DE102017106766A1 - Im Abgas vorhandenes elektrisches Element für NOx-Speicherkatalysator- und SCR-Systeme - Google Patents

Im Abgas vorhandenes elektrisches Element für NOx-Speicherkatalysator- und SCR-Systeme Download PDF

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Nicholas Dunkley
Andrew Izzard
Paul Phillips
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Abstract

Beschrieben ist ein Abgassystem, das: einen NOX-Speicherkatalysator, ein elektrisches Heizelement und einen NOX-Reduktionskatalysator umfasst, wobei sich das Heizelement stromab des NOX-Speicherkatalysators befindet.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Eine Abgasreinigungsvorrichtung, die einen im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Katalysator oder selektiven katalytischen Reduktions-Katalysator auf einem Filter (SCRF) verwendet, wird häufig verwendet. Im Allgemeinen ist der in solchen Reinigungsvorrichtungen verwendete Katalysator in der Lage, Schadstoffe in dem Abgas lediglich dann zu reinigen, wenn die Temperatur des Katalysators über eine bestimmte Temperatur ansteigt, d.h., die Katalysatoren in dem Konverter arbeiten nicht, wenn die Temperatur niedriger als die Aktivierungstemperatur des Katalysators ist.
  • Üblicherweise wird der Katalysator in der Reinigungsvorrichtung durch das Abgas allmählich erwärmt und erreicht die Aktivierungstemperatur, nachdem der Motor startet. Wenn jedoch die Temperatur des Motors niedrig ist, beispielsweise nach einem Kaltstart des Motors, kann es eine lange Zeit erfordern, den Katalysator auf die Aktivierungstemperatur zu erwärmen, da die Wärme des Abgases durch die kalte Wand des Abgaskanals entfernt werden kann, bevor sie den Konverter erreicht. Daher kann bei einem Kaltstart des Motors das Abgas des Motors nicht in ausreichender Weise gereinigt werden, da die Temperatur des Katalysators niedriger ist als die Aktivierungstemperatur.
  • Ein Ansatz für ein früheres Erwärmen des Abgases besteht darin, ein elektrisches Heizsystem einzubeziehen. Derzeitige Systeme, die elektrische Energie verwenden, sind häufig mit dem eine Oxidationsbeschichtung trägernden Substrat kombiniert, und sind als elektrisch beheizte Katalysatoren (EHCs) bekannt. Dieser Systemtyp wärmt den Katalysator auf und ermöglicht diesem, hohe Niveaus von Kohlenwasserstoff/Dieselkraftstoff und Kohlenstoffmonoxid bei niederen Abgaseinlasstemperaturen umzuwandeln, wobei die erhaltene Exotherme stromabwärts konvektiert, wodurch eine frühere SCR- oder SCRF-Katalysator-Leistungsfähigkeit ermöglicht wird. Das Heizelement befindet sich üblicherweise im vorderen Bereich des Substrats.
  • Ein Problem bei den derzeitigen Systemen, die das Heizelement im vorderen Bereich des Substrats aufweisen, besteht darin, dass bei Systemen, bei denen die Verwendung eines NOX-Speicherkatalysators erwünscht ist, das Heizelement den NOX-Speicherkatalysator erwärmen und eine thermische Freisetzung des NOX auslösen kann, bevor der stromabseitige SCR-Katalysator seine Aktivierungstemperatur erreicht hat. Dies würde ermöglichen, dass NOX durch das Abgassystem hindurchtritt, ohne reduziert zu werden.
  • Daher ist es wünschenswert, ein System bereitzustellen, das Wärme zu dem stromabseitigen SCR liefert, während es gleichzeitig gestattet, dass NOX weiterhin in einem NOX-Speicherkatalysator gespeichert wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Abgassystem einen NOX-Speicherkatalysator, ein elektrisches Heizelement und einen NOX-Reduktions-Katalysator, wobei das Heizelement sich stromab des NOX-Speicherkatalysators befindet. Das elektrische Heizelement kann sich direkt hinter dem NOX-Speicherkatalysator befinden.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst der NOX-Speicherkatalysator einen Kaltstartkatalysator, einen passiven NOX-Adsorber und/oder eine NOX-Falle.
  • In einigen Ausführungsformen befindet sich das elektrische Heizelement stromab eines Reduktionsmittelinjektors. Ein Reduktionsmittelinjektor kann stromauf des NOX-Reduktions-Katalysators enthalten sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist das elektrische Heizelement mit einem Mischer gekoppelt, mit einem Hydrolysekatalysator gekoppelt und/oder ist mit einem selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Katalysator gekoppelt.
  • In einigen Ausführungsformen ist der NOX-Reduktions-Katalysator ein selektiver katalytischer Reduktions-(SCR)-Katalysator. In einigen Ausführungsformen ist der NOX-Reduktions-Katalysator ein selektives katalytisches Reduktions-Filter (SCRF). Das elektrische Heizelement kann sich stromauf des NOX Reduktions-Katalysators befinden. In einigen Ausführungsformen ist das elektrische Heizelement mit dem NOX-Reduktions-Katalysator gekoppelt. In einigen Ausführungsformen sind das elektrische Heizelement und der NOX-Reduktions-Katalysator in einem einzelnen Substrat kombiniert.
  • Ein System kann des Weiteren einen zusätzlichen NOX-Reduktions-Katalysator stromab des elektrischen Heizelements und des NOX-Reduktions-Katalysators umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Abgassystem einem mittels eines Hybridelektromotors und eines Verbrennungsmotors betriebenen Fahrzeug zugeordnet.
  • Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Behandeln eines Abgasstroms aus einem Verbrennungsmotor: (a) ein Adsorbieren von NOX auf einen NOX-Speicherkatalysator bei Temperaturen bei oder unterhalb einer niedrigen Temperatur; (b) thermisches Desorbieren von NOX von dem NOX-Speicherkatalysator bei einer Temperatur oberhalb der niedrigen Temperatur; (c) Erwärmen eines stromabseitigen NOX-Reduktions-Katalysators mit einem elektrischen Heizelement; und (d) katalytisches Entfernen des desorbierten NOX an dem NOX-Reduktions-Katalysator. In einigen Ausführungsformen beträgt die niedrige Temperatur zwischen etwa 200°C und etwa 250°C. In einigen Ausführungsformen erwärmt das Heizelement den NOX-Reduktions-Katalysator in einem intermittierenden Muster, während eine restliche Zeit das NOX auf dem NOX-Speicherkatalysator gespeichert wird. Der NOX-Reduktions-Katalysator kann auf eine Temperatur erwärmt werden, die zum Aktivieren des Katalysators ausreichend ist. In einigen Ausführungsformen befindet sich das elektrische Heizelement direkt hinter dem NOX-Speicherkatalysator. In einigen Ausführungsformen umfasst der NOX-Speicherkatalysator einen Kaltstartkatalysator, einen passiven NOX-Adsorber und/oder eine NOX-Falle.
  • In einigen Ausführungsformen ist der NOX-Reduktionskatalysator ein SCR-Katalysator oder ein SCRF-Katalysator. Das elektrische Heizelement kann sich stromauf des NOX-Reduktionskatalysators befinden. In einigen Ausführungsformen ist das elektrische Heizelement mit dem NOX-Reduktionskatalysator gekoppelt. In einigen Ausführungsformen sind das elektrische Heizelement und der NOX-Reduktionskatalysator in einem einzelnen Substrat kombiniert. Ein System kann des Weiteren einen zusätzlichen NOX-Reduktionskatalysator stromab des elektrischen Heizelements und des NOX-Reduktionskatalysators umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Abgassystem einem mittels eines Hybridelektromotors und eines Verbrennungsmotors betriebenen Fahrzeug zugeordnet.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst Stufe b des oben beschriebenen Verfahrens das Erzeugen eines thermischen Spülens. Das thermische Spülen kann beispielsweise weniger als 30 Sekunden dauern. In einigen Ausführungsformen ist eine Dauer und ein Timing des thermischen Spülens so ausgewählt, dass es mit Stufe c des oben beschriebenen Verfahrens abgestimmt ist, so dass NOX aus dem NOX-Speicherkatalysator freigesetzt wird, wenn der NOX-Reduktionskatalysator auf eine ausreichende Temperatur, um aktiv zu sein, erwärmt ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 stellt ein System gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • 2 zeigt die Temperatur und die kummulative NOX-Massendifferenz als Funktion der Zeit.
  • 3 zeigt die Temperatur von Systemen mit und ohne Heizung als Funktion der Zeit.
  • 4 zeigt die kumulative Masse von NOX von Systemen mit und ohne Heizung als Funktion der Zeit.
  • 5 zeigt die Temperatur und kumulatives NOX von Systemen mit und ohne Heizung als Funktion der Zeit.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung eines elektrischen Heizelements stromabseitig eines NOX-Speicherkatalysators, jedoch stromaufseitig eines SCR- oder SCRF-Katalysators, das im Abgaskanal des Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, angeordnet ist. Das elektrische Heizelement kann entweder direkt hinter dem NOX-Speicherkatalysator platziert sein oder es kann entkoppelt sein und sich weiter stromabseits befinden. Beispielsweise kann das elektrische Heizelement stromab eines Reduktionsmittelinjektors und dadurch in Verbindung als Mischer, Hydrolysekatalysator oder kleiner SCR vor einem herkömmlichen SCR- oder SCRF-Katalysator platziert sein.
  • Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung sind zur Verbesserung der NOX-Gesamtumwandlung des Abgasreinigungssystems konzipiert. Es wurde bei gegenwärtigen Systemen, die einen NOX-Speicherkatalysator, gefolgt von einem SCR- oder SCRF-Katalysator umfassen, festgestellt, dass der NOX-Speicherkatalysator das adsorbierte NOX freisetzen kann, bevor der SCR- oder SCRF-Katalysator seine Aktivierungstemperatur erreicht hat, wodurch es möglich ist, dass NOX ohne reduziert zu werden aus dem Abgassystem freigesetzt wird. In ähnlicher Weise sind bestehende Systeme mit elektrischen Heizelementen so konfiguriert, dass das elektrische Heizelement stromauf eines Oxidationskatalysators oder kombiniert mit einem Oxidationskatalysator positioniert ist; bei Verwendung eines NOX-Speicherkatalysators hinter oder kombiniert mit einem elektrischen Heizelement kann der erwärmte NOX-Speicherkatalysator das NOX thermisch freisetzen, während der stromabseitige SCR noch nicht auf eine Aktivierungstemperatur zum Reduzieren des NOX erwärmt wurde. Ein solches System wäre dementsprechend ineffektiv bei der Verringerung von NOX-Emissionen im Abgas.
  • Derzeit erfordern NOX-Speicherbeschichtungen ein breites Temperaturspeicherfenster, wie z.B. von 20°C bis zu 400°C, um eine starke Überlappung einer NOX-Leistungsfähigkeit mit einem stromabseitigen SCR- oder SCRF-Katalysator zu gestatten. Die zwei Hauptgründe für das Erfordernis eines erweiterten Speicherfensters sind: a) der SCR- oder SCRF-Katalysator kann sich an einer wesentlich kühleren Stelle, wie z.B. einer Unterbodenstelle, aufgrund von Packzwängen im Motorraum angeordnet werden und b) die Energiebalance des Systems: der NOX-Speicherkatalysator, der typischerweise eine geringere thermische Masse aufweist als ein SCR- oder SCRF-Katalysator, erwärmt sich schneller. Daher bleibt die höhere thermische Masse des SCR- oder SCRF-Katalysators zu kalt für einen Betrieb, insbesondere in Situationen, wie z.B. dem FTP-Emissionstest, wo die zweite Bergbeschleunigung sehr aggressiv ist.
  • Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung gehen diese Probleme an, da festgestellt wurde, dass die Einbeziehung eines elektrischen Heizelements stromab des NOX-Speicherkatalysators, jedoch stromauf des SCR-Katalysators den SCR-Katalysator erwärmt, während das NOX noch gespeichert ist, so dass der SCR-Katalysator aktiv ist für ein Reduzieren von NOX, sobald der NOX-Speicherkatalysator das adsorbierte NOX freisetzt. Durch Beheizen des SCR- oder SCRF-Katalysators, während das NOX noch gespeichert ist, können die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung weitere Vorteile liefern durch:
    • a) Verringern des Erfordernisses an einem NOX-Speicherkatalysator mit teurer/hoher Washcoatbeladung (NSC); und/oder b) Minimieren/Beseitigen der Notwendigkeit eines fetten Spülens des NSC. Die Wirkung wird ferner die Motorkalibrierung vereinfachen, da es kompliziert ist, einen Dieselmotor mit einem fetten Kraftstoff/Luft-Gemisch zu betreiben.
  • Die Kombination eines NOX-Speicherkatalysators und eines Heizelements, wie hier beschrieben, kann ferner den Kraftstoffnachteil und die Schadstofferzeugung beseitigen, die mit dem exothermen Erfordernis bei einem herkömmlichen EHC verbunden sind, für dessen Betrieb es erforderlich ist, dass das Betriebsfenster des SCR so schnell als möglich, um ein Behandeln von NOX zu starten, erreicht wird.
  • Ein Beispiel eines typischen Systems des Standes der Technik umfasst das Folgende:
    NOX-Speicherkatalysator (breites Temperaturfenster) + SCRF + SCR.
  • Ein solches System kann durch die Speicherkapazität des NOX-Speicherkatalysators beschränkt sein. Sobald der Katalysator voll ist oder voller wird, so dass die NOX-Speichereffizienz nicht mehr akzeptabel ist, wenn der SCR- oder SCRF-Katalysator zu kalt ist, um betrieben zu werden, wird NOX zu dem Endrohr durchschlüpfen. Ein derartiges Durchschlüpfen von NOX kann verhindert werden, wenn der NOX-Speicherkatalysator mit einem fetten Gasgemisch gespült werden kann (herkömmlicher NOX-Speicherkatalysator). Typischerweise wird, wenn versucht wird, diesen Vorgang bei Temperaturen von unter 250°C durchzuführen, eine signifikante Menge des gespeicherten NOX nicht reduziert und kann zu dem Endrohr durchschlüpfen.
  • Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können dafür sorgen, dass sichergestellt ist, dass der SCR- oder SCRF-Katalysator sich bei einer akzeptablen Temperatur befindet und die Reduktionsmittelinjektion vor der Freisetzung des gespeicherten NOX gestartet wird, um dadurch zu ermöglichen, dass das auf dem NOX-Speicherkatalysator gespeicherte NOX durch SCR-Reaktionen umgewandelt wird. Des Weiteren können die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglichen, dass die Gestaltung des Systems derart ist, dass der NOX-Speicherkatalysator ein kleineres und niedrigeres Temperaturfenster aufweisen kann, und dadurch die Eigenschaften dieses Katalysators so gewählt werden, dass die Alterung des stromabseitigen SCR- oder SCRF-Katalysators minimiert wird. Ein herkömmlicher NOX-Speicherkatalysator muss mit einem fetten Gasgemisch bei hohen Temperaturen (> 700°C) desulfatiert werden, jedoch beschleunigen diese Ereignisse die Deaktivierung des SCR- oder SCRF-Katalysators während dessen Laufzeitbetriebs. Die bevorzugten Katalysatoren zur Verwendung in Ausführungsformen von Systemen und Verfahren der vorliegenden Erfindung weisen keine Notwendigkeit einer Desulfatierung mit einem fetten Gasgemisch oder einer Desulfatierung mit einem fetten Gasgemisch bei Temperaturen < 700°C auf, wodurch sie die Deaktivierung des SCR- oder SCRF-Katalysators während seines Laufzeitbetriebs minimieren.
  • Ein weiteres Beispiel eines Systems des Standes der Technik umfasst Folgendes:
    EHC (+ aus dem Motor stammende Wärme/Kraftstoff) + SCRF + SCR
  • Ein solches System ermöglicht nicht die Speicherung irgendeines NOX und folglich weist dieses System keine Fähigkeit zur NOX-Entfernung bei Betriebstemperaturen auf, die niedriger sind als die Anspringtemperatur des SCR- oder SCRF-Katalysators. Die Verwendung eines EHC gemäß Beschreibung in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung minimiert das Risiko eines Durchschlüpfens von Schadstoffen während der Aufwärmphase durch Sicherstellen, dass die HC-Anspring(temperatur) erreicht wird.
  • Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise dazu verwendet werden, NOX von einem Kaltstart des Motors zu speichern. Jedoch wird allgemeiner das Heizelement vor der Freisetzung des NOX aus dem NOX-Speicherkatalysator betrieben. Das genaue Timing, wann das Heizelement angeschaltet wird, hängt von der Kalibrierungsstrategie des Nachbehandlungssystems ab. In einigen Ausführungsformen kann das Heizelement dazu verwendet werden, NOX mit dem SCR- oder SCRF-Katalysator in einem intermittierenden Muster zu behandeln, während das NOX die restliche Zeit auf dem NOX-Speicherkatalysator gespeichert wird. Dieser Betriebsmodus kann für Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung charakteristisch sein, da durch Platzierung des Heizelements zwischen dem NOX-Speicherkatalysator und der SCR-Funktion, die Flexibilität erhalten wird, die Eigenschaften von beiden Katalysatoren unabhängig zu nutzen, falls gewünscht. Es ist nicht möglich, dies zu tun, wenn das Heizelement vor dem NOX-Speicherkatalysator platziert ist.
  • Stromaufseitiger NOX-Speicherkatalysator
  • Die Systeme und Verfahren der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen einen NOX-Speicherkatalysator stromauf eines elektrischen Heizelements. NOX-Speicherkatalysatoren können Vorrichtungen umfassen, die NOX entsprechend bestimmten Bedingungen adsorbieren, freisetzen und/oder reduzieren, im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder fetten/mageren Abgasbedingungen. NOX-Speicherkatalysatoren können beispielsweise passive NOX-Adsorber, Kaltstartkatalysatoren, NOX-Fallen u. dgl. umfassen.
  • Passiver NOX-Adsorber
  • Ein passiver NOX-Adsorber ist eine Vorrichtung, die eine Adsorption von NOX bei oder unterhalb einer niedrigen Temperatur und die Freisetzung des adsorbierten NOX bei einer Temperatur oberhalb der niedrigen Temperatur bewirkt. Ein passiver NOX-Adsorber kann ein Edelmetall und ein kleinporiges Molekularsieb umfassen. Das Edelmetall ist vorzugsweise Palladium, Platin, Rhodium, Gold, Silber, Iridium, Ruthenium, Osmium oder Gemische hiervon. Vorzugsweise beträgt die niedrige Temperatur etwa 200°C, etwa 250°C oder zwischen etwa 200°C bis etwa 250°C. Ein Beispiel eines geeigneten passiven NOX-Adsorbers ist in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2015 015 8019 beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Das kleinporige Molekularsieb kann ein beliebiges natürliches oder synthetisches Molekularsieb, einschließlich Zeolithen sein und ist vorzugsweise aus Aluminium, Silicium und/oder Phosphor zusammengesetzt. Die Molekularsiebe weisen typischerweise eine dreidimensionale Anordnung von SiO4, AlO4 und/oder PO4 auf, die durch gemeinsame Sauerstoffatome miteinander verbunden sind, können jedoch auch ebenso zweidimensionale Strukturen sein. Die Molekularsiebgerüste sind typischerweise anionisch und sind durch ladungsausgleichende Kationen, typischerweise Alkali- und Erdalkalielemente (z.B. Na, K, Mg, Ca, Sr und Ba), Ammoniumionen und auch Protonen ausgeglichen. Weitere Metalle (z.B. Fe, Ti und Ga) können in das Gerüst des kleinporigen Molekularsiebs eingebaut werden, um ein Molekularsieb mit eingearbeitetem Metall herzustellen.
  • Vorzugsweise ist das kleinporige Molekularsieb aus einem Alumosilicat-Molekularsieb, einem metallsubstituierten Alumosilicat-Molekularsieb, einem Aluminophosphat-Molekularsieb oder einem metallsubstituierten Aluminophosphat-Molekularsieb ausgewählt. Bevorzugter ist das kleinporige Molekularsieb ein Molekularsieb mit dem Gerüsttyp von ACO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATT, CDO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, LEV, KFI, MER, MON, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTH, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG und ZON sowie Gemischen oder Verwachsungen von beliebigen zwei oder mehr. Besonders bevorzugte Verwachsungen des kleinporigen Molekularsiebs umfassen KFI-SIV, ITE-RTH, AEW-UEI, AEI-CHA und AEI-SAV. Am stärksten bevorzugt ist das kleinporige Molekularsieb AEI oder CHA oder eine AEI-CHA-Verwachsung.
  • Ein geeigneter passiver NOX-Adsorber kann mittels beliebiger bekannter Mittel hergestellt werden. Beispielsweise kann das Edelmetall dem kleinporigen Molekularsieb zur Bildung des passiven NOX-Adsorbers mittels einer beliebigen bekannten Maßnahme hinzugefügt werden. Beispielsweise kann eine Edelmetallverbindung (wie z.B. Palladiumnitrat) auf das Molekularsieb durch Imprägnierung, Adsorption, Ionenaustausch, Trockenimprägnierung, Präzipitation oder dgl. geträgert werden. Weitere Metalle können auch zu dem passiven NOX-Adsorber zugegeben werden. Vorzugsweise befindet sich eine gewisse Menge des Edelmetalls (mehr als 1 Prozent des gesamten zugegebenen Edelmetalls) in den passiven NOX-Adsorber im Inneren der Poren des kleinporigen Molekularsiebs. Stärker bevorzugt befinden sich mehr als 5 Prozent der Gesamtmenge des Edelmetalls in den Poren des kleinporigen Molekularsiebs und noch stärker bevorzugt kann die Menge des Edelmetalls, die sich im Inneren der Poren des kleinporigen Molekularsiebs befindet, größer als 10 Prozent oder größer als 25 Prozent oder größer als 50 Prozent der Gesamtmenge des Edelmetalls betragen.
  • Vorzugsweise umfasst der passive NOX-Adsorber des Weiteren ein Durchflusssubstrat oder ein Filtersubstrat. Der passive NOX-Adsorber ist auf das Durchfluss- oder Filtersubstrat aufgetragen und wird vorzugsweise auf dem Durchfluss- oder Filtersubstrat unter Verwendung eines Washcoatverfahrens abgeschieden, um ein passives NOX-Adsorbersystem herzustellen.
  • Kaltstartkatalysator
  • Ein Kaltstartkatalysator ist eine Vorrichtung, die zum Adsorbieren von NOX und Kohlenwasserstoffen (HC) bei oder unterhalb einer niedrigen Temperatur und zum Umwandeln und Freisetzen des adsorbierten NOX und HC's bei Temperaturen oberhalb der niedrigen Temperatur wirksam ist. Vorzugsweise beträgt die niedrige Temperatur etwa 200°, etwa 250°C oder zwischen etwa 200° und etwa 250°C. Ein Beispiel eines geeigneten Kaltstartkatalysators ist in der WO 2015 085 300 beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Ein Kaltstartkatalysator kann einen Molekularsiebkatalysator und einen geträgerten Platingruppenmetall-Katalysator umfassen. Der Molekularsiebkatalysator kann ein Edelmetall und ein Molekularsieb umfassen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Der geträgerte Platingruppenmetall-Katalysator umfasst ein oder mehrere Platingruppenmetalle und ein oder mehrere anorganisches Oxid umfassende Träger. Das Edelmetall ist vorzuweisen Palladium, Platin, Rhodium, Gold, Silber, Iridium, Ruthenium, Osmium oder Gemische hiervon.
  • Das Molekularsieb kann ein beliebiges natürliches oder ein synthetisches Molekularsieb, einschließlich Zeolithen sein und ist vorzugsweise aus Aluminium, Silicium und/oder Phosphor zusammengesetzt. Die Molekularsiebe weisen typischerweise eine dreidimensionale Anordnung von SiO4, AlO4 und/oder PO4 auf, die durch gemeinsame Sauerstoffatome miteinander verbunden sind, können jedoch auch ebenso zweidimensionale Strukturen sein. Die Molekularsiebgerüste sind typischerweise anionisch und sind durch ladungsausgleichende Kationen, typischerweise Alkali- und Erdalkalielemente (z.B. Na, K, Mg, Ca, Sr und Ba), Ammoniumionen und auch Protonen ausgeglichen.
  • Das Molekularsieb kann vorzugsweise ein kleinporiges Molekularsieb mit einer maximalen Ringgröße von acht tetraedrischen Atomen, ein mittelporiges Molekularsieb mit einer maximalen Ringgröße von zehn tetraedrischen Atomen oder ein großporiges Molekularsieb mit einer maximalen Ringgröße von zwölf tetraedrischen Atomen sein. Stärker bevorzugt weist das Molekularsieb eine Gerüststruktur von AEI, MFI, EMT, ERI, MOR, FER, BEA, FAU, CHA, LEV, MWW, CON, EUO oder Gemischen hiervon auf.
  • Der geträgerte Platingruppenmetall-Katalysator umfasst ein oder mehrere Platingruppenmetalle ("PGM ") und ein oder mehrere ein anorganisches Oxid umfassende Träger. Das PGM kann Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Kombinationen hiervon und am bevorzugtesten Platin und/oder Palladium sein. Die anorganisches Oxid umfassenden Träger umfassen üblicherweise Oxide der Elemente der Gruppen 2, 3, 4, 5, 13 und 14. Geeignete anorganisches Oxid umfassende Träger weisen vorzugsweise Oberflächen in dem Bereich von 210 bis 700 m/g, Porenvolumina in dem Bereich von 0,1 bis 4 mL/g und Porendurchmesser von etwa 10 bis 1000 Ångström auf. Der anorganisches Oxid umfassende Träger ist vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titanoxid, Zirconiumoxid, Ceroxid, Nioboxid, Tantaloxide, Molybdänoxide, Wolframoxide oder Mischoxide oder Verbundoxide von beliebigen zwei oder mehr hiervon, z.B. Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Ceroxid-Zirconiumoxid oder Aluminiumoxid-Ceroxid-Zirconiumoxid. Aluminiumoxid und Ceroxid sind besonders bevorzugt.
  • Der geträgerte Platingruppenmetall-Katalysator kann mittels beliebiger bekannter Maßnahmen hergestellt werden. Vorzugsweise werden ein oder mehrere Platingruppenmetalle auf ein oder mehrere anorganische Oxide mittels beliebiger bekannter Maßnahmen geladen, um den geträgerten PGM-Katalysator zu bilden, wobei die Art und Weise der Zugabe nicht als besonders kritisch erachtet wird. Beispielsweise kann eine Platinverbindung (wie z.B. Platinnitrat) auf einem anorganischen Oxid durch Imprägnierung, Adsorption, Ionenaustausch, Trockenimprägnierung, Präzipitation oder dgl. geträgert werden. Andere Metalle, wie Eisen, Mangan, Cobalt und Barium, können ebenfalls dem geträgerten PGM-Katalysator zugegeben werden.
  • Ein Kaltstartkatalysator der vorliegenden Erfindung kann durch auf dem einschlägigen Fachgebiet gut bekannte Verfahren hergestellt werden. Der Molekularsiebkatalysator und der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator können physisch gemischt werden, um den Kaltstartkatalysator herzustellen. Vorzugsweise umfasst der Kaltstartkatalysator des Weiteren ein Durchflusssubstrat oder ein Filtersubstrat. In einer Ausführungsform sind der Molekularsiebkatalysator und der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator auf das Durchflussoder Filtersubstrat aufgetragen und vorzugsweise auf das Durchfluss- oder Filtersubstrat unter Verwendung eines Washcoatverfahrens aufgetragen, um ein Kaltstartkatalysatorsystem herzustellen.
  • NOX-Fallen
  • NOX-Fallen sind Vorrichtungen, die NOX unter mageren Abgasbedingungen adsorbieren, das adsorbierte NOX unter fetten Bedingungen freisetzen und das freigesetzte NOX unter Bildung von N2 reduzieren.
  • Eine NOX-Falle von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein NOX-Adsorptionsmittel zur Speicherung von NOX und einen Oxidations-/Reduktionskatalysator umfassen. Typischerweise reagiert Stickstoffmonoxid mit Sauerstoff unter Bildung von NO2 in Gegenwart des Oxidationskatalysators. Zweitens wird das NO2 durch das NOX-Adsorptionsmittel in Form eines anorganischen Nitrats adsorbiert (beispielsweise wird BaO oder BaCO3 zu Ba(NO3)2 an dem NOX-Adsorptionsmittel umgewandelt). Zuletzt, wenn der Motor unter fetten Bedingungen läuft, zersetzen sich die gespeicherten anorganischen Nitrate unter Bildung von NO oder NO2, die dann durch Umsetzung mit Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen (oder über NHX- oder NCO-Zwischenprodukte) in Gegenwart des Reduktionskatalysators reduziert werden, wobei N2 gebildet wird. Typischerweise werden die Stickstoffoxide zu Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser in Gegenwart von Wärme, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen in dem Abgasstrom umgewandelt.
  • Die NOX-Adsorptionsmittelkomponente ist vorzugsweise ein Erdalkalimetall, wie z.B., Ba, Ca, Sr und Mg), ein Alkalimetall, wie z.B. K, Na, Li und Cs), ein Seltenerdmetall (wie z.B. La, Y, Pr und Nd) oder Kombinationen hiervon. Diese Metalle werden typischerweise in Form von Oxiden vorgefunden. Der Oxidations/Reduktionskatalysator kann ein oder mehrere Edelmetalle umfassen. Geeignete Edelmetalle können Platin, Palladium und/oder Rhodium umfassen. Vorzugsweise ist Platin zur Durchführung der Oxidationsfunktion enthalten und Rhodium ist zur Durchführung der Reduktionsfunktion enthalten. Der Oxidations/Reduktionskatalysator und das NOX-Adsorptionsmittel können auf einem Trägermaterial, wie z.B. einem anorganischen Oxid zur Verwendung in dem Abgassystem, geladen sein.
  • Heizelement
  • Ein elektrisches Heizelement ist in dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors, stromab eines NOX-Speicherkatalysators und stromauf eines NOX-Reduktionskatalysators enthalten. Es kann ein beliebiges geeignetes elektrisches Heizelement in den Systemen und Verfahren der vorliegenden Erfindung enthalten sein.
  • In einem Aspekt umfasst ein elektrisches Heizelement einen elektrisch heizenden Wabenkörper mit Enden und Stromanschlüssen, die jeweils an einem der Enden angeordnet sind. Der Wabenkörper kann einen verdrehten Strompfad über einem elektrisch isolierenden Zwischenraum definieren.
  • In Aspekten, bei denen das elektrische Heizelement mit einem Katalysator/Adsorber gemäß Beschreibung hierin gekoppelt ist, können elektrisch isolierende Trägerelemente den Wabenkörper an dem mindestens einen Katalysatorträgerkörper befestigen. Alternativ kann der Katalysatorträgerkörper, der als Träger für das Heizelement dient, eine katalytisch aktive Beschichtung aufweisen. Beispielsweise kann die katalytisch aktive Beschichtung die Oxidation oder Reduktion von Bestandteilen in dem Abgas, insbesondere von Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenwasserstoffen oder die Reduktion von NOX fördern. Der heizbare Wabenkörper kann auch mit einer solchen katalytisch aktiven Schicht versehen sein.
  • Der Katalysatorträgerkörper und/oder der Wabenkörper können aus glatten oder gewellten Metallblech-Schichten, die Waben bilden, gebildet sein.
  • Der Wabenkörper kann eine große Oberfläche aufweisen, so dass ein guter Wärmetransfer zu dem hindurchfließenden Abgas sichergestellt ist. Die erzeugte Wärme kann im Ergebnis und durch Strahlung schnell auf das Abgas oder eine stromabseitige Komponente übertragen werden. Ein möglicherweise durch Strahlung an einen Katalysatorträgerkörper, der stromauf in Richtung des Abgases angeordnet ist, abgegebene Heizleistung wird wiederum von diesem Körper an das Abgas abgegeben, so dass die volle Heizleistung für die stromabseitige Komponente zur Verfügung steht.
  • In einigen Aspekten kann der Wabenkörper so geformt sein, dass der Strompfad eine annähernd mäanderförmige oder spiralförmige Form aufweist.
  • In einigen Aspekten der Erfindung bildet das elektrische Heizelement eine einzelne Einheit mit einem Katalysatorsubstrat. Beispielsweise kann das elektrische Heizelement eine einzelne Einheit mit einem NOX-Speicherkatalysator bilden. In diesem Fall kann der NOX-Speicherkatalysator auf das stromaufseitige Ende der Einheit aufgetragen sein, wobei sich das elektrische Heizelement an dem stromabseitigen Ende der Einheit befindet. In ähnlicher Weise kann das elektrische Heizelement eine einzelne Einheit mit einem selektiven Reduktionskatalysator, Hydrolysekatalysator oder Oxidationskatalysator bilden, wobei der Katalysator auf dem stromaufseitigen oder stromabseitigen Ende der Einheit, wie für das spezielle System gewünscht, aufgetragen ist. Vorzugsweise, wenn das elektrische Heizelement ein einzelnes Substrat mit dem NOX-Speicherkatalysator bildet, umfasst das Substrat eine Wärmeisolierung zwischen der vorderen (nicht beheizten) und hinteren (beheizten) Zone. Im Allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, dass der NOX-Speicherkatalysator und das Heizelement auf zwei unterschiedlichen Substraten vorhanden sind, um ein Erwärmen des NOX-Speicherkatalysators durch das elektrische Heizelement zu minimieren. Alternativ kann das elektrische Heizelement vollständig mit einer Katalysatorschicht, wie z.B. einem selektiven Reduktionskatalysator, Hydrolysekatalysator oder Oxidationskatalysator, beschichtet sein.
  • Das elektrische Heizelement kann eine von einer beliebigen der anderen Komponenten des Systems gesonderte Komponente sein. Alternativ kann das elektrische Heizelement als Teil einer weiteren Komponente des Systems, wie z.B., ohne darauf beschränkt zu sein, eines SCR-/SCRF-Katalysators, Partikelfilters, Mischers oder Hydrolysekatalysators, gekoppelt sein.
  • Das elektrische Heizelement kann so ausgestaltet sein, dass es rasche Temperaturzunahmen von bis zu 10°C/s erzeugen kann, und erfordert vorzugsweise für den Betrieb nicht mehr als 2 kW. Es wird bevorzugt in Betrieb gesetzt, wenn die Temperatur des Abgases, das in den SCR- oder SCRF-Katalysator eintritt, oberhalb 150°C liegt und vorzugsweise bevor die Temperatur des in den NOX-Speicherkatalysator eintretenden Abgases 250°C erreicht.
  • Stromabseitiger NOX-Reduktionskatalysator
  • Ein geeigneter NOX-Reduktionskatalysator stromab des Heizelements umfasst einen selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Katalysator oder einen selektiven katalytischen Reduktions-Katalysator mit einem Filter (SCRF). Ein SCR-Katalysator ist ein Katalysator, der NOX zu N2 durch Umsetzung mit Stickstoffverbindungen (wie Ammoniak oder Harnstoff) oder Kohlenwasserstoffen (Mager-NOX-Reduktion) reduziert. Der SCR-Katalysator kann einen Vanadiumoxid-Titanoxid-Katalysator, einen Vanadiumoxid-Wolframoxid-Titanoxid-Katalysator oder einen Übergangsmetall/Molekularsieb-Katalysator umfassen. Der Übergangsmetall/Molekularsieb-Katalysator umfasst ein Übergangsmetall und ein Molekularsieb, wie z.B. einen Alumosilicatzeolith oder ein Silicoaluminophosphat.
  • Das Übergangsmetall kann aus Chrom, Cer, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer und Gemischen hiervon ausgewählt sein. Eisen und Kupfer können besonders bevorzugt sein.
  • Das Molekularsieb kann einen Beta-Zeolith, ein Faujasit (wie z.B. einen X-Zeolith oder einen Y-Zeolith, einschließlich NaY und USY), einen L-Zeolith, einen ZSM-Zeolith (z.B. ZSM-5, ZSM-48), einen SSZ-Zeolith (z.B. SSZ-13, SSZ-41, SSZ-33), einen Ferrierit, einem Mordenit, einen Chabasit, einen Offretit, einen Erionit, einen Clinoptilolit, einen Silicalit, einen Aluminiumphosphatzeolith (einschließlich eines Metalloaluminophosphats, wie z.B. SAPO-34), einen mesoporösen Zeolith (z.B. MCM-41, MCM-49, SBA-15) oder Gemische hiervon umfassen. Vorzugsweise kann das Molekularsieb einen Beta-Zeolith, einen Ferrierit oder ein Chabazit umfassen. Bevorzugte SCR-Katalysatoren umfassen Ci-CHA, wie z.B. Cu, SAPO-34, Cu-SSZ-13 und Fe-Beta-Zeolith.
  • Substrat
  • Der NOX-Speicherkatalysator und der SCR-Katalysator können jeweils des Weiteren ein Durchflusssubstrat oder ein Filtersubstrat umfassen. In einer Ausführungsform kann der Katalysator/Adsorber auf das Durchfluss- oder Filtersubstrat aufgetragen werden und vorzugsweise auf dem Durchfluss- oder Filtersubstrat unter Verwendung eines Washcoatverfahrens aufgetragen werden.
  • Die Kombination eines SCR-Katalysators und eines Filters ist als selektiver katalytischer Reduktions-Filter-(SCRF)-Katalysator bekannt. Ein SCRF-Katalysator ist eine Einzelsubstratvorrichtung, die die Funktionalität eines SCR und eines Partikelfilters kombiniert, und ist für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet, falls gewünscht. Es versteht sich, dass die Beschreibung des und Bezugnahmen auf den SCR-Katalysator in der gesamten vorliegenden Erfindung ebenso für den SCRF-Katalysator gelten, wo anwendbar. Das Durchfluss- oder Filtersubstrat ist ein Substrat, das in der Lage ist, Katalysator/Adsorber-Komponenten zu enthalten. Das Substrat ist vorzugsweise ein keramisches Substrat oder ein metallisches Substrat. Das keramische Substrat kann aus einem beliebigen geeigneten hitzebeständigen Material, z.B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titanoxid, Ceroxid, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Zeolithen, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Zirconiumsilicaten, Magnesiumsilicaten, Alumosilicaten, Metalloaluminosilicaten (wie z.B. Cordierit und Spodumen) oder einem Gemisch oder Mischoxid von beliebigen zwei oder mehr hiervon hergestellt sein. Cordierit, ein Magnesiumaluminosilicat und Siliciumcarbid sind besonders bevorzugt.
  • Die metallischen Substrate können aus einem beliebigen Metall und insbesondere hitzebeständigen Metallen und Metalllegierungen, wie Titan und nicht rostendem Stahl sowie ferritischen Legierungen, die Eisen, Nickel, Chrom und/oder Aluminium zusätzlich zu weiteren Spurenmetallen enthalten, hergestellt sein.
  • Das Durchflusssubstrat ist vorzugsweise ein eine Wabenstruktur aufweisender Durchflussmonolith mit zahlreichen kleinen, parallelen dünnwandigen Kanälen, die axial durch das Substrat verlaufen und sich durch es hindurch von einem Einlass oder einem Auslass des Substrats erstrecken. Der Kanalquerschnitt des Substrats kann eine beliebige Form aufweisen, ist jedoch vorzugsweise quadratisch, sinusförmig, dreieckig, rechteckig, sechseckig, trapezoid, rund oder oval.
  • Das Filtersubstrat ist vorzugsweise ein Wandstrommonolithfilter. Die Kanäle eines Wandstromfilters sind alternierend blockiert, was dem Abgasstrom erlaubt, in einen Kanal von dem Einlass her einzutreten, anschließend durch die Kanalwände zu strömen und das Filter aus einem unterschiedlichen Kanal, der zu dem Auslass führt, zu verlassen. Teilchenförmiges Material in dem Abgasstrom wird so in dem Filter eingefangen.
  • Der Katalysator/Adsorber kann dem Durchfluss- oder Filtersubstrat mittels beliebiger bekannter Maßnahmen, wie z.B. einem Washcoatverfahren, hinzugefügt werden.
  • Reduktionsmittel-/Harnstoffinjektor
  • Wenn der NOX-Reduktionskatalysator ein SCR- oder SCRF-Katalysator ist, kann das Abgassystem ein Mittel zum Einführen eines stickstoffhaltigen Reduktionsmittels in das Abgassystem stromauf des SCR- oder SCRF-Katalysators umfassen. Es kann bevorzugt sein, dass das Mittel zum Einführen eines stickstoffhaltigen Reduktionsmittels in das Abgassystem sich direkt stromauf des SCR- oder SCRF-Katalysators befindet (z.B. gibt es keinen dazwischenliegenden Katalysator zwischen dem Mittel zum Einführen eines stickstoffhaltigen Reduktionsmittels und dem SCR oder SCRF-Katalysator).
  • Das Reduktionsmittel wird dem strömenden Abgas mittels eines beliebigen Mittels zum Einführen des Reduktionsmittels in das Abgas zugegeben. Geeignete Mittel umfassen einen Injektor, einen Zerstäuber oder eine Zuführeinrichtung. Solche Mittel sind auf dem einschlägigen Fachgebiet gut bekannt.
  • Das stickstoffhaltige Reduktionsmittel zur Verwendung in dem System kann Ammoniak per se, Hydrazin oder einen Ammoniakvorläufer, der aus der aus Harnstoff, Ammoniumcarbonat, Ammoniumcarbamat, Ammoniumhydrogencarbonat und Ammoniumformiat bestehenden Gruppe ausgewählt ist, sein. Harnstoff ist besonders bevorzugt.
  • Das Abgassystem kann ferner ein Mittel zum Steuern des Einführens eines Reduktionsmittels in das Abgas zur Reduktion des darin befindlichen NOX umfassen. Bevorzugte Steuerungsmittel können eine elektronische Steuerungseinheit, optional eine Motorsteuerungseinheit umfassen und können zusätzlich einen stromabseits des NO-Reduktionskatalysators befindlichen NOX-Sensor umfassen.
  • Abgassystem mit Nachbehandlungsvorrichtungen
  • Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können ein oder mehrere zusätzliche Nachbehandlungsvorrichtungen umfassen, die in der Lage sind, Schadstoffe aus Abgasen von Verbrennungsmotoren bei normalen Betriebstemperaturen zu entfernen. Das Abgassystem kann das elektrische Heizelement, einen NOX-Speicherkatalysator und SCR/SCRF gemäß Beschreibung sowie einen oder mehrere zusätzliche Katalysatorkomponenten umfassen, die aus (1) einem SCR-/SCRF-Katalysator, (2) einen Partikelfilter, (3) einer NOX-Falle (auch als NOX-Adsorber-Katalysator bezeichnet), (4) einem Drei-Wege-Katalysator, (5) einem Oxidationskatalysator oder einer beliebigen Kombination hiervon ausgewählt ist.
  • Diese Nachbehandlungsvorrichtungen sind auf dem einschlägigen Fachgebiet gut bekannt. Wie oben beschrieben, sind selektive katalytische Reduktions-(SCR oder SCRF)-Katalysatoren Katalysatoren, die NOX zu N2 durch Umsetzung mit Stickstoffverbindungen (wie Ammoniak oder Harnstoff) oder Kohlenwasserstoffen (magere NOX-Reduktion) reduzieren. Ein typischer SCR- oder SCRF-Katalysator umfasst einen Vanadiumoxid-Titanoxid-Katalysator, einen Vanadiumoxid-Wolframoxid-Titanoxid-Katalysator oder einen Metall/Zeolith-Katalysator, wie z.B. Eisen/Beta-Zeolith, Kupfer/Beta-Zeolith, Kupfer/SSZ-13, Kupfer/SAPO-34, Fe/ZSM-5 oder Kupfer/ZSM-5. Selektive katalytische Reduktions-Filter (SCRF) sind Einzelsubstratvorrichtungen, die die Funktionalität eines SCR und eines Partikelfilters kombinieren. Sie werden zur Reduktion von NOX- und Feinstaubemissionen aus Verbrennungsmotoren verwendet. Zusätzlich zu der SCR-Katalysatorbeschichtung kann das Partikelfilter auch weitere Metall- und Metalloxidkomponenten, wie z.B. Pt, Pd, Fe, Mn, Cu und Ceroxid) zum Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid, zusätzlich zum Zerstören von durch den Filter eingefangenem Ruß, umfassen.
  • NOX-Fallen, wie oben beschrieben, sind zum Adsorbieren von NOX unter mageren Abgasbedingungen, Freisetzen des adsorbierten NOX unter fetten Bedingungen und Reduzieren des freigesetzten NOX unter Bildung von N2 konzipiert. NOX-Fallen umfassen typischerweise eine NOX-Speicherkomponente (z.B. Ba, Ca, Sr, Mg, K, Na, Li, Cs, La, Y, Pr und Nd), eine Oxidationskomponente (vorzugsweise Pt) und eine Reduktionskomponente (vorzugsweise Rh). Diese Komponenten sind in einem oder mehreren Trägern enthalten.
  • Partikelfilter sind Vorrichtungen, die teilchenförmige Materialien aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren verringern. Partikelfilter umfassen katalysierte Partikelfilter und bloße (nicht-katalysierte) Partikelfilter. Katalysierte Partikelfilter (für Diesel- und Benzinanwendungen) umfassen Metall- und Metalloxidkomponenten (wie z.B. Pt, Pd, Fe, Mn, Cu und Ceroxid) zum Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid, zusätzlich zu einem Zerstören von durch das Filter eingefangenem Ruß.
  • Drei-Wege-Katalysatoren (TWCs) werden typischerweise in Benzinmotoren unter stöchiometrischen Bedingungen verwendet, um NOX zu N2, Kohlenstoffmonoxid zu CO2 und Kohlenwasserstoffe zu CO2 und H2O auf einer einzelnen Vorrichtung umzuwandeln.
  • Oxidationskatalysatoren, und insbesondere Diesel-Oxidationskatalysatoren (DOCs) sind auf dem einschlägigen Fachgebiet gut bekannt. Oxidationskatalysatoren sind zum Oxidieren von CO zu CO2 und von in der Gasphase befindlichen Kohlenwasserstoffen (HC) und einer organischen Fraktion von Dieselfeinstaub (lösliche organische Fraktion) zu CO2 und H2O ausgestaltet. Typische Oxidationskatalysatoren umfassen Platin und optional auch Palladium auf einem eine hohe Oberfläche aufweisenden anorganischen Oxidträger, wie z.B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid-Aluminiumoxid und einem Zeolith.
  • Ausführungsbeispiele
  • [NOX-Speicher][EHC]-(Reduktionsmittel)-[SCR/SCRF]
  • Der NOX-Speicherkatalysator und das elektrische Heizelement können gekoppelt sein. In solchen Ausführungsformen ist das Heizelement direkt hinter dem (stromab des) NOX-Speicherkatalysators installiert. Das Heizelement kann mit dem gleichen Substrat wie der NOX-Speicherkatalysator kombiniert sein oder kann gesondert von dem NOX-Speicherkatalysator, jedoch in einer nahen Position installiert sein. Stromab des Heizelements kann das System einen Reduktionsmittelinjektor, gefolgt von einem SCR- und/oder SCRF-Katalysator umfassen. Optional kann das System zusätzlich (1) einen SCR-/SCRF-Katalysator, (2) ein Partikelfilter, (3) eine NOX-Falle (auch als NOX-Adsorberkatalysator bezeichnet), (4) einen Drei-Wege-Katalysator, (5) einen Oxidationskatalysator oder eine beliebige Kombination hiervon umfassen.
  • [NOX-Speicher]-[Reduktionsmittelinjektor]-[EHC]-[SCR/SCRF]
  • Der NOX-Speicherkatalysator und das Heizelement können entkoppelt sein. In solchen Ausführungsformen kann das Heizelement stromab eines Reduktionsmittelinjektors und/oder weiterer Komponenten lokalisiert sein. Ein SCR- und/oder SCRF-Katalysator kann dann stromab des Reduktionsmittelinjektors und des Heizelements lokalisiert sein. Bei solchen Aufbauten kann das Heizelement mit einem Mischer, einem Hydrolysekatalysator oder einem kleinen SCR-/SCRF-Katalysator gekoppelt sein. Optional kann das System zusätzlich (1) einen SCR-/SCRF-Katalysator, (2) ein Partikelfilter, (3) eine NOX-Falle (auch als NOX-Adsorberkatalysator bezeichnet), (4) einen Drei-Wege-Katalysator, (5) einen Oxidationskatalysator oder eine beliebige Kombination hiervon umfassen.
  • [NOX-Speicher]-[Reduktionsmittelinjektor]-[EHC][SCR/SCRF]
  • Das elektrische Heizelement und der SCR-/SCRF-Katalysator können gekoppelt sein. In solchen Ausführungsformen kann das Heizelement direkt stromauf des SCR-/SCRF-Katalysators installiert sein. Das Heizelement kann mit dem gleichen Substrat wie der SCR-/SCRF-Katalysator kombiniert sein oder kann gesondert, jedoch nah positioniert installiert sein. Das elektrische Heizelement kann eine einzelne Einheit mit dem SCR-/SCRF-Katalysator bilden. Der SCR-/SCRF-Katalysator kann an dem stromabseitigen Ende der Einheit aufgetragen sein, wobei sich das elektrische Heizelement an dem stromaufseitigen Ende der Einheit befindet. Alternativ kann das elektrische Heizelement vollständig mit einer SCR-Katalysatorschicht beschichtet sein. Die Einheit aus elektrischem Heizelement/SCR/SCRF befindet sich stromab des NOX-Speicherkatalysators und des Reduktionsmittelinjektors. Optional kann das System zusätzlich (1) einen SCR/SCRF-Katalysator, (2) ein Partikelfilter, (3) eine NOX-Falle (auch als NOX-Adsorberkatalysator bezeichnet), (4) einen Drei-Wege-Katalysator, (5) einen Oxidationskatalysator, oder eine beliebige Kombination hiervon umfassen.
  • Bezugnehmend auf 1 kann das System 10 einen NOX-Speicherkatalysator 12, gefolgt von dem Reduktionsmittelinjektor 14 umfassen. Eine elektrisches Heizelement/SCR(F)-Katalysator-Einheit 16 ist stromabseitig lokalisiert. Das elektrische Heizelement kann eine einzelne Einheit 16 mit dem SCR-/SCRF-Katalysator bilden; der SCR-/SCRF-Katalysator kann auf das stromabseitige Ende von Einheit 16 aufgetragen sein, wobei das elektrische Heizelement sich an dem stromaufseitigen Ende von Einheit 16 befindet, oder alternativ kann das elektrische Heizelement 16 vollständig mit einer SCR-Katalysatorschicht beschichtet sein, um die Einheit 16 zu bilden. Der Reduktionsmittelinjektor 18 befindet sich stromab von Einheit 16, gefolgt vom SCR(F)-Katalysator 20.
  • Verfahren
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Behandeln von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor. Das Verfahren umfasst ein Adsorbieren von NOX auf dem NOX-Speicherkatalysator bei Temperaturen bei oder unterhalb einer niedrigen Temperatur, ein thermisches Desorbieren von NOX von dem NOX-Speicherkatalysator bei einer Temperatur oberhalb der niedrigen Temperatur, ein Erwärmen eines stromabseitigen NOX-Reduktionskatalysators mit einem elektrischen Heizelement und ein katalytisches Entfernen des desorbierten NOX an dem NOX-Reduktionskatalysator. Vorzugsweise beträgt die niedrige Temperatur etwa 200°C, etwa 250°C oder zwischen etwa 200°C und 250°C.
  • Des Weiteren kann das Abgas mit zusätzlichen Katalysatorkomponenten stromab des NOX-Speicherkatalysators, einschließlich zusätzlichem einem SCR-/SCRF-Katalysator, einem Partikelfilter, einem NOX-Adsorberkatalysator, einem Drei-Wege-Katalysator, einem Oxidationskatalysator oder Kombinationen hiervon behandelt werden.
  • Das elektrische Heizelement kann schnelle Temperaturerhöhungen bis zu 10°C/s erzeugen und erfordert vorzugsweise nicht mehr als 2 kW für seinen Betrieb. Es wird vorzugsweise betrieben, wenn die Abgastemperatur beim Eintritt in den SCR- oder SCRF-Katalysator unterhalb von 150°C liegt, und vorzugsweise, bevor die Temperatur des in den NOX-Speicherkatalysator eintretenden Abgases 250°C erreicht.
  • Im Allgemeinen wird das Heizelement vor der Freisetzung des NOX aus dem NOX-Speicherkatalysator betrieben. Das genaue Timing, wann das Heizelement eingeschaltet wird, hängt von der Kalibrierungsstrategie des Nachbehandlungssystems ab. Das Heizelement kann dazu verwendet werden, NOX mit dem SCR- oder SCRF-Katalysator in einem intermittierenden Muster zu behandeln, während das NOX die restliche Zeit auf dem NOX-Speicherkatalysator gespeichert wird. Dieser Betriebsmodus kann für Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung charakteristisch sein, da durch Platzierung des Heizelements zwischen dem NOX-Speicherkatalysator und der SCR-Funktion die Flexibilität erhalten wird, die Eigenschaften von beiden Katalysatoren unabhängig zu nutzen, falls gewünscht. Es ist nicht möglich, dies zu tun, wenn das Heizelement vor dem NOX-Speicherkatalysator platziert ist.
  • Die Systeme der vorliegenden Erfindung können ferner zusätzliche Vorteile im Hinblick auf ein Fahrzeug, das mit einem Hybrid-Elektromotor und einem Verbrennungsmotor betrieben wird, liefern. Bei einem solchen Fahrzeug wird während einer Zunahme der geforderten Leistung und, wenn die Abgastemperatur des SCR unterhalb der Anspringtemperatur liegt, ein Teil der erforderlichen Leistung aus dem elektrischen Motor erhalten, um: a) die Temperaturzunahme des Abgases zu verringern und dadurch die Freisetzung von NOX aus dem NOX-Speicherkatalysator vor dem Erwärmen des stromabseitigen SCR-Katalysators durch das EHC zu verringern; und b) das Erwärmen des SCR während des EHC-Erwärmungsmodus aufgrund der niedrigen Abgasmassenströmungsrate im Vergleich zu einem Fahrzeug, das lediglich Motorleistung verwendet, zu verbessern.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Verfahren, das die Heizphase des EHC mit einem thermischen Spülen des Speicherkatalysators kombiniert. Es wurde festgestellt, dass NOX von einem NOX-Speicherkatalysator durch Erzeugen eines kurzen thermischen Spülens, desorbiert werden kann. Das kurze thermische Spülen kann den Bedingungen ähneln, die für eine CSF-Rußregeneration oder nahe einem Lambda-1-Betriebsmodus verwendet werden, und ist, wie festgestellt wurde, sehr wirksam hinsichtlich einer Freisetzung von NOX. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dauer des thermischen Spülens weniger als 30 Sekunden, weniger als 25 Sekunden, weniger als 20 Sekunden, weniger als 15 Sekunden, weniger als 10 Sekunden, weniger als 5 Sekunden, etwa 1 Sekunde bis etwa 30 Sekunden, etwa 5 Sekunden bis etwa 25 Sekunden oder etwa 10 Sekunden bis etwa 20 Sekunden.
  • Durch Planen des thermischen Spülens zu einem bestimmten Zeitpunkt kann man die EHC-Heizung für ein Erwärmen des SCR(F) zu einem gewünschten Zeitpunkt und für die erforderliche Dauer auslösen, um eine optimierte Überlappung zwischen der NOX-Freisetzung und dem SCR(F)-Betrieb sicherzustellen, was bedeutet, dass die Temperatur des Katalysators für eine Harnstoffinjektion und eine hohe NOX-Umwandlung hoch genug ist.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein System ein Heizelement, gefolgt von einem eine hohe thermische Masse/niedere Leitfähigkeit aufweisenden Teil, wie z.B. einem metallischen Substrat oder einem Filtersubstrat, umfassend z.B. Aluminiumtitanat, Cordierit und/oder Siliciumcarbid. Die Zugabe des eine hohe thermische Masse/niedere Leitfähigkeit umfassenden Teils kann dem System zusätzliche Vorteile liefern, da das erwärmte Teil eine weniger strikte Koordination des EHC-Heizens und der aktiven NOX-Freisetzung von dem NOX-Speicherkatalysator ermöglicht.
  • Die nachfolgenden Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung der Erfindung; der Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet erkennt zahlreiche Variationen, die unter den Geist der Erfindung und den Umfang der Patentansprüche fallen.
  • Beispiele
  • Beispiel 1
  • Die Temperatur und die akkumulierte NOX-Massendifferenz wurden als Funktion der Zeit in einem System gemessen, das PNA/dCSC + SCR-EHC + SCRF, wie z.B. das in 1 dargestellte System, umfasst. Die Ergebnisse in 2 zeigen die typische Fehlabstimmung zwischen dem NOX-Adsorber und dem stromabseitigen NOX-Reduktionskatalysator. Der NOX-Adsorber setzt NOX bei einer Temperatur von etwa 250°C frei, jedoch ist der NOX-Reduktionskatalysator bei dieser Temperatur nicht wirksam und verpasst effektiv die erste Freisetzung von NOX.
  • Tests wurden durchgeführt, um die Temperatur und die kumulative NOX-Masse als Funktion der Zeit in Systemen mit und ohne Heizung zu bestimmen. Die Abgase wurden über der PNA/dCSC- und zwischen der PNA/dCSC- und nach der SCRF-Position mit und ohne Heizen gesammelt.
  • Die Ergebnisse sind in den 3 und 4 gezeigt. In 3 ist die nach EHC-SCR gemessene Temperatur hervorgehoben, wobei der Betrieb mit und ohne den EHC-Heizmodus dargestellt ist. Die Zufuhr von Wärme mittels des EHC stellt sicher, dass die Aktivität des NOX-Reduktionskatalysators (SCR) früher ausgelöst werden kann als ohne die Zufuhr von Wärme. In 4 sind die Vorteile dieser Erwärmung mittels einer Verringerung des nach dem zuvor beschriebenen System gemessenen kumulativen NOX, wenn der EHC betrieben wird (speziell in diesem Test bei 2 kW Leistung), gemessen.
  • Beispiel 2
  • Dieses Beispiel prüft, ob es möglich ist, die NOX-Speicherungs-Freisetzungs-Eigenschaften des PNA mittels Temperaturmanagement (Motorwärme) zu steuern, und des Weiteren, ob der EHC-SCR zum Einfangen der thermischen Freisetzung von NOX aus dem NOX-Speicherkatalysator verwendet werden kann.
  • Es wurde ein System getestet, das die folgende Konfiguration umfasste: NOX-Speicherkatalysator, Reduktionsmittelinjektor, elektrisches Heizelement/SCR, Reduktionsinjektor, SCRF, SCR. Der Testzyklus war der ECE-Teil des NEDC, wobei bei jedem vierten ECE eine magere Spülung ausgelöst wurde. Die mittels magerer Spülung erfolgende Reinigung des NOX-Speicherkatalysators umfasste eine 15-sekündige magere Spülung (Lambda 1,1) unter Verwendung des de-NOX-Modus des Motors. Für die eine magere Spülung umfassende Reinigung des NOX-Speicherkatalysators + elektrisches Heizelement/SCR wurde vor der 15-sekündigen mageren Spülung ein Heizen von 1,5 kW 50 Sekunden vor der Spülung über eine Dauer von 60 Sekunden gestartet.
  • Es wurden Messungen über dem PNA/dCSC durchgeführt, um die Speicherungs- und Freisetzungseigenschaften zu verstehen. Eine Harnstoffinjektionsrate von Alpha 5 (Ammoniak-zu-NOX-Verhältnis) in den EHC-SCR wurde daraufhin über zwei Tests, einer ohne EHC-Heizung und einer mit (EHC Heizung), angewendet.
  • Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt. Hier wird die kumulative NOX-Masse aus dem Motor mit der nach den Nachbehandlungssystemen mit und ohne Heizen verglichen. Demzufolge ist die Freisetzung von NOX aus dem PNA/dCSC thermisch mittels einer de-NOX-Spülung (Lambda-Wert nahe 1) gesteuert. Der Zusatz eines strategischen Erwärmens, wie zuvor beschrieben, führt zu einer Reduktion/Verringerung von NOX gemäß Probennahme hinter dem Nachbehandlungssystem. Es ist somit erwiesen, dass ein strategischer Ansatz des Heizens des EHC-SCR mit Motormodi zur Freisetzung von NOX aus dem PNA/dCSC gekoppelt werden kann, was zu einer Erhöhung der NOX-Umwandlung durch das Nachbehandlungssystem führt.
  • 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
    • US 20150158019 [0034]
    • WO 2015085300 [0039]

Claims (34)

  1. Abgassystem, umfassend: a. einen NOX-Speicherkatalysator; b. ein elektrisches Heizelement; und c. einen NOX-Reduktionskatalysator, wobei sich das Heizelement stromab des NOX-Speicherkatalysators befindet.
  2. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Heizelement sich direkt hinter dem NOX-Speicherkatalysator befindet.
  3. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der NOX-Speicherkatalysator einen Kaltstart-Katalysator umfasst.
  4. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der NOX-Speicherkatalysator einen passiven NOX-Adsorber umfasst.
  5. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der NOX-Speicherkatalysator eine NOX-Falle umfasst.
  6. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Heizelement sich stromab eines Reduktionsmittelinjektors befindet.
  7. Abgassystem nach Anspruch 1, das weiter einen Reduktionsmittelinjektor stromauf des NOX-Reduktionskatalysators umfasst.
  8. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Heizelement mit einem Mischer gekoppelt ist.
  9. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Heizelement mit einem Hydrolysekatalysator gekoppelt ist.
  10. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Heizelement mit einem selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Katalysator gekoppelt ist.
  11. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der NOX-Reduktionskatalysator ein selektiver katalytischer Reduktions-(SCR)-Katalysator ist.
  12. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der NOX-Reduktionskatalysator ein selektiver katalytischer Reduktions-Filter (SCRF) ist.
  13. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Heizelement sich stromauf des NOX-Reduktionskatalysators befindet.
  14. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Heizelement mit dem NOX-Reduktionskatalysator gekoppelt ist.
  15. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das elektrische Heizelement und der NOX-Reduktionskatalysator in einem einzelnen Substrat kombiniert sind.
  16. Abgassystem nach Anspruch 1, das des Weiteren einen zusätzlichen NOX-Reduktionskatalysator stromab des elektrischen Heizelements und des NOX-Reduktionskatalysators umfasst.
  17. Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Abgassystem einem Fahrzeug zugeordnet ist, das mittels eines Hybrid-Elektromotors und eines Verbrennungsmotors angetrieben wird.
  18. Verfahren zum Behandeln eines Abgasstroms aus einem Verbrennungsmotor, umfassend: a. Adsorbieren von NOX auf einem NOX-Speicherkatalysator bei Temperaturen bei oder unterhalb einer niedrigen Temperatur; b. thermisches Desorbieren von NOX von dem NOX-Speicherkatalysator bei einer Temperatur oberhalb der niedrigen Temperatur; c. Erwärmen eines stromabseitigen NOX-Reduktionskatalysators mit einem elektrischen Heizelement; und d. katalytisches Entfernen des desorbierten NOX auf dem NOX-Reduktionskatalysator.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die niedrige Temperatur zwischen etwa 200°C und etwa 250 °C liegt.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Heizelement den NOX-Reduktionskatalysator in einem intermittierenden Muster erwärmt, während die restliche Zeit das NOX auf dem NOX-Speicherkatalysator gespeichert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der NOX-Reduktionskatalysator auf eine Temperatur erwärmt wird, die zum Aktivieren des Katalysators ausreicht.
  22. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der NOX-Reduktionskatalysator ein SCR-Katalysator ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der NOX-Reduktionskatalysator ein SCRF-Katalysator ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 18, wobei sich das elektrische Heizelement direkt hinter dem NOX-Speicherkatalysator befindet.
  25. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das elektrische Heizelement und der NOX-Reduktionskatalysator in einem einzelnen Substrat kombiniert sind.
  26. Verfahren nach Anspruch 18, des Weiteren umfassend einen zusätzlichen NOX-Reduktionskatalysator stromab des elektrischen Heizelements und des stromabseitigen NOX-Reduktionskatalysators.
  27. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der NOX-Speicherkatalysator einen Kaltstart-Katalysator umfasst.
  28. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der NOX-Speicherkatalysator einen passiven NOX-Adsorber umfasst.
  29. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der NOX-Speicherkatalysator eine NOX-Falle umfasst.
  30. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das elektrische Heizelement mit dem NOX-Reduktionskatalysator gekoppelt ist.
  31. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Abgassystem einem Fahrzeug zugeordnet ist, das mittels eines Hybrid-Elektromotors und eines Verbrennungsmotors angetrieben wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Stufe b das Erzeugen eines thermischen Spülens umfasst.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei das thermische Spülen weniger als 30 Sekunden dauert.
  34. Verfahren nach Anspruch 32, wobei eine Dauer und ein Timing der thermischen Spülens so gewählt sind, dass sie mit Stufe c abgestimmt sind, so dass NOX aus dem NOX-Speicherkatalysator freigesetzt wird, wenn der NOX-Reduktionskatalysator auf eine Temperatur erwärmt wurde, die ausreicht, um aktiv zu sein.
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