DE102014117602A1

DE102014117602A1 - Katalysatorsystem für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102014117602A1
Application number: DE102014117602.2A
Authority: DE
Inventors: Sung Mu Choi
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-03-17

Abstract

Offenbart wird ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor. Das Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist dazu eingerichtet, eine größere Menge an NH3 von einem LNT-Katalysator zu einem SCR-Katalysator auszulassen, wenn die Katalysatoren den gleichen Raum belegen, wodurch es dem SCR-Katalysator ermöglicht wird, seine Katalyse Tätigkeit des Reinigens von Stickoxiden (NOx) auszuführen, wodurch es ermöglicht wird, den Verbrennungsmotor im fetten Modus nur für eine relativ kurze Zeitdauer zu betreiben, während die gleiche Reinigungsleistung sichergestellt werden kann, weshalb zu einer Verbesserung der Kraftstoffeffizienz beigetragen wird, und wodurch CO, dass während des Auslassens von NH3 aus dem LNT-Katalysator erzeugt wird, angemessen entsorgt wird, weshalb eine Verbesserung beim Reinigen von Abgasemissionen erzielt wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Katalysatorsystem zum Verringern von schädlichen Stoffen des Abgases von einem Dieselmotor.
2. Beschreibung der bezogenen Technik
Mit Bezug auf die 1 gibt es ein konventionelles Katalysatorsystem für einen Dieselmotor, aufweisend einen Mager-Stickoxid-Falle(LNT für englisch „Lean Nox Trap“)-Katalysator, der auf einen Waben-Träger geladen bzw. aufgebracht ist, der sich stromabwärts von einem Verbrennungsmotor befindet, einen Dieselpartikelfilter (DPF), der mit einem Selektive-katalytische-Reduktion(SCR)-Katalysator beschichtet ist (im Folgenden auch bezeichnet als „SCR/DPF“) und sich stromabwärts von dem LNT-Katalysator befindet, einen vorderen Lambdasensor 501, der sich stromaufwärts von dem LNT-Katalysator befindet, und einen hinteren Lambdasensor 503, der sich stromabwärts von dem SCR/DPF befindet.
Dieses Katalysatorsystem ist dazu eingerichtet, Abgasemissionen von dem Verbrennungsmotor zu reinigen mittels des Speicherns von Stickoxiden (NOx) in dem LNT-Katalysator, des Ausfilterns von Partikeln in dem SCR/DPF und des zusätzlichen Entfernens der Stickoxide, die durch den LNT-Katalysator strömen, mittels des SCR-Katalysators des SCR/DPF.
Wenn der Verbrennungsmotor in einem fetten Modus (z.B. Fettes-Gemisch-Modus) betrieben wird, um den LNT-Katalysator in dem konventionellen Katalysatorsystem zu regenerieren, wird das Stickoxid, das in dem LNT-Katalysator gespeichert ist, gereinigt durch Reduktion mittels HC und CO unter der begleitenden (z.B. gleichzeitigen) Erzeugung von NH₃. Dieses NH₃ wird verwendet, um Stickoxide in dem SCR-Katalysator zu reinigen.
Jedoch wird beim Betrieb im fetten Modus das im LNT-Katalysator erzeugte NH₃ verbraucht, weil es vorzugsweise mit dem Sauerstoff, der in dem Sauerstoffspeichernden Material Ceriumoxid (CeO₂) des LNT-Katalysators gespeichert ist, reagiert. Nur nach der vollständigen Erschöpfung des Sauerstoffs des LNT-Katalysators wird das verbleibende NH₃ stromabwärts von dem LNT-Katalysator ausgelassen und zum zusätzlichen Reinigen von Stickoxiden an dem SCR-Katalysator des SCR/DPF verwendet.
Die 2 zeigt Graphen von Sauerstoffkonzentrationen an den Lambdasensoren, Temperaturänderungen sowie NH3- und CO-Gehalte in dem LNT-Katalysator in dem Katalysatorsystem der 1 bezogen auf die Zeit beim Betrieb des Verbrennungsmotors im fetten Modus. Wenn der Betrieb im fetten Modus des Verbrennungsmotors vom Zeitpunkt T1 aus fortschreitet, fällt der Lambda(λ)-Wert des vorderen Lambdasensors 501 Stein auf unter eins ab, was eine konzentrierte Sauerstoff-Bedingung anzeigt. Beim Zeitpunkt T2 beginnt der Lambda-Wert des hinteren Lambdasensors 503 auf unter eins abzunehmen. Daher ist der Zeitpunkt T2 derjenige Zeitpunkt, an welchem Sauerstoff in dem LNT-Katalysator beim Betrieb in dem fetten Modus vollständig erschöpft ist. Nur nachdem der Zeitpunkt T2 fast erreicht ist, wird NH₃ von dem LNT-Katalysator ausgelassen und kann zum Reinigen von Stickoxid (NOx) in dem SCR/DPF verwendet werden.
Wenn jedoch der fette Modus nach dem Zeitpunkt T2 beibehalten wird, nimmt der CO-Gehalt bis kurz vor dem Zeitpunkt T3, bei welchem der fette Modus beendet wird, weiter zu. Das so erzeugte CO kann nicht mit dem nachfolgenden SCR/DPF gereinigt werden. In der Tat kann CO nicht ohne einen separaten und anderen Katalysator gereinigt werden. Daher ist es nicht angemessen und im Hinblick auf die Kraftstoffeffizienz sogar nachteilhaft, den Verbrennungsmotor für eine lange Zeit in dem fetten Modus zu betreiben mit dem Ziel der Erhöhung der NH3-Menge, die von dem LNT-Katalysator zu dem SCR/DPF zugeführt werden soll.
Die oben stehende Beschreibung ist dazu gedacht, den Hintergrund der Erfindung besser verständlich zu machen, sollte aber nicht als Teil des Standes der Technik, der dem Fachmann schon bekannt ist, verstanden werden.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde demgemäß unter Berücksichtigung der Probleme, die in der bezogenen Technik auftreten, gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, das dazu eingerichtet ist, größere Mengen an NH₃ von einem LNT-Katalysator zu einem SCR-Katalysator auszulassen, wenn die Katalysatoren den gleichen Raum (zum Beispiel das gleiche Volumen im Vergleich zu einem konventionellen System) einnehmen, wodurch es ermöglicht wird, dass der SCR-Katalysator seine katalytische Tätigkeit des Reinigens von Stickoxiden (NOx) ausführt, dass der Verbrennungsmotor in dem fetten Modus (z.B. nur) für eine relativ kurze Zeitdauer betrieben wird, während die gleiche Reinigungsleistung (z.B. Regenerationsleistung) sichergestellt wird, wodurch zu einer Verbesserung der Kraftstoffeffizienz beigetragen wird, und das CO (Kohlenmonoxid), das während des Auslassens von NH₃ aus dem LNT-Katalysator erzeugt wird, angemessen entsorgt bzw. reagiert wird, wodurch eine Verbesserung der Reinigung der Abgasemissionen erreicht wird.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung bereit ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor (z.B. Dieselmotor), in welchem ein LNT(Mager-Sickoxid-Falle)-Katalysator und ein SCR(Selektive-katalytische-Reduktion)-Katalysator zumindest zweimal wiederholt aufeinanderfolgend an einer Abgasleitung von dem Verbrennungsmotor angeordnet ist. Zum Beispiel kann sich gemäß der vorliegenden Erfindung die Reihenfolge Verbrennungsmotor-LNT-SCR-LNT-SCR-... in Strömungsrichtung des Abgases an der Abgasleitung ergeben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
Die 1 zeigt eine schematische Ansicht, die ein konventionelles Katalysatorsystem für einen Dieselmotor zeigt.
Die 2 zeigt Graphen, die Kurven von Änderungen des Sauerstoff-Gehalts, der Temperatur, des CO-Gehalts und des NH₃-Gehalts in dem Katalysatorsystem der 1 zeigen im Hinblick auf eine Zeit des Betriebes im reichen Modus.
Die 3 zeigt eine schematische Ansicht, die ein Katalysatorsystem für einen Dieselmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die 4 zeigt eine schematische Ansicht, die ein Katalysatorsystem für einen Dieselmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung
Mit Bezug auf die 3 und 4 werden Katalysatorsysteme für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, die eine Struktur aufweisen, in welcher ein Paar, das aus LNT- und SCR-Katalysatoren (zum Beispiel aus einem LNT-Katalysator und einem SCR-Katalysator) besteht, zumindest zweimal an einer Abgasleitung von dem Verbrennungsmotor angeordnet ist, wobei der LNT-Katalysator stromaufwärts (z.B. im Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases) von dem SCR-Katalysator angeordnet ist.
Das bedeutet, Abgasemissionen von einem Verbrennungsmotor werden gereinigt, während sie den LNT-und den SCR-Katalysator, die wiederholt in dieser Reihenfolge angeordnet sind, passieren.
In dem Katalysatorsystem der vorliegenden Erfindung werden LNT- und SCR-Katalysatoren in der gleichen Menge (z.B. mit dem gleichen Gewicht, z.B. mit dem selben Volumen) wie in dem konventionellen Katalysatorsystem der 1 verwendet, aber sie sind in Teilen (z.B. Aliquoten) angeordnet, die aufeinanderfolgend zumindest als Duplikat bzw. zumindest zweimal angeordnet sind. In dieser Anordnung verbraucht ein LNT-Teilkatalysator (bzw. LNT-Katalysator-Aliquot), der sich proximaler zu dem Verbrennungsmotor befindet, darin gespeicherten Sauerstoff innerhalb einer kürzeren Zeitdauer nach dem Betrieb (z.B. Beginn des Betriebes) des Verbrennungsmotors in dem fetten Modus, da das Volumen davon kleiner ist als das des LNT-Katalysators, der in dem konventionellen Katalysatorsystem verwendet wird, weswegen von dem LNT-Teilkatalysator früh(er) NH₃ ausgelassen wird. Dieses NH₃ wird dem SCR-Teilkatalysator zugeführt, wo es teilweise benutzt wird, um Stickoxide zu reinigen, wobei der Rest davon in dem SCR-Teilkatalysator gespeichert wird, bis er zum Reinigen von Stickoxiden benutzt wird. Wenn CO zusammen mit NH₃ von einem vorhergehenden (das heißt zum Beispiel einem sich stromaufwärts befindlichen) LNT-Teilkatalysator ausgelassen wird, wird das CO in einem darauffolgenden (das heißt zum Beispiel, sich stromabwärts befindlichen) LNT-Teilkatalysator gereinigt.
Von den wiederholt angeordneten Paaren von LNT- und SCR-Katalysator weist zumindest eines einen Dieselpartikelfilter DPF 1 auf, der mit dem LNT-Katalysator und/oder dem SCR-Katalysator beschichtet ist (z.B. weist zumindest ein Paar zwei DPF auf, nämlich einen DPF für den SCR und einen für den LNT-Katalysator). In den Anordnungen der 3 und 4 befindet sich ein Paar, das aus einem LNT-Katalysator und einem SCR-Katalysator besteht, welche auf einen (z.B. jeweils einen) DPF 1 beschichtet sind, am distalsten (am entferntesten) stromabwärts von dem Verbrennungsmotor (bzw. am distalen Stromabwärts-Ende des Katalysatorsystems).
Eine andere Anordnung des Katalysatorsystems kann einen anderen bzw. unterschiedlichen bzw. weiteren Katalysator stromabwärts von dem DPF 1 aufweisen.
Stromaufwärts von dem DPF 1 ist zumindest ein (zum Beispiel genau ein) Paar, das aus LNT-Katalysator und SCR-Katalysator besteht, von denen beide auf (z.B. jeweils) einen (z.B. einen einzelnen) Wabenstruktur-Träger geladen (z.B. aufgebracht) sind, vorhanden. Zum Beispiel kann der DPF dabei z.B. einstückig oder zweistückig sein, wobei im zweistückigen Fall ein Stück mit LNT-Katalysator und ein Stück mit SCR-Katalysator beschichtet sein kann. In dem Katalysatorsystem der 3 ist ein Paar, das aus einem LNT-Katalysator und einem SCR-Katalysator, von denen beide auf jeweils einen Wabenstruktur-Träger geladen bzw. aufbeschichtet sind, besteht, angeordnet, während die 4 eine Anordnung von mehreren Paaren von LNT-Katalysator und SCR-Katalysator, die auf Wabenstruktur-Träger geladen sind, zeigt.
Ein vorderer Lambdasensor 3 und ein hinterer Lambda Sensor 5 sind stromaufwärts des ersten (z.B. proximalsten) Paares von LNT-Katalysator und SCR-Katalysator bzw. stromabwärts des letzten (z.B. distalsten) Paares von LNT-Katalysator und SCR-Katalysator angeordnet.
In der Ausführungsform, die in der 3 gezeigt ist, befindet sich ein Paar, das aus LNT-Katalysator und SCR-Katalysator, die auf jeweilige Wabenstruktur(z.B. Bienenwaben)-Träger geladen sind, besteht, proximal zu dem Verbrennungsmotor, und ein weiteres Paar, das aus LNT-Katalysator und SCR-Katalysator, die auf jeweilige DPF (z.B. einen einzelnen DPF) geladen sind, besteht, befindet sich distal zu dem Verbrennungsmotor (und zum Beispiel distal von dem proximalen Paar), wobei ein Gesamtvolumen der Katalysatoren (fast) identisch ist zu demjenigen der Katalysatoren, die in dem System der 1 verwendet werden.
In dem Katalysatorsystem der 3 wird Stickoxid, das in dem LNT-Katalysator gespeichert ist, mittels der Reaktion mit HC (Kohlenwasserstoffe) und CO von dem Kraftstoff gereinigt bzw. entfernt, wenn der Verbrennungsmotor im reichen/fetten Modus betrieben wird, unter der gleichzeitigen Produktion von NH₃. Da der Wabenstruktur-Träger-abgestützte LNT-Katalysator, der sich stromaufwärts befindet, ein geringeres Volumen und eine geringere Kapazität hat als der LNT-Katalysator der 1, wird der darin gespeicherte Sauerstoff schneller erschöpft, so dass NH₃ zu einem früheren Zeitpunkt von dem Hinterende (Stromabwärts-Ende) des LNT-Katalysators ausgelassen wird. Die Fortsetzung des fetten bzw. reichen Modus erzeugt im Vergleich zu dem konventionellen Katalysatorsystem eine größere Menge NH₃, welches auch in größerer Menge zu dem SCR-Katalysator, der sich hinter bzw. stromabwärts von dem LNT-Katalysator befindet, zugeführt wird, wodurch die Stickoxid-Reinigungsleistung bzw. Regenerationsleistung erhöht ist.
Ferner, wie es oben beschrieben ist, kann CO, das zusammen mit NH₃ nach der Erschöpfung von Sauerstoff von dem LNT-Katalysator ausgestoßen wird, in dem nachfolgenden bzw. darauf folgenden LNT-Katalysator, der auf den DPF 1 geladen ist, gereinigt werden. Dadurch wird im Vergleich zu dem konventionellen Katalysatorsystem innerhalb der gleichen Fetter-Modus-Zeit eine wesentlich größere Menge an NH₃ erzeugt in einem LNT-Katalysator, der auf einen Wabenstruktur-Träger geladen ist, während bzw. wobei CO, das zusammen mit dem NH₃ ausgelassen wird, in dem nachfolgenden LNT-Katalysator auf dem DPF 1 behandelt wird, weswegen das Katalysatorsystem eine im Allgemeinen verbesserte Abgasemission-Reinigungsleistung aufweist, was bedeutet, dass auch die Fetter-Modus-Betriebszeit des Verbrennungsmotors verringert sein kann. Das bedeutet, die Kraftstoffeffizienz des Verbrennungsmotors kann verbessert sein, wenn die Zeitdauer des fetten Modus verringert ist.
Der LNT-Katalysator, der auf dem Wabenstruktur(z.B. Bienenwaben; z.B. Sechseckstruktur)-Träger abgestützt ist, ist in Teilkatalysatoren (z.B. Aliquote) unterteilt, die ein so kleines Volumen und eine so geringe Größe wie möglich haben, und diese Teilkatalysatoren sind alternierend mit den SCR-Teilkatalysatoren angeordnet. In dieser Struktur kann basierend auf dem gleichen Volumen der Katalysatoren eine größere Menge an NH₃ im Vergleich zu dem konventionellen Katalysatorsystem erhalten werden. Vorzugsweise sind die LNT-Katalysatoren 50 ± 10 mm lang in der Auslassrichtung (zum Beispiel Strömungsrichtung, z.B. Längsrichtung) der Abgasemissionen von einem Verbrennungsmotor. Dies ist der Fall, da 50 ± 10 mm das Maximum ist, auf welches die Länge von Wabenstruktur-gestützten LNT-Katalysatoren verringert werden kann mittels momentaner Massenherstellungsverfahren. In anderen Worten kann 50 ± 10 mm das Minimum sein, auf welches die Größe von Wabenstrukturgestützten Katalysatoren verringert werden kann unter der Benutzung von momentanen Großserien-Fertigungsverfahren. In der Zukunft könnte eine fortschrittlichere Technik die Länge der LNT-Katalysatoren weiter verringern, wodurch eine bessere Katalysatorleistung in einem Katalysatorsystem, in welchem die kleineren LNT-Katalysatoren alternierend mit den SCR-Katalysatoren öfters wiederholt (d.h. z.B. in einer größeren Anzahl von LNT-SCR-Paaren) angeordnet sind, erzielt wird.
Wie es oben beschrieben ist, ist das Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung dazu eingerichtet, eine größere Menge an NH₃ von einem LNT-Katalysator zu einem SCR-Katalysator auszulassen, wenn die Katalysatoren den gleichen Raum (z.B. das gleiche Volumen, z.B. Im Vergleich zu einem einzelnen SCR-Katalysator und einem einzelnen SCR-Katalysator) belegen, wodurch es dem SCR-Katalysator ermöglicht wird, seine katalytische Aktivität des Reinigen von Stickoxiden (NOx) auszuführen, wodurch es ermöglicht wird, den Verbrennungsmotor im fetten Modus (nur) für eine relativ kurze Zeitdauer zu betreiben, während die selbe Reinigungsleistung sichergestellt werden kann, weswegen zu einer Verbesserung der Kraftstoffeffizienz beigetragen wird, und wodurch CO, das beim Auslassen von NH₃ von dem LNT-Katalysator erzeugt wird, angemessen entsorgt bzw. gereinigt wird, weswegen eine Verbesserung beim Reinigen von Abgasemissionen erzielt wird.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Erklärung der Erfindung beschrieben wurden, ist es für den Fachmann möglich, zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen der Ausführungsformen zu erzeugen und/oder Merkmale hinzuzufügen oder auszutauschen, ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor, in welchem ein Paar, das aus einem LNT(Mager-Stickoxid-Falle)Katalysator und einem SCR(Selektive-Katalytische-Reduktion)-Katalysator besteht, zumindest zweimal wiederholt aufeinanderfolgend an einer Abgasleitung von dem Verbrennungsmotor angeordnet ist.
Katalysatorsystem gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eines der wiederholt angeordneten Paare von LNT-Katalysator und SCR-Katalysator einen DPF(Dieselpartikelfilter) (1) aufweist, mit welchem der LNT-Katalysator und der SCR-Katalysator jeweils verwendet werden.
Katalysatorsystem gemäß Anspruch 2, wobei das Paar von LNT-Katalysator und SCR-Katalysator, die mit dem DPF (1) verwendet werden, stromabwärts von dem Verbrennungsmotor angeordnet ist und am distalsten zu diesem ist.
Katalysatorsystem gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei sich zumindest ein Paar von LNT-Katalysator und SCR-Katalysator, die an jeweiligen Wabenstruktur-Trägern abgestützt sind, stromaufwärts von dem DPF (1) befindet.
Katalysatorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der LNT-Katalysator 50 ± 10 mm lang ist in einer Strömungsrichtung der Abgasemissionen von dem Verbrennungsmotor.