DE102015209269A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung (21), welche einen Abgaseinlass (1), einen Abgasauslass (2), einen Injektor (6) zum Injizieren von Harnstoff oder Ammoniak und eine Mischeinrichtung (7) umfasst, beschrieben. Zwischen dem Abgaseinlass (1) und dem Abgasauslass (2) ist in Strömungsrichtung (3) des Abgases ein passiver Stickoxidspeicherkatalysator (4) und stromabwärts davon ein Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung angeordnet. Der Injektor (6) und die Mischeinrichtung (7) sind zwischen dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator (4) und dem Partikelfilter (5) angeordnet. Die Vorrichtung umfasst einen SCR-Katalysator (15), der stromabwärts des Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung angeordnet ist, und/oder einen Oxidationskatalysator (16), der stromabwärts des Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung, insbesondere zur Reduzierung von Kohlenmonoxid-Emissionen und/oder Kohlenwasserstoff-Emissionen und/oder Stickoxid-Emissionen und/oder Feinstaub-Emissionen und/oder Ruß-Emissionen.
  • Die Euro-6-Emissionsnorm erfordert zusätzlich zu der Einhaltung von Grenzwerten im Hinblick auf Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff und Ruß in Abgasen zusätzlich eine Reduktion von Stickoxiden. Zwei bekannte Stickoxid-Nachbehandlungsmethoden sind die selektive katalytische Reduktion (SCR-selective catalytic reduction) und die Mager-NOx-Falle (LNT – Lean NOx Trap), welche in Form von SCR-Katalysatoren und Stickoxidspeicherkatalysatoren bzw. Stickoxidadsorbern realisiert werden. Beide Technologien erfordern aktive Steuer- und Regelungsmaßnahmen zur Umsetzung des Stickoxids (NOx).
  • Mager-NOx-Fallen, auch als NOx-Adsorber bekannt, vereinen prinzipiell drei Wirkkomponenten: einen Oxidationskatalysator, zum Beispiel Platin (Pt), ein Adsorptionsmittel, zum Beispiel Barium- und/oder andere Oxide, sowie einen Reduktionskatalysator, zum Beispiel Rhodium (Rh). Die Adsorber sind in die Beschichtung des Katalysators eingebaut und binden im Magerbetrieb des Motors chemisch NOx. Wenn die Adsorber-Kapazität gesättigt ist, wird das System in einer Phase, in der der Motor fett betrieben wird, regeneriert und das freigesetzte NOx über den Katalysator zu Stickstoff reduziert.
  • In den Dokument US 7,814,747 B2 wird beispielsweise eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Stickoxidspeicherkatalysator und einem SCR-Katalysator beschrieben. In dem Dokument US 2013/0186064 A1 wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung von NOx-haltigem Abgas einer Verbrennungsmaschine beschrieben. In dem Dokument DE 10 2012 220 016 A1 wird ein elektrisch beheizter NOx-Adsorber-Katalysator offenbart.
  • Bei einigen Anwendungen, wie beispielsweise Personenkraftwagen oder Großraumlimosinen, ist keine der beiden genannten Technologien einzeln dazu in der Lage die Emissionsgrenzwerte zu realisieren. Die SCR-Technologie erfordert die Zusetzung von Ammoniak (NH3) oder das Einspritzen einer wässrigen Harnstoff-Lösung, beispielsweise in Form von AdBlue, zur Reduzierung von Stickoxiden in einem SCR-Katalysator. Im Rahmen der LNT-Technologie wird Stickoxid während magerer Betriebsbedingungen gespeichert und im fetten Betriebsbereich bzw. während fetter Betriebsperioden umgesetzt. Die SCR-Systeme sind für größere und schwerere Fahrzeuge geeignet, funktionieren aber unzureichend während eines Kaltstarts. Wünschenswert ist daher eine Lösung, welche die Stickoxid-Emissionsgrenzwerte basierend auf der SCR-Technologie erreicht, aber ohne weitere aktiv zu steuernden bzw. zu regelnden Nachbehandlungsvorrichtungen auskommt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine vorteilhafte Vorrichtung und ein vorteilhaftes Verfahren zur Abgasnachbehandlung zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen vorteilhaften Katalysator und ein vorteilhaftes Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, einen Katalysator nach Patentanspruch 3, ein Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 4 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung umfasst einen Abgaseinlass, beispielsweise in Form einer Abgaseinlassöffnung, und einen Abgasauslass, beispielsweise in Form einer Abgasauslassöffnung. Zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass sind in Strömungsrichtung des Abgases ein passiver Stickoxidspeicherkatalysator bzw. Stickoxid-Adsorber (passiver LNT) und stromabwärts davon ein Partikelfilter, beispielsweise ein Dieselpartikelfilter (DPF), mit SCR-Beschichtung, also einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion, angeordnet. Der Partikelfilter ist somit stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators angeordnet. Die Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung umfasst weiterhin einen Injektor zum Injizieren von Harnstoff oder Ammoniak und eine Mischeinrichtung, wobei der Injektor und die Mischeinrichtung zwischen dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator und dem Partikelfilter angeordnet sind.
  • Die Vorrichtung umfasst einen SCR-Katalysator (SCR) und/oder einen Oxidationskatalysator. Dabei ist der SCR-Katalysator und/oder der Oxidationskatalysator stromabwärts des Partikelfilters mit SCR-Beschichtung angeordnet. Auf diese Weise wird die Reduzierung von Stickoxiden weiter gefördert. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator (DOC – Diesel Oxidation Catalyst) umfassen.
  • Der passive Stickoxidspeicherkatalysator bewirkt keine Umsetzung des Stickoxids, sondern adsorbiert Stickoxid während der Katalysator kalt ist und lässt die Stickoxide während der Aufheizphase des Katalysators thermisch frei, wenn der SCR-Katalysator die für eine Stickoxidumsetzung erforderliche Temperatur erreicht hat. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Vorrichtung liegt in der oxidativen Funktion des passiven Stickoxidspeicherkatalysators, wodurch Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid reduziert werden und Stickstoffdioxid (NO2) gebildet wird. Demgemäß ist kein zusätzlicher Katalysator zur Oxidation erforderlich. Darüber hinaus bewirkt der in Strömungsrichtung hinter dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator angeordnete Partikelfilter mit SCR-Beschichtung (sDPF) eine weitere Verbesserung der Stickoxidumsetzung. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass die SCR-Aktivität nahe am Motor stattfindet, wo die Abgastemperatur möglichst hoch ist. Durch die unmittelbare Anordnung des Partikelfilters mit SCR-Beschichtung unmittelbar stromabwärts des passiven Stickoxidspeicherkatalysators wird insgesamt das SCR-Volumen erhöht. Durch die Injektion von Harnstoff oder Ammoniak zwischen dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator und dem Partikelfilter wird zudem die Reduktion von Stickoxid an der SCR-Beschichtung gefördert.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens einen Temperatursensor und/oder mindestens einen Drucksensor und/oder mindestens einen Stickoxidsensor (NOx-Sensor) umfassen. Die genannten Sensoren ermöglichen eine Erfassung der Betriebsbedingungen der Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  • Die beschriebene Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung hat insgesamt den Vorteil, dass der Stickoxidspeicherkatalysator zur Kohlenwasserstoff/Kohlenmonoxid-Konversion, zur Stickstoffdioxid-Erzeugung und zur Stickoxidspeicherung und Stickoxidfreigabe verwendet wird ohne dass eine Stickoxidreduktion erfolgt. Die Stickoxidfreigabe findet unter mageren Betriebsbedingungen während der Aufheizphase des Abgases statt. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Steuerung, Regeneration, insbesondere keine aktive Regeneration, oder fette Betriebsbedingungen erforderlich sind. Dadurch dass der Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung ausgestattet ist wird eine SCR-Funktion nahe des Motors ermöglicht, was ein verbessertes Aufheizen und ein zeitiges Erreichen der Stickoxdumsetzungsbedingungen (Lit-off bzw. light-off) ermöglicht. Darüber hinaus ist kein Dieseloxidationskatalysator erforderlich.
  • Der erfindungsgemäße Katalysator umfasst eine zuvor beschriebene Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung. Er hat grundsätzlich dieselben Vorteile wie die zuvor beschriebene Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst einen zuvor beschriebenen Katalysator oder eine zuvor beschriebene Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung. Es hat ebenfalls die bereits beschriebenen Vorteile.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung wird Abgas durch einen passiven Stickoxidspeicherkatalysator bzw. Stickoxid-Adsorber geleitet. In das den passiven Stickoxidspeicherkatalysator (4) verlassende Abgas wird Ammoniak oder Harnstoff injiziert und der Ammoniak oder Harnstoff wird mit dem Abgas vermischt. Das Abgas-Harnstoff-Gemisch oder Abgas-Ammoniak-Gemisch wird anschließend durch einen Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung geleitet.
  • Das den Partikelfilter mit SCR-Beschichtung verlassende Abgas bzw. das aus dem Partikelfilter herausströmende Abgas wird zudem durch einen SCR-Katalysator (SCR) geleitet, und/oder das den Partikelfilter mit SCR-Beschichtung verlassende Abgas wird durch einen Oxidationskatalysator, beispielsweise einen Diesel-Oxidationskatalysator, geleitet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich mithilfe einer zuvor beschriebenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung durchgeführt werden. Es hat dieselben Vorteile wie die bereits beschriebene Vorrichtung. Insbesondere wird durch das Hindurchleiten des Abgases durch einen passiven Stickoxidspeicherkatalysator Stickoxid (NOx) im kalten Zustand des Katalysators adsorbiert und während der Aufheizphase des Katalysators thermisch freigesetzt, wenn der SCR-Katalysator die für eine Stickoxidumsetzung erforderliche Temperatur (Lit-off) erreicht.
  • In das den passiven Stickoxidspeicherkatalysator verlassende bzw. das aus dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator herausströmende Abgas wird vorzugsweise eine wässrige Harnstoff-Lösung injiziert.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich Beispiele dar, welche den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränken.
  • Die Figuren zeigen:
  • 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung.
  • 2 zeigt schematisch die in der 1 gezeigte Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem SCR-Katalysator.
  • 3 zeigt schematisch die in der 1 gezeigte Vorrichtung mit einem Oxidationskatalysator.
  • 4 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden im Folgenden anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Die 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung. Die Vorrichtung umfasst einen Abgaseinlass 1 und einen Abgasauslass 2. Die Strömungsrichtung 3 des Abgases ist durch Pfeile gekennzeichnet. Zwischen dem Abgaseinlass 1 und dem Abgasauslass 2 sind in Strömungsrichtung 3 des Abgases ein passiver Stickoxidspeicherkatalysator bzw. Stickoxidadsorber (passive Mager-NOx-Falle) 4 und ein Partikelfilter 5 mit SCR-Beschichtung angeordnet. Bei dem Partikelfilter 5 kann es sich beispielsweise um einen Dieselpartikelfilter handeln. Der Partikelfilter 5 mit SCR-Beschichtung ist dabei stromabwärts des passiven Stickoxidspeicherkatalysators 4 angeordnet.
  • In Strömungsrichtung zwischen dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator 4 und dem Partikelfilter 5 sind ein Injektor 6 zur Injektion von Ammoniak (NH3) bzw. einer wässrigen Harnstoff-Lösung (Urea) und eine Mischeinrichtung 7 zum Vermischen des den passiven Stickoxidspeicherkatalysator 4 verlassenden Abgases mit dem injizierten Ammoniak bzw. dem injizierten Harnstoff angeordnet. Der Pfeil 8 kennzeichnet die Strömungsrichtung des injizierten Ammoniaks bzw. der injizierten wässrigen Harnstoff-Lösung.
  • Das den Motor eines Kraftfahrzeugs verlassende Abgas wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch den Abgaseinlass 1 zu dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator 4 und durch diesen hindurch geleitet. Anschließend wird das den passiven Stickoxidspeicherkatalysator 4 verlassende Abgas mit Ammoniak oder Harnstoff vermischt. Zu diesem Zweck wird der Ammoniak bzw. Harnstoff durch einen entsprechenden Injektor 6 in das Abgas injiziert. Anschließend wird das Abgas bzw. das Gemisch aus Abgas und Ammoniak bzw. Harnstoff durch den Partikelfilter mit SCR-Beschichtung geleitet. Das den Partikelfilter verlassende Abgas wird anschließend durch den Abgasauslass 2 aus der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung herausgeleitet.
  • Optional umfasst die in der 1 gezeigte Vorrichtung drei Temperatursensoren. Dabei ist ein erster Temperatursensor 9 in Strömungsrichtung vor dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator 4 angeordnet. Ein zweiter Temperatursensor 10 ist in Strömungsrichtung 3 zwischen dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator 4 und dem Partikelfilter 5, vorzugsweise im Bereich der Mischeinrichtung 7, angeordnet. Ein dritter Temperatursensor 11 ist in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung 5, also stromabwärts des Partikelfilters, angeordnet.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung einen Stickoxidsensor 12 umfassen. In der 1 ist der Stickoxidsensor 12 stromaufwärts des passiven Stickoxidspeicherkatalysators 4 angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Vorrichtung einen Drucksensor 13 umfassen. In der 1 ist ein Drucksensor 13 stromabwärts des passiven Stickoxidspeicherkatalysators 4 und stromaufwärts des Partikelfilters 5, also in Strömungsrichtung zwischen dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator und dem Partikelfilter 5 angeordnet. In der 1 ist der Drucksensor beispielsweise in Strömungsrichtung zwischen dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator 4 und der Mischvorrichtung 7 angeordnet.
  • Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante der Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Zusätzlich zu der in der 1 gezeigten Vorrichtung umfasst die in der 2 gezeigte Variante eine in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung 5 angeordneten SCR-Katalysator (SCR) 15. Dieser ermöglicht eine weitere Stickoxidumsetzung bzw. eine zusätzliche Stickoxidreduktion.
  • Bei der in der 2 gezeigten Ausführungsform ist optional ein weiterer Stickoxidsensor 14 stromabwärts des SCR-Katalysators 15 angeordnet. Mithilfe der genannten Sensoren lassen sich die Betriebsbedingungen der Abgasnachbehandlungsvorrichtung überprüfen und während des Betriebs verfolgen bzw regeln.
  • Die 3 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltungsvariante der in der 1 gezeigten Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Zusätzlich zu der in der 1 gezeigten Ausgestaltung ist in der 3 stromabwärts des Partikelfilters mit SCR-Beschichtung 5 ein Oxidationskatalysator 16, beispielsweise ein Diesel-Oxidations-Katalysator (DOC) angeordnet. Der Oxidationskatalysator 16 ist also in Strömungsrichtung 3 zwischen dem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung 5 und dem Abgasauslass 2 angeordnet. Mithilfe des Oxidationskatalysators 16 können noch im Abgas befindliche Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide oxidiert werden.
  • Die 4 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 20. Das Kraftfahrzeug 20 umfasst eine zuvor beschriebene Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung 21, beispielsweise eine der in den 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung. Das Kraftfahrzeug 20 kann darüber hinaus einen Katalysator 22 umfassen, welcher seinerseits die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 21 umfasst.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7814747 B2 [0004]
    • US 2013/0186064 A1 [0004]
    • DE 102012220016 A1 [0004]

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung (21), dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Abgaseinlass (1), einen Abgasauslass (2), einen Injektor (6) zum Injizieren von Harnstoff oder Ammoniak und eine Mischeinrichtung (7) umfasst, wobei zwischen dem Abgaseinlass (1) und dem Abgasauslass (2) in Strömungsrichtung (3) des Abgases ein passiver Stickoxidspeicherkatalysator (4) und stromabwärts davon ein Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung angeordnet ist, der Injektor (6) und die Mischeinrichtung (7) zwischen dem passiven Stickoxidspeicherkatalysator (4) und dem Partikelfilter (5) angeordnet sind, und die Vorrichtung einen SCR-Katalysator (15), der stromabwärts des Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung angeordnet ist, und/oder einen Oxidationskatalysator (16), der stromabwärts des Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung angeordnet ist, umfasst.
  2. Vorrichtung (21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Temperatursensor (9, 10, 11) und/oder mindestens einen Drucksensor (13) und/oder mindestens einen Stickoxid-Sensor (12, 14) umfasst.
  3. Katalysator (22), der eine Vorrichtung (21) zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 umfasst.
  4. Kraftfahrzeug (20), welches eine Katalysator (22) nach Anspruch 3 oder eine Vorrichtung (21) zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 umfasst.
  5. Verfahren zur Abgasnachbehandlung, wobei Abgas durch einen passiven Stickoxidspeicherkatalysator (4) geleitet wird, in das den passiven Stickoxidspeicherkatalysator (4) verlassende Abgas Ammoniak oder Harnstoff injiziert wird und der Ammoniak oder Harnstoff mit dem Abgas vermischt wird und das Abgas-Harnstoff-Gemisch oder Abgas-Ammoniak-Gemisch anschließend durch einen Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung geleitet wird, wobei das den Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung verlassende Abgas durch einen SCR-Katalysator (15) geleitet wird und/oder wobei das den Partikelfilter (5) mit SCR-Beschichtung verlassende Abgas durch einen Oxidationskatalysator (16) geleitet wird.
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