DE102015013837A1

DE102015013837A1 - Abgasreinigungssystem und Abgasreinigungsverfahren

Info

Publication number: DE102015013837A1
Application number: DE102015013837.5A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Nagoshi; Masayuki Tetsuno; Yoshio MIZUTA; Kohei Fujii; Hiroshi Yamada; Koichiro Harada; Yoshiyuki Sato; Akihide Takami
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2016-05-12
Also published as: JP2016089721A; JP6264261B2; US9702286B2; US20160121266A1

Abstract

Es wird ein System gezeigt, bei dem ein Kompositkatalysator, zu dem ein LNT-Katalysator und ein Oxidationskatalysator verbunden werden, ein katalysierter Partikelfilter, eine Einspritzvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Harnstoff-Wasser-Lösung in einen Abgasdurchgang einspritzt, und ein SCR-Katalysator in dieser Reihenfolge in der Strömungsrichtung des Abgases von oben nach unten angeordnet sind.

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Abgasreinigungssystem und ein Abgasreinigungsverfahren für einen Motor.
Abgase von Dieselmotoren oder Benzin-Magermotoren enthalten Stickoxide (NOx) und Partikel. Die ungeprüfte japanische Patentschrift Nr. 2011-89521 legt ein System für die Behandlung von NOx und Partikeln offen. Dieses System sorgt dafür, dass Abgas einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter, eine Quelle eines Reduktionsmittels, einen selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (SCR) und einen NH₃-Oxidationskatalysator in dieser Reihenfolge passiert. Bei diesem System oxidiert der Oxidationskatalysator das NO im Abgas und erzeugt dadurch NO₂, und die Partikel auf dem Filter werden in Gegenwart des erzeugten NO₂ verbrannt und bereiten so den Filter auf. Als Reduktionsmittel wird NH₃ oder Harnstoff einem Abgasdurchgang zugeführt, und der SCR-Katalysator reduziert und reinigt die NOx selektiv. NH₃ und/oder seine Derivate, die den SCR-Katalysator passiert haben, werden vom NH₃-Oxidationskatalysator beseitigt.
Die ungeprüfte japanische Patentschrift Nr. H09-53442 legt ein System offen, bei dem Abgas einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter und einen NOx-Sperrkatalysator in dieser Reihenfolge passiert. Bei diesem System genauso wie beim System der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 2011-89521 oxidiert der Oxidationskatalysator das NO im Abgas und erzeugt dadurch NO₂, und die vom Filter gesammelten Partikel werden in Gegenwart des erzeugten NO₂ verbrannt. NO, das durch die Reaktion des NO₂ und der Partikel erzeugt wurde, sowie NO₂, das den Filter ohne Reaktion mit den Partikeln passiert hat, werden vom NOx-Sperrkatalysator abgefangen. Die abgefangenen NOx werden durch die zyklische Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases durch Kraftstoffeinspritzung in Auslasshüben freigesetzt. Die freigesetzten NOx werden dann reduziert und gereinigt.
Die ungeprüfte japanische Patentschrift Nr. H09-53442 legt ebenfalls ein System offen, das über einen selektiven NOx-Reduktionskatalysator anstelle eines NOx-Sperrkatalysators verfügt. Bei diesem System wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases durch Kraftstoffeinspritzung in Auslasshüben zyklisch angereichert, so dass die Mengen an Kohlenwasserstoff (HC) und CO im Abgas erhöht wird. HC und andere Substanzen sammeln sich im selektiven NOx-Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator), und NO und NO₂ werden unterhalb des Filters mittels des angesammelten HC reduziert und gereinigt.
In allen Systemen der oben aufgeführten Patentschriften wird der Filter bei einer relativ niedrigen Temperatur aufbereitet, da die Partikel mittels des vom Oxidationskatalysator erzeugten NO₂ verbrannt werden. Dadurch ist weniger Nacheinspritzung erforderlich bzw. kann die Nacheinspritzung komplett entfallen, die durchgeführt wird, um die Temperatur des Filters zu erhöhen. (Die Nacheinspritzung dient dazu, Kraftstoff in die Verbrennungskammer eines Motors in Expansions- oder Auslasshüben einzuspritzen. Die Nacheinspritzung erhöht die Mengen an HC und CO im Abgas, und die Wärme der Oxidationsreaktion des HC und CO in einem Oxidationskatalysator erhöht die Temperatur des Abgases.)
Wie den vorgenannten Angaben entnommen werden kann, führt gemäß den bekannten Systemen die Verwendung von NO₂ zu einer Erhöhung der Menge an NOx, die durch den SCR-Katalysator und den NOx-Sperrkatalysator, die unterhalb des Filters angeordnet sind, reduziert und gereinigt werden sollte, und verhindert gleichzeitig die Reduktion der Kraftstoffeffizienz des Motors durch die Aufbereitung des Filters. Aus diesem Grund ist es gemäß dem System der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. 2011-89521 erforderlich, die Kapazität des Reduktionsmitteltanks zu erhöhen, damit der SCR-Katalysator mit einer ausreichenden Menge an Reduktionsmittel (NH3 oder Harnstoff) versorgt wird. In einem Kleinwagen zum Beispiel ist es jedoch schwierig, einen Platz vorzusehen, an dem ein Reduktionsmitteltank mit einer solch großen Kapazität installiert werden kann. Und wenn eine größere Menge an Reduktionsmittel verwendet wird, erhöht sich dadurch auch die Menge an NH₃, die den SCR-Katalysator passiert, und der NH₃-Oxidationskatalysator, der das NH₃ aufbereitet, wird stärker belastet. Das System der ungeprüften japanischen Patentschrift Nr. H09-53442 , bei dem HC als Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator eingesetzt wird, benötigt keinen Reduktionsmitteltank. Gemäß diesem System ist es jedoch erforderlich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases regelmäßig in einen nahezu fetten Zustand zu versetzen, und aus diesem Grund wird die Kraftstoffeffizienz aufgrund der Reduktion der NOx reduziert. Selbst bei der Verwendung eines NOx-Sperrkatalysators anstelle des SCR-Katalysators zur Reduktion der NOx ist erforderlich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases regelmäßig anzureichern. Entsprechend wird in diesem Fall die Kraftstoffeffizienz ebenfalls herabgesetzt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung zielt aus diesem Grund darauf ab, die im Abgas enthaltenen NOx und Partikel effizient zu behandeln.
Zu diesem Zweck beinhaltet die vorliegende Erfindung ein System, bei dem ein NOx-Sperrkatalysator, d. h. ein magerer NOx-Sperrkatalysator (LNT), und ein SCR-Katalysator parallel verwendet und der LNT-Katalysator und ein Oxydationskatalysator miteinander kombiniert werden.
Das hier offengelegte Abgasreinigungssystem ist ein System, das in der Lage ist, die im Abgas eines Motors enthalten NOx und Partikel zu behandeln. Das System beinhaltet:
einen Kompositkatalysator, zu dem ein LNT-Katalysator, der vorübergehend die NOx abfängt und die NOx reduziert, sowie ein Oxidationskatalysator, der das im Abgas enthaltene HC, CO und NO oxidiert, kombiniert werden;
einen katalysierten Filter, der einen Filter umfasst, der die Partikel sammelt, und auf dem ein Katalysator zur Verbrennung der Partikel vorgesehen wird;
einen SCR-Katalysator, der die NOx in Gegenwart eines Reduktionsmittels selektiv reduziert; und
eine Einspritzvorrichtung, die das Reduktionsmittel oder eine Vorstufe des Reduktionsmittels in einen Abgasdurchgang des Motors einspritzt, so dass das Reduktionsmittel zum SCR-Katalysator gelangt, wobei
der Kompositkatalysator, der katalysierte Filter, die Einspritzvorrichtung und der SCR-Katalysator im Abgasdurchgang in dieser Reihenfolge und in einer Richtung von oben nach unten in Bezug auf die Abgasströmung angeordnet werden.
Das hier offen gelegte Abgasreinigungsverfahren ist ein Verfahren zur Behandlung von NOx und Partikeln, die im Abgas eines Motors enthalten sind. Das Verfahren beinhaltet:
das Abfangen durch einen LNT-Katalysator von NO₂, das über die Oxidation von NO durch einen Oxidationskatalysator erzeugt wurde, der mit dem LNT-Katalysator kombiniert wird und ein Bestandteil davon ist, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist.
das Sammeln der Partikel, die sich im Abgas befinden, das den LNT-Katalysator passiert hat, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, über einen katalysierten Filter, auf dem ein Katalysator vorgesehen wird;
die Reduktion und Reinigung der vom LNT-Katalysator abgefangenen NOx über die Durchführung einer satten Reinigung, die vorübergehend das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases von mager zu fett ändert, wenn die Menge an vom LNT-Katalysator abgefangenen NOx einen vorbestimmten Wert erreicht;
die Einspritzung eines Reduktionsmittels oder einer Vorstufe des Reduktionsmittels in das Abgas, wenn eine Temperatur des Abgases, das den katalysierten Filter passiert hat, einem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist;
die Reduktion und Reinigung der im Abgas enthaltenen NOx durch einen SCR-Katalysator in Gegenwart des Reduktionsmittels,
die Erhöhung der Mengen an HC und CO im Abgas mittels Durchführung einer Nacheinspritzung, bei der Kraftstoff in eine Verbrennungskammer des Motors in einem Expansions- oder Auslasshub eingespritzt wird, wenn die Menge der im katalysierten Filter gesammelten Partikel einen vorbestimmten Wert erreicht; und
die Verbrennung und Beseitigung der im katalysierten Filter durch den vorgesehenen Katalysator angesammelten Partikel durch Erhöhung der Temperatur des katalysierten Filters, so dass das Abgas, dessen Temperatur durch die Wärme der Oxidationsreaktion von HC und CO durch den Oxidationskatalysator erhöht wurde, in den Filter strömt.
Wenn folglich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, werden die NOx im Abgas vom LNT-Katalysator abgefangen. Der mit dem LNT-Katalysator kombinierte Oxidationskatalysator oxidiert NO, das einen Großteil der NOx im Abgas ausmacht, zu NO₂. Aus diesem Grund werden die NOx wirksam vom LNT-Katalysator abgefangen. Zu diesem Zeitpunkt ist es nicht notwendig, das Reduktionsmittel oder die Vorstufe des Reduktionsmittels einzuspritzen, da der SCR-Katalysator die NOx nicht reinigen muss. Alternativ muss nur eine geringe Menge des Reduktionsmittels oder der Vorstufe des Reduktionsmittels eingespritzt werden, auch wenn der SCR-Katalysator die NOx reinigen muss, da nur eine geringe Menge der NOx in den SCR-Katalysator gelangen.
Wenn die vom LNT-Katalysator abgefangene Menge an NOx einen vorbestimmten Wert erreicht, werden die NOx vom LNT-Katalysator freigesetzt, indem eine fette Reinigung durchgeführt wird, und die freigesetzten NOx können vom LNT-Katalysator reduziert und gereinigt werden. Zu diesem Zeitpunkt muss der SCR-Katalysator die NOx ebenfalls nicht reinigen. Alternativ dazu ist die Menge an NOx gering, selbst wenn ein Teil der vom LNT-Katalysator freigesetzten NOx ungereinigt nach unten strömen und den katalysierten Filter passieren, um zum SCR-Katalysator zu gelangen. Aus diesem Grund ist die erforderliche Menge an Reduktionsmittel oder der Vorstufe des Reduktionsmittels gering, selbst wenn der SCR-Katalysator die NOx reinigen muss.
Andererseits ermöglicht es die Einspritzung des Reduktionsmittels oder der Vorstufe des Reduktionsmittels dem SCR-Katalysator, die NOx im Abgas zu reinigen, wenn der SCR-Katalysator über eine Temperatur verfügt, die hoch genug ist, um den SCR-Katalysator selbst zu aktivieren. Aus diesem Grund muss in dieser Situation die fette Reinigung nicht unbedingt durchgeführt werden, selbst wenn die Menge an NOx, die vom oberhalb angeordneten LNT-Katalysator abgefangen wird, einen vorbestimmten Wert erreicht. Anders ausgedrückt bedeutet dies, wenn der SCR-Katalysator über eine Temperatur verfügt, die hoch genug ist, um den SCR-Katalysator selbst zu aktivieren, kann dieser SCR-Katalysator die NOx reinigen, und die Intervalle zwischen den fetten Reinigungen des LNT-Katalysators werden erhöht, so dass dadurch die Absenkung der Kraftstoffeffizienz vermieden wird, die durch satte Reinigungen verursacht werden kann.
Demzufolge ermöglicht die parallele Verwendung des LNT-Katalysators und des SCR-Katalysators gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringere Absenkung der Kraftstoffeffizienz ohne Beeinträchtigung der NOx-Reinigungsleistung.
In einer Situation, in der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, werden die Partikel im Abgas vom katalysierten Filter gesammelt. Wenn die Menge an gesammelten Partikeln einen vorbestimmten Wert erreicht, wird die Nacheinspritzung durchgeführt. Die Wärme der Oxidationsreaktion, die vom Oxidationskatalysator erzeugt wird, wird dazu eingesetzt, die Temperatur des Abgases zu erhöhen, und dadurch wird auch die Temperatur des katalysierten Filters erhöht. In Folge dessen werden die am katalysierten Filter gesammelten Partikel verbrannt (Aufbereitung des Filters). Zu diesem Zeitpunkt dient das NO₂, das bei der Oxidation des NO im oberhalb angeordneten Oxidationskatalysator erzeugt wurde, als Oxidationsmittel zur Unterstützung der Verbrennung der Partikel. Darüber hinaus erhöht die Wärme der Oxidationsreaktion im Oxidationskatalysator die Temperatur des LNT-Katalysators und entsprechend wird NO₂ aus dem LNT-Katalysator freigesetzt. Dieses freigesetzte NO₂ dient ebenfalls als Oxidationsmittel zur Unterstützung der Verbrennung der Partikel.
Wie sich aus den vorgenannten Angaben ergibt, werden das im Oxidationskatalysator erzeugte NO₂ und das aus dem LNT-Katalysator freigesetzte NO₂ für die Verbrennung der Partikel genutzt. Dadurch kann der Umfang der Nacheinspritzung reduziert werden und entsprechend wird auch eine Absenkung der Kraftstoffeffizienz vermieden.
Darüber hinaus werden gemäß der vorliegenden Erfindung der LNT-Katalysator und der Oxidationskatalysator zusammen zu einem Kompositkatalysator kombiniert, so dass das System vorteilhafterweise nicht größer wird. Diese Konfiguration führt ebenfalls zu einer Verringerung der Menge an NOx, die der SCR-Katalysator reinigen muss, so dass der SCR-Katalysator und der Vorratstank des Reduktionsmittels oder der Vorstufe des Reduktionsmittels kleiner ausgelegt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung spritzt die Einspritzvorrichtung NH₃ als Reduktionsmittel oder Harnstoff als Vorstufe des Reduktionsmittels in den Abgasdurchgang ein. Darüber hinaus umfasst das System einen Oxidationskatalysator, der NH3 und/oder seine Derivate oxidiert und sich unterhalb des SCR-Katalysators im Abgasdurchgang befindet.
Der in den Abgasdurchgang eingespritzte Harnstoff wird pyrolysiert oder hydrolysiert, um NH₃ zu erzeugen, das als Reduktionsmittel fungiert. Ein Teil des NH₃ und/oder seiner Derivate, die bei der Reinigung der NOx im SCR-Katalysator nicht konsumiert wurden und den SCR-Katalysator ohne Reaktion passiert haben, wird vom unterhalb des SCR-Katalysators angeordneten Oxidationskatalysator oxidiert. Auf diese Weise wird der schlechte Geruch, der durch das NH₃ und/oder seine Derivate erzeugt werden kann, vermieden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der LNT-Katalysator des Kompositkatalysators eine Katalysatorkomponente, die das im Abgas enthaltene NO oxidiert, ein NOx-Abfangmaterial, das die im Abgas enthaltenen NOx abfängt, sowie eine Katalysatorkomponente, die die vom NOx-Abfangmaterial abgefangenen NOx reduziert,
der Oxidationskatalysator des Kompositkatalysators beinhaltet ein HC-Abfangmaterial, das das im Abgas enthaltene HC abfangt, sowie eine Katalysatorkomponente, die das HC, CO und NO oxidiert, und
der Kompositkatalysator verfügt über mindestens eine der folgenden Strukturen A, B oder C:
Struktur A: Jede Zelle, durch die das Abgas passiert, verfingt über eine Zellwand, die aus einem Wabenträger besteht. Eine Schicht, die den LNT-Katalysator umfasst, und eine Schicht, die den Oxydationskatalysator umfasst, werden über der Zellwand gebildet. Eine der Schichten befindet sich näher an einer Stelle der Zelle, an der das Abgas passiert, als die andere Schicht. Nachfolgend wird der einfachheitshalber die Katalysatorschicht, die sich näher an der Stelle befindet, als ”obere Schicht” und die andere Katalysatorschicht als ”untere Schicht” bezeichnet.
Struktur B: Jede Zelle, durch die das Abgas passiert, verfügt über eine Zellwand, die aus einem Wabenträger besteht. Eine katalytische Schicht einer Zusammensetzung aus LNT-Katalysator und Oxidationskatalysator wird auf der Zellwand gebildet.
Struktur C: Jede Zelle, durch die das Abgas passiert, verfügt über eine Zellwand, die aus einem Wabenträger besteht. Der LNT-Katalysator und der Oxidationskatalysator werden so auf der Zellwand platziert, dass einer dieser Katalysatoren über dem anderen in Bezug auf die Richtung angeordnet wird, in der das Abgas durch die Zelle strömt.
Da der LNT-Katalysator die Katalysatorkomponente enthält, die NO oxidiert, wird das im Abgas enthaltene NO zu NO₂ oxidiert und das Abfangen der NOx durch das NOx-Abfangmaterial unterstützt. Da der Oxidationskatalysator darüber hinaus das HC-Abfangmaterial beinhaltet, wird in einem Zustand, in dem die Temperatur des Abgases niedrig ist (d. h. in einem Zustand, in dem der Katalysator nicht aktiviert ist), das im Abgas enthaltene HC weiter abgefangen, und wenn die Temperatur des Abgases angestiegen ist (d. h. wenn der Katalysator aktiviert ist), wird das vom HC-Abfangmaterial freigesetzte HC oxidiert und gereinigt. Dadurch kann die Menge an HC, die ohne vorherige Oxidation ausgestoßen wird, reduziert werden.
Bezüglich der Struktur A fängt die obere Schicht (der LNT-Katalysator) die NOx ab und verhindert dadurch, dass die NOx die Oxidation von HC und CO durch die untere Schicht (den Oxidationskatalysator) blockieren, wenn der LNT-Katalysator als obere Schicht und der Oxidationskatalysator als untere Schicht vorgesehen ist. Darüber hinaus verfügt die obere Schicht mit dem LNT-Katalysator über eine hohe Reduktionskapazität, und dadurch läuft die Reaktion, bei der NOx zu N₂ reduziert wird, ab.
Bezüglich der Struktur A oxidiert die obere Schicht (der Oxidationskatalysator) das im Abgas enthaltene NO und NO₂ wird problemlos erzeugt, wenn der LNT-Katalysator als untere Schicht und der Oxydationskatalysator als obere Schicht vorgesehen ist. Entsprechend läuft eine NOx-Okklusionsreaktion durch die untere Schicht (dem LNT-Katalysator) problemlos ab. Da die obere Schicht mit dem Oxidationskatalysator über eine hohe Oxidationskapazität verfügt, läuft die Oxidation der Komponenten (HC, CO) der Nacheinspritzung, die durchgeführt wird, um den katalysierten Filter aufzubereiten, problemlos ab, was vorteilhaft für die Erhöhung der Temperatur des Filters ist. Darüber hinaus wird das Verhältnis von NO₂ zu NOx, die durch den katalysierten Filter strömen, erhöht, da NO₂ in der oberen Schicht (dem Oxidationskatalysator) erzeugt wird, was für die Aufbereitung des Filters vorteilhaft ist.
Bezüglich der Struktur B, bei der der LNT-Katalysator und der Oxidationskatalysator gemischt werden, wird das vom Oxidationskatalysator erzeugte NO₂ problemlos vom NOx-Abfangmaterial des LNT-Katalysators okkludiert.
Bezüglich der Struktur C werden die NOx oben eingeschlossen, wenn der LNT-Katalysator oben angeordnet ist, wodurch verhindert wird, dass die NOx die Oxidationsreaktion von HC und CO durch den unterhalb angeordneten Oxidationskatalysator behindern. Darüber hinaus läuft die Reinigung der NOx, die als Reaktion auf eine fette Reinigung freigesetzt werden, problemlos ab, da der oberhalb angeordnete LNT-Katalysator die Temperatur erhöht. In einem Zustand, in dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, wird aus dem LNT-Katalysator freigesetztes NO vom unterhalb angeordneten Oxidationskatalysator zu NO₂ oxidiert. Entsprechend erhöht sich das Verhältnis von NO₂ zu NOx, die zum katalysierten Filter strömen, was für die Aufbereitung des Filters vorteilhaft ist.
Bezüglich der Struktur C oxidiert der oben angeordnete Oxidationskatalysator das im Abgas enthaltene NO und NO₂ wird einfach erzeugt, was dazu führt, dass eine NOx-Okklusionsreaktion problemlos im LNT-Katalysator stattfindet, wenn der Oxidationskatalysator oben angeordnet ist. Der oben angeordnete Oxidationskatalysator erhöht die Temperatur problemlos, was dafür sorgt, dass die Oxidationsreaktion von HC und CO einfach stattfindet. Dadurch kann die Temperatur des katalysierten Filters schnell erhöht werden, was für die Aufbereitung des Filters vorteilhaft ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasreinigungsverfahrens beinhaltet das Verfahren darüber hinaus: das Abfangen des Reduktionsmittels und/oder seiner Derivate, die in dem Abgas enthalten sind, das den SCR-Katalysator passierte; und die Oxidation des Reduktionsmittels und/oder seiner Derivate, wenn eine bestimmte Menge des abgefangenen Reduktionsmittels und/oder der abgefangenen Derivate einen vorbestimmten Wert erreicht. Dadurch wird vermieden, dass das Reduktionsmittel und/oder die Derivate abrutschen (und in die Atmosphäre ausgestoßen werden).
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Konfiguration eines Systems zur Reinigung von Abgasen eines Motors.
2 zeigt einen Querschnitt mit einer schematischen beispielhaften Darstellung einer bevorzugten Struktur eines Kompositkatalysators.
3 zeigt einen Querschnitt mit einer schematischen beispielhaften Darstellung einer weiteren bevorzugten Struktur des Kompositkatalysators.
4 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer NOx-Sperre und einer Sammlung von PM.
5 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Freisetzung und Reduktion der NOx und Sammlung von PM.
6 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Aufbereitung eines Filters.
7 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterunng der Reduktion der NOx durch einen SCR-Katalysator.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Jetzt werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen lediglich Illustrationszwecken dient und den Anwendungsbereich, die Anwendungen und Nutzung der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken soll.
<Systemkonfiguration>
1 zeigt ein Abgasreinigungssystem, das in der Lage ist, NOx und Partikel (nachfolgend als ”PM” bezeichnet) zu behandeln, die im Abgas eines Motors 1 enthalten sind. Der Motor 1 in diesem Beispiel ist ein Dieselmotor und verfügt über einen Abgasdurchgang 2, in dem ein Kompositkatalysator 3, ein katalysierter Filter 4, eine Einspritzvorrichtung 5 zur Einspritzung eines Reduktionsmittels oder einer Vorstufe des Reduktionsmittels, ein Mischer 6, ein SCR-Katalysator 7 und ein NH₃-Oxidationskatalysator 8 der Reihe nach in der Strömungsrichtung des Abgases von oben nach unten angeordnet sind. In dieser Spezifikation werden die Begriffe ”oben” und ”unten” in Bezug auf die Richtung verwendet, in der das Abgas strömt. Dieses System beinhaltet darüber hinaus einen Tank 9, in dem das Reduktionsmittel oder die Vorstufe des Reduktionsmittels aufbewahrt werden, sowie verschiedene Sensoren. Auf der Grundlage von Signalen, die von diesen Sensoren abgegeben werden, führt eine Motorsteuerungseinheit (ECU) 11 die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in den Motor 1 und Steuerung der Einspritzvorrichtung 5 durch.
Der Kompositkatalysator 3 beinhaltet einen LNT-Katalysator und einen Oxidationskatalysator (DOC), die miteinander kombiniert werden. Der LNT-Katalysator fangt vorübergehend die NOx ab und reduziert und reinigt diese. Der Oxidationskatalysator oxidiert das im Abgas enthaltene HC, CO und NO.
Der LNT-Katalysator beinhaltet: eine Katalysatorkomponente, die das im Abgas enthaltene NO oxidiert; NOx-Abfangmaterial, das die im Abgas enthaltenen NOx abfangt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, und die NOx freisetzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht oder fett wird; und eine Katalysatorkomponente, die die vom NOx-Abfangmaterial abgefangenen NOx reduziert. Zum Beispiel wird die NO-Oxidationskatalysatorkomponente bevorzugt als Katalysator konfiguriert, der aus einer Mischung aus aktiviertem Aluminiumoxid und einem Oxid mit Ce als Material mit Sauerstoff-Speicherfähigkeit (OSC) besteht, dem Pt hinzugefügt wird. Das NOx-Abfangmaterial wird vorzugsweise als Verbindung eines Erdalkalimetalls, wie z. B. Ba, konfiguriert. Die NOx-Reduktionskatalysatorkomponente wird vorzugsweise als Katalysator konfiguriert, der aus einem Gemisch aus aktiviertem Aluminiumoxid und einem OSC-Material (Oxid mit Ce) besteht, dem Rh hinzugefügt wird.
Als Material für das NOx-Abfangmaterial wird Erdalkalimetallazetat verwendet. Dieses Erdalkalimetallazetat wird einem Träger hinzugefügt, kalziniert und in Karbonat umgewandelt. Dieses Erdalkalimetallkarbonat fungiert als NOx-Abfangmaterial.
Der Oxidationskatalysator beinhaltet ein HC-Abfangmaterial, das das im Abgas enthaltene HC abfängt, sowie eine Katalysatorkomponente, die das vom HC-Abfangmaterial abgefangene HC sowie das im Abgas enthaltene HC, CO und NO oxidiert. Zum Beispiel wird das HC-Abfangmaterial vorzugsweise als Zeolith konfiguriert, und die Oxidationskatalysatorkomponente wird vorzugsweise als ein Katalysator konfiguriert, der aus einem Gemisch aus aktiviertem Aluminiumoxid und einem OSC-Material (Oxid mit CE) besteht, dem Pt und/oder Pd hinzugefügt wird.
Der Kompositkatalysator 3 kann über eine Konfiguration verfügen, die mindestens eine der folgenden Strukturen A, B und C aufweist.
Struktur A: Jede Zelle, durch die das Abgas passiert, verfügt über eine Zellwand, die aus einem Wabenträger besteht. Eine Schicht, die den LNT-Katalysator umfasst, und eine Schicht, die den Oxydationskatalysator umfasst, werden an der Zellwand gebildet. Eine dieser Schichten ist als obere Schicht ausgelegt und befindet sich näher an der Stelle der Zelle, an der das Abgas passiert, als die andere Schicht.
Struktur B: Jede Zelle, durch die das Abgas passiert, verfügt über eine Zellwand, die aus einem Wabenträger besteht. Eine katalytische Schicht einer Zusammensetzung aus LNT-Katalysator und Oxidationskatalysator wird an der Zellwand gebildet.
Struktur C: Jede Zelle, durch die das Abgas passiert, verfügt über eine Zellwand, die aus einem Wabenträger besteht. Sowohl der LNT-Katalysator als auch der Oxidationskatalysator werden so an der Zellwand angeordnet, dass einer dieser Katalysatoren über dem anderen in Bezug auf die Richtung angeordnet wird, in der das Abgas durch die Zelle strömt.
In der Struktur A wird wie in 2 gezeigt sowohl der Oxidationskatalysator 25 als auch der LNT-Katalysator 26 vorzugsweise so von der Zellwand 27 gestützt, dass der Oxidationskatalysator 25 die obere Schicht und der LNT-Katalysator 26 die untere Schicht bildet.
In der Struktur C wird wie in 3 gezeigt sowohl der Oxidationskatalysator 25 als auch der LNT-Katalysator 26 so von der Zellwand 27 gestützt, dass der Oxidationskatalysator 25 über dem LNT-Katalysator 26 angeordnet wird.
Der katalysierte Filter 4 besteht aus einem Filter, der so konfiguriert ist, dass die PM gesammelt werden, und auf dem ein PM-Verbrennungskatalysator vorgesehen wird. Der Katalysator beinhaltet vorzugsweise zum Beispiel aktiviertes Aluminiumoxid, dem Pt und ein Erdalkalimetall hinzugefügt werden, Oxid mit CE, dem Pt und ein Erdalkalimetall hinzugefügt werden, sowie ein komplexes Oxid auf Zr-Basis, das kein CE enthält und dem Pt und ein Erdalkalimetall hinzugefügt werden.
Der SCR-Katalysator 7 reduziert und reinigt die NOx in Gegenwart des Reduktionsmittels selektiv. In diesem Beispiel wird ein Harnstoff-SCR-Katalysator, bei dem Harnstoff als Vorstufe des NH₃ verwendet wird, das als Reduktionsmittel dient, als SCR-Katalysator 7 eingesetzt. Aus diesem Grund wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung in Tank 9 gespeichert. Der SCR-Katalysator 7 wird vorzugsweise als Katalysatorkomponente mit Zeolith konfiguriert, die NH₃ abfängt und der ein katalytisches Metall, das NOx mittels NH₃ reduziert, als Reduktionsmittel hinzugefügt wird. Der SCR-Katalysator 7 verfügt vorzugsweise über eine Struktur, bei der die Katalysatorkomponente an der Zellwand des Wabenträgers abgestützt wird. Als katalytisches Metall für die NOx-Reduktion wird zum Beispiel vorzugsweise Fe, Ti, Ce oder W verwendet. Es wird nicht empfohlen, ein Metall, wie z. B. Pt und Pd, zu verwenden, das normalerweise NH₃ zu NOx oxidiert.
Vorzugsweise ist dem SCR-Katalysator zumindest ein komplexes Oxid auf Ce-Basis, ein komplexes Oxid auf Zr-Basis oder eine Erdalkalimetallverbindung als schwaches Oxidationsmittel hinzuzufügen. Durch die Zugabe des schwachen Oxidationsmittels wird die Oxidation von NO zu NO₂ am SCR-Katalysator 7 ermöglicht. Entsprechend kann selbst bei niedriger Temperatur, wenn das Verhältnis zwischen NO und dem Abgas hoch ist, das Verhältnis zwischen NO und NO₂, d. h. NO₂/NO, am SCR-Katalysator 7 fast 1 erreichen. Dadurch ist die Erhöhung der NOx-Reinigungsleistung auch bei niedriger Temperatur möglich. Darüber hinaus gestattet der Einsatz des komplexen Oxids auf Ce-Basis, des komplexen Oxids auf Zr-Basis und die Erdalkalimetallverbindung, bei denen es sich um schwache Oxidationsmittel handelt, die Reduktion der Oxidation des Reduktionsmittels (NH₃), das die NOx im SCR-Katalysator 7 reduziert, und entsprechend wird der Rückgang bei der Menge an NH₃ gesenkt.
Die Einspritzvorrichtung 5 kann als Einspritzventil konfiguriert werden, das die Harnstoff-Wasser-Lösung in Tank 9 zu einem Teil des Abgasdurchgangs 2 zwischen dem Kompositkatalysator 3 und dem Mischer 6 liefert. Der Mischer 6 ist so konfiguriert, dass die Harnstoff-Wasser-Lösung im Abgas innerhalb des Abgasdurchgangs 2 zerstreut wird.
Der NH₃-Oxidationskatalysator 8 ist so konfiguriert, dass NH₃ und seine Derivate, die den SCR-Katalysator 7 passiert haben (durchgerutscht sind), ohne mit dem NOx zu reagieren, abgefangen und oxidiert werden, und verhindert wird, dass das NH3 und die Derivate durch den NH₃-Oxidationskatalysator 8 rutschen. Der NH₃-Oxidationskatalysator 8 verfügt vorzugsweise über eine Konfiguration, bei der Zeolith mit Pt, d. h. Zeolith, das NH₃ abfangt und dem Pt hinzugefügt wird, sowie ein OSC-Material mit Pt von einer Zellwand, die aus einem Wabenträger besteht, abgestützt werden.
Der Kompositkatalysator 3 und der katalysierte Filter 4 befinden sich in einem Katalysatorgehäuse 12 und sind so nebeneinander angeordnet, dass der Kompositkatalysator in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung oben positioniert wird. Dieses Katalysatorgehäuse 12 ist direkt mit dem Abgasauslass eines Turboladers 13 verbunden und wird im Motorraum eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Der Turbolader 13 ist direkt mit dem unteren Ende eines Abgaskrümmers des Motors 1 verbunden. Diese Konfiguration sorgt dafür, dass das Abgas bei einer relativ hohen Temperatur in den Kompositkatalysator 3 und den katalysierten Filter 4 strömt, selbst wenn der Motor startet. In 1 bezeichnet die Referenzangabe 14 einen Einlassdurchgang des Motors 1. Andererseits werden der SCR-Katalysator 7 und der NH₃-Oxidationskatalysator 8 unter dem Boden des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Als nächstes werden die verschiedenen Sensoren, die im Abgasdurchgang 2 vorgesehen sind, beschrieben. Ein erster Temperatursensor 15, der so konfiguriert ist, dass die Temperatur des Abgases erkannt wird, das in den Kompositkatalysator 3 strömt, wird über dem Kompositkatalysator 3 platziert. Wenn die von diesem ersten Temperatursensor 15 erfasste Abgastemperatur einem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist und der Wert der vom LNT-Katalysator abgefangenen NOx einen vorbestimmten Wert erreicht hat, findet eine fette Reinigung (die vorübergehend das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von mager zu fett ändert) durchgeführt, um dafür zu sorgen, dass der LNT-Katalysator die darin abgefangenen NOx freisetzt und diese reduziert und reinigt. Die Menge der abgefangenen NOx wird auf der Grundlage der Motorbetriebshistorie und der fetten Reinigungshistorie geschätzt. Hier erfolgt die fette Reinigung durch Erhöhung der Menge an Kraftstoff, die in die Verbrennungskammer des Motors 1 in einem Kompressionshub eingespritzt wird. Entsprechend wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, das in den LNT-Katalysator strömt, angereichert und die NOx freigesetzt.
Ein zweiter Temperatursensor 16 der so konfiguriert ist, dass eine Erfassung der Temperatur des Abgases, das zum katalysierten Filter 4 strömt, erfolgt, wird zwischen dem Kompositkatalysator 3 und dem katalysierten Filter 4 vorgesehen. Auf der Grundlage der Abgastemperatur, die von diesem zweiten Temperatursensor 16 erfasst wird, erfolgt die Steuerung der Nacheinspritzungsmenge zur Aufbereitung des katalysierten Filters 4. Insbesondere wird die Nacheinspritzmenge so gesteuert, dass die Abgastemperatur einer voreingestellten Temperatur entspricht, um sicherzustellen, dass die Temperatur des katalysierten Filters 4 ansteigt, um die Zündtemperatur des PM zu erreichen.
Die Drucksensoren 17 und 18 werden jeweils über und unter dem katalysierten Filter 4 vorgesehen. Die Sensoren 17 und 18 werden so konfiguriert, dass sie eine Druckdifferenz Δ im Abgas zwischen oberhalb und unterhalb gelegenen Teilen des katalysierten Filters 4 erkennen. In diesem Beispiel wird der oberhalb angeordnete Drucksensor 7 zwischen dem Kompositkatalysator 3 und dem katalysierten Filter 4 vorgesehen. Auf der Grundlage der Druckdifferenz Δ wird die Menge an PM, das vom katalysierten Filter 4 gesammelt wird, berechnet. Wenn die Menge des gesammelten PM einen vorbestimmten Wert erreicht, wird die Nacheinspritzung zu einem vorher festgelegten Zeitpunkt der Einspritzung durchgeführt.
Ein oberhalb gelegener NOx-Sensor 19, der so konfiguriert ist, dass er die NOx-Konzentration des Abgases erfasst, das in den SCR-Katalysator 7 strömt, wird zwischen dem katalysierten Filter 4 und dem Mischer 6 vorgesehen. Ein unterhalb angeordneter NOx-Sensor 21, der so konfiguriert ist, dass er die NOx-Konzentration des Abgases erfasst, das aus dem SCR-Katalysator 7 strömt, wird zwischen dem SCR-Katalysator 7 und dem NH₃-Oxidationskatalysator 8 angeordnet. Des Weiteren wird ein dritter Temperatursensor 22, der so konfiguriert ist, dass er die Temperatur des Abgases erfasst, das in den SCR-Katalysator 7 strömt, unmittelbar oberhalb des SCR-Katalysators 7 platziert.
Wenn die vom oberhalb angeordneten NOx-Sensor 19 festgestellte NOx-Konzentration einem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist und die Abgastemperatur, die vom dritten Temperatursensor 22 erkannt wird, einem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist, spritzt die Einspritzvorrichtung 5 die Harnstoff-Wasser-Lösung ein, damit der SCR-Katalysator 7 die NOx reinigen kann. Die Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung, die eingespritzt werden soll, wird auf der Grundlage der Menge an NH₃, die vom Zeolith des SCR-Katalysators 7 absorbiert wird, sowie der NOx-Konzentration, die vom oberhalb angeordneten NOx-Sensor 19 erkannt wird, auf eine angemessene Menge reguliert. Die Schätzung der Menge an NH₃, die vom Zeolith absorbiert wird, erfolgt auf der Grundlage der NOx-Konzentrationen, die von den oberhalb und unterhalb angeordneten NOx-Sensoren 19 und 21 festgestellt werden, sowie gemäß der Historie der Menge an eingespritzter Harnstoff-Wasser-Lösung.
Neben den vorgenannten Sensoren wird der Abgasdurchgang 2 mit einem Sensor (nicht gezeigt) ausgestattet, der so konfiguriert ist, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erfasst wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases kann auf der Grundlage des Betriebszustands des Motors 1 geschätzt werden.
<Reinigung des Abgases>
[NOx-Abfangung durch LNT-Katalysator und PM-Sammlung durch katalysierten Filter 4]
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, wie in 4 gezeigt, mager ist, werden die NOx im Abgas (in 4, wird NO repräsentativ gezeigt) vom NOx-Abfangmaterial des LNT-Katalysators des Kompositkatalysators 3 abgefangen, während die PM vom katalysierten Filter 4 gesammelt werden.
NO, das einen Großteil der NOx im Abgas ausmacht, reagiert mit dem O₂, das sich im Abgas befindet und in Anwesenheit des Oxidationskatalysators sowie der NO-Oxidationskatalysatorkomponente des LNT-Katalysators zu NO₂ oxidiert. Wenn zum Beispiel eine Ba-Verbindung als NOx-Abfangmaterial verwendet wird, reagiert NO₂ mit BaCO₃ in Anwesenheit von Sauerstoff (1/2O₂) und wird abgefangen (eine Ersatzreaktion). Insbesondere NO₂ wird in NO₃ umgewandelt, das mit Ba verbunden wird. Entsprechend wird Ba (NO₃)₂ erzeugt, während CO₂ von BaCO₃ desorbiert und freigesetzt wird.
[Freisetzung und Reduktion der NOx durch den LNT-Katalysator und PM-Sammlung durch den katalysierten Filter 4]
Wenn die Menge an NOx, die durch das NOx-Abfangmaterial abgefangen wird, dem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist, und die Temperatur des Abgases, das in den Kompositkatalysator 3 strömt, einem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist (z. B. 200°C), wird die fette Reinigung wie erforderlich durchgeführt. Entsprechend wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases vorübergehend angereichert und NOx aus dem NOx-Abfangmaterial freigesetzt und dann vom NOx-Reduktionskatalysator, wie in 5 gezeigt, reduziert und gereinigt. In dieser Form wird die NOx-Abfangkapazität des NOx-Abfangmaterials wiederhergestellt (Aufbereitung des LNT-Katalysators). Der katalysierte Filter 4 sammelt während dieses Prozesses weiterhin PM.
Als nächstes werden die Freisetzung und Reduktion der NOx beschrieben. Wie in 5 gezeigt, wird Ba(NO₃)₂ über die Reaktion (Ersatzreaktion) mit CO, das im Abgas aufgrund der oben beschriebenen fetten Reinigung zunimmt, in BaCO₃ umgewandelt und entsprechend wird NO₂ desorbiert und freigesetzt. Dieses NO₂ reagiert mit den im Abgas vorhandenen Reduktionsmitteln (CO, HC und H₂) in Anwesenheit des NOx-Reduktionskatalysators und wird in N₂ umgewandelt und dann ausgestoßen. Infolge dieser Reduktionsreaktion werden ebenfalls CO₂, O₂ und H₂O erzeugt und ausgestoßen.
[PM-Verbrennung durch katalysierten Filter 4]
In einer Situation, in der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, wird die Nacheinspritzung auf der Grundlage der Temperatur des Abgases durchgeführt, das zum katalysierten Filter 4 strömt, wenn davon ausgegangen wird, dass die Menge der vom katalysierten Filter 4 gesammelten PM den vorbestimmten Wert auf der Grundlage der Druckdifferenz Δ im Abgas zwischen den oberhalb und unterhalb gelegenen Teilen des katalysierten Filters 4 erreicht hat. Auf diese Weise werden die am katalysierten Filter 4 gesammelten PM verbrannt und entfernt und das PM-Sammelvermögen des Filters wird wiederhergestellt (Aufbereitung des Filters). Dieser Prozess wird nachfolgend detailliert beschrieben.
Wie in 6 gezeigt wird, verursacht die Nacheinspritzung eine Zunahme von HC und CO im Abgas des Motors 1. HC und CO reagieren mit dem im Abgas in Gegenwart des Oxidationskatalysators des Kompositkatalysators 3 enthalten Sauerstoff (O₂), und entsprechend werden CO₂ und H₂O erzeugt und ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt wird bei der Oxidationsreaktion Wärme erzeugt, um die Temperatur des Abgases, das zum katalysierten Filter 4 strömt, zu erhöhen. Infolge dessen erhöht sich die Temperatur des katalysierten Filters 4, um die PM-Verbrennungsleistung deutlich zu verbessern.
Darüber hinaus sorgen der Oxidationskatalysator des Kompositkatalysators 3 und der NO-Oxidationskatalysator des LNT-Katalysators dafür, dass das NO im Abgas mit dem Sauerstoff (O₂) im Abgas reagiert und dadurch NO₂ erzeugt. Dieses NO₂ und der Sauerstoff (O₂) im Abgas werden als Oxidationsmittel zum katalysierten Filter 4 weitergeleitet. Alternativ dazu erhöht die Wärme der Oxidationsreaktion die Temperatur des LNT-Katalysators und NO₂ wird aus dem NOx-Abfangmaterial freigesetzt und dann zum katalysierten Filter 4 weitergeleitet. Im katalysierten Filter 4 reagieren die gesammelten PM mit dem Sauerstoff oder NO₂ (die PM-Verbrennung) in Anwesenheit des Katalysators, und die PM werden in CO₂ umgewandelt und dann ausgestoßen. Darüber hinaus wird das NO, das bei der Reaktion von NO₂ und PM erzeugt wird, sowie das NO₂, das nicht reagiert hat, vom katalysierten Filter 4 ausgestoßen.
Entsprechend dient das vom Oxidationskatalysator und dem LNT-Katalysator zum katalysierten Filter 4 weitergeleitete erzeugte NO₂ als Oxidationsmittel zur Unterstützung der Verbrennung der PM, wodurch die Menge an Nacheinspritzung, die zur Verbrennung der PM erfolgt, reduziert wird.
[Selektive Reduktion der NOx durch den SCR-Katalysator 7]
Die NOx, die nicht vom LNT-Katalysator abgefangen wurden, die NOx, die nicht vom LNT-Katalysator reduziert und gereinigt wurden, bzw. die NOx, die aus dem katalysierten Filter 4 ausgestoßen wurden, strömen zum SCR-Katalysator 7. Wenn die NOx-Konzentration des Abgases, das in den SCR-Katalysator 7 strömt, einem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist, und die Temperatur des Abgases, das in den SCR-Katalysator 7 strömt, dem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist (z. B. 200°C), führt der SCR-Katalysator 7 eine selektive Reduktion der NOx nach Bedarf durch.
Wenn zum Beispiel eine fette Reinigung dazu geführt hat, dass der LNT-Katalysator NOx freisetzt und die NOx reduziert und reinigt, kann ein Teil der freigesetzten NOx ohne Reduktion und Reinigung ausgestoßen werden, und entsprechend kann die NOx-Konzentration des Abgases, das zum SCR-Katalysator 7 strömt, den vorbestimmten Wert erreichen oder höher sein. In einem solchen Fall und unter der Voraussetzung dass die Temperatur des Abgases, das zum SCR-Katalysator strömt, dem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist, spritzt die Einspritzvorrichtung 5 die Harnstoff-Wasser-Lösung ein, so dass der SCR-Katalysator 7 eine selektive Reduktion der NOx durchführt.
Wie in 7 gezeigt, wird infolge der Einspritzung der Harnstoff-Wasser-Lösung durch die Einspritzvorrichtung 5 in den Abgasdurchgang 2 der Harnstoff pyrolysiert und hydrolysiert, um NH₃ (das Reduktionsmittel) zu erzeugen, und dieses NH₃ wird vom Zeolith des SCR-Katalysators 7 absorbiert. Darüber hinaus wird das bei der Zersetzung des Harnstoffes erzeugte CO₂ ausgestoßen. NOx (NO und NO₂), die in den SCR-Katalysator 7 eingedrungen sind, werden durch das vom Zeolith absorbierte NH₃ reduziert und gereinigt und in N₂ umgewandelt. Das N₂ wird zusammen mit dem H₂O, das gleichzeitig mit der Reduktion und Reinigung der NOx erzeugt wird, ausgestoßen.
Hier reduziert NH₃ die NOx über die anhand der folgenden Formeln dargestellten Reaktionen. Wie den Formeln entnommen werden kann, beteiligt sich das im Abgas enthaltene O₂ bei einigen Reaktionen, bei anderen jedoch nicht.
(Reaktionen, an denen O₂ beteiligt ist) 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O 2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H₂O (Reaktionen, an denen O₂ nicht beteiligt ist) NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O 6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O
[Oxidation von NH₃ und anderen Substanzen durch den NH₃-Oxidationskatalysator 8]
NH₃ und seine Derivate, die den SCR-Katalysator 7 passiert haben, ohne mit den NOx zu reagieren, werden vom Zeolith des NH₃-Oxidationskatalysators 8 abgefangen, wodurch verhindert wird, dass NH₃ und die Derivate in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Das vom Zeolith abgefangene NH₃ und die Derivate werden vom Zeolith desorbiert, wenn die Menge an abgefangenem NH₃ und Derivaten einen vorbestimmten Wert erreicht. Das desorbierte NH₃ und die Derivate werden dann von einem Pt-Katalysator oxidiert und ausgestoßen. Dieser Prozess wird nachfolgend detailliert beschrieben.
Die Menge an abgefangenen NH₃ und Derivaten wird wie folgt bestimmt. Der vom unteren NOx-Sensor 21 erkannte Wert reflektiert nicht nur die Menge an NOx, die den SCR-Katalysator verlassen hat, sondern auch die Menge an NH₃, die den SCR-Katalysator 7 verlassen hat. Anhand dieser Vorgehensweise wird die Menge an NH₃ und seiner Derivate, die den SCR-Katalysator passiert hat und vom NH₃-Oxidationskatalysator 8 abgefangen wird, auf der Grundlage des Werts bestimmt, der vom oberen NOx-Sensor 19 erfasst wird (dadurch kann die Menge an NOx, die in den SCR-Katalysator 7 eindringt, bestimmt werden), und es wird die Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung, die von der Einspritzvorrichtung 5 eingespritzt wird (dadurch kann die Menge an NH₃, die in den SCR-Katalysator 7 gelangt, bestimmt werden) sowie der Wert, der vom unteren NOx-Sensor 21 erkannt wird (dadurch kann die Gesamtmenge an NOx und NH₃, die den SCR-Katalysator 7 verlassen haben, bestimmt werden), festgelegt. Die Addition der entsprechend bestimmten Mengen ergibt die Menge an abgefangenem NH₃ und Derivaten.
Wenn die Menge an abgefangenem NH₃ und Derivaten den vorbestimmten Wert erreicht, wird di Nacheinspritzung durchgeführt. Infolge dieser Nacheinspritzung erhöht sich die Abgastemperatur, das NH₃ und die Derivate werden vom Zeolith desorbiert und dann vom PT-Katalysator oxidiert.
Während der katalysierte Filter 4 aufbereitet wird, steigt ebenfalls die Abgastemperatur und das NH₃ und die Derivate werden vom Zeolith desorbiert und anschließend vom Pt-Katalysator oxidiert. Wenn der Motor des Weiteren unter starker Belastung betrieben wird, steigt die Abgastemperatur. In dieser Situation können das NH₃ und die Derivate ebenfalls vom Zeolith desorbiert und anschließend vom Pt-Katalysator oxidiert werden.
Der Motor arbeitet jedoch nicht abhängig von der Menge an abgefangenem NH₃ und seinen Derivaten unter starker Belastung. Wenn darüber hinaus die Nacheinspritzung durchgeführt oder der katalysierte Filter 4 aufbereitet wird, um das NH₃ und die Derivate, die vom NH₃-Oxidationskatalysator 8 abgefangen wurden, zu oxidieren und zu beseitigen, wird die Kraftstoffeffizienz gesenkt.
Aus diesem Grund wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Abfangvermögen (d. h. die Menge an Zeolith) des NH₃-Oxidationskatalysators 8 so eingestellt, dass der NH₃-Oxidationskatalysator 8 im Wesentlichen mit einer geschätzten Menge an NH₃ und seinen Derivaten, die während eines Intervalls zwischen der Aufbereitung des Filters durch den SCR-Katalysator 7 rutschen können, gesättigt wird.
Diese bevorzugte Ausführungsform ermöglicht die Oxidation und die Beseitigung des NH₃ und der Derivate, die vom NH₃-Oxidationskatalysator 8 abgefangen werden, durch die Wärme, die bei der Aufbereitung des katalysierten Filters 4 erzeugt wird. Diese bevorzugte Ausführungsform gestattet es ebenfalls, zu verhindern, dass das NH₃ und die Derivate, die durch den NH₃-Oxidationskatalysator 8 rutschen, in die Atmosphäre ausgestoßen werden.
[Beziehung zwischen LNT-Katalysator und SCR-Katalysator 7]
Wenn die Menge des vom LNT-Katalysator des Kompositkatalysators 3 abgefangene Menge an NOx relativ gering ist und der LNT-Katalysator das im Abgas enthaltene NOx fortgesetzt okkludiert, ist die vom oberen NOx-Sensor 19 erfasste NOx-Konzentration normalerweise geringer als der vorbestimmte Wert. Aus diesem Grund muss der SCR-Katalysator 7 die NOx nicht reinigen und die Einspritzvorrichtung 5 die Harnstoff-Wasser-Lösung auch nicht einspritzen. Alternativ dazu können die NOx bereits durch Einspritzung einer geringen Menge der Harnstoff-Wasser-Lösung reduziert und gereinigt werden, da nur eine geringe Menge an NOx in den SCR-Katalysator 7 gelangt.
Da die Menge der vom LNT-Katalysator abgefangenen NOx zunimmt, wird der NOx-Abfanganteil des LNT-Katalysators verringert und entsprechend nimmt die NOx-Konzentration des Abgases, das in den SCR-Katalysator 7 strömt, zu. Wenn die Menge der vom LNT-Katalysator abgefangenen NOx dem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist und die NOx-Konzentration und Temperatur des Abgases, das in den SCR-Katalysator 7 strömt, den jeweiligen vorbestimmten Werten entsprechen oder höher sind, kann die NOx-Abfangkapazität (Aufbereitung des LNT-Katalysators) oder die selektive Reduktion der NOx durch den SCR-Katalysator durch Einspritzung der Harnstoff-Wasser-Lösung selektiv durchgeführt werden. Die Wiederherstellung der NOx-Abfangkapazität und die selektive Reduktion der NOx können parallel vorgenommen werden.
Die Einspritzung der Harnstoff-Wasser-Lösung sorgt dafür, dass der SCR-Katalysator 7 die NOx reduziert und reinigt. Aus diesem Grund muss die fette Reinigung nicht notwendigerweise ausschließlich aufgrund der Tatsache durchgeführt werden, dass die Menge an NOx, die vom LNT-Katalysator abgefangen wurde, den vorbestimmten Wert erreicht hat. Zum Beispiel können die Intervalle zwischen den fetten Reinigungen erhöht werden, um eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs zu ermöglichen. Andererseits ist die selektive Reduktion der NOx durch den SCR-Katalysator 7 unnötig, wenn die fette Reinigung dazu führt, dass der LNT-Katalysator die NOx freisetzt, da die NOx durch den Reduktionskatalysator in NO₂ umgewandelt werden. Alternativ dazu ist die Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung, die eingespritzt werden muss, sehr gering, da nur eine geringe Menge an NOx in den SCR-Katalysator 7 gelangt. Wenn alternativ dazu eine geringe Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung im Tank 9 verbleibt, wird die Aufbereitung des LNT-Katalysators durch die fette Reinigung bevorzugt vor einer Reduktion und Reinigung der NOx durch den SCR-Katalysator 7 durchgeführt, wodurch die Menge an auszustoßenden NOx und entsprechend der Verbrauch an Harnstoff-Wasser-Lösung reduziert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2011-89521 [0002, 0003, 0006]
JP 09-53442 [0003, 0004, 0006]

Claims

Abgasreinigungssystem, das die im Abgas eines Motors enthaltenen NOx und Partikel behandeln kann, wobei das System Folgendes umfasst: einen Kompositkatalysator, zu dem ein LNT-Katalysator, der vorübergehend die NOx abfängt und die NOx reduziert, sowie ein Oxidationskatalysator, der das im Abgas enthaltene HC, CO und NO oxidiert, kombiniert werden; einen katalysierten Filter, der einen Filter beinhaltet, der die Partikel sammelt, und auf dem ein Katalysator zur Verbrennung der Partikel vorgesehen wird; einen SCR-Katalysator, der die NOx in Gegenwart eines Reduktionsmittels selektiv reduziert; und eine Einspritzvorrichtung, die das Reduktionsmittel oder eine Vorstufe des Reduktionsmittels in einen Abgasdurchgang des Motors einspritzt, so dass das Reduktionsmittel zum SCR-Katalysator gelangt, wobei der Kompositkatalysator, der katalysierte Filter, die Einspritzvorrichtung und der SCR-Katalysator im Abgasdurchgang in dieser Reihenfolge und in einer Richtung von oben nach unten in Bezug auf die Abgasströmung angeordnet werden.
System des Anspruchs 1, wobei die Einspritzvorrichtung NH₃ als Reduktionsmittel oder Harnstoff als Vorstufe des Reduktionsmittels in den Abgasdurchgang einspritzt, und das System des Weiteren einen Oxidationskatalysator beinhaltet, der NH₃ und/oder dessen Derivate oxidiert und der unterhalb des SCR-Katalysators im Abgasdurchgang angeordnet ist.
System des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2, wobei der LNT-Katalysator des Kompositkatalysators eine Katalysatorkomponente enthält, die das im Abgas enthaltene NO oxidiert, ein NOx-Abfangmaterial, das die im Abgas enthaltenen NOx abfängt, sowie eine Katalysatorkomponente, die die im NOx-Abfangmaterial abgefangenen NOx reduziert, der Oxidationskatalysator des Kompositkatalysators über ein HC-Abfangmaterial verfügt, dass das im Abgas enthaltene HC abfängt, sowie über eine Katalysatorkomponente, die das HC, CO und NO oxidiert, und der Kompositkatalysator über mindestens eine der folgenden Strukturen verfügt: eine Struktur A, bei der jede Zelle, durch die das Abgas passiert, über eine Zellwand aus einem Wabenträger verfügt, eine Schicht mit dem LNT-Katalysator und eine Schicht mit dem Oxidationskatalysator über der Zellwand gebildet werden und sich eine der Schichten näher an einer Stelle der Zelle, an der das Abgas passiert, als die andere befindet; eine Struktur B, bei der jede Zelle, durch die das Abgas passiert, über eine Zellwand aus einem Wabenträger verfügt, und eine katalytische Schicht einer Zusammensetzung aus LNT-Katalysator und Oxidationskatalysator an der Zellwand gebildet wird; oder eine Struktur C, bei der jede Zelle, durch die das Abgas passiert, über eine Zellwand aus einem Wabenträger verfügt und der LNT-Katalysator und der Oxidationskatalysator so an der Zellwand angeordnet werden, dass einer dieser Katalysator über dem anderen in Bezug auf die Richtung angeordnet wird, in der das Abgas durch die Zelle strömt.
Abgasreinigungsverfahren zur Behandlung der im Abgas eines Motors enthaltenen NOx und Partikel, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Abfangen durch einen LNT-Katalysator von NO₂, das über die Oxidation von NO durch einen Oxidationskatalysator erzeugt wurde, der mit dem LNT-Katalysator kombiniert wird und ein Bestandteil davon ist, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist; das Sammeln der Partikel, die sich im Abgas befinden, das den LNT-Katalysator passiert hat, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, über einen katalysierten Filter, auf dem ein Katalysator vorgesehen wird; die Reduktion und Reinigung der vom LNT-Katalysator abgefangenen NOx über die Durchführung einer satten Reinigung, die vorübergehend das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases von mager zu fett ändert, wenn die Menge der vom LNT-Katalysator abgefangenen NOx einen vorbestimmten Wert erreicht; die Einspritzung eines Reduktionsmittels oder einer Vorstufe des Reduktionsmittels in das Abgas, wenn eine Temperatur des Abgases, das den katalysierten Filter passiert hat, einem vorbestimmten Wert entspricht oder höher ist; die Reduktion und Reinigung der im Abgas enthaltenen NOx durch einen SCR-Katalysator in Gegenwart des Reduktionsmittels; die Erhöhung der Mengen an HC und CO im Abgas mittels Durchführung einer Nacheinspritzung, bei der Kraftstoff in eine Verbrennungskammer des Motors in einem Expansions- oder Auslasshub eingespritzt wird, wenn die Menge der im katalysierten Filter gesammelten Partikel einen vorbestimmten Wert erreicht; und die Verbrennung und Beseitigung der im katalysierten Filter durch den vorgesehenen Katalysator angesammelten Partikel durch Erhöhung der Temperatur des katalysierten Filters, so dass das Abgas, dessen Temperatur durch die Wärme der Oxidationsreaktion von HC und CO durch den Oxidationskatalysator erhöht wurde, in den Filter strömt.
Verfahren des Anspruchs 4, das darüber hinaus Folgendes umfasst: das Abfangen des Reduktionsmittels und/oder seiner Derivate, die im Abgas enthalten sind, das den SCR-Katalysator passiert hat; und die Oxidation des Reduktionsmittels und/oder der Derivate, wenn die Menge des abgefangenen Reduktionsmittels und/oder der abgefangenen Derivate einen vorbestimmten Wert erreicht hat.