DE102015200073B4 - Abgasnachbehandlungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Abgasnachbehandlungsanordnung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einer ersten Abgasnachbehandlungskomponente (11, 21), welche einen NOx-Speicherkatalysator aufweist und bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts des Verbrennungsmotors (10, 20) angeordnet ist, einer zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (13, 23), welche bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (11, 21) angeordnet ist, und einer Bypassleitung (15, 25), über welche die zweite Abgasnachbehandlungskomponente (13, 23) vom Abgasstrom selektiv umgehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanordnung wenigstens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente (17, 27) aufweist, welche einen SCR-Katalysator aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsanordnung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors.
  • Im Abgasnachbehandlungsanordnungen für Magergemisch-Verbrennungsmotoren führt die Speicherung von Stickoxiden (NOx) in NOx-Speicherkatalysatoren jeweils auch zur Speicherung bzw. Ablagerung von Schwefel, was eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des betreffenden NOx-Speicherkatalysators bzw. der Abgasnachbehandlungsanordnung zur Folge hat. Zur Beseitigung der Schwefelablagerungen wird eine Entschwefelung durchgeführt, welche üblicherweise mit einer wechselweisen Einstellung magerer und fetter Betriebszustände bei hohen Temperaturen (typischerweise oberhalb von 550°C) einhergeht. Hierbei tritt das Problem auf, dass einerseits die Einstellung einer zu niedrigen Temperatur dazu führt, dass der Schwefel nicht beseitigt wird, wohingegen anderseits eine zu hohe Temperatur zu einem Sintern der in der jeweiligen Abgasnachbehandlungskomponente befindlichen Platingruppenmetalle (PGM) führt und eine irreversible Deaktivierung der jeweiligen Abgasnachbehandlungskomponente zur Folge hat.
  • Ein zusätzliches im Betrieb auftretendes Problem ist, das im stromaufwärtigen Abschnitt der Abgasnachbehandlungskomponente (welcher den höchsten Betriebstemperaturen und den fettesten Betriebsbedingungen ausgesetzt ist) während der Entschwefelung desorbierter Schwefel im stromabwärtigen Bereich der Abgasnachbehandlungskomponente (wo geringere Betriebstemperaturen oder nicht hinreichend fette Betriebsbedingungen vorliegen können) wieder absorbiert werden kann. Im letzteren Falle wird der Schwefel nicht beseitigt, sondern lediglich umverteilt.
  • 3 zeigt in lediglich schematischer Darstellung einen herkömmlichen Ansatz zur Überwindung des vorstehend beschriebenen Problems.
  • Die in 3 schematisch dargestellte Abgasnachbehandlungsanordnung umfasst in motornaher Anordnung nach einem Verbrennungsmotor 30 eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 31, welche z. B. als NOx-Speicherkatalysator (LNT) oder Dieseloxidationskatalysator (DOC) ausgestaltet sein kann. Unmittelbar stromabdieser ersten Abgasnachbehandlungskomponente 31 befindet sich eine über ein Ventil 34 an den Abgasstrom selektiv koppelbare Bypassleitung 35, über welche eine im Abgasstrom befindliche zweite Abgasnachbehandlungskomponente 33 (z. B. ebenfalls in Form eines NOx-Speicherkatalysators) abhängig von der Einstellung des Ventils 34 umgangen werden kann. Stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 33 mündet die Bypassleitung 35 wieder zurück in den Hauptabgasstrom.
  • Im Betrieb der Abgasnachbehandlungsanordnung von 3 wird während eines Entschwefelungsvorganges das Ventil 34 in solcher Weise eingestellt, dass der Abgasstrom durch die Bypassleitung 35 verläuft, wodurch die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 33 vor einer Verschwefelung bzw. Deaktivierung geschützt werden kann. Mittels Öffnen des Ventils 34 kann ferner auch die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 33 einer Entschwefelung unterzogen werden, wobei diese Entschwefelung jedoch zeitlich wesentlich verkürzt sein kann, da die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 33 keiner Schwefelfreisetzung von der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 31 ausgesetzt ist und wesentlich weniger Schwefel als die erste Abgasnachbehandlungskomponente 31 enthält.
  • Aus der DE 10 2009 038 110 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, mit einer ersten, stromabwärts des Verbrennungsmotors angeordneten Abgasnachbehandlungskomponente, die einen Dreiwege- oder Dieseloxidationskatalysator - jedoch an dieser Stelle keinen NOx-Speicherkatalysator - aufweist, mit einer zweiten, stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente angeordneten Abgasnachbehandlungskomponente, die als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet sein kann, sowie einer Bypassleitung, über welche die zweite Abgasnachbehandlungskomponente vom Abgasstrom selektiv umgehbar ist. Weiterhin ist stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente vorgesehen, welche einen SCR-Katalysator aufweist.
  • Aus der DE 10 2007 039 081 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, bei der hinter einem Verbrennungsmotor - in dieser Reihenfolge - ein Oxidationskatalysator, ein Partikelfilter und ein NOx-Speicherkatalysator vorgesehen sind, deren Aufheizung durch gezielte Einleitung von brennbarem Gas aus der Reformereinheit einer Wasserstoffzelle gesteuert werden kann.
  • Aus der DE 10 2008 026 178 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, bei der hinter einem Verbrennungsmotor - in dieser Reihenfolge - ein erster SCR-Katalysator, ein mittels eines Bypasses selektiv umgehbarer Oxidationskatalysator und ein zweiter SCR-Katalysator vorgesehen sind
  • Zum Stand der Technik wird weiterhin beispielhaft auf EP 1 148 215 B1 , US 8 051 647 B2 , US 2013/0276434 A1 , US 2006/0201139 A1 und DE 20 2013 102 114 U1 verwiesen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasnachbehandlungsanordnung bereitzustellen, welche eine effektivere Abgasnachbehandlung ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Abgasnachbehandlungsanordnung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsanordnung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit einer ersten Abgasnachbehandlungskomponente, welche einen NOx-Speicherkatalysator aufweist und bezogen auf den
  • Abgasstrom stromabwärts des Verbrennungsmotors angeordnet ist, einer zweiten Abgasnachbehandlungskomponente, welche bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist, und einer Bypassleitung, über welche die zweite Abgasnachbehandlungskomponente vom Abgasstrom selektiv umgehbar ist, weist wenigstens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente auf, welche einen SCR-Katalysator aufweist.
  • Infolge des Vorhandenseins der zusätzlichen, einen SCR-Katalysator aufweisenden Abgasnachbehandlungskomponente kann auch in Betriebsphasen, in welchen der Abgasstrom über die Bypassleitung geführt wird, eine Umwandlung von Stickoxiden (NOx) unter Verwendung der zusätzlichen Abgasnachbehandlungskomponente erfolgen. Hierbei kann die Bypassleitung bereits zur Umleitung des Abgasstroms genutzt werden, sobald die Temperatur unmittelbar vor der zusätzlichen Abgasnachbehandlungskomponente bzw. des SCR-Katalysators ausreichend hoch ist, um eine NOx-Umwandlung in der den SCR-Katalysator aufweisenden Abgasnachbehandlungskomponente zu gewährleisten.
  • Weitere Vorteile, welche sich aus dem erfindungsgemäßen Aufbau mit der Kombination einer Bypassleitung zur Umgehung einer Abgasnachbehandlungskomponente während eines Entschwefelungsvorganges mit einer zusätzlichen, einen SCR-Katalysator aufweisenden Abgasnachbehandlungskomponente ergeben können, sind die Reduzierung des Gegendrucks in der Abgasnachbehandlungsanordnung, die zuverlässige Vermeidung eines Sinterns von Platingruppenmetallen (PGM) in einem in einer Abgasnachbehandlungskomponente vorhandenen NOx-Speicherkatalysator unter Betriebsbedingungen mit hoher Last bzw. hoher Temperatur, eine Reduzierung der Schwefelbelastung für den betreffenden NOx-Speicherkatalysator sowie die weitere Optimierung der Auspuffemissionen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der SCR-Katalysator auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat ausgebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die weitere Abgasnachbehandlungskomponente bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die weitere Abgasnachbehandlungskomponente bezogen auf den Abgasstrom stromaufwärts der Bypassleitung angeordnet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch eine Abgasnachbehandlungsanordnung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einer ersten Abgasnachbehandlungskomponente, welche bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts des Verbrennungsmotors angeordnet ist, einer zweiten Abgasnachbehandlungskomponente, welche bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist, und einer Bypassleitung, über welche die zweite Abgasnachbehandlungskomponente vom Abgasstrom selektiv umgehbar ist, wobei die Abgasnachbehandlungsanordnung wenigstens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente aufweist, welche einen SCR-Katalysator aufweist und bezogen auf den Abgasstrom stromaufwärts der Bypassleitung angeordnet ist.
  • Hierbei kann die erste Abgasnachbehandlungskomponente einen NOx-Speicherkatalysator oder einen Dieseloxidationskatalysator aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die zweite Abgasnachbehandlungskomponente einen NOx-Speicherkatalysator auf.
  • In Ausführungsformen der Erfindung ist bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der den SCR-Katalysator aufweisenden Abgasnachbehandlungskomponente noch wenigstens eine zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente vorgesehen.
  • Weitere Ausgestaltung der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Abgasnachbehandlungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanordnung in einer weiteren Ausführungsform; und
    • 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Abgasnachbehandlungsanordnung gemäß dem Stand der Technik.
  • Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanordnung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 1 und 2 beschrieben.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Abgasnachbehandlungsanordnung umfasst im Abgasstrom nach einem (gegebenenfalls mit Turboaufladung versehenen) Verbrennungsmotor 10 eine in motornaher Anordnung vorgesehene erste Abgasnachbehandlungskomponente 11, welche als NOx-Speicherkatalysator (LNT) ausgestaltet ist und die Schwefelemissionen des Verbrennungsmotors 10 weitgehend oder sogar vollständig aufnimmt und speichert.
  • Unmittelbar stromabwärts dieser ersten Abgasnachbehandlungskomponente 11 befindet sich eine über ein Ventil 14 an den Abgasstrom selektiv koppelbare Bypassleitung 15, über welche eine im Abgasstrom befindliche zweite Abgasnachbehandlungskomponente 13 (z. B. ebenfalls in Form eines NOx-Speicherkatalysators oder eines passiven NOx-Adsorbers) abhängig von der Einstellung des Ventils 14 umgangen werden kann. Stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 13 mündet die Bypassleitung 15 wieder zurück in den Hauptabgasstrom.
  • Im Betrieb der Abgasnachbehandlungsanordnung von 1 wird während eines Entschwefelungsvorganges das Ventil 14 in solcher Weise eingestellt, dass der Abgasstrom durch die Bypassleitung 15 verläuft, was zur Folge hat, dass die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 13 nur noch einem verringerten Abgasstrom oder gar keinem Abgasstrom mehr ausgesetzt wird. Hierdurch wiederum wird erreicht, dass sämtlicher, von der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 11 desorbierter bzw. freigesetzter Schwefel während der Entschwefelung nicht an der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 13 absorbiert werden kann, so dass die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 13 vor einer Verschwefelung bzw. Deaktivierung geschützt wird.
  • Das Ventil 14 kann optional geöffnet werden, sobald sämtlicher Schwefel aus der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 11 entfernt bzw. freigesetzt wurde. Auf diese Weise kann auch die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 13 einer Entschwefelung unterzogen werden, wobei diese Entschwefelung jedoch zeitlich wesentlich verkürzt sein kann, da die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 13 keiner Schwefelfreisetzung von der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 11 ausgesetzt ist und wesentlich weniger Schwefel als die erste Abgasnachbehandlungskomponente 11 enthält.
  • Die in 1 dargestellte Abgasnachbehandlungsanordnung unterscheidet sich von der zuvor anhand von 3 beschriebenen herkömmlichen Abgasnachbehandlungsanordnung dadurch, dass die Abgasnachbehandlungsanordnung von 1 eine zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente 17 in Form eines SCR-Katalysators (SCR = „Selective Catalytic Reduction“ = „selektive katalytische Reduktion“) oder eines SDPF (d. h. eines SCR-Washcoats auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat) aufweist. Des Weiteren erfolgt unmittelbar stromaufwärts dieser weiteren Abgasnachbehandlungskomponente 17 in Form des SCR-Katalysators oder des SDPF eine Einspritzung von Reduktionsmitteln (z. B. Harnstoff) über eine entsprechende Zuführeinrichtung 18. Am SCR-Katalysator können im Abgas enthaltene Stickoxide unter Harnstoffeinspritzung mittels Ammoniak zu Stickstoff (N2) reduziert werden.
  • Infolge des Vorhandenseins der zusätzlichen Abgasnachbehandlungskomponente 17 in Form des SCR-Katalysators oder des SDPF kann auch in Betriebsphasen, in welchen der Abgasstrom über die Bypassleitung 15 geführt wird, eine Umwandlung von Stickoxiden (NOx) unter Verwendung der zusätzlichen Abgasnachbehandlungskomponente 17 erfolgen. Hierbei kann die Bypassleitung 15 bereits zur Umleitung des Abgasstroms genutzt werden, sobald die Temperatur unmittelbar vor der zusätzlichen Abgasnachbehandlungskomponente 17 bzw. des SCR-Katalysators ausreichend hoch ist, um eine NOx-Umwandlung in der zusätzlichen Abgasnachbehandlungskomponente 17 zu gewährleisten.
  • Im Abgasstrom nach der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 13 können weitere Abgasnachbehandlungskomponenten folgen, wobei diese in 1 lediglich schematisch mit „16“ bezeichnet sind.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanordnung, wobei im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „10“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
  • Im Unterschied zur Abgasnachbehandlungsanordnung von 1 sind in der Abgasnachbehandlungsanordnung gemäß 2 die zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente 27 sowie die stromaufwärts hierzu vorhandene Zuführeinrichtung 28 für Reduktionsmittel (z. B. Harnstoff) stromaufwärts des Ventils 24 bzw. der Bypassleitung 25 angeordnet. Die zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente 27 in Form eines SCR-Katalysators oder eines SDPF befindet sich bei der Abgasnachbehandlungsanordnung gemäß 2 somit im Abgasstrom zwischen der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 21 (z. B. dem NOx-Speicherkatalysator oder einem Dieseloxidationskatalysator) und der zweiten, über die Bypassleitung 25 selektiv umgehbaren Abgasnachbehandlungskomponente 23 (z. B. ebenfalls einem NOx-Speicherkatalysator). Des Weiteren können auch im Abgasstrom nach der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 23 weitere Abgasnachbehandlungskomponenten folgen, wobei diese in 2 lediglich schematisch mit „26“ bezeichnet sind.
  • Im Betrieb der Abgasnachbehandlungsanordnung von 2 erfolgt vorzugsweise die Umleitung des Abgasstromes über die Bypassleitung 25 bei hoher Temperatur (z. B. oberhalb von 500°C) sowie während der Entschwefelung. Hingegen wird die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 23 vom Abgasstrom nur in Betriebsphasen mit geringeren Temperaturen (z. B. unterhalb von 400-500°C) durchlaufen.

Claims (9)

  1. Abgasnachbehandlungsanordnung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einer ersten Abgasnachbehandlungskomponente (11, 21), welche einen NOx-Speicherkatalysator aufweist und bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts des Verbrennungsmotors (10, 20) angeordnet ist, einer zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (13, 23), welche bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (11, 21) angeordnet ist, und einer Bypassleitung (15, 25), über welche die zweite Abgasnachbehandlungskomponente (13, 23) vom Abgasstrom selektiv umgehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanordnung wenigstens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente (17, 27) aufweist, welche einen SCR-Katalysator aufweist.
  2. Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat ausgebildet ist.
  3. Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese weitere Abgasnachbehandlungskomponente (17) bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (13) angeordnet ist.
  4. Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Abgasnachbehandlungskomponente (27) bezogen auf den Abgasstrom stromaufwärts der Bypassleitung (25) angeordnet ist.
  5. Abgasnachbehandlungsanordnung zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit einer ersten Abgasnachbehandlungskomponente (21), welche bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts des Verbrennungsmotors (20) angeordnet ist, einer zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (23), welche bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (21) angeordnet ist, und einer Bypassleitung (25), über welche die zweite Abgasnachbehandlungskomponente (23) vom Abgasstrom selektiv umgehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanordnung wenigstens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente (27) aufweist, welche einen SCR-Katalysator aufweist und bezogen auf den Abgasstrom stromaufwärts der Bypassleitung (25) angeordnet ist.
  6. Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente (21) einen NOx-Speicherkatalysator aufweist.
  7. Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente (21) einen Dieseloxidationskatalysator aufweist.
  8. Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasnachbehandlungskomponente (13, 23) einen NOx-Speicherkatalysator aufweist.
  9. Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts der den SCR-Katalysator aufweisenden Abgasnachbehandlungskomponente (17, 27) noch wenigstens eine zusätzliche Abgasnachbehandlungskomponente (16, 26) vorgesehen ist.
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