DE102016121509B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgaskanal (12), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (12) ein NOx-Speicherkatalysator (14), stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (14) ein Partikelfilter (16) und stromabwärts des Partikelfilters (16) ein SCR-Katalysator (18) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) in Strömungsrichtung zwei Zonen (20, 22) mit unterschiedlichen Beschichtungen (24, 26) aufweist, wobei die in Strömungsrichtung zuerst durchströmte Zone (20) des Partikelfilters (16) eine Beschichtung (24) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und die nachfolgend durchströmte Zone (22) eine Beschichtung (26) zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Abgaskanal, wobei im Abgaskanal ein NOx-Speicherkatalysator, ein Partikelfilter und ein SCR-Katalysator angeordnet sind.
  • Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Weiterhin sind die Fahrzeug- und Motorenhersteller angehalten, den Verbrauch der Verbrennungsmotoren und die damit verbundenen CO2-Emissionen zu reduzieren. Dies führt unter anderem dazu, dass für Verbrennungsmotoren verbrauchsoptimierte Brennverfahren entwickelt werden. Eine Möglichkeit, den Verbrauch eines Ottomotors zu reduzieren, ist ein Magerbrennverfahren, also ein Brennverfahren, bei dem der Verbrennungsmotor weitestgehend mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird.
  • Dieselmotoren werden bauartbedingt mit einem Luftüberschuss, das heißt mit einem mageren Verbrennungsluftverhältnis, betrieben. Da bei einem Magerbrennverfahren die NOx-Emissionen nicht mehr hinreichend mit einem konventionellen Drei-Wege-Katalysator aus dem Abgas umgesetzt werden können, sind zusätzliche Katalysatoren wie NOx-Speicherkatalysatoren erforderlich. Dabei werden die NOx-Emissionen als Nitrate im NOx-Speicherkatalysator eingelagert. Diese NOx-Speicherkatalysatoren müssen periodisch mithilfe einer motorischen Fettphase regeneriert werden. Die Gestaltung dieser Fettphase beeinflusst maßgeblich die Endrohremissionen. Darüber hinaus sind Abgasnachbehandlungsvorrichtungen und Abgasnachbehandlungsverfahren bekannt, bei denen in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors stromab eines NOx-Speicherkatalysators ein SCR-Katalysator angeordnet ist. Die Dieselmotoren stellen als eine Kombination von einem NOx-Speicherkatalysator, einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator aktuell die effizienteste Möglichkeit zur Abgasnachbehandlung, insbesondere zur Reduzierung von Stickoxiden, dar.
  • Aus der DE 10 2011 107 692 B3 ist ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors bekannt, wobei in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal zunächst ein Oxidationskatalysator, danach ein Partikelfilter und anschließend eine weitere Katalysator, beispielsweise ein SCR-Katalysator, durchströmt werden. Dabei ist stromabwärts SCR-Katalysators eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen, wobei das Abgas des Dieselmotors in einem Schleppbetrieb des Dieselmotors im Wesentlichen über die Niederdruck-Abgasrückführung der Ansaugleitung zugeführt wird und somit im Schleppbetrieb im Kreis zirkuliert, um den Oxidationskatalysator zu reaktivieren.
  • Aus der DE 20 2013 011 730 U1 ist ein Katalysatorsystem mit einem NOx-Speicherkatalysator, einem stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten Dieselpartikelfilter und einem weiter stromabwärts angeordneten SCR-Katalysator bekannt, wobei der NOx-Speicherkatalysator eine NOx-Speicherkomponente und eine Oxidationskomponente enthält.
  • Die DE 10 2008 055 890 A1 offenbart einen Partikelfilter mit einer SCR-aktiven Komponente und einem Oxidationskatalysator, wobei die SCR-aktive Komponente als Beschichtung auf der Abgaseintrittsfläche und der inneren Oberfläche des porösen Trägerkörpers und der Oxidationskatalysator als Beschichtung auf der Abgasaustrittsoberfläche des porösen Trägerkörpers vorliegt. Dabei wechselt der Oxidationskatalysator seine Funktion von einem Ammoniak-Sperrkatalysator im Normalbetrieb zu einem Drei-Wege-Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden und Kohlenstoffmonoxid während der Regeneration des Partikelfilters.
  • Aus der EP 1 961 933 A1 ist ein katalytisch wirksamer Dieselpartikelfilter bekannt, welcher eine erste Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und eine zweite Beschichtung aufweist, welche unverbrauchtes Ammoniak oxidiert, um Ammoniakemissionen zu vermeiden.
  • Darüber hinaus offenbart die DE 103 00 298 A1 ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor mit einem Partikelfilter, einem dem Partikelfilter nachgeschalteten Stickoxidspeicherkatalysator und dem Stickoxidspeicherkatalysator nachgeschalteten SCR-Katalysator. Dabei kann der Zeitpunkt der Regeneration des Stickoxidspeicherkatalysators abhängig vom Stickoxidgehalt des Abgases stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators oder des SCR-Katalysators und/oder von dessen Ammoniakbeladung bestimmt werden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der Abgasnachbehandlung weiter zu verbessern und insbesondere die Stickoxid-Emissionen weiter zu reduzieren.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einen Abgaskanal, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal ein NOx-Speicherkatalysator, stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators ein Partikelfilter und stromabwärts des Partikelfilters ein SCR-Katalysator angeordnet sind, gelöst, wobei der Partikelfilter in Strömungsrichtungsrichtung zwei Zonen mit unterschiedlichen Beschichtungen aufweist, wobei die in Strömungsrichtung zuerst durchströmte Zone des Partikelfilters eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und die nachfolgend durchströmte Zone eine Beschichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufweisen. Dadurch kann eine Teilmenge des Stickstoffmonoxid, welches den NOx-Speicherkatalysator durchströmt hat, mit dem eindosierten Reduktionsmittel auf der ersten, selektiv katalytischen wirkenden Beschichtung des Partikelfilters umgesetzt werden, während eine zweite Teilmenge des Stickstoffmonoxid durch die zweite Beschichtung des Partikelfilters zu Stickstoffdioxid oxidiert wird und somit das Verhältnis von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid beim Eintritt in den SCR-Katalysator derart verbessert, dass zusammen mit dem eindosierten Reduktionsmittel eine maximal effiziente Konvertierung der Stickoxide zu molekularem Stickstoff möglich ist. Dadurch können Konvertierungsraten von ca. 98-99% der in den Rohemissionen des Verbrennungsmotors vorliegenden Stickoxid-Emissionen erreicht werden. Somit kann eine gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungssystemen nochmals verbesserte Abgasreinigung erreicht werden. Gleichzeitig kann die Menge des zur Reduktion des Stickoxids benötigten Reduktionsmittels reduziert werden, wodurch entweder ein kleinerer Tank für das Reduktionsmittel verwendet werden kann oder bei gleichem Tankinhalt eine größere Strecke ohne ein Nachfüllen des Reduktionsmittels zurückgelegt werden kann.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Dosiervorrichtung zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere von wässriger Harnstofflösung, umfasst, welche das Reduktionsmittel in den Abgaskanal stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators und stromaufwärts des Partikelfilters eindosiert. Durch eine Eindosierung des Reduktionsmittels stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators und stromaufwärts des Partikelfilters kann die SCR-wirksame erste Beschichtung des Partikelfilters bereits eine erhöhte Wirksamkeit entfalten und somit die Gesamteffizienz der Abgasnachbehandlung weiter verbessert werden. Alternativ kann auch eine Eindosierung des Reduktionsmittels stromabwärts des Partikelfilters erfolgen. Dabei kann stromaufwärts des Partikelfilters auf einer Abgasnachbehandlungskomponente Ammoniak erzeugt werden, sodass die SCR-Beschichtung auf dem Partikelfilter Teil eines passiven SCR-Systems ist und somit ebenfalls eine effiziente Reduktion von Stickoxiden ermöglicht.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der SCR-Katalysator eine Speicherfähigkeit für Ammoniak NH3 aufweist. Durch eine Speicherfähigkeit von Ammoniak kann der SCR-Katalysator auch dann eine effiziente Reduktion von Stickoxiden ermöglichen, wenn kein Reduktionsmittel in den Abgaskanal eindosiert wird. Dadurch kann über das Abgas oder das Reduktionsmittel erzeugter Ammoniak für Betriebsphasen des Verbrennungsmotors eingespeichert werden, in denen es zu einer erhöhten NOx-Rohemission kommt.
  • Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die zuerst durchströmte Zone des Partikelfilters eine Speicherfähigkeit für Ammoniak NH3 aufweist. Vorteilhafterweise weist auch die SCR-Beschichtung des Partikelfilters eine Speicherfähigkeit für Ammoniak auf, um auch bei einer diskontinuierlichen Zufuhr von einem Reduktionsmittel eine effiziente selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden zu ermöglichen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter eine Sperrfunktion für Schwefelwasserstoff H2S aufweist. Durch eine Sperrfunktion für Schwefelwasserstoff kann eine weitere Verbesserung der Abgasreinigung erzielt werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Verbrennungsmotor mit einem schwefelhaltigen Kraftstoff betrieben wird, welcher zu einer Schwefeleinlagerung in dem NOx-Speicherkatalysator führt. Da die Effizienz des NOx-Speicherkatalysators mit zunehmender Schwefeleinlagerung abnimmt, muss der NOx-Speicherkatalysator periodisch entschwefelt werden, um seine Leistungsfähigkeit zu erhalten. Dabei können SchwefelwasserstoffEmissionen auftreten, welche durch die Sperrfunktion im Partikelfilter zurückgehalten werden können.
  • Ferner wird ein Partikelfilter zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, vorgeschlagen, wobei der Partikelfilter in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal zwei Zonen mit unterschiedlichen Beschichtungen aufweist, wobei die in Strömungsrichtung zuerst durchströmte Zone des Partikelfilters eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und die nachfolgend durchströmte Zone eine Beschichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufweisen. Kern der Erfindung ist ein Partikelfilter mit einer zonierten Beschichtung, wobei die erste Zone eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und die zweite Zone eine Beschichtung zur Oxidation von Stickstoffmonoxid aufweisen, um das dem SCR-Katalysator zugeführte Abgas zu konditionieren und somit eine möglichst effiziente Umsetzung des Stickoxide auf dem SCR-Katalysator zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Abgaskanal vorgeschlagen, wobei im Abgaskanal ein NOx-Speicherkatalysator, ein Partikelfilter und ein SCR-Katalysator angeordnet sind, welches folgende Schritte umfasst:
    • - Einlagerung von Stickstoffdioxid NO2 in dem NOx-Speicherkatalysator, wobei Stickstoffmonoxid NO den NOx-Speicherkatalysator passiert,
    • - Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, in den Abgaskanal stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators,
    • - Umsetzung der NOx-Emissionen in einer ersten Zone einer Beschichtung des Partikelfilters sowie auf dem SCR-Katalysator,
    • - Oxidierung einer Teilmenge des Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoffdioxid NO2 in einer zweiten Zone der Beschichtung des Partikelfilters.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann wie bereits oben beschrieben eine maximal effiziente Abgasreinigung des Verbrennungsmotors erreicht werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoffdioxid NO2 am Eingang des SCR-Katalysators etwa 50:50 beträgt. Um eine bestmögliche Reduktion von Stickoxiden auf dem SCR-Katalysator zu erreichen, hat sich ein Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) von ca. 50:50 als maximal wirksam herausgestellt. Da der NOx-Speicherkatalysator Stickstoffdioxid NO2 einlagern kann, aber für Stickstoffmonoxid weitestgehend durchlässig ist, würde sich ohne weitere Maßnahmen am Eingang des SCR-Katalysators ein deutlicher Überschuss von Stickstoffmonoxid (NO) gegenüber Stickstoffdioxid (NO2) einstellen, was zu einer Verschlechterung der Konvertierungsleistung des SCR-Katalysators gegenüber einem im Wesentlichen ausgeglichenen Verhältnis von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) führt. Daher wird ein Teil der Stickstoffmonoxide (NO) auf der zweiten Beschichtung des Partikelfilters zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidiert, um das Verhältnis von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) bei Eintritt des Abgases in den SCR-Katalysator zu verbessern.
  • Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator periodisch mit einem unterstöchiometrischen, fetten Abgas angeströmt wird. Da die Speicherfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators begrenzt ist, muss dieser periodisch durch eine Phase mit unterstöchiometrischem, fettem Abgas regeneriert werden. Durch einen unterstöchiometrischen Betrieb erzeugt der NOx-Speicherkatalysator Ammoniak, welches auf der Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden auf dem Partikelfilter oder auf dem SCR-Katalysator als Reduktionsmittel für die Stickoxide genutzt werden kann.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn bei Erkennen eines unterstöchiometrischen Abgases die Eindosierung des Reduktionsmittels in den Abgaskanal reduziert oder eingestellt wird. Zum einen entstehen bei einem unterstöchiometrischen Motorbetrieb weniger Stickoxide als bei einem überstöchiometrischen Motorbetrieb, sodass in einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators die Rohemissionen an Stickoxid geringer als in anderen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors sind. Zum anderen wird bei einem unterstöchiometrischen Betrieb auf dem NOx-Speicherkatalysator Ammoniak gebildet, welcher als Reduktionsmittel für Stickoxide auf der SCR-Beschichtung des Partikelfilters und dem SCR-Katalysator dient. Daher kann in solchen Phasen die eindosierte Menge an Reduktionsmittel reduziert werden oder die Eindosierung gänzlich eingestellt werden, da bereits über das Abgas hinreichend viel Ammoniak als Reduktionsmittel bereitgestellt wird. Dadurch kann der Verbrauch an Reduktionsmittel reduziert werden, wodurch entweder ein kleinerer Tank für das Reduktionsmittel ausreicht oder bei gleichem Tankinhalt ein selteneres Auffüllen von Reduktionsmittel notwendig ist.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors;
    • 2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 für ein Kraftfahrzeug mit einem Abgaskanal 12, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 zunächst ein NOx-Speicherkatalysator 14, stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 14 ein Partikelfilter 16, und weiter stromabwärts des Partikelfilters 16 ein SCR-Katalysator 18 angeordnet sind, welche nacheinander von einem Abgas des Verbrennungsmotors 10 durchströmt werden. Stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 16 und stromaufwärts des Partikelfilters 16 ist ein Dosiervorrichtung 28 mit einem Dosierventil 32 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 30 in den Abgaskanal 12 vorgesehen, mit welcher ein Reduktionsmittel 30, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 12 eindosiert werden kann, um eine selektive katalytische Reduktion der Stickoxide auf einer Beschichtung 24 des Partikelfilters 16 und auf dem SCR-Katalysator 18 zu ermöglichen. Zusätzlich können Mischelemente im Abgaskanal 16 stromaufwärts des Partikelfilters 16 angeordnet sein, welche ein Verdunsten der eindosierten wässrigen Harnstofflösung und eine bessere Verteilung über den Strömungsquerschnitt des Abgaskanals 12 ermöglichen. Alternativ kann das Dosierventil 32 auch stromabwärts des Partikelfilters 16 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 18 angeordnet sein.
  • Der Verbrennungsmotor 10 umfasst zumindest einen Brennraum, hier beispielsweise vier Brennräume und ist vorzugsweise ein (selbstzündender) Dieselmotor, kann aber auch ein (fremdgezündeter) Ottomotor sein. Im folgenden Beispiel ist der Verbrennungsmotor 10 als selbstzündender Dieselmotor ausgeführt. Der NOx-Speicherkatalysator 14 weist eine Speicherkomponente zur Speicherung von Stickstoffdioxid (NO2) auf, wobei als Speicherkomponente Oxide, Hydroxide, Oxidhydroxide, Carbonate und/oder Hydrogencarbonate der Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle verwendet werden. Zusätzlich kann die Speicherkomponente weitere Komponenten wie beispielsweise Ceroxid enthalten.
  • Der Partikelfilter 16 weist eine Zonierung auf, wobei der Partikelfilter 16 mindestens in eine erste Zone 20 und in eine zweite Zone 22 unterteilt ist. Die erste Zone 20 befindet sich in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Partikelfilter 16 stromaufwärts der zweiten Zone 22, sodass die erste Zone 20 zeitlich vor der zweiten 22 durchströmt wird. Die erste Zone 20 weist eine Beschichtung 24 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) auf. Als SCR-Beschichtung 24 wird vorzugsweise ein Wash-Coat aus einem Kupferzeolith verwendet. Zeolithe sind Aluminosilikate, welche besonders geeignet für eine katalytische Oberfläche sind. Kupferzeolithe weisen bereits bei vergleichbar niedrigen Temperaturen eine hohe katalytische Wirkung auf, welche die Stickoxid-Emissionen nochmals signifikant reduzieren kann.
  • Die zweite Zone 22 des Partikelfilters 16 weist eine zweite, von der ersten Beschichtung 24 unterschiedliche, Beschichtung 26 zur Oxidation von Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoffdioxid NO2 auf. Als Oxidationskomponenten kann entweder Platin, Palladium oder eine Kombination von Platin und Palladium genutzt werden. Dadurch ist es möglich, dass gewünschte Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO2 von 50:50 am Eingang des SCR-Katalysators 18 einzustellen. Ein Verhältnis zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid von 50:50 ist besonders vorteilhaft, da der SCR-Katalysator 18 bei solchen Konditionen seine maximale Wirksamkeit entfalten kann.
  • Die erste Zone 22 und die zweite Zone 24 des Partikelfilters 16 können unmittelbar ineinander übergehen, es ist jedoch auch möglich, dass zwischen der ersten Zone 22 und der zweiten Zone 24 ein unbeschichteter Bereich des Partikelfilters 16 liegt.
  • Stromabwärts des Partikelfilters 16 ist im Abgaskanal 12 ein SCR-Katalysator 18 angeordnet, mit welchem Stickoxide NOx unter Zugabe des Reduktionsmittels 30 in molekularen Stickstoff N2 reduziert werden können. Dabei wird die eindosierte wässrige Harnstofflösung in bekannter Weise mittels Hydrolyse in Ammoniak NH3, Wasserdampf H2O und Kohlenstoffdioxid CO2 umgewandelt, wobei Ammoniak NH3 als Reduktionsmittel 30 für die Stickoxide NOx dient. Der SCR-Katalysator 18 weist vorzugsweise eine katalytisch wirksame Beschichtung aus Kupferzeolith auf, welches bei einem Verhältnis von Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoffdioxid NO2 von ca. 50:50 seine maximale Effizienz aufweist. Durch ein solches Verhältnis ist eine besonders effiziente Umsetzung der Stickoxide NOx möglich, sodass weniger Reduktionsmittel 30 in den Abgaskanal 12 eindosiert werden muss.
  • In einem überstöchiometrischen, mageren Betrieb des Verbrennungsmotors 10 entstehen Stickoxide NOx, welche nicht oder nur unzureichend durch andere Abgaskomponenten reduziert werden können. Diese Stickoxide NOx müssen aus dem Abgas durch eine gezielte Abgasnachbehandlung entfernt, das heißt, in unschädliche Abgasbestandteile konvertiert werden, um die strengen gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten.
  • In 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung der Abgase des Verbrennungsmotors 10 beschrieben. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch einen NOx-Speicherkatalysator 14 geleitet. Dabei werden in einem zweiten Verfahrensschritt <110> im Wesentlichen nur Stickstoffdioxide NO2 in dem NOx-Speicherkatalysator 14 eingelagert, während Stickstoffmonoxide NO den NOx-Speicherkatalysator 14 im Wesentlichen ungestört durchströmen können. In einem weiteren Verfahrensschritt <120> wird stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 14 und stromaufwärts des Partikelfilters 16 das Reduktionsmittel 30 in den Abgaskanal 12 eindosiert, welches zur selektiven, katalytischen Reduktion der Stickoxide NOx benötigt wird. In einem weiteren Verfahrensschritt <130> wird eine erste Teilmenge der Stickoxide NOx auf der ersten Beschichtung 24 des Partikelfilters 16 mit dem Reduktionsmittel 30 zu molekularem Stickstoff N2 und Wasserdampf H2O umgesetzt, während ein weitere Teilmenge der Stickoxide, insbesondere der Stickstoffmonoxide NO die erste Zone 20 des Partikelfilters 16 durchströmt und in einem Verfahrensschritt <140> teilweise in der zweiten Zone 22 mittels der zweiten Beschichtung 26 zu Stickstoffdioxid NO2 oxidiert wird. In einem weiteren Verfahrensschritt <150> werden nun die Stickstoffmonoxide NO und Stickstoffdioxide NO2 mithilfe des eindosierten Reduktionsmittels 30 auf dem SCR-Katalysator 18 in molekularen Stickstoff N2 und Wasserdampf H2O umgesetzt.
  • Zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 14 wird der Verbrennungsmotor 10 in einem Verfahrensschritt <160> mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 betrieben oder auf sonstige Weise, beispielsweise durch eine Eindosierung von Kraftstoff in den Abgaskanal 12 oder eine gezielte Abgasrückführung, dafür gesorgt, dass sich im Abgaskanal 12 stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 14 ein unterstöchiometrisches, fettes Abgas einstellt. Dabei entsteht auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des NOx-Speicherkatalysators 14 Ammoniak NH3, welches zusätzlich oder alternativ zu dem über die Dosiervorrichtung 28 zugeführten Reduktionsmittel 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden genutzt wird. Durch diesen passiven SCR-Effekt kann die mittels der Dosiervorrichtung in den Abgaskanal 12 eingebrachte Menge an Reduktionsmittel 30 reduziert werden, wodurch entweder mit der gleichen Menge an Reduktionsmittel 30 eine größere Wegstrecke zurückgelegt werden kann, oder ein kleinerer Reduktionsmitteltank verwendet werden kann.
  • Die Kombination der beschriebenen, erfindungsgemäßen dreifachen Konvertierung der Stickoxide NOx ermöglicht eine Umsatzrate von ca. 98% bis 99% der bei der Verbrennung eines Kraftstoffes in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 auftretenden Rohemissionen von Stickoxiden, welche deutlich oberhalb der mit den bislang bekannten Systemen zur Reduktion von Stickoxiden erreichten Umsatzrate liegt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Abgaskanal
    14
    NOx-Speicherkatalysator
    16
    Partikelfilter
    18
    SCR-Katalysator
    20
    erste Zone des Partikelfilters
    22
    zweite Zone des Partikelfilters
    24
    SCR-Beschichtung
    26
    Oxidationsbeschichtung
    28
    Dosiervorrichtung
    30
    Reduktionsmittel

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgaskanal (12), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (12) ein NOx-Speicherkatalysator (14), stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (14) ein Partikelfilter (16) und stromabwärts des Partikelfilters (16) ein SCR-Katalysator (18) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) in Strömungsrichtung zwei Zonen (20, 22) mit unterschiedlichen Beschichtungen (24, 26) aufweist, wobei die in Strömungsrichtung zuerst durchströmte Zone (20) des Partikelfilters (16) eine Beschichtung (24) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und die nachfolgend durchströmte Zone (22) eine Beschichtung (26) zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufweisen.
  2. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Dosiervorrichtung (28) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels (30), insbesondere von wässriger Harnstofflösung, umfasst, welche das Reduktionsmittel (30) in den Abgaskanal (12) stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (14) und stromaufwärts des Partikelfilters (16) eindosiert.
  3. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (18) eine Speicherfähigkeit für Ammoniak (NH3) aufweist.
  4. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zuerst durchströmte Zone (20) des Partikelfilters (16) eine Speicherfähigkeit für Ammoniak (NH3) aufweist.
  5. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) eine Sperrfunktion für Schwefelwasserstoff (H2S) aufweist.
  6. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere eines Dieselmotors, mit einem Abgaskanal (12), wobei im Abgaskanal (12) ein NOx-Speicherkatalysator (14), ein Partikelfilter (16) und ein SCR-Katalysator (18) angeordnet sind, umfassend folgende Schritte: - Einlagerung von Stickstoffdioxid (NO2) in dem NOx-Speicherkatalysator (14), wobei Stickstoffmonoxid (NO) den NOx-Speicherkatalysator (14) passiert, - Eindosierung eines Reduktionsmittels (30) in den Abgaskanal (12) stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (14), - Umsetzung der NOx-Emissionen in einer ersten Zone (20) einer Beschichtung (24, 26) des Partikelfilters (16) sowie auf dem SCR-Katalysator (18), - Oxidierung einer Teilmenge des Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) in einer zweiten Zone (22) der Beschichtung (24, 26) des Partikelfilters (16).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) am Eingang des SCR-Katalysators (18) etwa 50 : 50 beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (14) periodisch mit einem unterstöchiometrischen, fetten Abgas angeströmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen eines unterstöchiometrischen Abgases die Eindosierung des Reduktionsmittels (30) in den Abgaskanal (12) reduziert oder eingestellt wird.
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