DE102014212954A1

DE102014212954A1 - Abgasreinigungssystem mit einem Oxidationskatalysator und einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion

Info

Publication number: DE102014212954A1
Application number: DE102014212954.0A
Authority: DE
Inventors: Christine Kay Lambert; Justin Anthony Ura; Douglas Allen Dobson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2015-01-15
Also published as: CN204225970U; US20150013310A1; RU152002U1; US9394822B2

Abstract

Es wird ein Abgasreinigungssystem bereitgestellt. Das Abgasreinigungssystem umfasst einen Oxidationskatalysator mit einer Edelmetallbeladung von weniger als 100 Gramm (g)/ Kubikfuß (ft3) und eine Komponente für selektive katalytische Reduktion (SCR), die stromabwärts des Oxidationskatalysators positioniert ist und während des Motorbetriebs zwischen 150 °C und 300 °C betrieben wird, um die Bildung von N2O in der Komponente für selektive katalytische Reduktion zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Abgasreinigungssystem in einem Fahrzeug mit einem Oxidationskatalysator und einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR).
Abgasreinigungsvorrichtungen werden in Fahrzeugen zum Reduzieren von Emissionen verwendet, um dadurch die Umweltbelastung durch ein Fahrzeug zu verringern. Zum Erreichen dieser Emissionsreduktion können Katalysatoren, wie beispielsweise Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion (SCR für engl. selective catalytic reduction) in Fahrzeugen verwendet werden. Zusätzliche Abgasreinigungsvorrichtungen, welche in Fahrzeugen verwendet werden können, umfassen Oxidationskatalysatoren, Partikelfilter, Dreiwege-Katalysatoren usw. Ein Dieselmotor kann eine große Menge Distickstoffoxid (N₂O) und andere Stickstoffverbindungen erzeugen, welche eine besonders lange Lebensdauer in der Atmosphäre haben. Demnach können die Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise N₂O, die in Motoren erzeugt werden, von besonderem Umweltbelang und daher sowohl für gewerbliche als auch nicht gewerbliche Fahrzeuge reguliert sein.
US 7,767,175 offenbart ein Nachbehandlungssystem mit einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), der stromaufwärts eines Diesel-Oxidationskatalysators (DOC für engl. diesel oxidation catalyst) positioniert ist, wobei Zündtemperaturen im System herabgesetzt werden, um Emissionen zu reduzieren. Die Erfinder haben jedoch mehrere Nachteile bei dem in US 7,767,175 offenbarten Nachbehandlungssystem erkannt. Zum Beispiel kann das Nachbehandlungssystem infolge des Positionierens des DOC stromaufwärts des SCR-Katalysators und der Wechselwirkung zwischen den beiden Komponenten eine große Menge von Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise Distickstoffoxid, erzeugen. Außerdem kann auch die Materialzusammensetzung des DOC zu der vermehrten Erzeugung von Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise N₂O, beitragen.
Die Erfinder haben die zuvor erwähnten Nachteile von früheren Abgasreinigungssystemen erkannt und ein Abgasreinigungssystem entwickelt, das einen Oxidationskatalysator mit einer Edelmetallbeladung von weniger als 100 Gramm (g)/ Kubikfuß (ft³) und eine Komponente für selektive katalytische Reduktion (SCR) umfasst, die stromabwärts des Oxidationskatalysators positioniert ist und während des Motorbetriebs zwischen 150 °C und 300 °C betrieben wird, um die Bildung von N₂O in der Komponente für selektive katalytische Reduktion zu reduzieren.
Es wurde unerwarteterweise festgestellt, dass das Halten des SCR-Katalysators beim erwähnten Temperaturbereich und das Bereitstellen der erwähnten Menge einer Edelmetallbeladung im Oxidationskatalysator stromaufwärts des SCR-Katalysators zusammenwirken, um die Emissionen aus dem Abgasreinigungssystem zu reduzieren. Konkret kann die folgende Reaktion im SCR-Katalysator stattfinden. 2NH₃ + 2NO₂ → N₂O + N₂ + 3H₂O
Wenn der Oxidationskatalysator mit weniger als 100 g/ft³ Edelmetallen beladen ist, wird die Menge von Stickstoffoxid (NO₂) verringert, wodurch die Bildung von Distickstoffoxid im SCR-Katalysator reduziert wird. Außerdem verringert das Halten der SCR-Katalysatortemperatur innerhalb des erwähnten Temperaturbereichs die Menge von Distickstoffoxidbildung im SCR-Katalysator weiter. Auf diese Weise werden Emissionen aus dem Abgasreinigungssystem reduziert, wodurch die Umweltbelastung durch das Fahrzeug verringert wird. Es versteht sich daher von selbst, dass die technischen Ergebnisse, die durch das zuvor erwähnte Abgasreinigungssystem erreicht werden, eine Emissionsreduktion durch die Wechselwirkung zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator umfassen.
Die zuvor erwähnten Vorteile und andere Vorteile sowie Merkmale der vorliegenden Beschreibung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung allein oder in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen leicht zu erkennen.
Es versteht sich von selbst, dass die vorstehende Kurzdarstellung vorgesehen ist, um eine Auswahl von Konzepten, die in der ausführlichen Beschreibung eingehender beschrieben werden, in vereinfachter Form vorzustellen. Sie beabsichtigt nicht, wesentliche oder Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands aufzuzeigen, dessen Schutzumfang ausschließlich durch die auf die ausführliche Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche zuvor oder in einem anderen Teil dieser Offenbarung erwähnte Nachteile beheben. Außerdem wurden die zuvor beschriebenen Probleme, die anerkanntermaßen nicht bekannt sind, von den betreffenden Erfindern erkannt.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das einen Motor und ein Abgasreinigungssystem umfasst;
2 stellt ein beispielhaftes Abgasreinigungssystem dar; und
3 und 4 stellen ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems für einen Motor dar.
Es wird ein Abgasreinigungssystem hierin beschrieben. Das Abgasreinigungssystem umfasst einen Oxidationskatalysator, der stromaufwärts eines Katalysators für selektive katalytische Reduktion (SCR) positioniert ist. Es wurde unerwarteterweise festgestellt, dass durch die Kombination einer Edelmetallbeladung des 3Oxidationskatalysators, die weniger als 100 g/ft beträgt, und des Betriebstemperaturbereichs des SCR-Katalysators, der zwischen 150 °C und 300 °C liegt, eine drastische Reduktion von Emissionen von Stickstoffverbindungen erreicht wird. Insbesondere werden Distickstoffemissionen erheblich reduziert. Es wurde festgestellt, dass die folgende Reaktion im SCR-Katalysator stattfindet. 2NH₃ + 2NO₂ → N₂O + N₂ + 3H₂O
Die zuvor erwähnte Edelmetallbeladung des Oxidationskatalysators verringert die Menge von Stickstoffdioxid, die zum SCR-Katalysator strömen gelassen wird. Wenn daher die dem SCR-Katalysator zugeführte Menge von Stickstoffdioxid verringert wird, wird gemäß der vorstehenden Gleichung die im SCR-Katalysator erzeugte Menge von Distickstoffoxid verringert. Ein Betreiben des SCR-Katalysators innerhalb des Temperaturbereichs von 150 °C bis 300 °C verringert die im SCR-Katalysator erzeugte Menge von Distickstoffoxid weiter. Folglich wird die Umweltbelastung durch das Fahrzeug verringert. Das durch den SCR-Katalysator erzeugte N₂O kann reduziert werden, wenn die Fahrzeug-Abgastemperaturen im Bereich von 175 °C bis 700 °C liegen, wenn es keine NO₂-Zufuhr zum Katalysator gibt und das gesamte NO_x in der Form von NO ist. Wenn NO₂ in einer Konzentration von bis zu 50 % des eingehenden NO_x vorhanden ist, wird die Bildung von N₂O zwischen etwa 200 °C und 300 °C verringert (z. B. minimiert).
1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 10 mit einem Motor 12. Der Motor 12 ist zum Implementieren von Verbrennungsbetrieb ausgelegt. Zum Beispiel kann ein Viertakt-Verbrennungszyklus implementiert sein, der einen Ansaugtakt, einen Kompressionstakt, einen Arbeitsstakt und einen Auspufftakt umfasst. In anderen Beispielen können jedoch auch andere Verbrennungszyklen verwendet werden. Auf diese Weise kann Antriebskraft im Fahrzeug 10 erzeugt werden. Es versteht sich von selbst, dass der Motor zur Übertragung von Rotationsleistung, die im Motor erzeugt wird, auf die Räder des Fahrzeugs mit einem Getriebe gekoppelt sein kann.
Der Motor 12 umfasst mindestens einen Zylinder 14. Es wurden jedoch auch Motoren mit anderen Zylinderkonfigurationen in Erwägung gezogen. Zum Beispiel kann der Zylinder in einer Reihenkonfiguration, wobei die Zylinder in einer geraden Linie positioniert sind, einer horizontal gegenüberliegenden Konfiguration, einer V-Konfiguration usw. angeordnet sein.
Ein Ansaugsystem 16 ist zum Zuführen von Luft zum Zylinder 14 ausgelegt. Das Ansaugsystem 16 kann eine Vielzahl von Komponenten zum Erreichen der zuvor erwähnten Funktionalität umfassen, wie beispielsweise eine Drosselklappe, einen Ansaugkrümmer, einen Kompressor, Ansaugrohre usw. Wie dargestellt, ist das Ansaugsystem 16 in Fluidkommunikation mit dem Zylinder 14, wie durch einen Pfeil 18 angezeigt. Es versteht sich von selbst, dass ein oder mehrere Rohre, ein oder mehrere Kanäle usw. die durch den Pfeil 18 angezeigte Fluidkommunikation bereitstellen können. Ein Einlassventil 20, das im Ansaugsystem 16 enthalten ist, kann die Fluidkommunikation zwischen dem Ansaugsystem und dem Zylinder bereitstellen. Das Einlassventil 20 kann zyklisch geöffnet und geschlossen werden, um Verbrennungsbetrieb im Motor zu implementieren.
Es ist auch ein Kraftstoffzufuhrsystem 30 im Fahrzeug 10 vorgesehen. Das Kraftstoffzufuhrsystem 30 umfasst einen Kraftstofftank 32, der zum Speichern eines flüssigen Kraftstoffs 34, wie beispielsweise Diesel, Benzin, Alkohol oder einer Kombination davon, ausgelegt ist. Das Kraftstoffzufuhrsystem 30 umfasst eine Kraftstoffpumpe 36 in einer Kraftstoffleitung 38. Das Kraftstoffzufuhrsystem 30 umfasst ferner eine Kraftstoffeinspritzdüse 40. Die Kraftstoffeinspritzdüse 40 ist so dargestellt, dass sie direkt mit dem Zylinder 14 gekoppelt ist, um eine sogenannte Direkteinspritzung von Kraftstoff bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann das Kraftstoffzufuhrsystem eine Einlasskanal-Kraftstoffeinspritzdüse umfassen, um Kraftstoff an einer Stelle stromaufwärts des Einlassventils 20 zuzuführen. Das Kraftstoffzufuhrsystem 30 kann auch Kraftstofffilter, eine zweite Kraftstoffpumpe usw. umfassen. Außerdem kann der Motor ferner ein Abgassystem 22 umfassen, das zum Empfangen von Abgas vom Zylinder 14 ausgelegt ist. Das Abgassystem kann Krümmer, Rohre, Kanäle, Abgasreinigungsvorrichtungen (z. B. Katalysatoren, Filter usw.), Abgasschalldämpfer usw. umfassen. Ein Auslassventil 24, das mit dem Zylinder 14 gekoppelt ist, ist im Abgassystem 22 enthalten. Das Auslassventil 24 kann so ausgelegt sein, dass es während des Verbrennungsbetriebs zyklisch öffnet und schließt. Das Abgassystem 22 ist in Fluidkommunikation mit dem Zylinder 14, wie durch einen Pfeil 26 angezeigt. Konkret kann der Pfeil 26 Abgaskanäle, Rohre usw. anzeigen, die Fluidkommunikation zwischen dem Zylinder 14 und dem Auslassventil 24 bereitstellen. Das Auslassventil kann so ausgelegt sein, dass es zum Ermöglichen von Verbrennungsbetrieb zyklisch öffnet und schließt.
Das Abgassystem 22 kann ein Abgasreinigungssystem 50 umfassen. Das Abgasreinigungssystem 50 kann Katalysatoren, Filter, Temperatursensor, Drucksensoren, Abgaszusammensetzungssensor usw. umfassen. Das Abgasreinigungssystem 50 kann so ausgelegt sein, dass es die Menge von Stickstoffverbindungen (z. B. Distickstoffoxid (N₂O)) im Abgas verringert. Folglich werden Fahrzeugemissionen reduziert, wodurch die Umweltbelastung durch das Fahrzeug verringert wird. Konkret kann das Abgasreinigungssystem einen Oxidationskatalysator mit einer Edelmetallbeladung von weniger als einem vorbestimmten Wert und einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) umfassen, der innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs gehalten wird. Die Beladung des Oxidationskatalysators und der Betrieb des SCR-Katalysators innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs wirken zusammen, um die Menge von Stickstoffverbindungen im Abgas zu verringern, das aus dem Abgasreinigungssystem ausgestoßen wird. Ein beispielhaftes Abgasreinigungssystem 200 ist in 2 dargestellt und wird hierin genauer erörtert.
Es kann eine Steuerung 100 im Fahrzeug enthalten sein. Die Steuerung 100 kann so konfiguriert sein, dass sie sowohl Signale von Sensoren im Fahrzeug empfängt, als auch Befehlssignale an Komponenten, wie beispielsweise eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse, eine Drosselklappe, ein Ventilsteuerzeit-Anpassungssystem, die Kraftstoffeinspritzdüse 40 usw. sendet. Verschiedene Komponenten im Fahrzeug 10 können wenigstens teilweise durch ein Steuersystem, das die Steuerung 100 umfasst, und durch Eingabe von einem Fahrzeugbetreiber 132 über eine Eingabevorrichtung 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel umfasst die Eingabevorrichtung 130 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalpositionssignals PP. Die Steuerung 100 ist in 1 als ein Mikrocomputer dargestellt, der einen Prozessor 102 (z. B. eine Mikroprozessoreinheit), Ein-/Ausgabeanschlüsse 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierwerte, das in diesem konkreten Beispiel als ein Festwertspeicher 106 (z. B. ein Festwertspeicherchip) dargestellt ist, einen Direktzugriffsspeicher 108, einen Erhaltungsspeicher 110 und einen Datenbus umfasst. Der Speichermedium-Festwertspeicher 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert sein, die durch einen Prozessor 102 ausführbare Anweisungen zum Durchführen der hierin im Folgenden beschriebenen Verfahren sowie anderer vorweggenommener, aber nicht spezifisch aufgeführter Varianten darstellen.
Das Fahrzeug 10 umfasst ferner einen Wärmetauscher 70, der mit dem Motor 12 gekoppelt ist. Der Wärmetauscher 70 ist zum Abführen von Wärme vom Motor ausgelegt. Das Fahrzeug 10 kann außerdem eine Nacheinspritzdüse 72 umfassen, die mit einem Abgasstrom stromabwärts des Auslassventils 24 gekoppelt ist. Die Nacheinspritzdüse 72 ist so ausgelegt, dass sie dem Abgasstrom Kraftstoff in ausgewählten Intervallen zuführt, um die Temperaturkomponenten im Abgassystem anzupassen. Außerdem kann eine elektrische Heizung 74 im Abgasreinigungssystem 50 enthalten sein. Die elektrische Heizung 74 ist so ausgelegt, dass sie einer oder mehreren Komponenten des Abgasreinigungssystems Wärme zuführt. Die elektrische Heizung 74 kann in einem Beispiel mit einem SCR-Katalysator gekoppelt sein. Es ist auch eine Drosselklappe 76 dargestellt, die im Abgassystem 16 enthalten ist. Die Drosselklappe 76 ist so ausgelegt, dass sie die Menge von Ansaugluftstrom anpasst, die dem Zylinder zugeführt wird.
Eine Detailansicht eines beispielhaften Abgasreinigungssystems 200 ist in 2 dargestellt. Das Abgasreinigungssystem 200 umfasst einen Oxidationskatalysator 202. Der Oxidationskatalysator 202 kann in einem Beispiel ein Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) sein. Der Oxidationskatalysator 202 kann Edelmetalle, wie beispielsweise Palladium (Pd) und/oder Platin (Pt), umfassen. Die Menge eines oder mehrerer der zuvor erwähnten Edelmetalle (z. B. Pd und/oder Pt) kann im Oxidationskatalysator 202 beschränkt sein, um die Menge von Stickstoffdioxid zu verringern, die im Oxidationskatalysator erzeugt wird. In einem Beispiel können das eine oder die mehreren der Edelmetalle, wie beispielsweise Platin (Pt) und/oder Palladium (Pd), auf weniger als 100 g/ft³ oder 75 g/ft³ Beladung im Oxidationskatalysator beschränkt sein. Der DOC kann außerdem Trägermaterialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid, und Kohlenwasserstoffspeichermaterialien, wie beispielsweise Zeolith, umfassen. Die Edelmetalle können in einigen Fällen für verbesserte Funktionalität in Zonen eingeteilt oder geschichtet sein, wie beispielsweise eine Pt-reiche Zone oder obere Schicht, um Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu entfernen, gefolgt von einer Pd-reichen hinteren Zone oder unteren Schicht zum weiteren Entfernen von restlichen Kohlenwasserstoffen und restlichem Kohlenmonoxid. Ferner muss der Oxidationskatalysator in einem Beispiel nicht unbedingt Platin enthalten. Demnach kann das einzige Edelmetall im Oxidationskatalysator Palladium sein. Diese Beladung kann die Emission von (N₂O) in einem stromabwärts gelegenen SCR-Katalysator 204 reduzieren, der hierin genauer erörtert wird. Wie dargestellt, empfängt der Oxidationskatalysator 202 Abgas von einem Zylinder in einem Motor, wie beispielsweise dem in 1 dargestellten Zylinder 14. Das Abgas wird dann durch den Oxidationskatalysator 202 strömen gelassen. Dann wird das Abgas zu einem Rohrabschnitt 206 strömen gelassen, der direkt mit dem Oxidationskatalysator 202 gekoppelt ist. Ein Temperatursensor 208 ist mit dem Rohrabschnitt 206 stromaufwärts des SCR-Katalysators 204 und des Oxidationskatalysators 202 gekoppelt. Der Temperatursensor 208 ist so konfiguriert, dass er die Temperatur des Abgases im Rohrabschnitt 206 bestimmt. Der Temperatursensor 208 kann ein Temperatursensorsignal an eine Steuerung, wie beispielsweise die in 1 dargestellte Steuerung 100, senden.
Eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse 210 ist ebenfalls mit dem Rohrabschnitt 206 gekoppelt. Die Reduktionsmittel-Einspritzdüse 210 ist so ausgelegt, dass sie ein geeignetes Reduktionsmittel stromabwärts des Oxidationskatalysators 202 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 204 in den Rohrabschnitt 206 einspritzt. Das Reduktionsmittel kann eine erwünschte chemische Reaktion in den stromabwärts gelegenen Komponenten (z. B. dem SCR-Katalysator) erzeugen. Die Reduktionsmittel-Einspritzdüse 210 ist in Fluidkommunikation mit einem Reduktionsmittel-Vorratstank 212, wie durch einen Pfeil 214 angezeigt. Es können ein oder mehrere Rohre, Kanäle usw. verwendet werden, die zuvor erwähnte Fluidkommunikation bereitzustellen. Ein geeignetes Reduktionsmittel 216, wie beispielsweise Harnstoff (z. B. wässriger Harnstoff), Ammoniak (z. B. wässriges Ammoniak) usw., kann im Reduktionsmittel-Vorratstank 212 bevorratet sein.
Ein Mischer 218 ist stromabwärts der Reduktionsmittel-Einspritzdüse 210 positioniert. Der Mischer 218 ist so ausgelegt, dass er das Abgas mit dem von der Einspritzdüse eingespritzten Reduktionsmittel mischt, um die Verteilung des Reduktionsmittels im Abgas zu verbessern. In einigen Fällen kann der Mischer 218 zwei spiralförmig ausgerichtete Flächen umfassen, um dieses Mischen bereitzustellen.
Der SCR-Katalysator 204 ist stromabwärts des Mischers 218 positioniert. Der SCR-Katalysator kann Cu- oder Fe-haltiges Zeolith umfassen. Ein beispielhafter Zeolith kann ein kleinporiger Zeolith, wie beispielsweise Chabasit, sein, der Kohlenwasserstoffe nicht in hohem Maße innerhalb seiner Struktur zurückhält, aber an seinen aktiven Stellen die Reaktion von Ammoniak und NOx zulässt. Ein Sensor 220 kann mit dem SCR-Katalysator 204 gekoppelt sein. Der Sensor 220 kann ein Druck- und/oder Temperatursensor sein. Der Sensor 220 kann mit einer Steuerung, wie beispielsweise der in 1 dargestellten Steuerung 100, in elektronischer Kommunikation sein. Es wurde unerwarteterweise festgestellt, dass die folgende Reaktion im SCR-Katalysator 204 stattfinden kann. 2NH₃ + 2NO₂ → N₂O + N₂ + 3H₂O
Wenn daher die dem SCR-Katalysator zugeführte Menge von Stickstoffdioxid durch Beschränken der Menge von Edelmetallbeladung im Oxidationskatalysator auf weniger als 100 g/ft³ verringert wird, wird die im SCR-Katalysator erzeugte Menge von Distickstoffoxid verringert, wodurch die Emissionen aus dem Abgasreinigungssystem reduziert werden. Ferner kann in einem Beispiel der SCR-Katalysator zwischen 150 °C und 300 °C gehalten werden. Das Halten des SCR-Katalysators innerhalb dieses Temperaturbereichs kann die Erzeugung von Distickstoffoxid im Abgasreinigungssystem weiter reduzieren. Das durch den SCR-Katalysator erzeugte N₂O kann am geringsten bei allen Fahrzeugabgastemperaturen von 175 °C bis 700 °C sein, wenn es keine NO₂-Zufuhr zum Katalysator gibt und das gesamte NO_x in der Form von NO ist. Wenn NO₂ in einer Konzentration von bis zu 50 % des eingehenden NO_x vorhanden ist, wird die Bildung von N₂O zwischen etwa 200 °C und 300 °C verringert (z. B. minimiert). Daher reduziert das Halten des SCR-Katalysators zwischen 150 °C und 300 °C die Bildung von N₂O. Ferner kann der SCR-Katalysator in einigen Beispielen zwischen 175 °C und 225 °C gehalten werden. Das Halten des SCR-Katalysators innerhalb dieses Temperaturbereichs reduziert die Erzeugung von Distickstoffoxid im Abgasreinigungssystem noch weiter.
Ein Partikelfilter 222 ist stromabwärts des SCR-Katalysators 204 positioniert. Das Partikelfilter 222 ist zum Entfernen von unerwünschten Partikeln aus dem Abgas ausgelegt, das dadurch durchströmt. Ein Sensor 224 kann mit einem Auspuffrohr stromabwärts des Partikelfilters 222 gekoppelt sein. Der Sensor 224 kann ein Abgaszusammensetzungssensor, wie beispielsweise ein Stickstoffoxidsensor, und/oder ein Temperatursensor sein. Der Sensor 224 kann mit einer Steuerung, wie beispielsweise der in 1 dargestellten Steuerung 100, in elektronischer Kommunikation sein. Demnach kann der Sensor 224 Signale an die Steuerung senden.
Komponenten, welche angepasst werden können, um eine gewünschte Betriebstemperatur des SCR-Katalysators aufrechtzuerhalten, können den Wärmetauscher 70, der mit dem in 1 dargestellten Motor 12 gekoppelt ist, die in 1 dargestellte Nacheinspritzdüse 72, die in 1 dargestellte elektrische Heizung 74, die in 1 dargestellten Ventile (20 und 24) umfassen. Wenn der Motor mit variabler Ventilzeitsteuerung ausgelegt ist, kann die Drosselklappe 76, die im Abgassystem 16 enthalten ist, das in 1 dargestellt ist, ebenfalls angepasst werden. Die Motor-Einschaltdauer und/oder die Zylinderdeaktivierung können ebenfalls angepasst werden, um eine gewünschte SCR-Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten, wobei eine Teilmenge von Zylindern entsprechend der SCR-Temperatur deaktiviert werden kann. Außerdem können die Größe des Katalysators, die Katalysatorkonfiguration und/oder das Leistungs-/Gewichtsverhältnis des Motors so ausgewählt werden, dass sie die gewünschte Betriebstemperatur des SCR-Katalysators (z. B. zwischen 175 ° und 225 °C) erreichen helfen.
Es versteht sich von selbst, dass der eine oder die mehreren der zuvor erwähnten Sensoren verwendet werden können, um eine Steuerungsstrategie mit Rückmeldung für die Temperaturanpassung des SCR-Katalysators zu implementieren. Zum Beispiel kann ein Temperaturanzeigesignal von einem Temperatursensor, der mit dem SCR-Katalysator oder dem Rohr unmittelbar stromaufwärts des Rohrs gekoppelt ist, durch eine Steuerung empfangen werden, und die Steuerung kann anschließend eine Komponente, wie beispielsweise die Reduktionsmittel-Einspritzdüse, basierend auf der durch den Sensor angezeigten Temperatur anpassen.
3 stellt ein Verfahren 300 zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems für einen Motor dar. Das Verfahren 300 kann durch das Abgasreinigungssystem implementiert werden, das zuvor in Bezug auf 1 und 2 erörtert wurde, oder es kann durch ein anderes geeignetes Abgasreinigungssystem implementiert werden.
Bei 302 umfasst das Verfahren ein Strömenlassen von Abgas von einem Zylinder in einem Motor zu einem Oxidationskatalysator in einem Abgasreinigungssystem. Als Nächstes umfasst das Verfahren bei 304 ein Strömenlassen von Abgas durch einen Oxidationskatalysator mit weniger als 100 Gramm (g)/Kubikfuß (ft³) Edelmetallbeladung im Oxidationskatalysator. In einem Beispiel umfasst das Edelmetall Platin. In einem anderen Beispiel umfasst das Edelmetall Palladium.
Bei 306 umfasst das Verfahren ein Halten eines Abgasstroms durch einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) zwischen 175 °C und 225 °C, wobei der SCR-Katalysator stromabwärts des Oxidationskatalysators positioniert ist. Bei 308 umfasst das Verfahren ein Anpassen einer Menge von Reduktionsmittel, das zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator in einen Abgasstrom eingespritzt wird. Es versteht sich von selbst, dass das Anpassen einer in den Abgasstrom eingespritzten Menge von Reduktionsmittel ein Erhöhen der in den Abgasstrom eingespritzten Menge von Reduktionsmittel umfassen kann. Außerdem kann das Halten des SCR-Katalysators zwischen 175 °C und 225 °C eines oder mehreres von einem Anpassen eines Wärmetauschers, der mit dem Motor gekoppelt ist, Anpassen der Einschaltdauer des Motors, einer elektrischen Heizung im Abgasreinigungssystem, Anpassen einer Menge von nacheingespritztem Kraftstoff im Motor, Anpassen einer Menge von Kraftstoffeinspritzung im Motor, Anpassen einer Drosselklappenposition im Motor, Anpassen einer Einlassventilzeitsteuerung im Motor und Anpassen einer Auslassventilzeitsteuerung im Motor umfassen. Die Größe des Katalysators, die Katalysatorkonfiguration und/oder das Leistungs-/Gewichtsverhältnis des Motors können so ausgewählt werden, dass sie die gewünschte Betriebstemperatur des SCR-Katalysators (z. B. zwischen 175 ° und 225 °C) erreichen helfen.
4 stellt ein Verfahren 400 zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems für einen Motor dar. Das Verfahren 400 kann durch das Abgasreinigungssystem implementiert werden, das zuvor in Bezug auf 1 und 2 erörtert wurde, oder es kann durch ein anderes geeignetes Abgasreinigungssystem implementiert werden.
Bei 402 umfasst das Verfahren ein Strömenlassen von Abgas durch einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) mit weniger als 100 Gramm (g)/Kubikfuß (ft³) Edelmetallbeladung im DOC. Konkret beträgt die Edelmetallbeladung des DOC in einem Beispiel weniger als 75 g/ft³. Wie außerdem bereits erwähnt, kann das Edelmetall Platin und/oder Palladium umfassen. Insbesondere kann das Edelmetall in einem Beispiel nur Palladium umfassen. Als Nächstes umfasst das Verfahren bei 404 ein Verringern der Bildung von Distickstoffoxid N₂O in einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) durch Betreiben des SCR-Katalysators zwischen 175 °C und 220 °C, wobei der SCR-Katalysator stromabwärts des DOC positioniert ist. In einem Beispiel beträgt die Bildung von N₂O im SCR-Katalysator weniger als 10 Milligramm (mg)/Meile (mi). Außerdem kann das Verringern der Bildung von Distickstoffoxid N₂O im Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) bei 406 ein Empfangen einer Temperaturanzeige von einem Temperatursensor umfassen, der mit dem SCR-Katalysator gekoppelt ist. Das Verringern der Bildung von Distickstoffoxid (N₂O) im Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) kann bei 408 außerdem eines oder mehreres von einem Anpassen eines Wärmetauschers, der mit dem Motor gekoppelt ist, Anpassen der Einschaltdauer des Motors, Anpassen einer elektrischen Heizung im Abgasreinigungssystem, Anpassen einer Menge von nacheingespritztem Kraftstoff im Motor, Anpassen einer Menge von Kraftstoffeinspritzung im Motor, Anpassen einer Drosselklappenposition im Motor, Anpassen einer Einlassventilzeitsteuerung im Motor und Anpassen einer Auslassventilzeitsteuerung im Motor basierend auf der Temperaturanzeige umfassen.
Es versteht sich von selbst, dass die zuvor erwähnten Komponenten basierend auf der Anzeige des Temperaursensors angepasst werden können. Auf diese Weise kann die Temperatur des SCR-Katalysators innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs gehalten werden, und der DOC hat eine Edelmetallbeladung von weniger als einem vorbestimmten Wert zum Verringern der Mengen von Stickstoffverbindungen, die im Abgasreinigungssystem erzeugt werden, wodurch Emissionen aus dem Fahrzeug reduziert werden, in dem das Abgasreinigungssystem enthalten ist. Wenn ferner kein NO2 am SCR im Auspuff vorhanden ist (NO2-Konzentrationen z. B. unter einer Mindestschwelle sind), kann Harnstoff oder Ammoniak über den gesamten Temperaturbereich von 170 bis 700 °C ohne Bildung von übermäßigem N2O dosiert werden. Entsprechend kann die Ammoniakdosierung nicht nur entsprechend der Temperatur, sondern auch dem Vorhandensein oder einer Konzentration von N2O im Auspuff angepasst werden, wobei die Ammoniakdosierung über einen größeren Temperaturbereich bei niedrigeren N2O-Konzentrationen möglich ist. Im Gegensatz dazu kann die Ammoniakdosierung bei höheren N2O-Konzentrationen auf nur einen kleineren Temperaturbereich begrenzt oder beschränkt werden, um die Erzeugung von NO2 zu reduzieren.
Es ist zu erwähnen, dass die hierin enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen bei verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hierin beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere von einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie beispielsweise ereignisgesteuert, interruptgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, darstellen. Entsprechend können verschiedene veranschaulichte Aktionen, Vorgänge und/oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel ausgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht unbedingt erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern lediglich zur Vereinfachung der Darstellung und Beschreibung vorgesehen. Eine oder mehrere der veranschaulichten Aktionen, Operationen und/oder Funktionen können je nach der konkreten Strategie, die verwendet wird, wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Aktionen, Operationen und/oder Funktionen Code grafisch darstellen, der in den nicht-transitorischen Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Motorsteuersystem zu programmieren ist. Es versteht sich von selbst, dass die hierin beschriebenen Konfigurationen und Routinen beispielhafter Natur sind, und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne auszulegen sind, da zahlreiche Varianten möglich sind. Zum Beispiel kann die zuvor beschriebene Technologie auf V-6, I-4, I-6, V-12, Vierzylinder-Boxer und andere Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Teilkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen sowie anderer Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin beschrieben werden.
Die folgenden Ansprüche legen insbesondere bestimmte Kombinationen und Teilkombinationen dar, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder die Entsprechung davon beziehen. Solche Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie die Aufnahme eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, aber zwei oder mehr solcher Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Teilkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Einreichung neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet, einerlei ob sie einen weiteren, engeren, gleichen oder anderen Schutzumfang aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7767175 [0003, 0003]

Claims

Abgasreinigungssystem, das mit einem Motor gekoppelt ist und umfasst: einen Oxidationskatalysator mit einer Edelmetallbeladung von weniger als 100 Gramm (g)/Kubikfuß (ft³); und eine Komponente für selektive katalytische Reduktion (SCR), die stromabwärts des Oxidationskatalysators positioniert ist und während des Motorbetriebs zwischen 150 °C und 300 °C betrieben wird, um die Bildung von N₂O im Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) zu reduzieren.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Edelmetall Platin (Pt) umfasst.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Edelmetall nur Palladium (Pd) umfasst.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, umfassend eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse, die zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator positioniert ist.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 4, wobei eine Menge von Reduktionsmittel, das durch die Reduktionsmittel-Einspritzdüse in den Auslassstrom eingespritzt wird, erhöht wird, während der SCR-Katalysator zwischen 150 °C und 300 °C betrieben wird.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 4, wobei die Reduktionsmittel-Einspritzdüse in Fluidkommunikation mit einem Reduktionsmittelbehälter ist, der Ammoniak bevorratet.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei die Edelmetallbeladung im Oxidationskatalysator weniger als 75 g/ft³ beträgt.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei der SCR-Katalysator zwischen 175 °C und 225 °C betrieben wird.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Dieselpartikelfilter, das stromabwärts des SCR-Katalysators positioniert ist.
Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Edelmetall Platin (Pt) und Palladium (Pd) umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems für einen Motor, umfassend: Strömenlassen von Abgas durch einen Oxidationskatalysator mit weniger als 100 Gramm (g)/Kubikfuß (ft³) Edelmetallbeladung im Oxidationskatalysator; und Halten eines Abgasstroms durch einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) zwischen 175 °C und 225 °C, wobei der SCR-Katalysator stromabwärts des Oxidationskatalysators positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Einspritzen einer ausgewählten Menge von Reduktionsmittel in einen Abgasstrom zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator entsprechend einer reduzierten Menge von NO2, die vorhanden ist, während der Abgasstrom durch den SCR-Katalysator zwischen 175 °C und 225 °C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Halten eines Abgasstroms durch einen Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) zwischen 175 °C und 225 °C eines oder mehreres von einem Anpassen eines Wärmetauschers, der mit dem Motor gekoppelt ist, Anpassen der Einschaltdauer des Motors, einer elektrischen Heizung im Abgasreinigungssystem, Anpassen einer Menge von nacheingespritztem Kraftstoff im Motor, Anpassen einer Menge von Kraftstoffeinspritzung im Motor, Anpassen einer Drosselklappenposition im Motor, Anpassen einer Einlassventilzeitsteuerung im Motor und Anpassen einer Auslassventilzeitsteuerung im Motor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Edelmetall Platin (Pt) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Edelmetall nur Palladium (Pd) umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems, umfassend: Strömenlassen von Abgas durch einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) mit weniger als 100 Gramm (g)/Kubikfuß (ft³) Edelmetallbeladung; und Verringern der Bildung von Distickstoffoxid N₂O in einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR) entsprechend einer Bedingung durch Betreiben des SCR-Katalysators zwischen 175 °C und 220 °C, wobei der SCR-Katalysator stromabwärts des DOC positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Bildung von N₂O im SCR-Katalysator weniger als 10 Milligramm (mg)/Meile (mi) beträgt, und wobei die Bedingung eine Menge von Ammoniak ist, die im SCR-Katalysator bevorratet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Betreiben des SCR-Katalysators zwischen 175 °C und 220 °C eines oder mehreres von einem Anpassen eines Wärmetauschers, der mit dem Motor gekoppelt ist, Anpassen der Einschaltdauer des Motors, einer elektrischen Heizung im Abgasreinigungssystem, Anpassen einer Menge von nacheingespritztem Kraftstoff im Motor, Anpassen einer Menge von Kraftstoffeinspritzung im Motor, Anpassen einer Drosselklappenposition im Motor, Anpassen einer Einlassventilzeitsteuerung im Motor und Anpassen einer Auslassventilzeitsteuerung im Motor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Betreiben des SCR-Katalysators zwischen 175 °C und 220 °C Empfangen einer Temperaturanzeige von einem Temperatursensor, der mit dem SCR-Katalysator gekoppelt ist, und Anpassen einer oder mehrerer Abgassystemkomponenten basierend auf der Anzeige des Temperatursensors umfasst, wobei die eine oder die mehreren Abgassystemkomponenten eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse umfassen, die zwischen dem DOC und dem SCR-Katalysator positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Edelmetallbeladung des DOC weniger als 75 g/ft³ beträgt.