DE102018111635A1

DE102018111635A1 - Elektrische heizungen umfassend korrosionsbeständige metalle und selektive katalytische reduktionsvorrichtungen unter verwendung derselben

Info

Publication number: DE102018111635A1
Application number: DE102018111635.7A
Authority: DE
Inventors: Rahul Mital; Charles Solbrig; Yong Miao; David Brown
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2018-11-22
Also published as: CN108952898A; US20180334939A1

Abstract

Es werden elektrische Heizeinrichtungen mit korrosionsbeständigen Metallen (CRM) und Abgasbehandlungssystemen, in die sie eingebunden sind, bereitgestellt. Abgasbehandlungssysteme beinhalten selektive katalytische Reduktionsvorrichtungen (SCR), die stromabwärts von den Reduktionsmittel-Einspritzdüsen angeordnet sind. Elektrische Heizeinrichtungen können stromabwärts von den Reduktionsmittel-Einspritzdüsen angeordnet sein, und optional zusammenhängend mit oder eingebunden in eine katalytische Zusammensetzung der SCR. CRMs sind beständig gegenüber Korrosion von Reduktionsmittel, das t Ammoniak und/oder stickstoffreiche Substanzen beinhaltet, die in der Lage sind, sich, wie Harnstoff, in Ammoniak zu zersetzen. CRMs beinhalten Aluminium, Chrom, Eisen und einen oder mehrere Stabilisatoren. CRMs können etwa 5,0 % bis etwa 7,25 % Aluminium, etwa 15 % bis etwa 25 % Chrom, bis zu etwa 0,30 % Stabilisatoren und einen eisenhaltigen Rest aufweisen. Stabilisatoren können Hafnium, Yttrium und Zirkonium enthalten. Stabilisatoren können etwa 0,001 % bis etwa 0,11 % Yttrium und ungefähr 0,001 % bis etwa 0,11 % Hf enthalten.

Description

EINLEITUNG
Während eines Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (ICE) werden Luft-/Kraftstoffgemische Zylindern des ICE bereitgestellt. Die Luft-/Kraftstoffgemische werden komprimiert und/oder gezündet und verbrannt, um ein Abtriebsdrehmoment bereitzustellen. Nach der Verbrennung drängen die Kolben des Verbrennungsmotors die Abgase in den Zylindern durch Auslassventilöffnungen in ein Abgassystem. Das Abgas, das von einem ICE, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffoxide (NOx) und Schwefeloxide (SOX) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält, die Feststoffe darstellen.
Abgasbehandlungssysteme können Katalysatoren in einer oder mehreren Komponenten einsetzen, die so konfiguriert sind, dass sie ein Nachbehandlungsverfahren, wie die Reduktion von NOx, durchführen, um tolerierbarere Abgasbestandteile von Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) zu erzeugen. Eine Art von Abgastechnologie zur Reduktion von NOx Emissionen ist eine selektive katalytische Reduktions-(SCR)-Vorrichtung, die im Allgemeinen eine katalytische Zusammensetzung zur Reduktion von NOx-Spezies beinhaltet. Ein Reduktionsmittel, wie Harnstoff, wird typischerweise in heiße Abgase stromaufwärts des SCR gesprüht, in Ammoniak zersetzt und von der SCR-Vorrichtung absorbiert. Der Ammoniak reduziert dann NOx zu Stickstoff und Wasser bei Vorhandensein des SCR-Katalysators. Eine andere Art von Abgasbehandlungsvorrichtung ist eine Oxidationskatalysator-(OC)-Vorrichtung, die üblicherweise stromaufwärts eines SCR positioniert ist, um mehrere katalytische Funktionen zu erfüllen, einschließlich das Oxidieren von HC- und CO-Spezies. Weiterhin können OCs NO in NO2 umwandeln, um das NO wie folgt zu ändern: NOx-Verhältnis des Abgases, um die NOx-Reduktionseffizienz des stromabwärtigen SCR zu erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform ist eine elektrisch beheizte selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCRF) vorgesehen. Die SCR kann eine Schale mit einem Einlass und einem Auslass beinhalten und dazu konfiguriert sein, um Abgas und Reduktionsmittel über den Einlass zu empfangen, eine Katalysatorzusammensetzung mit einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite und eine elektrische Heizeinrichtung zwischen dem Schalen-Einlass und der stromabwärtigen Seite der Katalysatorzusammensetzung. Das Reduktionsmittel kann Ammoniak und/oder eine stickstoffreiche Substanz enthalten, die Ammoniak spalten kann. Die SCR kann eine selektive katalytische Filtervorrichtung sein.
Die SCR-Katalysatorzusammensetzung kann einen Washcoat enthalten, der mindestens teilweise auf der Außenfläche der Heizung aufgebracht ist. Die elektrische Heizung kann ein Heizelement und eine Außenfläche einschließen, worin die Außenfläche mindestens teilweise innerhalb der Schale liegt und aus einem korrosionsbeständigen Metall (CRM) besteht. Die CRM kann Aluminium, Chrom, eines oder mehrere von Hafnium, Yttrium und Zirkonium und einen eisenhaltigen Rest einschließen. Die CRM kann etwa 5,25 % bis etwa 7,0 % Aluminium, etwa 18 % bis etwa 23 % Chrom und bis etwa 0,30 % eines oder mehrerer von Hafnium, Yttrium und Zirkonium enthalten. Die CRM kann eines oder mehrere von bis etwa 0,725 % Zr, bis etwa 0,11 % Y und bis etwa 0,11 % Hf enthalten. Die CRM kann ferner eines oder mehrere aus Nickel, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Mangan, Silizium und Phosphor enthalten. Die CRM kann ferner eines oder mehrere von bis etwa 0,325 % Nickel, bis etwa 0,1 % Kohlenstoff, bis etwa 0,02 % Stickstoff, bis etwa 0,035 % Schwefel, bis etwa 0,55 % Mangan, bis etwa 0,55 % Silizium und bis etwa 0,05 % Phosphor enthalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verbrennungsmotor (ICE)-Abgasbehandlungssystem vorgesehen. Das System kann
einen ICE enthalten und dazu konfiguriert sein, Abgas in einen Abgaskanal zu leiten, eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC), die dazu konfiguriert ist, Abgas von dem ICE über die Abgasleitung zu empfangen, eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), die an der OC stromabwärts angeordnet ist und in Fluidverbindung über die Abgasleitung mit ihr steht, und eine Katalysatorzusammensetzung mit einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite einschließt, eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse, die dazu konfiguriert ist, Harnstoff und/oder Zersetzungsprodukte dafür in die Abgasleitung an einer stromaufwärtigen Stelle der SCR-Katalysatorzusammensetzung und an der OC stromabwärts einzuspritzen, und eine elektrische Heizeinrichtung, die mindestens teilweise innerhalb der Abgasleitung zwischen der Reduktionsmittel-Einspritzdüse und der stromaufwärtigen Seite der SCR-Katalysatorzusammensetzung angebracht ist, worin die Heizung ein Heizelement und eine Außenfläche beinhaltet und die Außenfläche aus einem korrosionsbeständigen Metall (CRM) besteht. Die CRM kann bis zu etwa 7,5 % Aluminium, bis zu etwa 27,5 % Chrom und einen eisenhaltigen Rest aufweisen. Die CRM kann weiterhin ungefähr 0,001 % bis etwa 0,11 % Yttrium und ungefähr 0,001 % bis etwa 0,11 % Hf enthalten. Die CRM kann weiterhin ungefähr 0,001 % bis etwa 0,725 % Zirkonium enthalten. Die CRM kann ferner ein oder mehrere Stabilisatoren enthalten, die im Wesentlichen aus Hafnium und Yttrium bestehen. Die CRM kann ferner ein oder mehrere Stabilisatoren enthalten, die im Wesentlichen aus Zirkonium, Hafnium und Yttrium bestehen. Die CRM kann eine oberflächliche Aluminiumoxidschicht enthalten. Das System kann des Weiteren einen Turbulator einschließen, der zwischen der Reduktionsmittel-Einspritzdüse und der SCR angebracht ist, worin die Außenfläche des Heizgeräts in Kontakt mit dem Turbulator steht oder mindestens einen Teil des Turbulators umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Abgasbehandlungssystem bereitgestellt. Das System kann eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR) enthalten, einschließlich einer katalytischen Zusammensetzung, die innerhalb einer Strömung durch die Schale angebracht ist, eine Abgasleitung in Fluidverbindung mit dem Durchfluss durch die Schale, eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse, die Reduktionsmittel in den Abgaskanal einspritzen kann, eine elektrische Heizeinrichtung mit einer Außenfläche, die mindestens teilweise innerhalb der Abgasleitung angeordnet ist und stromabwärts an der Reduktionsmittel-Einspritzdüse liegt. Die Außenfläche der Heizung kann ein korrosionsbeständiges Metall (CRM) enthalten, einschließlich etwa 5,0 % bis etwa 7,25 % Aluminium, etwa 15 % bis etwa 25 % Chrom, bis etwa 0,30 % Stabilisatoren, worin der eine oder die mehreren Stabilisatoren Elementen umfassen, die ausgewählt sind aus Periode 6-Elementen und/oder Gruppe 3 und 4- Elementen und einem eisenhaltigen Rest. Das Reduktionsmittel kann Harnstoff und/oder Zersetzungsprodukte daraus beinhalten. Der Rest der CRM kann hauptsächlich aus Eisen bestehen. Die CRM kann weiterhin ungefähr 5,25 % bis etwa 7,0 % Aluminium, ungefähr 18 % bis etwa 23 % Chrom enthalten. Die Stabilisatoren können hauptsächlich aus Zirconium, Hafnium und Yttrium bestehen. Die CRM-Stabilisatoren können eines oder mehrere von bis etwa 0,725 % Zr, bis etwa 0,11 % Y und bis etwa 0,11 % Hf enthalten.
Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht ein Abgasbehandlungssystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 zeigt eine Schnittzeichnung eines elektrischen Heizgeräts gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen; und
3 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung mit einer elektrischen Heizeinrichtung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu generieren, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
Im Allgemeinen betrifft diese Offenbarung korrosionsbeständige Heizeinrichtungen und ihre Anwendung mit selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtungen (SCR) und Abgasbehandlungssysteme, die diese aufnehmen. Die Heizeinrichtungen erlauben beispielsweise eine verbesserte Leistung der SCRs und verbesserte Emissionen für zugehörige Fahrzeuge. Das hierin beschriebene Abgasbehandlungssystem kann in verschiedene ICE-Systeme implementiert werden, die Dieselmotorsysteme, Benzin-Direkteinspritzsysteme und homogene Ladungs-Selbstzündermotorsysteme einschließen können, aber nicht darauf beschränkt sind. Die ICEs werden hierin zur Verwendung bei der Erzeugung von Drehmoment für Fahrzeuge beschrieben, doch liegen andere Nicht-Fahrzeuganwendungen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung. Wenn daher auf ein Fahrzeug Bezug genommen wird, sollte diese Offenbarung dahingehend ausgelegt werden, dass sie für jede Anwendung eines ICE gilt. Darüber hinaus werden Abgasbehandlungssysteme in Kombination mit einer optionalen ICE, nur zum Zwecke der Veranschaulichung, beschrieben und die Offenbarung hierin ist nicht auf die von ICEs bereitgestellte Gasquellen zu beschränken. Es sollte darüber hinaus verstanden werden, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen für die Behandlung von Abgasströmen einschließlich Stickstoffoxiden (NOx) oder andere chemische Spezies, die wünschenswert durch SCRs reduziert werden, anwendbar sein können.
1 veranschaulicht ein Abgasbehandlungssystem 100 mit einer SCR 20, die dazu konfiguriert ist, um Abgas 8 über Abgasleitung 9 und Reduktionsmittel 36 über Einspritzdüse 30 aufzunehmen. System 100 beinhaltet darüber hinaus eine Heizung 40, die zugehörig ist zu und/oder in SCR 20 integriert ist. Abgas 8 ist beispielsweise mit ICE 1 erzeugbar und verbunden. System 100 kann darüber hinaus wahlweise eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC) 10 enthalten, die dazu konfiguriert ist, Abgas 8 aufzunehmen. OC 10 ist in einer stromaufwärtigen Position im Verhältnis zur SCR dargestellt, jedoch andere Konfigurationen sind praktikabel und liegen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung. Wie hierin verwendet, kann „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ in Bezug auf die Richtung des Abgasstroms 8 von LCE1 definiert sein; dementsprechend bedeutet eine stromaufwärts gelegene Komponente im Verhältnis zu einer stromabwärts gelegenen Komponente im Allgemeinen, dass sie in Bezug auf ICE 1 näher ist, oder dass das Abgas 8 an der stromaufwärts gelegenen Komponente früher ankommt als an der stromabwärts gelegenen Komponente.
ICE 1 kann einen oder mehrere Zylinder (nicht dargestellt) beinhalten, die jeweils einen Kolben (nicht dargestellt) aufnehmen können, der sich darin hin- und herbewegen kann. Luft und Kraftstoff werden in einem oder mehreren Zylindern verbrannt, wodurch die zugehörigen Kolben darin hin- und herbewegt werden. Die Kolben können an einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) befestigt werden, die funktionsfähig an einem Fahrzeugantriebsstrang (nicht dargestellt) befestigt ist, um zum Beispiel ein Vortriebsmoment zu liefern. ICE 1 kann jede Motorkonfiguration oder -anwendung umfassen, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. in Automobilen, Wasserfahrzeugen und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen).
Abgas 8 kann im Allgemeinen Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Wasser, NOx Spezies und optional Oxide des Schwefels (SOx) enthalten. Die Bestandteile des Abgases, wie sie hierin verwendet werden, sind nicht auf gasförmige Arten beschränkt. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NOx“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NOx-Spezies können NyOx-Spezies beinhalten, worin y>0 und x>0. Nicht beschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO2, N2O, N2O2, N2O3, N2O4 und N2O5 beinhalten. HC bezieht sich auf brennbare chemische Spezies, die Wasserstoff und Kohlenstoff beinhalten, und beinhaltet im Allgemeinen eine oder mehrere chemische Spezies von Benzin, Dieselkraftstoff oder dergleichen.
System 100 kann weiterhin ein Steuermodul 50 enthalten, das funktionell verbunden ist, um ICE 1, OC 10, SCR 20, Einspritzdüse 30, Heizung 40 und Kombinationen daraus zu überwachen und/oder zu steuern. Der hier verwendete Begriff „Modul“ bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppenprozessor) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, die die beschriebene Funktionalität bieten. Das Modul 50 kann beispielsweise die selektive Verwendung der Heizung 40 steuern.
Generell beinhaltet SCR 20 alle Geräte, die ein Reduktionsmittel 36 und einen Katalysator nutzen, um NOx Spezies zu den gewünschten chemischen Spezies zu reduzieren, einschließlich beispielsweise zweiatomigen Stickstoff, stickstoffhaltige inerte Spezies oder Spezies, welche als annehmbare Emissionen betrachtet werden. Das Reduktionsmittel 36 kann Ammoniak (NH3) sein, wie z. B. wasserfreies Ammoniak oder wässriges Ammoniak, oder aus einer Stickstoff- und wasserstoffreichen Substanz, wie Harnstoff (CO(NH2)2), erzeugt werden, die zu NH3 zersetzt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann das Reduktionsmittel 36 jede Zusammensetzung sein, die in der Lage ist, sich bei Vorhandensein von Abgas 8 und/oder Wärme zu zersetzen oder zu reagieren, um Ammoniak auszubilden. Das Reduktionsmittel 36 kann in verschiedenen Implementierungen mit Wasser verdünnt werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 36 mit Wasser verdünnt wird, verdampft die Wärme (z. B. aus dem Abgas) das Wasser, und Ammoniak wird der SCR 20 zugeführt. Nicht-Ammoniak-Reduktionsmittel können, wie gewünscht, als vollständige oder teilweise Alternative zu Ammoniak verwendet werden. Bei Implementierungen, bei denen das Reduktionsmittel 36 Harnstoff enthält, reagiert der Harnstoff mit dem Abgas, um Ammoniak zu erzeugen, und Ammoniak wird der SCR 20 zugeführt. Die nachfolgende Gleichung (1) unten stellt eine exemplarische chemische Reaktion der Ammoniakproduktion durch Harnstoffzersetzung bereit. CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2 (1)
Es versteht sich, dass die Gleichung (1) lediglich veranschaulichend, und nicht dazu gedacht ist, die Zersetzung von Harnstoff oder eines anderen Reduktionsmittels 36 auf einen bestimmten einzigen Mechanismus zu beschränken und den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Eine effiziente Zersetzung von Harnstoff zu NH3 erfordert typischerweise Temperaturen über etwa 200 xxC, und, je nach Menge des eingespritzten Harnstoffs, beispielsweise relativ zu einer Strömungsrate von Abgas 8, kann Harnstoff bei Temperaturen unter etwa 200 xxC kristallisieren. Dementsprechend werden Reduktionsmittel-Einspritzvorgänge 36 und/oder die Dosiermengen typischerweise, unter anderem basierend auf der Systemtemperatur und der Abgas 8 Strömungsgeschwindigkeit, festgelegt, sodass der Ertrag der Harnstoff-Zersetzung maximiert und die Harnstoff-Kristallisation minimiert wird.
Die Gleichungen (2) - (6) liefern exemplarische chemische Reaktionen für die NOx-Reduktion mit Ammoniak. 6NO+4NH3→5N2+6H2O (2) 4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O (3) 6NO2+8NH3→7N2+12H2O (4) 2N02+4NH3+O2→3N2+6H2O (5) NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O (6)
Es versteht sich, dass die Gleichungen (2) - (6) lediglich veranschaulichend sind und nicht dazu gedacht sind, die SCR 20 auf einen bestimmten NOx-Reduktionsmechanismus oder NOx-Reduktionsmechanismen zu begrenzen, noch den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Die SCR 20 kann so konfiguriert sein, dass sie eine der oben genannten NOx-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden NOx-Reduktionsreaktionen und andere NOx-Reduktionsreaktionen ausführt.
Wie in 1 dargestellt beinhaltet SCR 20 eine katalytische Zusammensetzung (CC) 22, die in einer Schale oder einem Kanister verpackt ist, die im Allgemeinen eine stromaufwärtige Seite 20' (d. h., Einlass) und eine stromabwärtige Seite 20" (d. h., Auslass) definieren und in Fluidverbindung mit Abgasleitung 9 und gegebenenfalls anderen Abgasbehandlungseinrichtungen (z. B. OC 10) stehen. Die Schale oder der Behälter können idealerweise aus einem gegenüber den Abgasbestandteilen weitgehend inerten Werkstoff, wie z. B. Edelstahl, bestehen. SCR 20 ist dazu konfiguriert, um Abgas 8 und Reduktionsmittel 36 an der stromaufwärtigen Seite 20' aufzunehmen. Ein Reduktionsmittel 36 kann von einer Reduktionsmittel-Zufuhrquelle (nicht dargestellt) zugeführt und in die Abgasleitung 9 an einer Stelle stromaufwärts der SCR 20 unter Verwendung einer Einspritzdüse 30 oder eines anderen geeigneten Verfahrens zur Zufuhr des Reduktionsmittels eingespritzt werden. Das Reduktionsmittel 36 kann in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer wässrigen Lösung, wie einer wässrigen Harnstofflösung, vorliegen. Das Reduktionsmittel 36 kann mit Luft in der Einspritzdüse 30 gemischt werden, um die Dispersion des eingespritzten Sprays zu unterstützen. Ein Turbulator 38 (d. h. ein Mischer) kann auch innerhalb der Abgasleitung 9 in unmittelbarer Nähe der Einspritzdüse 30 und /oder der SCR 20 angeordnet sein, um das gründliche Mischen des Reduktionsmittels 36 mit dem Abgas 8 und/oder die gleichmäßige Verteilung über die gesamte SCR 20 und insbesondere über die CC 22 weiter zu unterstützen. Der Turbulator 38 kann aus einem festen oder beweglichen Gehäuse bestehen, das dazu konfiguriert ist, das Reduktionsmittel 36 innerhalb der Leitung 9 zu vermischen, zu verdampfen und/oder anderweitig eine Verbindung herzustellen. So kann beispielsweise der Turbulator 38 einen Drehkörper mit einer oder einer Vielzahl von Leitschaufeln umfassen. Der Turbulator 38 kann aus Metall oder elektrisch leitendem Material bestehen.
Die CC 22 kann ein poröses Material mit großer Oberfläche sein, das effizient arbeiten kann, um NOx-Bestandteile im Abgas 8 bei Vorhandensein eines Reduktionsmittels 36, wie Ammoniak, umzuwandeln. So kann beispielsweise die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith und eine oder mehrere Basismetallkomponenten, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Kupfer (Cu) oder Vanadium (V), Natrium (Na), Barium (Ba), Titan (Ti), Wolfram (W) und Kombinationen davon, enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Katalysatorzusammensetzung einen Zeolith enthalten, der mit einem oder mehreren von Kupfer, Eisen oder Vanadium imprägniert ist. In einigen Ausführungsformen kann der Zeolith ein β-Zeolith, ein Y-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine beliebige andere kristalline Zeolithstruktur, wie ein Chabazit oder ein USY (ultrastabiler Y-Typ)-Zeolith, sein. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Geeignete CC 22 können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit Partikelfilter (PF)-Vorrichtungen verwendet werden oder wenn sie in die selektiven katalytischen Reduktionsfilter-Vorrichtungen (SCRF) integriert werden, die mithilfe von Hochtemperatur-Rußverbrennungsverfahren regeneriert werden. CC 22 kann optional auch ein oder mehrere basische Metalloxide als Promotoren umfassen, um die SO3-Bildung weiter zu verringern und die Laufzeit des Katalysators zu verlängern. Die einen oder mehreren basischen Metalloxide können in einigen Ausführungsformen WO3, Al2O3 und MoO3 beinhalten. In einer Ausführungsform kann WO3, Al2O3 und MoO3 in Kombination mit V2O5 verwendet werden.
SCR 20 kann eine Anspringtemperatur haben, oberhalb derer CC 22 die gewünschte oder geeignete katalytische Aktivität oder den erwünschten Ertrag aufweist (z. B. Reduktion von NOx Spezies). Die Anspringtemperatur kann, unter anderem, abhängig von der Art der katalytischen Materialien sein, aus denen CC 22 besteht, und von der Menge der katalytischen Materialien in SCR 20. So kann beispielsweise eine CC 22 mit V2O5 eine Anspringtemperatur von etwa 300 xxC haben. In einem anderen Beispiel kann eine CC 22 mit Fe-imprägniertem Zeolith eine Anspringtemperatur von etwa 350 xxC haben. In einem anderen Beispiel kann eine CC 22 mit Cu-imprägniertem Zeolith eine Anspringtemperatur von etwa 150 xxC haben. Wenn SCR 20 bei einer Temperatur unterhalb ihrer Anspringtemperatur arbeitet, können ein unerwünschter NOx-Durchbruch und NH3-Schlupf auftreten, worin NOx und/oder NH3 durch SCR 20 in nicht umgesetzter oder nicht gespeicherter Form laufen. NOx-Durchbruch und NH3-Schlupf können unmittelbar nach dem Motorstart und bei kalten Bedingungen besonders problematisch sein. NOx-Durchbruch kann beispielsweise auch durch Magerverbrennungsstrategien verstärkt werden, die üblicherweise in Dieselmotoren implementiert sind. Magerverbrennungsstrategien koordinieren die Verbrennung bei höheren als stöchiometrischen Luft-zu-Kraftstoff-Massenverhältnissen, um die Kraftstoffeinsparung zu verbessern, und erzeugen heißes Abgas mit einem relativ hohen Gehalt an O2- und NOx-Spezies. Der hohe O2-Gehalt kann die Reduktion von NOx-Spezies in einigen Szenarien weiter hemmen oder verhindern.
CC 22 kann auf einem Substratkörper angeordnet sein, wie einem Metall oder keramischen Backstein, einer Platte oder monolithischen Wabenstruktur. CC 22 kann beispielsweise auf dem Substratkörper als Washcoat abgelagert werden. Eine monolithische Wabenstruktur kann mehrere Hundert bis mehrere Tausend parallele Durchflusszellen pro Quadratzoll enthalten, obwohl auch andere Konfigurationen geeignet sind. Jede der Durchflusszellen kann durch eine Wandoberfläche definiert sein, auf der die CC 22 per Washcoat-Verfahren aufgetragen werden kann. Der Substratkörper kann aus einem Material ausgebildet sein, das den Temperaturen und der chemischen Umgebung, die mit dem Abgas 8 verbunden ist, standhalten kann. Einige spezifische Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, beinhalten Keramik, wie extrudiertes Cordierit, α-Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Zirkonoxid, Mullit, Spodumen, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Magnesiumoxid, Zirkoniumsilikat, Sillimanit, Petalit, oder ein hitze- und korrosionsbeständiges Metall, wie Titan oder Edelstahl. Das Substrat kann zum Beispiel ein nichtsulfatierendes TiO2 Material umfassen. Der Substratkörper kann umfassen, zusammenhängend ausgebildet sein mit oder nahe der Heizung 40 liegen, wie es nachfolgend beschrieben ist. Ein Beispiel einer Abgasbehandlungsvorrichtung ist eine SCRF, die die katalytischen Aspekte des SCRs, zusätzlich zu den Schwebstofffilterungs-Eigenschaften, bereitstellt. Im Allgemeinen umfasst eine SCRF eine auf ein Filtersubstrat angewendete CC 22, wie einen Keramik- oder SiC-Wandströmungs-Monolithfilter, gewickelte oder gepackte Faserfilter, offenzellige Schäume, gesinterte Metallfasern usw. In einigen Ausführungsformen kann das SCRF-Filtersubstrat umfassen, zusammenhängend ausgebildet sein mit oder nahe der Heizung 40 liegen, wie es nachfolgend beschrieben ist.
Optional ist OC 10 eine Durchflussvorrichtung, die eine katalytische Zusammensetzung (CC) 12 umfasst und dazu konfiguriert ist, Abgas 8 aufzunehmen. OC 10 wird im Allgemeinen verwendet, um verschiedene Abgasspezies 8 zu oxidieren, einschließlich HC, CO und NOx Spezies. CC 12 kann in einem Gehäuse, wie beispielsweise einem Metallgehäuse mit einer Einlassöffnung (d. h. stromaufwärts) und einer Auslassöffnung (d. h. stromabwärts), untergebracht oder anderweitig so konfiguriert sein, dass sie eine strukturelle Unterstützung bietet und den Durchfluss von Fluid (z. B. Abgas) durch OC 10 erleichtert. Das Gehäuse kann idealerweise aus einem gegenüber den Abgasbestandteilen, wie beispielsweise Edelstahl, weitgehend inerten Material bestehen und kann jede geeignete Form oder Größe einschließlich eines zylindrisch geformten Fachs aufweisen. Das Fach kann weiterhin Befestigungselemente beinhalten, wie ein zylindrisches Einlassrohr in der Nähe einer Einlassöffnung und ein zylindrisches Auslassrohr in der Nähe einer Auslassöffnung des Fachs für die Flüssigkeitskupplung von OC 10 an die Abgasleitung 9 und/oder eine andere Komponente des Abgasbehandlungssystems 100. Es ist zu beachten, dass OC 10, einschließlich des Gehäuses, eine oder mehrere zusätzliche Komponenten zur Erleichterung des Betriebs des OC 10 oder des Abgasbehandlungssystems 100 beinhalten kann, einschließlich, aber nicht beschränkt darauf, verschiedene Sensoren.
CC 12 kann viele verschiedene katalytisch aktive Materialien und deren physikalischen Konfigurationen umfassen und optional ein Substrat, wie beispielsweise eine poröse Keramikmatrix oder dergleichen, umfassen. Katalytisch aktive Materialien können Metallkatalysatoren der Platingruppe, Metalloxidkatalysatoren und Kombinationen daraus umfassen. Geeignete Platingruppenmetalle können Pt, Pd, Rh, Ru, Os oder Ir oder Kombinationen daraus, einschließlich Legierungen daraus, beinhalten. In einer Ausführungsform sind Pt, Pd und Kombinationen davon, einschließlich Legierungen davon, geeignet. Ein geeigneter Metalloxidkatalysator kann beispielsweise Eisenoxide, Zinkoxide, Aluminiumoxide, Perovksite und Kombinationen daraus beinhalten. In einer Ausführungsform kann CC 12 aus Pt und Al2O3 bestehen. In vielen Ausführungsformen umfasst CC 12 Zeolith, der mit einer oder mehreren katalytisch aktiven Basismetallkomponenten imprägniert ist. Der Zeolith kann ein β-Zeolith, ein Y-Zeolith, ein ZM5-Zeolith oder eine beliebige andere kristalline Zeolithstruktur, wie beispielsweise ein Chabazit oder ein USY (ultrastabiler Y-Typ)-Zeolith, umfassen. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith Chabazit. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Zeolith SSZ. Es ist zu verstehen, dass die CC 12 nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt ist und jede katalytisch aktive Vorrichtung beinhalten kann, die in der Lage ist, HC-, CO- und NOx-Spezies zu oxidieren.
OC 10 kann NOx Spezies im Abgas 8 speichern und/oder oxidieren, die, beispielsweise, während der Verbrennung des Kraftstoffs gebildet werden. In manchen Ausführungsformen kann beispielsweise OC 10 verwendet werden, um NO in NO2 umzuwandeln, um das Abgas NO: NO2-Verhältnis für stromabwärts gelegene SCRs und/oder SCRFs, die im Allgemeinen mit Abgasströmen mit einem NO:NO2-Verhältnis von etwa 1:1 effizienter arbeiten, zu optimieren. Dementsprechend ist OC 10 in vielen Ausführungsformen stromaufwärts von optionalen SCRs und SCRF-Vorrichtungen angeordnet. OC 10 kann eine Anspringtemperatur haben, oberhalb derer CC 12 die gewünschte oder geeignete katalytische Aktivität im Verhältnis zur Oxidation von NOx Spezies aufweist. Eine Anspringtemperatur der OC 10 NOx-Oxidation kann auch der Temperatur entsprechen, bei welcher NOx Spezies durch CC 12 freigegeben werden. Die Anspringtemperatur kann, unter anderem, abhängig von der Art der katalytischen Materialien sein, aus denen CC 12 besteht, und von der Menge der katalytischen Materialien in OC 10. Im Allgemeinen kann CC 12 eine Anspringtemperatur der NOx-Oxidation von etwa 150 xxC bis etwa 200 xxC haben. So erreichen beispielsweise einige CCs 12 50 % Umsetzung von NO Spezies bei etwa 230 xxC. Wenn OC 10 bei einer Temperatur unterhalb seiner NOx-Oxidation Anspringtemperatur arbeitet, wird das NO2: NOx Kraftstoff-Verhältnis des Abgases 8, das von OC 10 zu einer stromabwärtigen SCR 20 übertragen wird, nicht optimiert.
OC 10 kann zusätzlich oder alternativ HC speichern und/oder die Oxidation (z. B. Verbrennung) von HC- und CO-Spezies im Abgas katalysieren. Die Verbrennung beinhaltet im Allgemeinen die Oxidation von HC- und/oder CO-Spezies bei Vorhandensein von Sauerstoff, um Wärme, Wasser und CO2 zu erzeugen. In einigen Fällen kann HC und/oder CO im Abgas 8 als Folge einer unerwünschten unvollständigen Verbrennung von beispielsweise Kraftstoff 6 vorhanden sein. In anderen Fällen kann HC im Abgas 8 vorhanden sein, um verschiedene Steuerungsstrategien nach ICE 1 und/oder System 100 umzusetzen. So kann beispielsweise bei einer exothermen Oxidation von HC OC 10 verwendet werden, um HC zu oxidieren, um Wärme für System 100 bereitzustellen und eine oder mehrere Abgasbehandlungseinrichtungen dabei zu unterstützen, die Anspringtemperatur zu erreichen. OC 10 kann zusätzlich oder alternativ verwendet werden, um HC für Nacheinspritzung und für Hilfseinspritzungs-Regenerationsstrategien zu oxidieren. Nacheinspritzstrategien, wie sie beispielsweise für die Regeneration von PFs und/oder Katalysatoren verwendet werden, manipulieren die Motorkalibrierungen so, dass der in die Motorzylinder eingespritzte Kraftstoff 6 zumindest teilweise unverbrannt in das Abgassystem 100 ausgestoßen wird. Wenn der nacheingespritzte Kraftstoff 6 in Verbindung mit OC 10 kommt, wird Wärme, die während der Oxidation des Kraftstoffs 6 freigesetzt wird, dem Abgasbehandlungssystem zugeführt und kann bei der Regenerierung verschiedener Behandlungsvorrichtungen, wie beispielsweise Partikelfilter PFs und SCRFs, helfen. Ebenso spritzen Hilfseinspritzstrategien, wie sie für die Regeneration von PFs und/oder Katalysatoren verwendet werden, Kraftstoff in das System 100 stromabwärts von ICE 1 ein, um den Kraftstoff mit OC 10 in Verbindung zu bringen.
OC 10 kann eine Anspringtemperatur haben, oberhalb derer CC 12 die gewünschte oder geeignete katalytische Aktivität im Verhältnis zur Oxidation von CO- und/oder HC-Spezies aufweist. Eine OC 10 CO- und/oder HC-Anspringtemperatur kann auch der Temperatur entsprechen, bei welcher CO- und/oder HC-Spezies durch CC 12 freigegeben werden. Die Anspringtemperatur kann, unter anderem, abhängig von der Art der katalytischen Materialien sein, aus denen CC 12 besteht, und von der Menge der katalytischen Materialien in OC 10. Im Allgemeinen kann CC 12 eine CO-Oxidation-Anspringtemperatur von etwa 150 xxC bis etwa 175 xxC haben. So erreichen beispielsweise einige CCs 12 50 % Umsetzung von NOx-Spezies bei etwa 200 xxC. Im Allgemeinen kann CC 12 eine HC-Oxidation-Anspringtemperatur von etwa 175 xxC bis etwa 250 xxC haben. So erreichen beispielsweise einige CCs 12 50 % Umsetzung von NOx-Spezies bei etwa 275 xxC. Wenn OC 10 bei einer Temperatur unterhalb seiner CO- und/oder HC-Oxidation-Anspringtemperatur arbeitet, kann unerwünschter CO- und/oder HC-Durchbruch auftreten.
Abgasbehandlungssysteme können weiterhin Heizeinrichtungen, wie elektrische Heizungen, beinhalten, um beispielsweise eine oder mehrere Abgasbehandlungseinrichtungen (z. B. OC, SCR) zu unterstützen, die Anspringtemperaturen zu erreichen und/oder aufrechtzuerhalten. Heizungen werden üblicherweise stromaufwärts oder integriert in OCs eingesetzt, aber das Erwärmen eines OC stromaufwärts von einer SCR kann in OC gespeichertes NOx desorbieren, bevor die SCR ihre NOx-Anspringtemperatur erreicht, und es kann zu einem NOx-Durchbruch kommen. Darüber hinaus kann Reduktionsmittel korrosiv auf die Heizeinrichtungen wirken. Es werden hierin Heizeinrichtungen 40 und darin integrierte Abgasbehandlungssysteme 100 bereitgestellt, die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Reduktionsmittel 36 aufweisen, und stromabwärts von den Reduktionsmittels-Einspritzdüsen 30 in einer Reihe verschiedener Stellen angeordnet sein können, die wirksam sein können, SCR 20 und/oder das Reduktionsmittel 36 zu erwärmen. Die Heizungen 40 können gesteuert werden, um eine gewünschte Temperatur für die Spaltung des Reduktionsmittels 36 zu erreichen. Zusätzlich oder alternativ kann Heizung 40 gesteuert werden, um eine gewünschte Temperatur für den Betrieb (z. B. für die Reduktion der NOx Spezies) der CC 22 bereitzustellen. Die gewünschte CC 22 Temperatur kann in einem Temperaturbereich liegen, in dem die Leistung der CC 22 optimal ist, oder in einem Temperaturbereich, in dem die Reduktion von NOx über einem gewünschten Pegel liegt. Die gewünschten Temperaturen können zum Beispiel von der Art und Menge des katalytischen Materials innerhalb SCR 20 abhängen. Solche Heizeinrichtungen unterstützen SCRs, die Anspringtemperaturen schneller zu erreichen und die NOx-Konversion früher in einem ICE-Arbeitsfenster, beispielsweise nach einem Kaltstart, zu erhöhen. Darüber hinaus unterstützen die Heizeinrichtungen 40 im Reduktionsmittel 36 das Erwärmen und Zersetzen, sie ermöglichen beispielsweise früher die Einspritzung des Reduktionsmittel 36 in einen ICE 1-Betriebszyklus und beseitigen oder reduzieren die Kristallisation des Reduktionsmittels 36.
Heizgerät 40 kann wahlweise aktiviert und deaktiviert werden. Heizgerät 40 kann operativ verbunden und von Modul 50 gesteuert werden. Heizgerät 40 kann gesteuert werden, um beispielsweise eine Thermomanagement-Steuerroutine des ICE 1 zu implementieren. Das Modul 50 kann auch die Heizung 40 steuern, um das ICE 1 Wärmemanagement der CC 22 Temperatur zu ergänzen, wodurch der Motorverschleiß reduziert wird. Die Heizung 40 kann in verschiedenen Spannungsbereichen betrieben werden, beispielsweise zwischen 12 Volt bis etwa 48 Volt und über einen Leistungsbereich von beispielsweise etwa 1 bis etwa 10 Kilowatt. Fachleute werden verstehen, dass andere Betriebsspannungen und -Leistungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung liegen. Das Heizgerät kann eine Temperatur von etwa 200 xxC bis etwa 1000 xxC erreichen.
Im Allgemeinen umfasst die Heizung 40 ein Heizelement 42 über das ein elektrischer Strom geleitet wird, um Wärme zu erzeugen (z. B. über ohmsche Wärme und/oder über Induktionsheizung). 1 zeigt eine Heizung 40 stromabwärts von Einspritzdüse 30. Das Heizgerät 40 besteht aus einem korrosionsbeständigen Metall (CRM) wie nachfolgend beschrieben, sodass Korrosion durch Reduktionsmittel 36 verhindert oder minimiert wird. Heizgerät 40 kann stromabwärts von Einspritzdüse 30 und stromaufwärts vom stromabwärtigen Ende 20" von SCR 20 angebracht sein. Heizgerät 40 kann angrenzend an CC 22 angeordnet sein. Heizgerät 40 kann nahe der stromaufwärtigen Seite des CC 22 positioniert werden. Heizgerät 40 umfasst eine äußere Oberfläche in Fluidverbindung mit SCR 20 und/oder Abgasleitung 9 nahe der Einspritzdüse 30 und/oder SCR 20. Die Außenfläche von Heizgerät 40 beinhaltet ein CRM
2 veranschaulicht eine Schnittzeichnung einer Ausführungsform von Heizgerät 40, umfassend ein Heizelement 42. Kalte Stifte 44 und 45 übertragen Strom über Heizelement 42 von einer Energiequelle (nicht dargestellt), um Wärme zu erzeugen. Bei einer solchen Ausführungsform kann Heizelement 42 die Außenfläche des Heizgeräts 40 und damit ein CRM umfassen. In einigen Ausführungsformen besteht Heizelement 42 hauptsächlich aus einem CRM. Optional kann Heizelement 42 in Hülse 48 eingesetzt sein, in der das Heizelement 42 von der äußeren Umgebung isoliert werden kann. Insbesondere ist Hülse 48 in der Lage, das Heizelement 42 vor Abgas 8 und Reduktionsmittel 36 zu isolieren. Bei solchen Ausführungsformen kann Hülse 48 die Außenfläche und damit ein CRM umfassen. Heizelement 42 kann dann jedes geeignete elektrisch leitfähige Material umfassen und muss nicht zwangsläufig ein CRM enthalten. In einigen Ausführungsformen besteht Hülse 48 im Wesentlichen aus einem CRM. Heizgerät 40 kann optional Dichtung 46 in Verbindung mit Hülse 48 beinhalten, worin Dichtung 46 Wärme zwischen Heizelement 42 und Hülse 48 übertragen kann. Dichtung 46 kann beispielsweise fest oder porös sein. Dichtung 46 kann in einigen Ausführungsformen aus Magnesiumoxid bestehen.
Heizgerät 40 kann ein eigenständiges Element sein oder in ein oder mehrere Aspekte des SCR 20 oder Systems 100 integriert werden. So kann beispielsweise SCR 20 in einigen Ausführungsformen ein metallisches Substrat umfassen, auf dem CC 22 abgelagert wird (z. B. in einem Washcoat-Verfahren). Bei einer solchen Ausführungsform kann Heizelement 42 oder optional die Hülse 48, das Metallsubstrat umfassen oder in elektrischer Verbindung damit stehen. Bei solchen Ausführungsformen kann Heizung 40 zu einer stromaufwärtigen Seite von CC 22 vorgespannt sein. In einigen Ausführungsformen kann Heizelement 42, oder optional die Hülse 48, einen Turbulator 38 umfassen oder in elektrischer Verbindung damit stehen. Heizelement 42 kann jede geeignete Form oder Ausrichtung haben, um Wärme auf ein oder mehrere Abgas 8 und Reduktionsmittel 36 zu übertragen, solange eine geeignete Strömung des gleichen dahinter ermöglicht wird. So kann beispielsweise Heizelement 42 aus einer Metallfolie, Draht oder Platte bestehen. Heizelement 42 kann in einigen Ausführungsformen eine Drahtwicklung umfassen. 3 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht der SCR 20 gepaart mit der Heizung 40. Heizelement 42 ist gespult, um eine kreisförmige Querschnittsform zu bilden, die im Allgemeinen einer Innenkontur von SCR 20 entspricht. Wie gezeigt, ist Heizelement 42 stromaufwärts von CC 22 positioniert.
Die CRMs der vorliegenden Offenbarung sind konzipiert, um Korrosionsbeständigkeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, bereitzustellen. Im Allgemeinen werden die hierin beschriebenen CRMs als Prozentsatz (nach Gewicht) von einem oder mehreren Legierungselementen oder -verbindungen definiert (z. B. Kohlenstoff, Steadit, Silizium usw.), wobei der Rest des CRM Eisen (Fe), im Wesentlichen Fe umfasst oder hauptsächlich aus Fe besteht. In einigen Ausführungsformen beinhalten die offenbarten Legierungselemente oder -verbindungen ein normales Maß an Verunreinigungen nach Industriestandard (z. B. 99,9 % Reinheit).
Die hierin vorgesehenen CRMs umfassen Fe, Aluminium (Al), Chrom (Cr) und optional ein oder mehrere Legierungselemente oder -verbindungen. Ein CRM kann Fe mit einer oder mehreren Mikrostrukturen beinhalten, einschließlich Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit. In einigen Ausführungsformen umfassen die CRM Mikrostrukturen im Wesentlichen Ferrit. In einigen Ausführungsformen umfassen die CRM Mikrostrukturen hauptsächlich Ferrit. In einigen Ausführungsformen können die CRMs bis zu etwa 20 %, bis zu etwa 22,5 %, bis zu etwa 25 % oder bis zu etwa 27,5 % Cr umfassen. In einigen Ausführungsformen können die CRMs etwa 15 % bis zu etwa 25 %, etwa 18 % bis etwa 23 % oder etwa 19 % bis etwa 22 % Cr umfassen. In einigen Ausführungsformen kann Cr in seiner elementaren Form vorhanden sein. Zusätzlich oder alternativ kann Cr als Verbindung vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen können die CRMs bis zu etwa 6,5 %, bis zu etwa 7,0 % oder bis zu etwa 7,5 % Al umfassen. In einigen Ausführungsformen können die CRMs etwa 5,0 % bis zu etwa 7,25 %, etwa 5,25 % bis etwa 7,0 % oder etwa 5,5 % bis etwa 6,75 % Al umfassen. In einigen Ausführungsformen kann Al in seiner elementaren Form vorhanden sein. Zusätzlich oder alternativ kann Al als Verbindung vorhanden sein. Al-Verbindungen können unter anderem Aluminiumnitride, wie AlN, Al2O3, Al3P, Al3Ti und AlFeSi beinhalten. Al im CRM kann darüber hinaus oxidieren und eine oberflächliche Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche des CRM bilden, die Korrosionsbeständigkeit bereitstellt. Die Aluminiumoxidschicht kann AL2O3 umfassen.
Die CRMs können darüber hinaus optional einen oder mehrere Stabilisatoren zur Stabilisierung der Aluminiumoxidschicht enthalten und eine verbesserte Haftung am CRM bereitstellen. Die Stabilisatoren können aus einem oder mehreren Periode 6-Elementen bestehen. Die Periode 6-Elemente beinhalten Barium (Ba), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er) Terbiumfluorid (Tm), Ytterbium (Yb), Lutetium (Lu), Hafnium (Hf), Tantal (Ta), Wolfram (W), Rhenium (Re), Osmium (Os) und Iridium (Ir). Die Stabilisatoren können aus einem oder mehreren Elementen der Gruppen 3 und 4 des Periodensystems bestehen. Elemente der Gruppen 3 und 4 des Periodensystems können Scandium (Sc), Titan (Ti), Yttrium (Y), Zirkonium (Zr), Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu und Hf einschließen. In einigen Ausführungsformen können Stabilisatoren einen oder mehrere Y, Zr und Hf enthalten. CRMs können aus bis zu etwa 0,2 %, bis zu etwa 0,25 % oder bis zu etwa 0,30 % Stabilisatoren bestehen. In einer Ausführungsform kann ein CRM aus bis zu etwa 0,27 % oder bis zu etwa 0,28 % Stabilisatoren bestehen, worin die Stabilisatoren Zr, Y und Hf umfassen. In einer Ausführungsform bestehen die Stabilisatoren aus Y und Hf. In einer Ausführungsform bestehen die Stabilisatoren hauptsächlich aus Y und Hf. In einer Ausführungsform bestehen die Stabilisatoren aus Zr, Y und Hf. In einer Ausführungsform bestehen die Stabilisatoren hauptsächlich aus Zr, Y und Hf.
Ein CRM kann aus bis zu etwa 0,675 %, bis zu etwa 0,7 % oder bis zu etwa 0,725 % Zr bestehen. Ein CRM kann aus etwa 0,001 % bis etwa 0,675 %, etwa 0,001 % bis etwa 0,7 % oder ungefähr 0,001 % bis etwa 0,725 % Zr bestehen. Zr kann beispielsweise als Desoxidationsmittel dienen, die CRM-Festigkeit erhöhen und die Korngröße begrenzen. Zusätzlich oder alternativ kann ein CRM aus bis zu etwa 0,09 %, bis zu etwa 0,1 % oder bis zu etwa 0,11 % Y bestehen. Ein CRM kann aus etwa 0,001 % bis etwa 0,09 %, etwa 0,001 bis etwa 0,1 % oder etwa 0,001 % bis etwa 0,11 % Y bestehen. Zusätzlich oder alternativ kann ein CRM aus bis zu etwa 0,09 %, bis zu etwa 0,1 % oder bis zu etwa 0,11 % Hf bestehen. Ein CRM kann aus etwa 0,001 % bis etwa 0,09 %, etwa 0,001 % bis etwa 0,1 % oder etwa 0,001 % bis etwa 0,11 % Hf bestehen.
Ein CRM kann optional darüber hinaus Nickel (Ni) enthalten. Ni kann die CRM-Festigkeit, Schlagzähigkeit und Zähigkeit erhöhen und die Beständigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion verbessern. Ein CRM kann aus bis zu etwa 0,275 %, bis zu etwa 0,30 % oder bis zu etwa 0,325 % Ni bestehen. In einigen Ausführungsformen können die CRMs etwa 0,001 % bis zu etwa 0,275 %, etwa 0,001 % bis etwa 0,30 % oder etwa 0,001 % bis etwa 0,325 % Ni umfassen.
Ein CRM kann optional darüber hinaus Kohlenstoff (C) enthalten. C kann die CRM-Härte, -Festigkeit und -Verschleißfestigkeit erhöhen. Ein CRM kann bis zu etwa 0,04 %, bis zu etwa 0,05 %, bis zu etwa 0,075 % oder bis zu etwa 0,1 % C umfassen. In einigen Ausführungsformen können die CRMs aus etwa 0,001 % bis 0,05 %, etwa 0,001 % bis etwa 0,075 % oder etwa 0,001 % bis etwa 0,1 % C bestehen. Ein CRM kann optional darüber hinaus Stickstoff (N) enthalten, der Nitride in der CRM bilden kann. Ein CRM kann bis zu etwa 0,01 % oder bis zu etwa 0,02 % N enthalten. N kann einbezogen werden, um beispielsweise die Bildung von AlN und/oder TiN zu ermöglichen. N kann beispielsweise verwendet werden, um die Festigkeit zu verbessern. Ein CRM, das C und N umfasst, kann darüber hinaus Nb- und Ti-Stabilisatoren enthalten. Die Menge von Nb und Ti kann kollektiv größer sein als 0,20 % + 4 (C % + N %). In einigen Ausführungsformen ist Ti in seiner elementaren Form vorhanden. Zusätzlich oder alternativ kann Ti als Verbindung vorhanden sein. Ti-Verbindungen können unter anderem Titannitride, wie TiN, Al3Ti, TiC, Ti4C2S2 und Ti3O5, beinhalten.
In einigen Ausführungsformen umfassen die CRM optional darüber hinaus Schwefel. Ein CRM kann bis zu etwa 0,035 %, bis zu etwa 0,03 %, oder bis zu etwa 0,025 % S umfassen. In einigen Ausführungsformen können die CRMs aus etwa 0,0001 % bis etwa 0,035 %, etwa 0,0001 % bis etwa 0,03 % oder etwa 0,0001 % bis etwa 0,025 % S bestehen. In einigen Ausführungsformen kann S in seiner elementaren Form vorhanden sein. Zusätzlich oder alternativ ist S als Verbindung vorhanden. S-Verbindungen können unter anderem Mangansulfide (z. B. MnS und MnS2), Eisensulfide (z. B. FeS, FeS2, Fe2S3, Fe3S4 und Fe7S8) sowie H2S beinhalten. In einigen Ausführungsformen können Schwefelverbindungen zusätzlich oder alternativ Sulfide von Zink (Zn) umfassen.
In einigen Ausführungsformen können die CRM optional darüber hinaus Mangan (Mn) umfassen. Ein CRM kann aus bis zu etwa 0,45 %, bis zu etwa 0,5 % oder bis zu etwa 0,55 % Mn bestehen. In einigen Ausführungsformen können die CRMs etwa 0,001 % bis zu etwa 0,45 %, etwa 0,001 % bis etwa 0,5 % oder etwa 0,001 % bis etwa 0,55 % Mn umfassen. Mn kann als Desoxidationsmittel dienen. In einigen Ausführungsformen kann Mn in seiner elementaren Form vorhanden sein. Zusätzlich oder alternativ ist Mn als Verbindung vorhanden. CRMs, die Mn und S umfassen, können unter anderem Mangansulfid-Verbindungen, wie MnS und MnS2, enthalten.
In einigen Ausführungsformen können die CRM optional darüber hinaus Silizium (Si) umfassen. Ein CRM kann aus bis zu etwa 0,45 %, bis zu etwa 0,5 % oder bis zu etwa 0,55 % Si bestehen. In einigen Ausführungsformen können die CRMs etwa 0,001 % bis zu etwa 0,45 %, etwa 0,001 % bis etwa 0,5 % oder etwa 0,001 % bis etwa 0,55 % Si umfassen. Si kann als Desoxidationsmittel dienen. In einigen Ausführungsformen ist Si in seiner elementaren Form vorhanden. In einem Beispiel kann elementares Si in Ferrit gelöst sein, um die Festigkeit zu verbessern. Zusätzlich oder alternativ ist Silizium als Verbindung vorhanden.
In einigen Ausführungsformen kann die CRM optional darüber hinaus Phosphor (P) umfassen. Ein CRM kann bis zu etwa 0,05 %, bis zu etwa 0,045 %, oder bis zu etwa 0,04 % P umfassen. In einigen Ausführungsformen können die CRMs aus etwa 0,0001 % bis etwa 0,04 %, etwa 0,0001 % bis etwa 0,045 % oder etwa 0,0001 % bis etwa 0,05 % P bestehen. In einigen Ausführungsformen kann P in seiner elementaren Form vorhanden sein. Zusätzlich oder alternativ ist P als Verbindung vorhanden. P-Verbindungen können unter anderem Phosphide, wie Eisenphosphid PO2 und Al3P beinhalten. In einem Beispiel können P-Verbindungen innerhalb des CRM Steadit beinhalten.
Während exemplarische Ausführungsformen vorstehend beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Eine elektrisch beheizte selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), umfassend: Eine Schale mit einem Einlass und einem Auslass und konfiguriert, um Abgas und Reduktionsmittel über den Einlass aufzunehmen; eine Katalysatorzusammensetzung mit einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite; und eine elektrische Heizeinrichtung, die zwischen dem Schalen-Einlass und der stromabwärtigen Seite der Katalysatorzusammensetzung angeordnet ist, worin die elektrische Heizeinrichtung ein Heizelement und eine Außenfläche beinhaltet, und die Außenfläche mindestens teilweise innerhalb der Schale angeordnet ist und aus einem korrosionsbeständigen Metall (CRM) besteht, einschließlich Aluminium, Chrom, einem oder mehreren aus Hafnium, Yttrium und Zirkonium und einem eisenhaltigen Rest.
Verbrennungsmotor (ICE)-Abgasbehandlungssystem, beinhaltend einen ICE, der dazu konfiguriert ist, Abgas an einen Abgaskanal zu leiten; eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC), die konfiguriert ist, um Abgas von dem ICE über die Abgasleitung aufzunehmen; eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), die stromabwärts der OC angeordnet ist und in Fluidverbindung mit ihr über die Abgasleitung steht, und die eine Katalysatorzusammensetzung einschließt, die eine stromaufwärtige Seite und eine stromabwärtige Seite hat; eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse, die dazu konfiguriert ist, Harnstoff und/oder Zersetzungsprodukte davon in die Abgasleitung an einer stromaufwärtigen Stelle von der SCR-Katalysatorzusammensetzung und stromabwärts von der OC einzuspritzen; und eine elektrische Heizeinrichtung, die mindestens teilweise innerhalb der Abgasleitung zwischen der Reduktionsmittel-Einspritzdüse und der stromaufwärtigen Seite der SCR-Katalysatorzusammensetzung angeordnet ist, worin die Heizung ein Heizelement und eine Außenfläche beinhaltet, und die Außenfläche aus einem korrosionsbeständigen Metall (CRM) mit bis zu etwa 7,5 % Aluminium, bis zu ungefähr 27,5 % Chrom und einem eisenhaltigen Rest besteht.
Abgasbehandlungssystem, umfassend: eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), die eine katalytische Zusammensetzung innerhalb einer Strömung durch die Schale aufweist; eine Abgasleitung in Fluidverbindung mit dem Durchfluss durch die Schale; eine Reduktionsmittel-Einspritzdüse, die Reduktionsmittel in den Abgaskanal einspritzen kann, worin das Reduktionsmittel aus Harnstoff und/oder Zersetzungsprodukten daraus besteht; und eine elektrische Heizeinrichtung mit einer Außenfläche, die mindestens teilweise innerhalb der Abgasleitung und stromabwärts der Reduktionsmittel-Einspritzdüse liegt, worin die Außenfläche aus einem korrosionsbeständigen Metall (CRM) einschließlich etwa 5,0 % bis etwa 7,25 % Aluminium, etwa 15 % bis etwa 25 % Chrom, bis zu etwa 0,30 % Stabilisatoren besteht, worin der eine oder die mehreren Stabilisatoren aus Elementen bestehen, die ausgewählt sind aus Periode 6-Elementen und/oder Elementen der Gruppe 3 und 4 und einem eisenhaltigen Rest.
Die Vorrichtungen und Systeme nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das CRM etwa 5,25 % bis 7,0 % Aluminium, etwa 18 % bis etwa 23 % Chrom und bis zu etwa 0,30 % aus einem oder mehreren von Hafnium, Yttrium und Zirkonium beinhaltet.
Vorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das CRM eines oder mehrere von bis zu etwa 0,725 % Zirkonium, bis zu etwa 0,11 % Yttrium und bis zu etwa 0,11 % Hafnium enthält.
Vorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das CRM ferner eines oder mehrere von bis zu etwa 0,325 % Nickel, bis zu ungefähr 0,1 % Kohlenstoff, bis zu etwa 0,02 % Stickstoff, bis etwa 0,035 % Schwefel, bis zu etwa 0,55 % Mangan, bis zu etwa 0,55 % Silizium und bis zu etwa 0,05 % Phosphor enthält.
Die Vorrichtungen und Systeme nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das CRM ferner ungefähr 0,001 % bis etwa 0,725 % Zirkonium umfasst.
Vorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das CRM ferner einen oder mehrere Stabilisatoren, hauptsächlich bestehend aus Zirkon, Hafnium und Yttrium, umfasst.
Vorrichtungen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das CRM eine oberflächliche Aluminiumoxidschicht beinhaltet.
Vorrichtungen und Systeme nach einem der vorangegangenen Ansprüche, ferner umfassend einen Turbulator zwischen der Reduktionsmittel-Einspritzdüse und der SCR, worin die Außenfläche des Heizgeräts in Kontakt mit dem Turbulator ist oder mindestens einen Teil des Turbulators umfasst.