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TECHNISCHES GEBIET
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Die hierin beschriebenen Konzepte beziehen sich auf Verbrennungsmotoren und zugehörige Abgasreinigungsvorrichtungen.
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren erzeugen Abgase als Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses, einschließlich Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte oder teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC). Emissionssteuersysteme werden eingesetzt, um verschiedene Abgasbestandteile vor der Freisetzung in die Atmosphäre zu oxidieren, reduzieren, filtern und/oder zu speichern und können nach Erreichen der Betriebstemperaturen hohe Wirkungsgrade erzielen. Derartige Systeme können jedoch weniger effizient sein, wenn sie bei Temperaturen arbeiten, die unter den warmgefahrenen Betriebstemperaturen liegen, wie sie nach einem Kaltstart auftreten können.
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Eine wirksame Kontrolle der Abgasemissionen bei niedrigen Temperaturen ist entscheidend für die Emissionseinhaltung durch die Erzeugung von Abgasbestandteilen während eines Kaltstart-Motorbetriebs. Kraftstoff sparende Technologien, wie beispielsweise Magerbetrieb, Turboaufladung und andere fortschrittliche Verbrennungstechniken, können zu niedrigeren Gesamtabgastemperaturen führen, was die Niedertemperatur-Emissionskontrolle weiter kompliziert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Abgasnachbehandlungssystem zum Reinigen eines Abgasstroms von einem Verbrennungsmotor, der angeordnet ist, um bei einem mageren Luft-/Kraftstoff-Verhältnis zu arbeiten, ist beschrieben und beinhaltet einen Oxidationskatalysator, der stromaufwärts eines Niedertemperatur-NOx-Adsorbers angeordnet ist. Der Oxidationskatalysator beinhaltet einen Zeolithkatalysator, der ein Basismetall, ein Edelmetall und einen auf einem Substratangeordneten Zeolith beinhaltet, und der Niedertemperatur-NOx-Adsorber beinhaltet einen Zeolithkatalysator und einen geträgerten Katalysator aus Platinmetallen.
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Die genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren, gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von einigen der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im Folgenden werden exemplarisch eine oder mehrere Ausführungen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 veranschaulicht schematisch relevante Abschnitte einer Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor, der die einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) beinhaltet, der stromaufwärts eines Niedertemperatur-NOx-Adsorbers (LTNA) gemäß der Offenbarung angeordnet ist;
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2 veranschaulicht schematisch relevante Abschnitte einer weiteren Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor einschließlich einer Zwangslufteinleitungsvorrichtung, worin das Abgasnachbehandlungssystem einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) beinhaltet, der stromaufwärts eines Niedertemperatur-NOx-Adsorbers (LTNA) gemäß der Offenbarung angeordnet ist;
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3-1 zeigt grafisch Datenergebnisse, die dem repräsentativen Abgaszustrom über eine Ausführungsform dem LTNA zugeordnet sind, die als eine eigenständige Vorrichtung in einer eng gekoppelten Anordnung stromabwärts eines Abgaskrümmers eines Motors gemäß der Offenbarung angeordnet ist;
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3-2 zeigt grafisch Datenergebnisse, die dem repräsentativen Abgaszustrom über eine Ausführungsform dem DOC und LTNA zugeordnet sind, die in einer eng gekoppelten Anordnung stromabwärts eines Abgaskrümmers des Motors angeordnet sind, der unter Bezugnahme auf 1 gemäß der Offenbarung beschrieben ist; und
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4 zeigt grafisch Datenergebnisse, die einer NOx-Speicherkapazität für eine Ausführungsform dem LTNA nach der Exposition gegenüber einem Mageralterungsprotokoll und nach der Exposition gegenüber einem Mager-/Fett-Zyklusalterungsprotokoll von vergleichbaren Zeit-, Temperatur- und Strömungsbedingungen gemäß der Offenbarung zugeordnet sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die hierin beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen nicht dazu gedacht, den Umfang der Offenbarung, wie beansprucht, einzuschränken, sondern sie ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das im Stand der Technik bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden. Die Zeichnungen sind vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Außerdem kann die Offenbarung, wie hierin dargestellt und beschrieben, in Abwesenheit eines Elements ausgeführt werden, das nicht ausdrücklich hierin offenbart ist. Wie hierin verwendet, beziehen sich der Begriff „stromaufwärts” und ähnliche Begriffe auf Elemente, die auf eine Entstehung eines Strömungsflusses relativ zu einer angegebenen Position hindeuten und der Begriff „stromabwärts” und ähnliche Begriffe beziehen sich auf Elemente, die von einer Entstehung eines Strömungsflusses relativ zu einer angegebenen Position entfernt sind.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Figuren entsprechen, veranschaulicht 1 ein Abgasnachbehandlungssystem 20, das angeordnet ist, um einen Abgaszufuhrstrom 15 zu reinigen, der von einem Verbrennungsmotor (Motor) 10 während seines Betriebs ausgegeben wird. Der Verbrennungsmotor 20 kann in einem Fahrzeug angeordnet sein, um Antriebsleistung bereitzustellen. Das Fahrzeug kann, ohne darauf eingeschränkt zu sein, eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeuges, Industriefahrzeuges, landwirtschaftlichen Fahrzeugs, Personenkraftwagens, Flugzeugs, Wasserfahrzeugs, Zugs, Geländefahrzeugs, einer persönlichen Bewegungsvorrichtung, Roboters und dergleichen beinhalten, um die Zwecke der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen.
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Der Motor 10 kann jeder beliebige geeignete Verbrennungsmotor sein und ist vorzugsweise als ein Mehrzylinder-Kompressionszündungsmotor ausgebildet, der in erster Linie bei einem Luft-/Kraftstoff-Verhältnis arbeitet, das in einer Ausführungsform überstöchiometrisch ist. Der Motor 10 kann einen Zylinderblock mit einer Vielzahl von Zylindern und Kolben (nicht gesondert dargestellt) beinhalten, die zusammen mit einem Zylinderkopf (ebenfalls nicht gesondert dargestellt) Brennkammern für die interne Verbrennung eines Gemisches aus Kraftstoff und Induktionsgasen. Der Motor 10 kann auch beliebige geeignete Mengen an Einlassventilen und Auslassventilen beinhalten, die im Zylinderkopf angeordnet sind, um den Durchfluss von Ansaugluft und Abgasen zu steuern. Der Motor 10 beinhaltet vorzugsweise einen Abgaskrümmer 12, der Abgase, die als Ergebnis des Verbrennungsprozesses ausgegeben werden, anzieht und leitet sie in das Abgasnachbehandlungssystem 20 zur Reinigung und Ausstoß in die Atmosphäre.
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Das Abgasnachbehandlungssystem 20 beinhaltet vorzugsweise eine oder mehrere zusätzliche Nachbehandlungsvorrichtungen, die angeordnet sind, um den Abgaszustrom 15 des Motors 10 zu oxidieren, reduzieren, speichern, filtern oder anderweitig zu behandeln. Für eine Kaltstart-Kohlenwasserstoffsteuerung, kann ein Abgassystem Kohlenwasserstoff-Einfangkomponenten beinhalten, die Zeolithmaterialien verwenden. In derartigen Systemen adsorbiert und speichert das Zeolithmaterial während der Anlaufzeit Kohlenwasserstoffe und gibt die gespeicherten Kohlenwasserstoffe frei, wenn die Abgastemperatur hoch genug ist, um Kohlenwasserstoffe zu desorbieren. Die desorbierten Kohlenwasserstoffe werden vorzugsweise in nachgeschalteten katalytischen Komponenten oxidiert. Für die Kaltstart-NOx-Steuerung, insbesondere bei mageren Motorbetriebsbedingungen, kann ein Abgassystem NOx-Speicher und Freisetzungskatalysatoren beinhalten, wie beispielsweise selektive katalytische Reduktions(SCR)-Vorrichtungen oder NOx-Adsorber, um NOx zu Stickstoff zu reduzieren. Derartige Katalysatoren adsorbieren NOx während der Warmlaufphase und thermisches Desorbieren von NOx bei höheren Abgastemperaturen.
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Wie dargestellt, beinhaltet das Abgasnachbehandlungssystem 20 vorzugsweise einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 30, der stromaufwärts eines Niedertemperatur-NOx-Adsorbers (LTNA) 40 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist eine weitere Abgasreinigungsvorrichtung 50, wie beispielsweise eine SCR-Vorrichtung oder eine SCR-Vorrichtung, die auf einem Substrat angeordnet ist, das einen stromabwärts vom LTNA 40 angeordneten Partikelfilter (SCRF) beinhaltet. Wenn die Abgasreinigungsvorrichtung 50 ein SCR oder ein SCRF ist, ist ein Reduktionsmitteleinspritzsystem 42 stromaufwärts angeordnet. Die Konstruktion, Implementierung und Betriebssteuerung von Reduktionsmitteleinspritzsystemen 42 und Reinigungsvorrichtungen 50, wie beispielsweise SCRs und SCRFs, sind anwendungsspezifisch und dem Fachmann bekannt und werden daher hierin nicht beschrieben.
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In einer Ausführungsform sind der DOC 30 und der LTNA 40 in einer eng gekoppelten Anordnung relativ zum Motor 10 und dem Auspuffkrümmer 12 angeordnet. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff "eng gekoppelt" auf eine Position einer Vorrichtung des Abgasnachbehandlungssystems 20, die sich in unmittelbarer Nähe zum Abgaskrümmer 12 befindet, wie es praktikabel ist, den Verlust an thermischer Energie aus dem Abgaszufuhrstrom zu minimieren, bevor das Abgas die Vorrichtung, z. B. DOC 30, erreicht. In einer Ausführungsform beinhaltet die eng gekoppelte Anordnung den DOC 30 an einer Stelle, die weniger als etwa 1 Meter stromabwärts vom Abgaskrümmer 12 oder dem Turbolader liegt und vorzugsweise etwa 0,05 bis etwa 0,5 Meter beträgt. Weiterhin ist vorzugsweise eine eng gekoppelte Abgaskomponente motornah im Motorraum angeordnet, obwohl eine derartige Anordnung in einigen Ausführungsformen nicht praktikabel ist. Wie Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, können während des Anlassens des Motors und des Motorbetriebes unter schwerer Last Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, die in einer motornahen Position angeordnet sind, im Vergleich zu Vorrichtungen, die weiter stromabwärts angeordnet sind, höheren Abgastemperaturen ausgesetzt werden.
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2 stellt schematisch eine zweite Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 120 dar, welches vorteilhafterweise mit dem Abgaskrümmer 12 des Verbrennungsmotors 10 fluidmäßig gekoppelt sein kann. In dieser Ausführungsform wird eine Zwangsluft-Ansaugvorrichtung 134, z. B. ein Turbolader oder ein Kompressor verwendet. Das Abgasnachbehandlungssystem 120 beinhaltet vorzugsweise einen DOC 130, der mit dem Abgaskrümmer 12 eng gekoppelt und stromaufwärts der Zwangsluft-Ansaugvorrichtung 134 angeordnet ist. Eine Kohlenwasserstoffeinspritzung 132 ist vorzugsweise angeordnet, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe stromabwärts der Zwangsluft-Ansaugvorrichtung 134 und stromaufwärts einer Ausführungsform des LTNA 140 einzuspritzen. In einer Ausführungsform ist eine weitere Abgasreinigungsvorrichtung 150, wie beispielsweise eine SCR-Vorrichtung oder eine SCR-Vorrichtung, die auf einem Substrat angeordnet ist, das einen stromabwärts vom LTNA 140 angeordneten Partikelfilter (SCRF) beinhaltet. Wenn die Abgasreinigungsvorrichtung 150 ein SCR oder ein SCRF ist, können ein Reduktionsmitteleinspritzsystem 142 und eine Mischvorrichtung 144 zwischen dem LTNA 140 und dem SCRF 150 angeordnet sein.
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Der DOC 30, 130 ist konfiguriert, um die Oxidation von mehreren Abgaskomponenten im Abgasstrom in Anwesenheit von Sauerstoff zu fördern, was in einer mageren Abgasumgebung reichlich vorhanden sein kann. Die zu oxidierenden Abgaskomponenten beinhalten Kohlenmonoxid (CO), Gasphasen-Kohlenwasserstoffe (HC) und eine lösliche organische Fraktion (SOF) von Partikeln. Der DOC 30, 130 beinhaltet beispielsweise katalytisches Material, das auf einer Oberfläche eines Substrats über Washcoating und andere Verfahren, die Imprägnierung, Adsorption, Ionenaustausch usw. beinhalten können, unterstützt wird. Das Substrat kann in Form einer Struktur vorliegen, die eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, die parallel zu einer axialen Achse zwischen einem Einlass und einem Auslass angeordnet sind, worin die Strömungskanäle in der Lage sind, einen Washcoat zu halten, der katalytische Materialien enthält. Die Querschnittsform der Kanäle kann jede geeignete Form sein, einschließlich z. B. quadratisch, sinusförmig, dreieckig, rechteckig, sechseckig, trapezförmig, kreisförmig oder oval.
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In einer Ausführungsform wird das Substrat aus extrudierten keramischen Materialien, wie beispielsweise Cordierit, hergestellt. Alternativ wird das Substrat aus Metallfolie hergestellt. Wenn das Substrat aus keramischen Werkstoffen gebildet ist, weist es vorzugsweise eine Wabenstruktur auf und kann als Durchflussvorrichtung oder alternativ als eine Wandstromfiltervorrichtung angeordnet sein, die in der Lage ist, Partikelmaterial aus dem Abgasstrom zu entfernen. Das keramische Substrat kann aus jedem geeigneten feuerfesten Material hergestellt sein, z. B. Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Ceroxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Zeolithe, Siliziumnitrid, Siliciumcarbid, Zirkoniumsilikate, Magnesiumsilikate, Aluminosilikate, Metalloaluminosilikate (wie beispielsweise Cordierit und Spudomene) einem Gemisch oder Mischoxid von zwei oder mehreren davon. Cordierit, ein Magnesiumaluminosilicat und Siliciumcarbid sind bevorzugt. Die metallischen Substrate können aus jedem geeigneten Metall und insbesondere hitzebeständigen Metallen und Metalllegierungen, wie beispielsweise Titan und rostfreiem Stahl sowie ferritische Legierungen, die Eisen, Nickel, Chrom und/oder Aluminium enthalten, zusätzlich zu anderen Spurenmetallen hergestellt werden.
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Wenn das Substrat als Wandstromfiltervorrichtung angeordnet ist, werden benachbarte Strömungskanäle an abwechselnden axialen Enden blockiert. Dies ermöglicht es dem Abgaszustrom, von einem Einlass in einen Kanal zu gelangen, durch die Kanalwände zu strömen und den Filter von einem anderen Kanal zu verlassen, der zum Auslass führt. Partikel im Abgasstrom können somit im Partikelfilter eingefangen und anschließend oxidiert werden.
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Das katalytische Material ist vorzugsweise ein Zeolithkatalysator, der ein Basismetall, ein Edelmetall und einen Zeolith beinhaltet. In einer Ausführungsform beinhaltet das katalytische Material ferner ein auf dem Substrat angeordnetes Sauerstoff-Speicherkapazitätsmaterial. In einer Ausführungsform ist das Sauerstoff-Speicherkapazitätsmaterial Ceroxid. Alternativ kann das katalytische Material als nicht beschränkende Beispiele ein anorganisches Oxid, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid und Zirkonoxid beinhalten. Das Edelmetall kann aus der Gruppe Pt, Pd, Rh, Ag, Au und Ir ausgewählt werden.
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Der LTNA 40, 140 kann als Zeolithkatalysator und als ein geträgerter Platinmetallkatalysator ausgearbeitet sein, die auf einem Substrat angeordnet sind. Der Zeolithkatalysator beinhaltet vorzugsweise ein Basismetall, ein Edelmetall und einen Zeolith. Das Basismetall ist vorzugsweise Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Kobalt, Nickel, Zinn oder Mischungen davon; besonders bevorzugt sind Eisen, Kupfer, Mangan, Kobalt oder Mischungen davon. Eisen ist besonders bevorzugt. Das Edelmetall ist vorzugsweise Palladium, Platin, Rhodium, Silber oder Mischungen davon.
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Der Zeolith kann ein beliebiger natürlicher oder ein synthetischer Zeolith sein, einschließlich Molekularsieben, und besteht vorzugsweise aus Aluminium, Silicium und/oder Phosphor. Der Zeolith kann eine dreidimensionale Anordnung von SiO4, AlO4 und/oder PO4 aufweisen, die durch die Teilung von Sauerstoffatomen verbunden sind. Die Zeolithgerüste können anionisch sein, die durch Ladungskompensationskationen, einschließlich Alkali- und Erdalkalielementen (z. B. Na, K, Mg, Ca, Sr und Ba) und auch Protonen, ausgeglichen werden. Andere Metalle (z. B. Fe, Ti und Ga) können in das Gerüst des Zeoliths eingearbeitet werden, um einen mit Metall eingearbeiteten Zeolith zu erzeugen. So kann beispielsweise Eisen für Aluminium im Rahmen von Beta-Zeolith eingesetzt werden, um einen Eisen-Beta-Zeolith (Fe-p-Zeolith) zu erzeugen.
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In einer Ausführungsform ist der Zeolith ein Beta-Zeolith, ein Faujasit (wie ein X-Zeolith oder ein Y-Zeolith, einschließlich NaY und USY), ein L-Zeolith, ein ZSM-Zeolith (z. B. ZSM-5, ZSM-48)), ein SSZ-Zeolith (z. B. SSZ-13, SSZ-41, SSZ-33), ein Mordenit, ein Chabazit, ein Offretit, ein Erionit, ein Clinoptilolith, ein Silicalit, ein Aluminiumphosphat-Zeolith (einschließlich Metalloaluminiumphosphate wie SAPO-34), ein mesoporöser Zeolith (z. B. MCM-41, MCM-49, SBA-15), ein mit Metall eingearbeiteter Zeolith oder Mischungen davon sein; besonders bevorzugt sind die Zeolithe Beta-Zeolith, ZSM-5-Zeolith, Fe-p-Zeolith oder SSZ-33 oder Y-Zeolith. Der Zeolith ist vorzugsweise am häufigsten Beta-Zeolith, ZSM-5-Zeolith, Fe-p-Zeolith oder SSZ-33.
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Der Zeolithkatalysator kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens hergestellt werden. So können beispielsweise das Basismetall und das Edelmetall dem Zeolith zugesetzt werden, um den Zeolithkatalysator unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens zu bilden. So kann beispielsweise eine Edelmetallverbindung (wie Palladiumnitrat) und eine Basismetallverbindung (wie Eisennitrat) auf dem Zeolith durch Verfahren, die Imprägnierung, Adsorption, Ionenaustausch, beginnende Nässe, Präzipitation oder ähnliches beinhalten, unterstützt werden. Die Edelmetallverbindung und eine Basismetallverbindung können dem Zeolith gleichzeitig in einem Schritt oder nacheinander in mehreren Schritten zugesetzt werden.
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Der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator beinhaltet ein oder mehrere Platingruppenmetalle ("PGM") und einen oder mehrere anorganische Oxidträger. Die PGM können Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Kombinationen davon und am meisten bevorzugt Platin und/oder Palladium sein. Die anorganischen Oxidträger beinhalten am häufigsten Oxide der Gruppen 2, 3, 4, 5, 13 und 14 Elemente. Nützliche anorganische Oxidträger weisen vorzugsweise Oberflächen im Bereich von 10 bis 700 m·sup·2/g, Porenvolumina im Bereich von 0,1 bis 4 ml/g und Porendurchmesser von etwa 10 bis 1000 Angström auf. Der anorganische Oxidträger ist vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Zirkonoxid, Ceroxid, Niobia, Tantaloxide, Molybdänoxide, Wolframoxide oder Mischoxide oder Verbundoxide von zwei oder mehreren davon, z. B. Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Ceroxid-Zirkonoxid oder Aluminiumoxid-Ceroxid-Zirkonoxid. Aluminiumoxid und Ceroxid sind besonders bevorzugt.
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Die geträgerte Platinmetallkatalysator kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens hergestellt werden. Vorzugsweise werden das eine oder mehrere Platingruppenmetalle auf das eine oder die mehreren anorganischen Oxide aufgebracht, wobei jedes geeignete Verfahren zum Bilden des geträgerten PGM-Katalysators verwendet wird. So kann beispielsweise eine Platinverbindung (wie Platinnitrat) auf einem anorganischen Oxid durch Verfahren, die Imprägnierung, Adsorption, Ionenaustausch, beginnende Nässe, Präzipitation oder dergleichen beinhalten können, aufgetragen werden. Andere Metalle können dem geträgerten PGM-Katalysator ebenfalls zugesetzt werden.
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Vorzugsweise beinhaltet der LTNA 40, 140 ferner ein Durchflusssubstrat oder ein Filtersubstrat. In einer Ausführungsform werden der Zeolithkatalysator und der geträgerte Platinmetallkatalysator auf das Substrat aufgetragen und vorzugsweise auf dem Substrat unter Verwendung eines Washcoat-Verfahrens zur Herstellung des LTNA 40, 140 abgeschieden.
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Der Zeolithkatalysator und der geträgerte Platingruppenkatalysator können dem Substrat unter Verwendung eines geeigneten Verfahrens zugesetzt werden. Ein repräsentatives Verfahren zur Herstellung des LTNA 40 unter Verwendung eines Washcoat-Verfahrens ist nachstehend aufgeführt. Es versteht sich, dass das nachfolgende Verfahren nach verschiedenen Ausführungsformen variiert werden kann. Außerdem können der Zeolithkatalysator und der geträgerte PGM-Katalysator in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge dem Substrat hinzugefügt werden. Somit kann der Zeolithkatalysator auf dem Substrat vor dem geträgerten PGM-Katalysator beschichtet sein, alternativ kann der geträgerte PGM-Katalysator auf dem Substrat vor dem Zeolithkatalysator beschichtet sein.
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Der vorgeformte Zeolithkatalysator kann dem Substrat durch einen Washcoating-Schritt zugesetzt werden. Alternativ kann der Zeolithkatalysator auf dem Substrat durch ein erstes Washcoating von unmodifiziertem Zeolith, einem Edelmetall/Zeolith oder einem Basismetall/Zeolith auf dem Substrat gebildet werden, um ein mit Zeolith beschichtetes Substrat zu erzeugen. Edelmetall und/oder Basismetall können dann dem mit Zeolith beschichteten Substrat zugesetzt werden, was durch ein Imprägnierungsverfahren oder dergleichen erreicht werden kann. Bei einer alternativen Ausführungsform besteht das Substrat aus dem Zeolithkatalysator und der geträgerte Platinmetallkatalysator wird auf das Zeolithkatalysator-Substrat aufgebracht. Der Zeolith kann extrudiert werden, um das Substrat zu bilden, und wird vorzugsweise extrudiert, um ein Wabensubstrat zu bilden. Extrudierte Zeolithsubstrate und Wabenkörper und Verfahren zu deren Herstellung sind im Stand der Technik bekannt. Wird ein Zeolithsubstrat gebildet, wird das Zeolithsubstrat dann, wenn erforderlich, einem Imprägnierungsverfahren unterworfen, um Edelmetall und/oder Basismetall auf das Zeolithsubstrat zu laden, gefolgt von einem Washcoating-Schritt zum Washcoat des geträgerten PGM-Katalysators.
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Bei bestimmten Ausführungsformen ist der SCR 50, 150 als ein Teil eines Substrats formuliert, das einen Partikelfilter beinhaltet. In einem Beispiel ist der SCR 50, 150 ein SCR-Katalysator-Washcoat, der auf einem keramischen Substrat vorgesehen ist und einen Partikelfilter beinhalten kann. Das Reduktionsmittel-Zufuhrsystem 42, 142, das stromaufwärts des SCR 50, 150 angeordnet ist, kann jeweils einen geeigneten Typ einer Reduktionsmittel-Einspritzungsvorrichtung oder eine Zufuhrvorrichtung beinhalten, die im Stand der Technik bekannt ist, einschließlich eines Harnstoff- oder Ammoniakinjektors, und kann ferner einen luftunterstützten, Flüssigphasen- oder Gasphaseninjektor beinhalten. Der SCR 50, 150 wird vorzugsweise verwendet, um Stickstoffdioxide (NOX) in zweiatomigen Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umzuwandeln.
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Selektive katalytische Reduktions(SCR)-Systeme sind Vorrichtungen, die NOx zu N2 durch eine Reaktion mit Stickstoffverbindungen (wie Ammoniak oder Harnstoff) oder Kohlenwasserstoffen (Mager-NOx-Reduktion) reduzieren. Ein SCR-Katalysator kann einen Vanadia-Titandioxid-Katalysator, einen Vanadia-Wolfram-Titandioxid-Katalysator oder einen Metall-/Zeolith-Katalysator, wie beispielsweise Eisen/Beta-Zeolith, Kupfer/Beta-Zeolith, Kupfer/SSZ-13, Kupfer/SAPO-34, Fe/ZSM-5 oder Kupfer/ZSM-5 beinhalten. Partikelfilter sind Vorrichtungen, die Partikel aus dem Abgasstrom 15 entfernen. Partikelfilter beinhalten katalysierte Partikelfilter und blanke (nicht katalysierte) Partikelfilter. Katalysierte Partikelfilter beinhalten Metall- und Metalloxidkomponenten (wie beispielsweise Pt, Pd, Fe, Mn, Cu und Ceroxid), um Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zusätzlich zu oxidierenden teilchenförmigen Stoffen zu oxidieren, die durch den Partikelfilter eingefangen werden.
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3-1 zeigt grafisch Datenergebnisse, die dem repräsentativen Abgaszustrom 205 über eine Ausführungsform dem LTNA 40 zugeordnet sind, die als eine eigenständige Vorrichtung in einer eng gekoppelten Anordnung stromabwärts des Abgaskrümmers 12 des Motors 10 angeordnet ist. Die Datenergebnisse beinhalten Konzentrationen von H2, CO und HC 210 und NOx-Speicherebenen 212 in Bezug auf eine axiale Länge einer Probe einer Ausführungsform des LTNA 40. Der LTNA 40 wurde einem Alterungsprotokoll unterworfen, das wiederholt ausgeführte magere/fette Luft/Kraftstoff-Verhältnis Exkursionen beinhaltet. Wie dargestellt, verringern sich die Konzentrationen von H2, CO und HC 210 über die axiale Länge des LTNA 40 zu seinem Auslass 215 und gibt an, dass der LTNA 40 für die Abgasbestandteile nach dem Altern eine akzeptable Emissionsreduzierung bereitstellt. Es gibt jedoch eine Verringerung des NOx-Speicherniveaus 212, was eine Verschlechterung des NOx-Speicherniveaus 212 nach der Alterung anzeigt, die Emissionen beeinträchtigen kann, da die NOx-Emissionen, die durch den LTNA 40 hindurchgehen, z. B. während des Kaltstartmotorbetriebs, nicht in einer nachgeschalteten SCR-Vorrichtung verringert werden können.
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3-2 zeigt grafisch Datenergebnisse, die dem repräsentativen Abgaszustrom 205 über eine Ausführungsform dem DOC 30 und LTNA 40 zugeordnet sind, die in einer eng gekoppelten Anordnung stromabwärts eines Abgaskrümmers 12 des Motors 10 angeordnet sind, die alle unter Bezugnahme auf 1 beschrieben sind. Die Datenergebnisse beinhalten eine Verringerung der Konzentrationen von H2, CO und HC 220 und des NOx-Speicherniveaus 222 in Bezug auf die axiale Länge einer Probe. Der DOC 30 und der LTNA 40 wurden einem mageren/fetten Alterungsprotokoll unterworfen, das wiederholt ausgeführte magere/fette Luft/Kraftstoff-Verhältnis Exkursionen beinhaltet. Wie dargestellt, verringern sich die Konzentrationen von H2, CO und HC 210 über die axiale Länge des DOC 30 und des LTNA 40 zu deren Auslass 225 und geben an, dass der DOC 30 und der LTNA 40 für die Abgasbestandteile nach dem Altern eine akzeptable Emissionsreduzierung bereitstellen. Wie dargestellt, bleibt das NOx-Speicherniveau 212 im LTNA 40 auf dem Niveau, das anzeigt, dass eine minimale Verschlechterung des NOx-Speicherniveaus 212 vorhanden ist. Daher können die Abgasemissionen nicht beeinträchtigt werden, da die NOx-Emissionen während des Kaltstart-Motorbetriebs gespeichert werden und nachträglich zur Verringerung einer nachgeschalteten SCR-Vorrichtung nach der Aufwärmphase verfügbar sein können. Somit verringert die Anordnung des DOC 30 stromaufwärts des LTNA 40 und in einer eng gekoppelten Konfiguration, wie sie hierin beschrieben ist, die Wahrscheinlichkeit, dass der LTNA 40 dem reduzierenden Gas (CO, H2 und HC) 220 bei Hochtemperaturauslenkungen ausgesetzt wird, wodurch das Deaktivieren des LTNA 40 aufgrund einer Hochtemperatur-PGM-Deaktivierung minimiert wird, die im Betrieb auftreten kann. Damit soll die Abgasreinigungsleistung des LTNA 40 über ihre Lebensdauer verbessert werden.
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4 zeigt grafisch Datenergebnisse, die der NOx-Speicherkapazität 310 für eine Ausführungsform dem LTNA 40 nach der Exposition gegenüber einem Mageralterungsprotokoll und nach der Exposition gegenüber einem Mager-/Fett-Zyklusalterungsprotokoll von vergleichbaren Zeit-, Temperatur- und Strömungsbedingungen zugeordnet sind. Die Speicherkapazität 310 ist auf der vertikalen Achse angegeben. Die Ergebnisse beinhalten eine erste NOx-Speicherkapazität 320 für den LTNA 40, nach Aussetzen des LTNA 40 zu einem mageren Alterungsprotokoll. In einer Ausführungsform beinhaltet das magere Alterungsprotokoll das Aussetzen einer Probe des LTNA 40 zu einer hydrothermalen Alterungsbedingung, der einen Zufuhrstrom beinhaltet, der für 2 Stunden bei 750°C mit 10% H2O überstöchimetrisch ist. Die Ergebnisse beinhalten eine erste NOx-Speicherkapazität 330 für den LTNA 40, nach Aussetzen des LTNA 40 zu einem mageren/fetten Alterungsprotokoll. Die magere/fette Alterungsprotokoll beinhaltet das Aussetzen einer Probe des LTNA 40 zu einer hydrothermalen Alterungsbedingung, die einen Zufuhrstrom beinhaltet, der periodisch zwischen einer Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Bedingung wechselt, z. B. Luft-/Kraftstoff-Verhältnis von 22:1 und einer fetten Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Bedingung, z. B. ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis von 14.3:1, bei 750°C für 2 Stunden mit 10% H2O. Ein Vergleich der Ergebnisse 320, 330 zeigt, dass eine Verringerung der NOx-Speicherkapazität der LTNA 40 unter mager/fetten Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Bedingungen wesentlich stärker ist als die Verringerung der NOx-Speicherkapazität des LTNA 40 unter mageren Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Bedingungen. In einer Gebrauchsumgebung ist es wahrscheinlicher, dass der LTNA 40 mageren/fetten Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Auslenkungen ausgesetzt wird und somit die Verringerung der NOx-Speicherkapazität des LTNA 40 unter mageren/fetten Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Bedingungen für die Gebrauchsalterung repräsentativer ist. Somit besteht ein Vorteil für eine Anordnung des DOC 30 stromaufwärts des LTNA 40 in einer eng gekoppelten Konfiguration, wie unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben ist.
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Während die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren die vorliegenden Lehren unterstützen und beschreiben, wird der Umfang der vorliegenden Lehren jedoch einzig und allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Ausführungsformen und anderen Arten zur Ausführung der vorliegenden Lehren ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den hinzugefügten Ansprüchen definiert sind.
