steuereinrichtung kann beispielsweise eine NOx-Magerfalle (LNT – Lean NOx Trap) oder einen NOx-reduzierenden Katalysator (z.B. einen geregelten Katalysator) enthalten, während die PM-Steuereinrichtung beispielsweise einen PM-Filter oder einen Dieselpartikelfilter (DPF) enthalten kann. Während die gezeigte Ausführungsform die NOx-Steuereinrichtung 204 vor der PM-Steuereinrichtung 206 zeigt, kann die NOx-Steuereinrichtung 204 bei alternativen Ausführungsformen hinter der PM-Steuereinrichtung 206 positioniert sein. Durch Positionierung der geschichteten DOC-Einrichtung 202 vor der NOx-Steuereinrichtung und der PM-Steuereinrichtung können verschiedene Vorteile erzielt werden. Beispielsweise können Abgaskohlenwasserstoffe in einer der Schichten der geschichteten DOC-Einrichtung oxidiert werden, um die Temperatur des Abgases über eine Schwellwerttemperatur wie etwa über eine Regenerierungstemperatur der PM-Einrichtung anzuheben. Als ein weiteres Beispiel können Abgaskohlenwasserstoffe in einer der Schichten der geschichteten DOC-Einrichtung zurückgehalten werden, um die funktionelle Störung der Kohlenwasserstoffe mit der NOx-Steuereinrichtung zu reduzieren. Durch Schicken von Abgas über (und durch) die geschichtete DOC-Einrichtung, bevor das Abgas über die nachgeschalteten NOx-Katalysatoren und PM-Filter geschickt wird, können auf diese Weise verschiedene Abgaskomponenten progressiv verarbeitet und die Qualität der Abgasemissionen verbessert werden.
  • Wenngleich dies nicht gezeigt ist, kann ein Reduziermittelzuführsystem in dem Abgasreinigungssystem 22 beispielsweise vor der NOx-Steuereinrichtung enthalten sein. Das Reduziermittelzuführsystem kann so konfiguriert sein, dass ein entsprechendes Reduziermittel (wie etwa Ammoniak oder Harnstoff) in das Abgas eingespritzt wird, unmittelbar bevor das Abgas in die NOx-Steuereinrichtung eintritt.
  • Verschiedene Ausführungsformen der geschichteten Dieseloxidationskatalysatoreinrichtung (202) von 2 sind hier bei 3–5 dargestellt. Die verschiedenen Ausführungsformen enthalten Ausführungsformen, bei denen mehrere Schichten mit eigenen Formulierungen auf einem Substratträger geschichtet und von diesem getragen werden, sowie Ausführungsformen, bei denen eine oder mehrere Formulierungen in der gleichen Schicht enthalten sind und eine oder mehrere Schichten innerhalb des Substratträgers geschichtet sind.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird eine erste Ausführungsform 300 eines geschichteten Abgasreinigungssystems (wie etwa des geschichteten Dieseloxidationskatalysatorsystems von 2) gezeigt, das an einen Fahrzeugmotorabgaskrümmer (wie etwa den Abgaskrümmer von 1) gekoppelt ist. Das geschichtete System kann eine erste, obere (oder äußere) Schicht 302 umfassen, die einen ersten, oxidierenden Katalysator enthält. Der erste oxidierende Katalysator kann beispielsweise ein Dieseloxidationsstartkatalysator sein. Das geschichtete System kann weiterhin eine zweite Zwischenschicht 304 mit einer HC-Falle zum Einfangen von Abgas-HCs umfassen. Das geschichtete System kann auch eine dritte, untere (oder innere) Schicht 306 mit einem zweiten, anderen oxidierenden Katalysator umfassen. Beispielsweise kann der zweite oxidierende Katalysator ein NO-Oxidationskatalysator sein, der konfiguriert ist zum Oxidieren von Abgas-NO-Spezies zu NO2-Spezies. Die zweite Schicht 304 kann zwischen der ersten und dritten Schicht 302, 304 positioniert sein. Das geschichtete System kann weiterhin einen Substratträger 308 umfassen. Insbesondere kann die dritte Schicht 306 direkt auf (die Oberseite des) Substratträgers geschichtet sein, während die zweite Schicht 304 auf (die Oberseite der) dritten Schicht geschichtet sein kann, und die erste Schicht 302 kann auf (die Oberseite der) zweiten Schicht geschichtet sein. Der Substratträger 304 kann aus einem beliebigen geeigneten Material wie etwa Cordierit, Aluminiumtitanat, Mullit oder Siliziumcarbid sein. Außerdem kann der Substratträger eine Porosität von 42 bis 65% aufweisen. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann der Substratträger einen Dieselpartikelfilter (DPF) mit mehreren Kanälen mit blockierten abwechselnden Enden enthalten. Als solches können verschiedene geeignete Partikelfilter verwendet werden, einschließlich Cordierit, Aluminiumtitanat, Mullit und Siliziumcarbid.
  • Der erste oxidierende Katalysator der ersten Schicht 302 kann konfiguriert sein zum Oxidieren von Abgas-HCs, um eine Abgastemperatur über eine Schwellwerttemperatur anzuheben. Beispielsweise kann der erste oxidierende Katalysator der ersten Schicht Abgas-HCs oxidieren, um periodisch eine exotherme Reaktion für nachgeschaltete Partikelfilter oder HC-Fallen zu erzeugen. Auf diese Weise kann Abgaswärme über einem Schwellwert gehalten werden, der erforderlich ist für das verbesserte Funktionieren der nachgeschalteten Abgasreinigungseinrichtungen, beispielsweise für die Regenerierung eines nachgeschalteten Partikelmateriefilters. Durch Aufnehmen des HC-oxidierenden Katalysators in eine der Schichten kann außerdem die Notwendigkeit für einen eigenen Startkatalysator oder eine andere, die Abgaswärme aufrechterhaltende Einrichtung reduziert werden.
  • Der zweite oxidierende Katalysator der dritten Schicht 306 kann konfiguriert sein zum Einfangen von Abgas-NOx-Spezies. Beispielsweise kann die zweite Schicht eine Mikroporosität aufweisen, die konfiguriert ist zum Zurückhalten von Abgas-HC-Spezies in der zweiten Schicht 304 und Verhindern des Eindringens der HCs in die dritte Schicht 306. Dabei kann die zweite Schicht so bemessen sein, dass sie das Hindurchtreten von Abgas-NOx-Spezies durch die zweite Schicht in die dritte Schicht ermöglicht. Auf diese Weise kann die die HC-Falle enthaltende zweite Schicht als ein Molekularsieb wirken, das HCs mit großem Molekulargewicht während Bedingungen mit magerer Verbrennung oder bei niedriger Temperatur ausfiltert und den NO-oxidierenden Katalysator der dritten Schicht gegenüber schädlichen thermischen Effekten der HC-Adsorption schützt. Durch Integrieren des NO-oxidierenden Katalysators in einer der Schichten kann die Notwendigkeit für eine eigene NO-Oxidationseinrichtung wie etwa einen Plasmareaktor reduziert werden. Außerdem kann die dritte Schicht konfiguriert sein zum Einfangen von NOx-Spezies während Motorkaltstarts und thermischem Desorbieren der NOx-Spezies bei normalen Betriebstemperaturen der Abgasreinigungseinrichtung.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform kann nur der Dieseloxidationsstartkatalysator in der ersten Schicht enthalten sein, während die HC-Falle und der NO-oxidierende Katalysator von der ersten Schicht ausgeschlossen sind. Auf die gleiche Weise kann nur die HC-Falle in der zweiten Schicht enthalten sein, während der erste und der zweite oxidierende Katalysator von der zweiten Schicht ausgeschlossen sind, und nur der NO-oxidierende Katalysator kann in der dritten Schicht enthalten sein, während die HC-Falle und der Dieseloxidationskatalysator von der dritten Schicht ausgeschlossen sind. Auf diese Weise können die verschiedenen Funktionalitäten auf verschiedene Schichten begrenzt werden, um eine funktionale Störung zu reduzieren, während Synergie zwischen den Funktionen ermöglicht wird.
  • Die verschiedenen Schichten können mit verschiedenen Washcoat-Ladungen konfiguriert werden. Außerdem kann die Edelmetallladung der verschiedenen Schichten variieren. Beispielsweise kann die erste Schicht eine erste Washcoat-Ladung und eine erste Edelmetallladung aufweisen, die zweite Schicht kann eine zweite Washcoat-Ladung und eine zweite Edelmetallladung aufweisen, und die dritte Schicht kann eine dritte Washcoat-Ladung und eine dritte Edelmetallladung aufweisen. Die erste, zweite und dritte Washcoat-Ladung und die Edelmetallladungen können auf der Basis der Funktionalität der Schicht ausgewählt werden. Beispielsweise können einige Schichten (z.B. die erste DOC-Schicht) eine höhere Edelmetallladung enthalten, während andere Schichten (z.B. die dritte NO-oxidierende Schicht) möglicherweise keine Edelmetalle enthalten. Außerdem können die Ladungen auf eine spezifische Fahrzeuganwendung und ein spezifisches Abgasemissionsprofil des Motors zugeschnitten werden. Bei noch weiteren Ausführungsformen können die Washcoat- und Edelmetallladungen auf der Basis des Motor-Aus-HC-Gehalts eingestellt werden. Bei einem Beispiel kann die Washcoat-Gesamtladung in dem Bereich von 1,25 bis 4,5 g/in3 mit verschiedenen Washcoat-Ladungsverteilungen für die verschiedenen Schichten liegen.
  • Als ein Beispiel kann die Washcoat-Ladung der ersten Schicht 302 einschließlich dem Dieseloxidationskatalysator 0,25 bis 1,5 g/in3 betragen. Die erste Schicht 302 kann auch eine Edelmetallladung mit einem Platin-(Pt) und einem Palladium-(Pd)Gehalt von 2 bis 180 g/ft3 aufweisen. Das Verhältnis von Pt zu Pd kann im Bereich von 2:1 bis 0:1 liegen. Bei einem Beispiel kann das Pt-Pd-Verhältnis 1:4 betragen.
  • Die Washcoat-Ladung der zweiten Schicht 304 einschließlich der HC-Falle kann 0,5 bis 1,5 g/in3 betragen. Die zweite Schicht 304 kann weiterhin Zeolithmaterial einer entsprechenden Familie mit Aluminosilikaten und Silikoaluminophosphaten (SAPOs) enthalten. Das heißt, bei der Ausführungsform von 3 enthalten die erste und dritte Schicht möglicherweise kein Zeolithmaterial. Das Zeolithmaterial der zweiten Schicht 304 kann weiterhin ionenausgetauschte Metalle wie etwa Ag, Au, Cu, Fe und/oder andere Metalle, die bekannterweise die HC-Adsorption fördern, enthalten. Die Washcoat-Ladung der dritten Schicht 306 einschließlich dem NO-Oxidationskatalysator kann 0,5 bis 1,5 g/in3 betragen. Die dritte Schicht 306 kann so konfiguriert sein, dass sie keine Metalle der Pt-Gruppe enthält. Vielmehr kann die dritte Schicht Mischmetalloxide enthalten. Insbesondere kann die dritte Schicht ein einzelnes Metalloxid oder Mischungen in einem Bereich von 2 bis 20 Gew.-% in der Schicht enthalten. Bei einem Beispiel können die Mischmetalloxide primär Mn oder Co enthalten. Bei einem weiteren Beispiel können die Mischmetalloxide sekundär W und Mo oder tertiär Cu und Fe enthalten.
  • 4 zeigt eine alternative Ausführungsform 400. Hier umfasst das geschichtete Dieseloxidationskatalysatorsystem (DOC) eine erste DOC-Schicht 402, die konfiguriert ist zum Oxidieren von Abgaskohlenwasserstoffen, um eine Abgastemperatur anzuheben, und eine zweite DOC-Schicht 404, die konfiguriert ist zum Einfangen von Abgaskohlenwasserstoffen und zum Verhindern, dass sie in den Substratträger eintreten. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst das DOC-System einen Substratträger 406, der eine höhere Porosität (z.B. über einen Schwellwert) aufweist. Der hochporöse Substratträger kann eine Porosität von 40 bis 80% aufweisen. Die hochporöse Sorte des Substratträgers 406 kann beispielsweise hochporöses Cordierit oder Siliziumcarbit wie in dem hochporösen Substratträger der vorausgegangenen Ausführungsformen enthalten. Noch weiter kann das hochporöse Substrat ein hochporöses DPF-Substrat mit einer Porosität im Bereich von 40 bis 80% enthalten.
  • Der Einsatz eines derartigen hochporösen Substratträgers kann das Integrieren eines zusätzlichen Katalysators oder einer zusätzlichen Formulierung in den Substratträger ermöglichen. Beispielsweise kann, wie gezeigt, eine dritte Schicht mit dem zweiten, NO-oxidierenden Katalysator in dem Substratträger 406 enthalten sein, während die erste und zweite DOC-Schicht 402, 404 von dem Substratträger 406 getragen werden. Durch Integrieren mindestens einer der Schichten in den Substratträger kann eine weitere Kompaktierung innerhalb räumlicher Beschränkungen erzielt werden, während auch der in der geschichteten Abgasreinigungseinrichtung auftretende Abgasgegendruck reduziert wird. Außerdem kann das Erreichen einer Anspringtemperatur beschleunigt werden. Die Washcoat-Ladung der verschiedenen Schichten sowie der Edelmetallgehalt der verschiedenen Schichten der Ausführungsform von 4 kann ähnlich jenen zuvor unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 3 beschriebenen sein.
  • 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform 500. Hierbei umfasst das geschichtete Dieseloxidationskatalysatorsystem (DOC) eine erste DOC-Schicht 502, die konfiguriert ist zum Einfangen und Oxidieren von Abgaskohlenwasserstoffen. Das heißt, die erste und zweite Schicht der Ausführungsformen von 3–4 sind ineinander vereinigt oder enthalten, um synergistische Vorzüge zu liefern. Bei dieser ersten vereinigten Schicht kann Abgas-HC eingefangen werden, und die eingefangenen Abgas-HCs können von dem ersten Oxidationskatalysator oxidiert werden, um eine Abgastemperatur anzuheben und eine exotherme Reaktion für nachgeschaltete Abgasreinigungseinrichtungen periodisch zu erzeugen. Das geschichtete System kann weiterhin eine zweite DOC-Schicht 504, die einen Substratträger (z.B. einen hochporösen Substratträger) umfasst, enthalten, in der der zweite, NOx-oxidierende Katalysator geschichtet ist, wie zuvor in 4 gezeigt. Mit anderen Worten ist die zweite Schicht in dem Substratträger enthalten. Deshalb enthält bei der Ausführungsform von 5 möglicherweise nur die erste Schicht Zeolith und Metalle der Pt-Gruppe (das heißt, die zweite Schicht enthält möglicherweise kein Zeolith oder Metalle der Pt-Gruppe), während möglicherweise nur die zweite Schicht Mischmetalloxide enthält (das heißt, die erste Schicht enthält möglicherweise keine Mischmetalloxide).
  • Unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von 5 kann die Washcoat-Gesamtladung im Bereich von 1,25 bis 4,5 g/in3 bleiben, wobei die Spezifikationen des Startkatalysators, der HC-Falle und des NO-Oxidationskatalysators gleich den zuvor bei 3 angegebenen bleiben. Die Washcoat-Ladungsverteilung zwischen den Schichten kann jedoch variieren. Bei einem Beispiel kann die Washcoat-Ladung der ersten vereinigten Schicht mit der ersten HC-Oxidationskatalysatorfunktion und der HC-Fallenfunktion 0,75 bis 2,5 g/in3 betragen, während die Washcoat-Ladung der zweiten Schicht mit dem Substratträger und dem NO-Oxidationskatalysator 0,5 bis 2 g/in3 betragen kann.
  • Bei jeder der Ausführungsformen von 4–5 ist der erste DOC oder die erste Schicht konfiguriert zum Laden einer ersten Menge an Abgaskohlenwasserstoffen, während der zweite DOC oder die zweite Schicht konfiguriert ist zum Laden und Oxidieren einer zweiten Menge von Abgas-NOx-Spezies und potentiellen Einfangen von NOx während eines Kaltstarts. Bei einem Beispiel kann die zweite Menge an Ladung größer sein als die erste Menge an Ladung. Bei einem alternativen Beispiel kann die zweite Menge unter der ersten Menge an Ladung liegen. Die Schichten können auch hinsichtlich ihrer qualitativen Zusammensetzung differieren. Beispielsweise kann die erste DOC-Schicht Edelmetalle wie Platin und/oder Palladium enthalten, während die zweite DOC-Schicht ein Basismetall wie etwa Mangan ohne solche Edelmetalle enthalten kann.
  • Es versteht sich, dass, während die Ausführungsformen von 3–5 die verschiedenen Formulierungen als verschiedene Schichten zeigen, die auf einem Substratträger geschichtet sind, die verschiedenen Formulierungen in alternativen Ausführungsformen in eigenen Substraten oder Bricks enthalten sein können. Als solches können durch Schichten der verschiedenen Funktionalitäten räumliche Beschränkungen ohne Beeinträchtigung der funktionalen Effizienz besser erfüllt werden.
  • Nunmehr unter Bezugnahme auf 6 wird ein beispielhaftes Verfahren 600 des Betreibens einer vorgeschalteten geschichteten Abgasreinigungseinrichtung und einer oder mehrerer anderer nachgeschalteter Abgasreinigungseinrichtungen, die an einen Motorabgaskrümmer gekoppelt sind, gezeigt. Durch Schicken von Abgas durch die geschichtete Abgasreinigungseinrichtung, bevor das Abgas durch die anderen Abgasreinigungseinrichtungen geschickt wird, kann eine zusätzliche Abgasverarbeitung innerhalb der räumlichen Beschränkungen des Abgaskrümmers erzielt werden, während auch funktionelle Störungen reduziert werden.
  • Bei 602 beinhaltet die Routine das Schicken von Abgas über ein Substrat der geschichteten Einrichtung (wie etwa des geschichteten DOC-Systems) und durch mehrere katalytische Schichten, die von dem Substrat getragen werden. Bei 604 beinhaltet die Routine das Oxidieren von Abgaskohlenwasserstoffen in einer ersten vorgeschalteten katalytischen Schicht der Einrichtung. Hierbei kann durch Oxidieren von Abgaskohlenwasserstoffen in der ersten Schicht eine Temperatur des Abgases über eine Schwellwerttemperatur wie etwa eine Regenerierungstemperatur des PM-Filters angehoben werden. Das heißt, eine periodische exotherme Reaktion kann für die Beibehaltung von Hitze in dem Abgassystem erzeugt werden, wodurch die Leistung der nachgeschalteten Abgasreinigungseinrichtungen verbessert wird.
  • Bei 606 beinhaltet die Routine das Zurückhalten von Abgaskohlenwasserstoffen in einer zweiten katalytischen Zwischenschicht der Einrichtung. Durch Zurückhalten der Abgas-HCs in der zweiten Schicht kann die katalytische Aktivität der dritten, unteren Schicht vor HC-Störung geschützt werden. Bei 608 beinhaltet die Routine das Oxidieren von Abgas-NO-Spezies in einer dritten katalytischen, nachgeschalteten Schicht der Einrichtung. Insbesondere kann Abgas-NO zu NO2 für die nachfolgende Rückhaltung und Verarbeitung in einer nachgeschalteten NOx-Falle oder einer kontinuierlichen Reduktion durch einen geregelten Katalysator oxidiert werden. Als solches kann bei Ausführungsformen der Einrichtung, bei der das Substrat von einer höher porösen Sorte ist und der NO-oxidierende Katalysator der dritten Schicht in dem Substrat enthalten ist, das Oxidieren von Abgas-NO-Spezies in der dritten Schicht das Oxidieren von Abgas-NO-Spezies innerhalb des Substratträgers beinhalten. Nach dem Schicken des Abgases über das Substrat und mehrere Schichten der geschichteten Einrichtung kann die Routine bei 610 das Schicken des Abgases durch eine oder mehrere einer NOx-Falle oder eines geregelten Katalysators und eines PM-Filters, die hinter dem Substrat in dem Abgaskrümmer positioniert sind, beinhalten.
  • Auf diese Weise können verschiedene Abgasreinigungsfunktionen und -formulierungen auf einem Substratträger geschichtet werden, um die verschiedenen Abgasreinigungsfunktionen innerhalb der Verpackungsvolumenbeschränkungen eines Fahrzeugmotorabgaskrümmers zu integrieren. Indem die Konfiguration der Schichten so organisiert wird, dass synergistische Vorzüge gesteigert werden, während die funktionale Störung reduziert wird, kann die Qualität von Abgasemissionen verbessert werden.
  • Es versteht sich, dass die hierin offenbarten Konfigurationen und Prozessflüsse von beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem beschränkenden Sinne zu betrachten sind, da zahlreiche Variationen möglich sind.
  • Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthält alle neuartigen und nicht-offensichtlichen Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere hierin offenbarten Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften. Die folgenden Ansprüche heben gewisse Kombinationen und Teilkombinationen, die als neuartig und nicht-offensichtlich angesehen werden, besonders hervor. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Integration von einem oder mehreren derartiger Elemente beinhalten, wobei zwei oder mehr derartige Elemente weder erforderlich sind noch ausgeschlossen werden. Andere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch eine Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, seien sie breiter, enger, gleich oder verschieden hinsichtlich des Schutzbereichs zu den ursprünglichen Ansprüchen, werden ebenfalls als in dem Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten angesehen.
  • Bezugszeichenliste
  • zu Fig. 6
    • 602
    Schicken von Abgas über ein Substrat aus und durch die mehreren Schichten des geschichteten DOC-Systems
    604
    Oxidieren von Abgas-HCs in einer ersten vorgeschalteten katalytischen Schicht und Anheben der Abgastemperatur
    606
    Zurückhalten von Abgas-HCs in einer zweiten katalytischen Zwischenschicht
    608
    Oxidieren von Abgas-NO in einer dritten nachgeschalteten katalytischen Schicht
    610
    Schicken von Abgas durch die NOx-Falle und/oder den PM-Filter, hinter dem beschichteten DOC-System im Abgaskrümmer positioniert End-Ende
  • 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
    • US 6167696 [0003]
    • US 7181903 [0003]

Claims (20)

  1. Geschichtetes Abgasreinigungssystem, das an einen Fahrzeugmotorabgaskrümmer gekoppelt ist, umfassend: eine erste, obere Schicht mit einem ersten, oxidierenden Katalysator; eine zweite Zwischenschicht mit einer HC-Falle zum Einfangen von Abgas-HCs und eine dritte, untere Schicht mit einem zweiten, anderen oxidierenden Katalysator, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht positioniert ist.
  2. System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Substratträger.
  3. System nach Anspruch 2, wobei die dritte Schicht auf dem Substratträger geschichtet ist.
  4. System nach Anspruch 2, wobei der Substratträger eine Porosität aufweist, die über einem Schwellwert liegt, und wobei die dritte Schicht innerhalb des Substratträgers enthalten ist.
  5. System nach Anspruch 1, wobei der erste oxidierende Katalysator konfiguriert ist zum Oxidieren von Abgas-HCs, um eine Abgastemperatur über eine Schwellwerttemperatur anzuheben.
  6. System nach Anspruch 1, wobei der zweite oxidierende Katalysator konfiguriert ist zum Oxidieren und/oder Einfangen von Abgas-NOx-Spezies.
  7. System nach Anspruch 1, wobei die zweite Schicht eine Porosität aufweist, die konfiguriert ist zum Halten von Abgas-HC-Spezies in der zweiten Schicht und Ermöglichen des Passierens von Abgas-NOx-Spezies durch die zweite Schicht in die dritte Schicht.
  8. System nach Anspruch 1, wobei nur die zweite Schicht einen Zeolith enthält.
  9. System nach Anspruch 1, wobei eine oder mehrere der ersten, zweiten und dritten Schicht weiterhin einen Dieseloxidationskatalysator enthalten.
  10. System nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht eine erste Washcoat-Beladung und Edelmetallinhalt aufweist, die zweite Schicht eine zweite Washcoat-Beladung und Edelmetallinhalt aufweist und die dritte Schicht eine dritte Washcoat-Beladung und Edelmetallinhalt aufweist, wobei die erste Beladung von jeder der zweiten und dritten Beladung verschieden ist und wobei der erste Inhalt von jedem des zweiten und dritten Inhalts verschieden ist.
  11. Geschichtetes Dieseloxidationskatalysatorsystem (DOC – Diesel Oxidation Catalyst), umfassend: eine erste DOC-Schicht, konfiguriert zum Einfangen von Abgaskohlenwasserstoffen und/oder Oxidieren von Abgaskohlenwasserstoffen zum Anheben einer Abgastemperatur; eine zweite DOC-Schicht, konfiguriert zum Einfangen von Abgas-NOx-Spezies und/oder Oxidieren von Abgas-NO.
  12. System nach Anspruch 11, weiterhin umfassend einen Substratträger, wobei die erste und zweite DOC-Schicht von dem Substratträger getragen werden.
  13. System nach Anspruch 12, wobei die zweite Schicht in dem Substratträger enthalten ist.
  14. System nach Anspruch 11, wobei die erste Schicht Zeolith enthält und die zweite Schicht kein Zeolith enthält.
  15. System nach Anspruch 11, wobei jede der ersten und zweiten Schicht einen DOC enthält.
  16. System nach Anspruch 11, wobei die erste Schicht Pt und/oder Pd enthält und wobei die zweite Schicht kein Pt oder Pd enthält.
  17. Verfahren zum Betreiben einer an einen Motorabgaskrümmer gekoppelten Abgasreinigungseinrichtung, umfassend: Schicken von Abgas über ein Substrat der Einrichtung und durch mehrere, von dem Substrat getragene katalytische Schichten; Oxidieren von Abgaskohlenwasserstoffen in einer ersten, vorgeschalteten katalytischen Schicht der Einrichtung; Halten von Abgaskohlenwasserstoffen in einer zweiten katalytischen Zwischenschicht der Einrichtung und Oxidieren von Abgas-NO-Spezies in einer dritten, nachgeschalteten katalytischen Schicht der Einrichtung.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend, nach dem Schicken des Abgases über das Substrat der Einrichtung, das Schicken des Abgases durch eine NOx-Falle, einen NOx-reduzierenden Katalysator und/oder einen hinter dem Substrat in dem Abgaskrümmer positionierten PM-Filter.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Oxidieren von Abgaskohlenwasserstoffen in der ersten Schicht das Anheben einer Temperatur des Abgases über eine Regenerierungstemperatur des PM-Filters beinhaltet.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Substrat eine Porosität aufweist und die dritte Schicht in dem Substrat enthalten ist, so dass das Oxidieren von Abgas-NOx-Spezies in der dritten Schicht das Oxidieren von Abgas-NO-Spezies in dem Substrat beinhaltet.
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