DE102013200361B4

DE102013200361B4 - Abgasnachbehandlungssystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102013200361B4
Application number: DE102013200361.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Harmsen; Matthew Schneider
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: CN103306784A; DE102013200361A1; US8978368B2; US20130232953A1; CN103306784B

Abstract

Abgasnachbehandlungssystem (1) für ein Kraftfahrzeug (15) mit einem turbogeladenen Verbrennungsmotor (2), aufweisend eine großvolumige Mager-NOx-Falle (5), die mittels eines kurzen Verbindungsrohrs (4) mit einem Ausgang eines Turboladers (3) verbunden ist, wobei die Mager-NOx-Falle (5) einen ersten Bereich (6) zur Speicherung und/oder Reduzierung von NOx und Oxidation von NO nach NO2 und/oder zur Oxidation von Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxid im Abgas und einen stromabwärts des ersten Bereichs (6) liegenden zweiten Bereich (7) zur Speicherung und/oder Reduktion von NOx im Abgas aufweist, wobei der erste Bereich (6) einen höheren Anteil an Metallen der Platingruppe aufweist als der zweite Bereich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem, ein Kraftfahrzeug mit diesem Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Abgasnachbehandlung eines turbogeladenen Motors mit einer Mager-NOx-Falle.
Weitere Emissionsbeschränkungen zukünftiger Regelungen werden immer wirksamere Abgasnachbehandlungssysteme erfordern, insbesondere um Stickstoff-(NOx), aber auch Kohlenwasserstoff-(HC) und/oder Kohlenmonoxid-(CO) und Partikelemissionen von Magerverbrennungsmotoren zu reduzieren. Es existiert ein Konzept einer NOx Regelung, bei dem im mageren Betrieb NOx gespeichert wird und im periodischen fetten Betrieb das gespeicherte NOx regeneriert wird.
Die Mager-NOx-Fallen oder LNTs (Lean NOx Trap) haben einen Kostennachteil, da sie für die gleichzeitige Kontrolle von CO, HC und NOx eine hohe Beladung an Metallen der Platingruppe (PGM, Platin Group Metal) erfordern.
Bei steigenden Anforderungen an die Senkung der NOx Konzentration im Abgas könnte eine Lösung darin bestehen, das LNT Volumen zu erhöhen, um die geforderten NOx Pegel am Endrohr zu erreichen sowie um weiteren potentiellen Fahrzyklen oder Nutzerprofilen zu entsprechen.
US 2011/0061371 A1 beschreibt eine Kohlenwasserstoff- und NOx-Falle zur Reduktion von bei einem Kaltstart auftretenden NOx Emissionen. Die Falle hat zwei Zonen oder Schichten, wobei eine Zone die Kohlenwasserstoff-Falle und die andere Zone die NOx-Falle ist.
US 2009/0217652 A1 und US 2011/0099975 A1 zeigen einen Oxidationskatalysator mit mehreren Zonen oder Schichten zur Optimierung der Konvertierung von CO und HC. Die Zonen weisen unterschiedlich hohe Beladungen an Metallen der Platingruppe auf.
US 2008 / 0184 701 A1 offenbart eine Abgasreinigungseinheit für eine Brennkraftmaschine. Dazu ist ein NOx-Speicher- und Reduktionskatalysator in einem Abgaskanal eines Motors angeordnet. Er speichert und reduziert im Abgas enthaltenes NOx. In dem Abgaskanal ist stromabwärts des NOx-Speicher- und Reduktionskatalysators ein H2-Sensor zum Erfassen einer Wasserstoffkonzentration im Abgas angeordnet. Hat der NOx-Speicher- und Reduktionskatalysator eine vorbestimmte Menge an NOx gesammelt, wird die Brennkraftmaschine mittels einer elektronischen Steuereinheit mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben um den NOx-Speicher- und Reduktionskatalysator zu regenerieren. Während des Regenerationsbetriebs überwacht der H2-Sensor den Wasserstoffanteil im Abgas.
DE 10 2005 058 858 A1 zeigt ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem das Abgas durch eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Speicherkatalysatoranordnung entstickt wird. Dazu ist vorgesehen, das Abgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen in einem ersten, motornah angeordneten NOx-Speicherkatalysator und anschließend in einem zweiten, motorfern angeordneten NOx-Speicherkatalysator zu entsticken. Im Kaltstart- und Teillastbetrieb arbeitet der motornahe NOx-Speicherkatalysator in einem günstigen Arbeitsfenster und übernimmt den größeren Anteil der Entstickung. Im Volllastbetrieb arbeitet der motorfern angeordnete NOx-Speicherkatalysator in einem günstigen Arbeitsfenster, so dass er bei dieser Betriebsweise den größeren Anteil an der Entstickung übernimmt.
EP 1 939 420 A1 offenbart ein Verfahren zum Entschwefeln von Stickoxid-Speicherkatalysatoren in einer Abgasanlage eines Magermotors. Dazu sind die Zylinder des Magermotors in zwei Gruppen zusammengefasst, die ihr Abgas in zwei zugeordnete Abgasleitungen abgeben, in denen jeweils mindestens ein Stickoxid-Speicherkatalysator angeordnet ist. Die beiden Abgasleitungen sind hinter den Speicherkatalysatoren zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammengefasst, die einen Katalysator enthält, der unter stöchiometrischen Bedingungen eine Dreiweg-Funktion besitzt. Die beiden Stickoxid-Speicherkatalysatoren werden gemäß der EP 1 939 420 A1 zeitlich gegeneinander versetzt entschwefelt. Während der eine Speicherkatalysator zur Entschwefelung von fettem Abgas hoher Temperatur durchströmt wird, wird der zweite Speicherkatalysator von magerem Abgas durchflossen, derart, dass das zusammengeführte Abgas während der gesamten Entschwefelungsdauer stöchiometrisch zusammengesetzt ist.
Aus der DE 102010032076 A1 geht eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs hervor, welche eine erste Turbine eines ersten Turboladers, eine zweite Turbine eines zweiten Turboladers, und eine Schadstoffbegrenzungsvorrichtung umfasst, die zwischen der ersten und zweiten Turbine verbaut ist. Die erste Turbine befindet sich stromaufwärts der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung und ist mit einem Kompressor stromaufwärts in einem Einlass des Motors verbunden und die zweite Turbine befindet sich stromabwärts der Schadstoffbegrenzungsvorrichtung und ist mit einem Kompressor stromabwärts in dem Einlass des Motors verbunden ist. Die erste Turbine ist insbesondere kleiner als die zweite Turbine.
Die US 8062618 B2 stellt ein Diesel-Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren bereit. Das System umfasst eine Mager-NOx-Falle (LNT) zur Verringerung von NOx und einen stromabwärts der Mager-NOx-Falle angeordneten Übergangs-metallausgetauschten-Zeolith-Booster-Katalysator für die weitere Reduktion von NOx. Die Mager-NOx-Falle umfasst ein NOx adsorbierendes Material und ein oder mehrere Metalle der Platingruppe und einen Platingruppenmetallbeladung von weniger als etwa 90 g / ft 3.
Die US 2011/0035941 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Emissionsbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Dabei werden beschichtete Fasern zwischen Lagen aus einem porösen Substrat angeordnet, um mehrere im Wesentlichen parallele Lagen mit einer ersten Gruppe von Lagen zu bilden, die zumindest teilweise entlang der gesamten Länge der Schicht offen sind. Das poröse Substrat kann ein Edelstahlgewebe sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Abgasnachbehandlungssystem, ein Kraftfahrzeug mit diesem Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bereitzustellen, welche NOx-Emissionen auf kostengünstige Weise verringern.
Diese Aufgabe wird mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 sowie einem Abgasnachbehandlungsverfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und in der Beschreibung dargestellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem turbogeladenen Verbrennungsmotor eine großvolumige Mager-NOx-Falle (LNT), die mittels eines kurzen bzw. sehr kurzen Verbindungsrohrs mit einem Ausgang eines Turboladers verbunden ist, wobei die Mager-NOx-Falle einen ersten Bereich zur Speicherung/Reduzierung von NOx und Oxidation von NO nach NO2 aber auch zur Oxidation von Kohlenwasserstoff (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO) im Abgas und einen stromabwärts des ersten Bereichs liegenden zweiten Bereich zur Speicherung und/oder Reduktion von Stickoxiden (NOx) im Abgas aufweist. Dabei weist der erste Bereich einen höheren Anteil an Metallen der Platingruppe auf als der zweite Bereich. Hierzu kann der erste Bereich eine Beschichtung mit einem relativ hohen PGM Anteil und relativ wenig oder keinem NOx-Speichermaterial enthalten und der zweite Bereich relativ wenig PGM und relativ viel NOx-Speichermaterial enthalten. Die Mager-NOx-Falle ist bevorzugt großvolumig, wobei der Begriff großvolumig bedeutet, dass das Volumen des LNT, insbesondere des zweiten Bereichs, groß genug ist, um eine Speicherung/Reduktion der NOx Konzentration unter eine gewünschte Grenze zu erreichen, auch wenn die Konzentration an Metallen der Platingruppe (PGM) niedriger als in einem üblichen LNT ist. Der Begriff kurz bedeutet, dass das Abgas so schnell wie möglich dem ersten Bereich aufheizt, so dass eine Speicherung von NOx und Oxidation von NO nach NO2 und Reduktion von HC und/oder CO erfolgen kann. Diese Temperatur liegt üblicherweise bei etwa 170 bis 200°C.
Der LNT kann ein großes Volumen aufweisen, weil er dann auch eine große Menge NOx-Speichermaterial enthalten kann, um so sehr geringe NOx Emissionen zu erreichen. Dadurch dass der erste Bereich einen hohen PGM Anteil zur CO/HC und/oder NOx Kontrolle aufweist, kann der zweite Bereich mit geringem PGM Anteil ohne Kostennachteil in seiner Größe ausreichend groß zur Speicherung und/oder Reduktion von Stickoxiden bemessen werden.
Gemäß der Erfindung stellen die Verwendung eines Turboladers und das kurze Verbindungsrohr, das heißt die räumlich nahe Anordnung des LNT an dem Turbolader, sicher, dass Abgas mit einer relativ hohen Temperatur in den LNT einströmt. Diese relativ hohe Temperatur im Bereich von etwa 170 bis 200°C erlaubt eine Speicherung von NOx aber auch eine HC und/oder CO Reduktion in dem ersten Bereich des LNT. Im dem stromabwärts liegenden zweiten Bereich erfolgt eine weitere NOx Speicherung bzw. Konvertierung die nicht so temperaturkritisch ist. Wenn die Temperatur hoch genug ist, können die gespeicherten NOx in einem fetten Betrieb reduziert werden. Dieser modulare Aufbau des LNT erlaubt eine Kostenreduktion, da für die jeweilige Reduktion bzw. Konvertierung von Bestandteilen des Abgases die erforderlichen Bedingungen, wie zum Beispiel die Menge an Metallen der Platingruppe (PGM), nicht im gesamten LNT sondern nur in den einzelnen Bereichen geschaffen werden müssen.
Der erste Bereich weist erfindungsgemäß einen höheren Anteil an Metallen der Platingruppe auf als der zweite Bereich. Dies erlaubt eine weitere Kostenreduktion, da die teuren Metalle der Platingruppe nur dort verwendet werden, wo sie wirklich benötigt werden, nämlich zur Oxidation von NO nach NO2 und zur Oxidation von Kohlenwasserstoff (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO). Auch die Speicherung und Reduzierung von NOx benötigt PGM, aber das Vorhandensein im ersten Bereich macht es möglich, viel weniger PGM im zweiten Bereich zu haben. Der potenziell teurere erste Bereich wird mithin kleiner ausgefertigt, als der potenziell billigere zweite Bereich. Die Mager-NOx-Falle ist dadurch vorteilhaft preiswerter herzustellen.
Der erste und der zweite Bereich können in einem Gehäuse angeordnet sein, was eine kompakte Bauform erlaubt.
Der erste Bereich weist bevorzugt ein kleineres Volumen auf, als der zweite Bereich. Das Verhältnis zwischen dem ersten Bereich (6) und dem zweiten Bereich (7) kann insbesondere kleiner gleich 0,5 sein. Dieses Verhältnis optimiert das Verhältnis zwischen effektiver Abgasnachbehandlung und Kosten, die hier im Wesentlichen durch die Menge an PGM entstehen. Dieses optimale Verhältnis kann für jede Anwendung anders sein.
Die Länge des Verbindungsrohrs kann etwa 5 bis 50 cm betragen. Die Länge ist sehr kurz, so dass das System so schnell wie möglich aufheizt, um die Katalysatorzündtemperatur schnell zu erreichen. Auf diese Weise wird eine gute Konvertierung von Kohlenwasserstoff (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO) erzielt und es wird auch eine Speicherung von NOx und Oxidation von NO nach NO2 erreicht.
Stromabwärts der Mager-NOx-Falle kann ein Dieselpartikelfilter angeordnet sein, wobei der Dieselpartikelfilter einen ersten Bereich mit einem Dieseloxidationskatalysator oder einem exothermen Katalysator und einen stromabwärts liegenden zweiten Bereich mit einer SCR Washcoat-Oberfläche aufweisen kann. Der erste Bereich kann PGM enthalten oder er kann frei von diesen Metallen sein. Der Dieselpartikelfilter erlaubt eine weitere Nachbehandlung des Abgases. Es können zum Beispiel Partikel und/oder NH3, das zum Beispiel im zweiten Bereich der Mager-NOx-Falle entstehen kann, gefiltert bzw. reduziert werden. Dazu kann der zweite Bereich der Mager-NOx-Falle einen derart niedrigen Anteil an Metallen der Platingruppe aufweisen, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors NH3 erzeugbar ist.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung weist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einen Verbrennungsmotor, einen Turbolader und das zuvor beschriebene Abgasnachbehandlungssystem auf, wobei die Mager-NOx-Falle unmittelbar stromabwärts des Turboladers angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor ist bevorzugt ein für einen Magerbetrieb ausgelegter Verbrennungsmotor.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems kommen so dem Kraftfahrzeug zugute. Insbesondere die Kombination aus turboaufgeladenen Verbrennungsmotor und erfindungsgemäßem Abgasnachbehandlungssystem ergibt eine besonders günstige Kombination, da das preiswerte Abgasnachbehandlungssystem potenzielle Mehrkosten für den Turbolader ausgleichen kann. In der Summe kann mit gleichem finanziellem Aufwand ein effizienteres Kraftfahrzeug mit besonders geringem Schadstoffanteil im Abgas erzeugt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines turbogeladenen Verbrennungsmotors die folgenden Schritte:

– unmittelbares Einleiten von heißem Abgas des turbogeladenen Verbrennungsmotors aus dem Turbolader in einen ersten Bereich einer Mager-NOx-Falle;
– Oxidation von NO nach NO2 und/oder Speicherung und/oder Reduktion von NOx und/oder Oxidation von Kohlenwasserstoff (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO) im Abgas in dem ersten Bereich;
– Weiterleiten des Abgases in einen zweiten Bereich der Mager-NOx-Falle; und
– Speicherung und/oder Reduktion von Stickoxiden (NOx) im Abgas in dem zweiten Bereich.

Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben. Insbesondere das unmittelbare Einleiten des Abgases aus dem Turbolader in die Mager-NOx-Falle stellt eine möglichst hohe Abgastemperatur und bessere Reaktionsfähigkeit sicher. Damit kann der erste Bereich der Mager-NOx-Falle ein kleineres Volumen aufweisen.
Der Begriff heißes Abgas umfaßt diejenigen Abgastemperaturen, bei denen eine sogenannte light-off Temperatur oder Zündungstemperatur, d. h. die Temperatur, bei der der Katalysator warm genug ist, um die Schadstoffemissionen mit guter oder optimaler Wirksamkeit zu reduzieren, erreicht ist. Dies kann eine CO und HC light-off Temperatur im ersten Bereich sein.
Das aus der Mager-NOx-Falle austretende Abgas kann in einem Dieselpartikelfilter weiter nachbehandelt werden. So können zum Beispiel Partikel mittels NH3, welches im zweiten Bereich der Mager-NOx-Falle entstehen kann, konvertiert werden.
Stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (DPF) kann dem Abgas ein Mittel zur Unterstützung der Nachbehandlung zugeführt werden. Das Mittel, zum Beispiel eine HC Injektion oder Verdampfung zur Regeneration des DPF, kann entweder zwischen der Mager-NOx-Falle (LNT) und dem DPF oder auch vor dem LNT eingebracht, zum Beispiel um Prozesse in dem LNT zu unterstützen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben, es zeigen:
1 ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß der Erfindung,
2a, 2b und 2c spezielle Ausgestaltungen eines Abgasnachbehandlungssystems bzw. einer Mager-NOx-Falle gemäß der Erfindung und
3 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und schränken diese nicht ein. Die Zeichnungen und die einzelnen Teile sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile.
Die 1 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem 1 für einen Verbrennungsmotor 2 zum Beispiel eines in der 3 gezeigten Kraftfahrzeugs 15. Der Verbrennungsmotor 2 ist mit einem Turbolader 3 ausgestattet. Der Begriff Abgasnachbehandlungssystem kann neben den klassischen Komponenten zur reinen Abgasnachbehandlung hier auch den Turbolader 3 umfassen. Der Motor 2 kann ein Dieselmotor und/oder ein Magermotor sein.
An einen Ausgang des Turboladers 3 schließt sich ein kurzes Verbindungsrohr 4 an. Die Länge des Verbindungsrohres 4 ist derart bemessen, dass aus dem Turbolader 3 austretendes Abgas seine Temperatur nur unwesentlich einbüßt. Stromabwärts bedeutet in einer Richtung, in der das Abgas durch das Abgasnachbehandlungssystem 1 strömt. In 1 bedeutet dies von links nach rechts.
An das kurze Verbindungsrohr 4 schließt sich eine großvolumige Mager-NOx-Falle 5 an, die hier synonym als LNT 5, für Lean NOx Trap, bezeichnet wird. Die Mager-NOx-Falle 5 weist einen stromaufwärts liegenden ersten Bereich, Streifen oder Zone 6 und einen sich daran anschließenden stromabwärts liegenden zweiten Bereich 7 auf. Ein Eintrittsbereich oder Übergangsbereich 8, der den Durchmesser des kurzen Verbindungsrohrs 4 auf den größeren Durchmesser des LNT 5 erweitert, kann separat betrachtet oder als dem ersten Bereich 6 zugehörig angesehen werden. Entsprechend kann ein Austrittsbereich oder Übergangsbereich 9, der den Durchmesser des LNT 5 wieder verringert, separat betrachtet oder als dem zweiten Bereich 7 zugehörig angesehen werden. Der erste Bereich 6 und der zweite Bereich 7 sind hier in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.
Der erste Bereich 6 dient zumindest hauptsächlich zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen HC und/oder Kohlenmonoxid CO im Abgas. Daneben findet eine Oxidation von NO nach NO2 und eine Speicherung und/oder Reduktion von NOx statt. Dazu weist der erste Bereich einen hohen Anteil an Metallen der Platingruppe (PGM) auf. Dieser hohe Anteil und die räumliche Nähe zu dem Turbolader 3, was schnell nach dem Kaltstart eine ausreichende Abgastemperatur garantiert, erlauben eine ausreichende Zündungstemperatur für die Oxidation von NO nach NO2 und Speicherung/Reduktion von NOx und Oxidation von HC und CO.
Der zweite Bereich 7 dient zur Reduktion bzw. Konvertierung von Stickoxiden (NOx) im Abgas, bzw. zur weiteren Reduktion bzw. Konvertierung. Dazu reicht es aus, wenn der zweite Bereich 7 einen relativ niedrigen Anteil an Metallen der Platingruppe aufweist. Dieser Bereich hat aber eine sehr große NOx-Speicherkapazität. Somit weist der erste Bereich 6 einen höheren Anteil an Metallen der Platingruppe auf als der zweite Bereich 7. Das so genannte washcoat-Material bzw. die Beschichtung und/oder NOx-Speichermaterial in dem zweiten Bereich 7 ist für die Speicherung und Reduzierung von NOx bei dem niedrigen Anteil von Metallen der Platingruppe ausreichend. Das NOx-Speichermaterial kann in dem ersten Bereich 6 und dem zweiten Bereich 7 in gleicher Menge und/oder Struktur vorhanden sein. Vorzugweise ist aber der erste Bereich 6 für ein schnelles Light-off optimiert und der zweite Bereich 7 ist für die Speicherung von einer großen Menge NOx optimiert.
Mit den folgenden Dimensionierungen von dem kurzen Verbindungsrohr 4 und dem LNT 5 ist ein effizienter Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems 1 sichergestellt. Dies bedeutet, dass die Konzentration oder Menge von NOx, HC und/oder CO im Abgas unter den gewünschten Grenzwerten liegt.
Die Länge l des kurzen Verbindungsrohrs 4 kann im Bereich von etwa 5 bis 50 cm liegen. Wobei die Länge l je nach Anwendung, zum Beispiel verwendetem Motor, variieren kann. Vorzugsweise ist das Verbindungsrohr 4 so kurz wie möglich ausgebildet. Die Länge l kann in der Größenordnung des Durchmessers D der der Mager-Nox-Falle 5 liegen, ist vorzugsweise jedoch kleiner.
Der zweite Bereich 7 hat ein größeres Volumen als der erste Bereich 6. Vorzugsweise ist der zweite Bereich 7 mindestens doppelt so groß wie der erste Bereich 6. Je nach Anwendung, das heißt insbesondere je nach zu reduzierender bzw. zu speichernder NOx Menge, kann der zweite Bereich 7 auch wesentlich größer sein, beispielsweise fünf bis acht Mal so groß oder noch größer. Das Verhältnis zwischen dem ersten Bereich 6 und dem zweiten Bereich 7 ist demnach vorzugsweise kleiner gleich 0,5.
Stromabwärts des LNT 5 ist als ein weiterer optionaler Bestandteil des Abgasnachbehandlungssystems 1 ein Dieselpartikelfilter 10 (DPF) vorgesehen. Der Dieselpartikelfilter 10 ist über ein Rohr 11 mit der Mager-NOx-Falle 5 verbunden. Da der Dieselpartikelfilter 10 räumlich entfernt von dem LNT 5 angeordnet sein kann, kann das Rohr 11 deutlich länger als das kurze Verbindungsrohr 4 sein. Es ist aber auch möglich dass kein Rohr 11 vorhanden ist und dass der DPF im gleichen Gehäuse wie der LNT angeordnet ist.
Stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 10 ist ein Injektor oder Verdampfer 12 angeordnet, der Mittel oder Hilfsstoffe für die Abgasnachbehandlung in dem Dieselpartikelfilter 10 in das Abgas einbringt.
Der DPF 10 kann eine optionale SCR, selektive katalytische Reduktion, Beschichtung und/oder weitere Katalysatoren/Funktionen oder einen LNT auf einem DPF Substrat aufweisen. Das Konzept von SCR auf einem DPF Substrat kann vorteilhaft sein, wenn der LNT 5 nah zum Turbolader 3 angeordnet ist und NH3 produziert. Dann kann im DPF 10 NH3 eingefangen und für eine zusätzliche NOx Konvertierung auf dem DPF Substrat genutzt werden. Die Ausbildung des zweiten Bereichs 7 des LNT 5 mit niedriger PGM Konzentration kann derart ausgelegt werden, dass NH3 erzeugt wird.
Dadurch kann die zusätzliche NOx Konvertierung des DPF 10 weiter gesteigert werden.
In einer anderen Ausbildung des DPF 10 kann dieser einen vorderen Bereich 13 und einen stromabwärts liegenden hinteren Bereich 14 aufweisen. Der vordere Bereich 13 hat eine Dieseloxidationskatalysator(DOC)-Beschichtung, während der hintere Bereich 14 wie ein DPF ausgebildet ist, zum Beispiel mit einer SCR washcoat Beschichtung oder Material. Der Injektor 12 bringt in diesem Fall HC stromaufwärts des DPF 10 in das Abgas ein, um eine Regenerierung des DPF zu unterstützen.
Anhand der 2a, 2b und 2c werden verschiedene Ausführungen des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 1 bzw. des LNT 5 beschrieben.
In 2a ist vereinfacht der in 1 dargestellte Fall des LNT 5 gezeigt. Der erste Bereich 6 hat einen höheren PGM Pegel 1A als der PGM Pegel 2A des zweiten Bereichs 7. Der erste Bereich 6 hat ein kleineres Volumen als der zweite Bereich.
In den 2b und 2c sind Abgasnachbehandlungssysteme 1 bzw. LNT 5 dargestellt, die für eine kältere Abgastemperatur als in 1 ausgelegt sind.
Gemäß 2b hat der erste Bereich 6 einen höheren PGM Pegel 1B als der PGM Pegel 2B des zweiten Bereichs 7 und auch als der PGM Pegel 1A des ersten Bereichs 6 aus 2a. Anders ausgedrückt kann für eine niedrigere Abgastemperatur die Menge an PGM im ersten Bereich 6 des LNT 5 erhöht werden. Der PGM Menge 2B des zweiten Bereichs 7 aus 2b kann den Bedürfnissen angepaßt werden und kann dann kleiner, größer oder gleich der PGM Menge aus 2a sein.
Gemäße 2c entspricht die PGM Menge des ersten Bereichs 6 der PGM Menge des ersten Bereichs 6 aus 2a. Jedoch ist die Länge L₂ des ersten Bereichs 6 aus 2c größer als die Länge L₁ des ersten Bereichs 6 aus 2b. Anders ausgedrückt kann für eine niedrigere Abgastemperatur die Länge L des ersten Bereichs 6 des LNT 5 erhöht werden.
Im Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems 1 bzw. des LNT 5 wird heißes Abgas des turbogeladenen Verbrennungsmotors 2 in den ersten Bereich 6 des LNT 5 geleitet, das dort eine Oxidation von NO nach NO2 und Speicherung/Reduktion von NOx sowie eine Oxidation von HC und/oder CO zum Beispiel basierend auf PGM erfährt. Das Abgas strömt oder wird weitergeleitet in den zweiten Bereich 7, wo eine weitere NOx Speicherung/Reduktion geschieht. Anschließend wird das Abgas in einem DPF 10 weiter nachbehandelt. Je nach Aufbau des DPF 10 kann mittels eines Injektors 12 ein oder mehrere Mittel oder Zusatzstoffe zur Unterstützung der Verarbeitung oder einer Regeneration des DPF 10 in das Abgas eingebracht werden.
In der 3 ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 15 skizziert. Das Kraftfahrzeug 15 weist den Verbrennungsmotor 2 und stromabwärts des Verbrennungsmotors 2 das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem 1 auf.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (1) für ein Kraftfahrzeug (15) mit einem turbogeladenen Verbrennungsmotor (2), aufweisend eine großvolumige Mager-NOx-Falle (5), die mittels eines kurzen Verbindungsrohrs (4) mit einem Ausgang eines Turboladers (3) verbunden ist, wobei die Mager-NOx-Falle (5) einen ersten Bereich (6) zur Speicherung und/oder Reduzierung von NOx und Oxidation von NO nach NO2 und/oder zur Oxidation von Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxid im Abgas und einen stromabwärts des ersten Bereichs (6) liegenden zweiten Bereich (7) zur Speicherung und/oder Reduktion von NOx im Abgas aufweist, wobei der erste Bereich (6) einen höheren Anteil an Metallen der Platingruppe aufweist als der zweite Bereich.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich (6) und der zweite Bereich (7) in einem Gehäuse angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Bereich (6) ein kleineres Volumen als der zweite Bereich 7 aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verhältnis zwischen dem ersten Bereich (6) und dem zweiten Bereich (7) kleiner gleich 0,5 ist.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Länge (l) des Verbindungsrohrs (4) 5 bis 50 cm beträgt.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei stromabwärts der Mager-NOx-Falle (5) ein Dieselpartikelfilter (10) angeordnet ist, wobei der Dieselpartikelfilter (10) einen vorderen Bereich (13) mit einem Dieseloxidationskatalysator oder einem exothermen Katalysator und einen stromabwärts liegenden hinteren Bereich (14) mit einer SCR washcoat-Oberfläche aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Bereich (7) eine derart niedrigen Anteil an Metallen der Platingruppe aufweist, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors NH3 erzeugbar ist.
Kraftfahrzeug (15) mit einem Verbrennungsmotor (2), einem Turbolader (3) und einem Abgasnachbehandlungssystem (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mager-NOx-Falle (5) unmittelbar stromabwärts des Turboladers (3) angeordnet ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines turbogeladenen Verbrennungsmotors (2), mit den folgenden Schritten: – unmittelbares Einleiten von heißem Abgas des turbogeladenen Verbrennungsmotors (2) aus dem Turbolader (3) in einen ersten Bereich (6) einer Mager-NOx-Falle (5); – Oxidation von NO nach NO2 und Speicherung und/oder Reduktion von NOx und/oder Oxidation von Kohlenwasserstoff und/oder Kohlenmonoxid im Abgas in dem ersten Bereich (6); – Weiterleiten des Abgases in einen zweiten Bereich (7) der Mager-NOx-Falle (5); und – Speicherung und/oder Reduktion von Stickoxiden im Abgas in dem zweiten Bereich (7).
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 9, wobei das aus der Mager-NOx-Falle (5) austretende Abgas in einem Dieselpartikelfilter (10) weiter nachbehandelt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 9 oder 10, wobei stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (10) dem Abgas ein Mittel zur Unterstützung der Nachbehandlung zugeführt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei im zweiten Bereich (7) NH3 gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das NH3 für eine zusätzliche NOx Konvertierung genutzt wird.