DE102015208093A1 - Anordnung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem - Google Patents

Anordnung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem, wobei die Anordnung einen NOx-Speicherkatalysator (20), einen Dreiwegekatalysator und einen stromabwärts hiervon angeordneten SCR-Katalysator (40) zur selektiven katalytischen Reduktion von im dem SCR-Katalysator (40) zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden aufweist, und wobei in dem SCR-Katalysator (40) eine Sauerstoffspeicher-Komponente (OSC-Komponente, OSC = "Oxygen Storage Capacity") vorgesehen ist, welche Sauerstoff (O2) unter Betriebsbedingungen mit magerem Abgasgemisch speichert und in Betriebsphasen mit fettem Abgasgemisch Sauerstoff zur Unterstützung der Reduktion von Stickoxiden am SCR-Katalysator (40) bereitstellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem.
  • Die Einführung immer strengerer NOx-Grenzwerte hat zur Entwicklung diverser Abgasnachbehandlungstechnologien geführt, um eine Kontrolle der NOx-Emissionen (= Stickoxid-Emissionen) im Abgas eines Dieselmotors zu erzielen. Eine dieser Lösungen ist der sogenannte NOx-Speicherkatalysator, dessen Funktionsprinzip darauf beruht, Stickoxide (NOx) unter mageren Abgasbedingungen zunächst zu speichern und dann unter Einstellung eines fetten, reduzierenden Abgasgemischs in einer Regenerationsphase in unschädliche Komponenten, vor allem Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf, umzuwandeln.
  • Eine zweite Technologie ist die selektive katalytische Reduktion in einem sogenannten SCR-Katalysator (SCR = "Selective Catalytic Reduction" = "selektive katalytische Reduktion"), wobei am SCR-Katalysator die im Abgas enthaltenen Stickoxide mittels Ammoniak zu Stickstoff (N2) reduziert werden. Darüber hinaus ist der SCR-Katalysator dazu in der Lage, das z.B. stromaufwärts des SCR-Katalysators direkt dem Abgasstrom zugeführte Ammoniak bei niedrigen Abgastemperaturen zu speichern. Die SCR Reaktion benötigt allerdings Sauerstoff gemäß der Reaktionsgleichung: 2NOx + 2NH3 + (3 – x)/2O2 -> 2N2 + 3H2O.
  • Unter normalen Betriebsbedingungen mit magerem Abgasgemisch werden somit Stickoxide (NOx) in dem NOx-Speicherkatalysator gespeichert, wobei in gewissen zeitlichen Abständen der Verbrennungsmotor mit fettem Abgasgemisch betrieben wird, um den NOx-Speicherkatalysator zu reinigen bzw. regenerieren. Im Betrieb mit fettem Abgasgemisch ist der NOx-Speicherkatalysator auch dazu in der Lage, Ammoniak (NH3) zu erzeugen, welches dann in dem SCR-Katalysator gespeichert werden kann und somit dazu beitragen kann, den Ausstoß von Stickoxiden (NOx) zu verringern. Alternativ kann auch ein NOx-Speicherkatalysator (welcher wie vorstehend beschrieben in Regenerationsphasen einem fetten Abgasgemisch ausgesetzt wird) mit einem mit Harnstoff betriebenen SCR-Katalysator kombiniert werden, um die Stickoxid-Emissionen zu verringern.
  • Ein in der Praxis bei den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung auftretendes Problem ist, dass die Reduzierung der Stickoxide am SCR-Katalysator unter Betriebsbedingungen mit fettem Abgasgemisch nur sehr begrenzt möglich ist, wenn Sauerstoff im Abgas nur in geringem Maße oder praktisch überhaupt nicht vorhanden ist. Solche Betriebsbedingungen, bei denen ein geringer bzw. vernachlässigbarer Sauerstoffgehalt im Abgas vorliegt, ist typischerweise während der Regenerationsphasen des NOx-Speicherkatalysators mit fettem Abgasgemisch gegeben.
  • Aus WO 2009/080152 A1 ist u.a. eine Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, in welcher ein mit Sauerstoffspeicherkapazität ausgestatteter katalytischer Konverter stromabwärts eines SCR-Katalysators angeordnet ist.
  • Aus WO 2005/047663 A2 ist u.a. eine Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, welche einen NOx-Speicherkatalysator und einen SCR-Katalysator aufweist, wobei wenigstens einer dieser beiden Katalysatoren eine Sauerstoffspeicherkomponente aufweist.
  • Aus DE 10 2011 121 848 A1 ist u.a. ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Dreiwegekatalysator und einem SCR-Katalysator bekannt, wobei der SCR-Katalysator ein Sauerstoffspeichermaterial umfasst.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem bereitzustellen, welche eine effektive Reduzierung der Stickoxid-Emissionen auch in Regenerationsphasen bzw. bei Betrieb mit fettem Abgasgemisch ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Anordnung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem weist einen NOx-Speicherkatalysator, einen Dreiwegekatalysator und einen stromabwärts hiervon angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von im dem SCR-Katalysator zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden auf. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator eine Sauerstoffspeicher-Komponente (OSC-Komponente, OSC = "Oxygen Storage Capacity") aufweist, welche Sauerstoff (O2) unter Betriebsbedingungen mit magerem Abgasgemisch speichert und welche in Betriebsphasen mit fettem Abgasgemisch Sauerstoff (O2) zur Unterstützung der Reduktion von Stickoxiden am SCR-Katalysator bereitstellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Sauerstoffspeicherkomponente aus der Gruppe ausgewählt, welche CeO2, PrO2, ZrO2, MnOx, La2O3, YO2, NbOx, VOx, CrOx, FeOx, CuO und AgOx enthält.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung zur Abgasnachbehandlung weist wenigstens einen NOx-Speicherkatalysator auf, welcher stromaufwärts von wenigstens einem SCR-Katalysator angeordnet ist. Der SCR-Katalysator muss hierbei nicht notwendigerweise unmittelbar stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordnet sein. Des Weiteren kann stromaufwärts des SCR-Katalysators optional eine Zufuhreinrichtung für ein Reduktionsmittel (z. B. Harnstoff) vorgesehen sein.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, die Funktionalität eines in der Anordnung zur Abgasnachbehandlung vorhandenen SCR-Katalysators dadurch zu verbessern, dass der SCR-Katalysator mit einer Sauerstoffspeicher-Komponente (OSC-Komponente, OSC = "Oxygen Storage Capacity") versehen wird. Geeignete OSC-Komponenten sind dem Fachmann aus Anwendungen, bei denen OSC-Komponenten auf einem Dreiwegekatalysator (TWC) oder einem NOx-Speicherkatalysator vorhanden sind, bekannt. Die OSC-Komponente speichert Sauerstoff (O2) unter Betriebsbedingungen mit magerem Abgasgemisch und ist dazu in der Lage, in Betriebsphasen mit fettem Abgasgemisch die Zufuhr von Sauerstoff bereitzustellen, welcher für die erforderliche Reaktion am SCR-Katalysator benötigt wird, so dass auch während der Regenerationsphasen des NOx-Speicherkatalysators unter Betrieb mit fettem Abgasgemisch eine Reduzierung der Stickoxide erfolgen kann.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus eines Abgassystems, in welchem die Erfindung realisierbar ist; und
  • 2–3 Diagramme zur Erläuterung des Einflusses der Sauerstoffkonzentration auf die Stickoxid-Umwandlung am SCR-Katalysator.
  • 1 zeigt in lediglich schematischer Darstellung einen möglichen Aufbau eines Abgassystems eines (ggf. mit einem Turbolader ausgestatteten) Dieselmotors 10 mit einem NOx-Speicherkatalysator (LNT) 20 und einem SCR-Katalysator 40. Der SCR-Katalysator 40 ist – ebenso wie eine oder mehrere weitere, mit "30" symbolisierte Abgasnachbehandlungskomponenten – im Abgasstrom stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (LNT) 20 angeordnet. Als Abgasnachbehandlungskomponente 30 ist insbesondere ein Dreiwegekatalysator in dem Abgassystem vorhanden.
  • Der SCR-Katalysator 40 kann als SDPF-System (umfassend einen SCR-Washcoat auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat) ausgestaltet sein. Der SCR-Washcoat kann auf einem Durchflusssubstrat oder auf einem Filtersubstrat vorgesehen sein. Ferner können stromabwärts des SCR-Katalysators 40 noch weitere, mit "60" symbolisierte Abgasnachbehandlungskomponenten im Abgassystem vorgesehen sein. Gemäß 1 ist im Ausführungsbeispiel ferner (jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) unmittelbar stromaufwärts des SCR-Katalysators 40 eine Zufuhreinrichtung 50 für ein Reduktionsmittel wie z.B. Harnstoff angeordnet.
  • Gemäß der Erfindung weist der SCR-Katalysator 40 bzw. das SCR-Washcoat eine Sauerstoffspeicher-Komponente (OSC-Komponente, OSC = "Oxygen Storage Capacity") auf, welche unter Betriebsbedingungen mit magerem Abgasgemisch Sauerstoff (O2) speichert und dazu in der Lage ist, in Betriebsphasen mit fettem Abgasgemisch Sauerstoffzufuhr zur Verfügung zu stellen, der für die erforderliche Reaktion am SCR-Katalysator 40 benötigt wird, so dass auch während der Regenerationsphasen des NOx-Speicherkatalysators 20 unter Betrieb mit fettem Abgasgemisch eine Reduzierung der Stickoxide erfolgen kann.
  • 2 und 3 dienen zur Veranschaulichung des Einflusses der Sauerstoffkonzentration auf die Stickoxidumwandlung am SCR-Katalysator 40. Hierbei wurde jeweils eine Raumgeschwindigkeit von 30000/h, eine Ammoniak (NH3)-Konzentration von 600ppm und eine Stickoxid (NOx)-Konzentration von 500ppm zugrundegelegt.
  • In 2 ist für unterschiedliche Werte der Sauerstoffkonzentration im Abgasstrom, nämlich für eine lediglich beispielhafte Sauerstoffkonzentration von 1% bzw. 10%, die Temperaturabhängigkeit sowohl der Stickoxid (NOx)-Umwandlung als auch des Ammoniak (NH3)-Schlupfes aufgetragen. Es zeigt sich, dass bei geringer Sauerstoffkonzentration eine signifikante Abnahme der Stickoxid-(NOx)-Umwandlung im Temperaturbereich unterhalb von 260°C stattfindet.
  • Aus 3a und 3b ist ersichtlich, dass im Temperaturbereich unterhalb von 400°C und ohne vorhandenen Sauerstoff (O2) im Abgas, d.h. bei einer Sauerstoffkonzentration von 0%, nur eine sehr geringe Stickoxid-(NOx)-Umwandlung stattfindet. Bei Temperaturen oberhalb von 400°C findet hingegen eine gewisse Stickoxid-(NOx)-Umwandlung statt, was auf das Vorliegen der erfindungsgemäßen OSC-Komponente im SCR-Katalysator 40 zurückzuführen ist. Hierbei wurde die Probe einer Sauerstoffkonzentration von 0.96% vor der Ammoniak (NH3)-Zufuhr ausgesetzt (wobei im Moment der Ammoniak (NH3)-Zufuhr die Sauerstoffkonzentration 0% betrug), was gemäß 3b (für eine beispielhafte Temperatur von 545°C) einen signifikanten Anstieg der Stickoxid (NOx)-Umwandlung zur Folge hat. Es zeigt sich, dass Sauerstoff für die Reduzierung der Stickoxide mit Ammoniak (NH3) erforderlich ist.
  • 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
    • WO 2009/080152 A1 [0006]
    • WO 2005/047663 A2 [0007]
    • DE 102011121848 A1 [0008]

Claims (3)

  1. Anordnung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem, wobei die Anordnung einen NOx-Speicherkatalysator (20), einen Dreiwegekatalysator und einen stromabwärts hiervon angeordneten SCR-Katalysator (40) zur selektiven katalytischen Reduktion von im dem SCR-Katalysator (40) zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem SCR-Katalysator (40) eine Sauerstoffspeicher-Komponente (OSC-Komponente, OSC = "Oxygen Storage Capacity") vorgesehen ist, welche Sauerstoff (O2) unter Betriebsbedingungen mit magerem Abgasgemisch speichert und welche in Betriebsphasen mit fettem Abgasgemisch Sauerstoff (O2) zur Unterstützung der Reduktion von Stickoxiden am SCR-Katalysator (40) bereitstellt.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicher-Komponente aus der Gruppe ausgewählt ist, welche CeO2, PrO2, ZrO2, MnOx, La2O3, YO2, NbOx, VOx, CrOx, FeOx, CuO und AgOx enthält.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (40) als SDPF-System, welches ein SCR-Washcoat auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat aufweist, ausgestaltet ist.
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