DE102018118035A1

DE102018118035A1 - Abgasnachbehandlungssysteme, die einen einzelnen elektrisch beheizten katalysator verwenden

Info

Publication number: DE102018118035A1
Application number: DE102018118035.7A
Authority: DE
Inventors: Charles Solbrig; Yong Miao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2019-01-31
Also published as: US10641147B2; CN109306888A; CN109306888B; US20190032533A1

Abstract

Abgassysteme beinhalten eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC), die in der Lage ist, Abgase zu erhalten und einen oder mehrere brennbare Kohlenwasserstoffe (HC) und eine oder mehrere Stickoxid (NOx)-Spezies, eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), die stromabwärts von und über eine Leitung in Fluidverbindung mit der OC angeordnet ist, und einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC), der zumindest teilweise innerhalb der Leitung stromabwärts von der OC und stromaufwärts von der SCR angeordnet ist, zu oxidieren. Der EHC umfasst ein Heizelement, das eine Außenfläche einschließlich eines oder mehrerer zweiter Oxidationskatalysatormaterialien aufweist, die in der Lage sind CO, HC und eine oder mehrere NOx-Spezies zu oxidieren. Die OC beinhaltet ein oder mehrere Speichermaterialien, die einzeln oder gemeinsam in der Lage sind, NOx- und/oder HC-Spezies zu speichern. Abgase können durch einen Verbrennungsmotor geliefert werden, der ein Fahrzeug wahlweise mit Strom versorgen kann.

Description

EINLEITUNG
Während eines Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (ICE - Internal Combustion Engine) werden Luft-/Kraftstoffgemische für Zylinder 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 Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, abgegeben wird, ist eine heterogene Mischung, die gasförmige Emissionen, wie Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffoxide (NO_x) und Schwefeloxide (SOx) sowie kondensierte Phasenmaterialien (Flüssigkeiten und Feststoffe), enthält, die Feststoffe darstellen. Flüssigkeiten können beispielsweise Wasser und Kohlenwasserstoffe beinhalten.
Abgasbehandlungssysteme können Katalysatoren in einer oder mehreren Komponenten einsetzen, die so konfiguriert sind, dass sie ein Nachbehandlungsverfahren, wie die Reduktion von NO_x, durchführen, um tolerierbarere Abgasbestandteile von Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) zu erzeugen. Eine Art von Abgastechnologie zur Reduktion von NO_x-Emissionen ist eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR-Vorrichtung), die im Allgemeinen ein Substrat oder einen Träger mit einer darauf angeordneten Katalysatorverbindung beinhaltet. Durch Leiten des Abgases über den Katalysator werden bestimmte oder alle Abgasbestandteile in gewünschte Verbindungen, wie z. B. nicht regulierte Abgaskomponenten, umgewandelt. Ein Reduktionsmittel wird typischerweise in heiße Abgase stromaufwärts des SCR gesprüht, in Ammoniak zersetzt und von der SCR-Vorrichtung absorbiert. Der Ammoniak reduziert dann NO_x 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: NO_x-Verhältnis des Abgases, um die NO_x-Reduktionseffizienz der nachgeschalteten SCR zu erhöhen. Das anfängliche Erhitzen (z. B. während des Kaltstarts des Fahrzeugs) von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen stellt nach wie vor eine Herausforderung dar.
KURZDARSTELLUNG
Bereitgestellt wird ein Abgasnachbehandlungssystem, einschließlich einer Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC), die konfiguriert ist, Abgase an einer stromaufwärtigen Seite zu erhalten und Abgase an einer stromabwärtigen Seite freizusetzen und die Folgendes aufweist: eine katalytische Zusammensetzung, eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), die stromabwärts der OC angeordnet ist und sich damit über eine Leitung in Fluidverbindung befindet, eine Reduktionsmitteleinspritzdüse, die konfiguriert ist, Reduktionsmittel in die Leitung bei einer Reduktionsmitteleinspritzdüsenposition zwischen der OC und der SCR zu liefern, und einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC), der zumindest teilweise innerhalb der Leitung stromabwärts von der OC und stromabwärts von der Reduktionsmitteleinspritzposition angeordnet ist. Die katalytische Zusammensetzung kann Folgendes beinhalten: ein oder mehrere erste Oxidationskatalysatormaterialien, die in der Lage sind, Kohlenstoffmonooxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), und eine oder mehrere Stickoxid (NOx)-Spezies zu oxidieren und ein oder mehrere Speichermaterialien, die im Einzelnen oder gemeinsam in der Lage sind, NOx- und HC-Spezies zu speichern. Die SCR kann konfiguriert werden, NOx-Spezies zu speichern und/oder NOx-Spezies in der Gegenwart eines Reduktionsmittels zu reduzieren. Der EHC kann ein Heizelement beinhalten, das eine Außenfläche einschließlich eines oder mehrerer zweiter Oxidationskatalysatormaterialien aufweist, die in der Lage sind CO, HC und eine oder mehrere NOx-Spezies zu oxidieren. Das eine oder die mehreren ersten Oxidationskatalysatormaterialien und/oder die zweiten Oxidationskatalysatormaterialien können Platingruppenmetallkatalysatoren und/oder Metalloxidkatalysatoren beinhalten. Der eine oder die mehreren Platingruppenmetallkatalysatoren können Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium, und/oder Iridium beinhalten. Der eine oder die mehreren Metalloxidkatalysatoren können Eisenoxide, Zinkoxide, Aluminiumoxide und/oder Perowskite beinhalten. Das Speichermaterial kann ein NOx-Speichermaterial sein und kann eines oder mehrere aus einem Alkalimetall, einem Erdalkalimetall, und/oder einem Seltenerdmetall, einschließlich entsprechender Oxide, Carbonate und Hydroxide davon beinhalten. Das Speichermaterial kann ein HC-Speichermaterial sein und kann eines oder mehrere aus einem Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zeolith, Zirkoniumoxid, Titandioxid, und Lanthanoxid beinhalten. Der Speichermaterial kann ein kaltes Speichermaterial sein, das in der Lage ist, NOx-Spezies und/oder HC-Spezies bei einer relativ niedrigen Temperatur zu speichern und die gespeicherte NOx-Spezies und/oder HC-Spezies bei einer relativ hohen Temperatur freizusetzen. Das Reduktionsmittel kann eines oder mehrere aus Harnstoff und/oder Zersetzungsprodukten davon, Ammoniak und Verbindungen sein, die in der Lage sind, zersetzt zu werden oder auf sonstige Weise in der Lage sind, in der Gegenwart von Abgasen und/oder Wärme zu reagieren, um Ammoniak zu bilden. Das Heizelement kann in einer gewickelten Konfiguration angeordnet sein. Zumindest ein Teil der Leitung zwischen dem OC und dem SCR-Katalysator kann isoliert sein.
Bereitgestellt wird ein Verbrennungsmotor (ICE)-Abgasnachbehandlungssystem, einschließlich eines ICE, der konfiguriert ist, Abgase an eine Leitung zu emittieren, wobei die Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC) konfiguriert ist, Abgase von dem ICE über die Leitung an einer stromaufwärtigen Seite zu erhalten und Abgase an einer stromabwärtigen Seite in die Leitung freizugeben und die Folgendes aufweist: eine katalytische Zusammensetzung, eine selektive katalytische Reduktionsmittelvorrichtung (SCR), die stromabwärts von der OC angeordnet ist und sich über die Leitung in Fluidverbindung damit befindet, und einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC), der zumindest teilweise innerhalb der Leitungen stromabwärts von der OC und stromaufwärts von der SCR angeordnet ist. Die katalytische Zusammensetzung kann Folgendes beinhalten: ein oder mehrere erste Oxidationskatalysatormaterialien, die in der Lage sind, Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und eine oder mehrere Stickoxid (NOx)-Spezies zu oxidieren und mindestens ein Speichermaterial, das in der Lage ist, NOx- /oder HC-Spezies zu speichern. Die SCR kann konfiguriert werden, NOx-Spezies zu speichern und/oder NOx-Spezies in der Gegenwart eines Reduktionsmittels zu reduzieren. Der EHC kann ein Heizelement beinhalten, das eine Außenfläche einschließlich eines oder mehrerer zweiter Oxidationskatalysatormaterialien aufweist, die in der Lage sind CO, HC und eine oder mehrere NOx-Spezies zu oxidieren. Das eine oder die mehreren ersten Oxidationskatalysatormaterialien und/oder die zweiten Oxidationskatalysatormaterialien können Platingruppenmetallkatalysatoren beinhalten. Der eine oder die mehreren Platingruppenmetallkatalysatoren können Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium, und/oder Iridium beinhalten. Das eine oder die mehreren ersten Oxidationskatalysatormaterialien und/oder die zweiten Oxidationskatalysatormaterialien können Metalloxidkatalysatoren beinhalten. Der eine oder die mehreren Metalloxidkatalysatoren können Eisenoxide, Zinkoxide, Aluminiumoxide und/oder Perowskite beinhalten. Das Speichermaterial kann ein NOx-Speichermaterial sein und kann eines oder mehrere aus einem Alkalimetall, einem Erdalkalimetall, und/oder einem Seltenerdmetall, einschließlich entsprechender Oxide, Carbonate und Hydroxide davon beinhalten. Das Speichermaterial kann ein HC-Speichermaterial sein und kann eines oder mehrere aus entweder einer porösen keramischen Matrix oder einem Molekularsieb beinhalten. Das Speichermaterial kann ein kaltes Speichermaterial sein. Der EHC kann an eine stromabwärtige Seite der katalytischen Zusammensetzung der OC angrenzen. Die NOx-Spezies und/oder die HC-Spezies, die durch die OC unoxidiert hindurchdurchströmen, können durch die zweiten Oxidationskatalysatormaterialien oxidiert werden.
Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsformbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Abgasnachbehandlungssystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer elektrischen Heizvorrichtung gemäß einer oder mehreren 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 maßstabsgerecht; 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 erzeugen, 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 Systeme und Verfahren zum Erhitzen von Abgasnachbehandlungssystemen, insbesondere derjenigen, die Oxidationskatalysatorvorrichtungen (OC) und selektive katalytische Reduktionsvorrichtungen (SCR) beinhalten. Die Systeme hierin verwenden eine einzelne elektrische Wärmequelle, um eine OC und eine SCR wirksam zu erhitzen, um den Wirkungsgrad und Emissionsleistungen bezüglich der NOx-Spezies, CO, und Kohlenwasserstoff (HC)-Spezies zu verbessern. Wie hierin verwendet, bezieht sich „NO_x“ auf ein oder mehrere Stickoxide. NO_x-Substanzen können N_yO_x-Substanzen beinhalten, worin y>0 und x>0. Nichteinschränkende Beispiele von Stickoxiden können NO, NO₂, N₂O, N₂O₂, N₂O₃, N₂O₄, und N₂O₅ beinhalten. Die hierin offenbarten Verfahren sind insbesondere zur Verwendung mit Verbrennungsmotor-Abgasbehandlungssystemen (ICE-Abgasbehandlungssystemen) geeignet, obwohl auch andere Anwendungen vorgesehen sind. Die hierin beschriebenen Verfahren beziehen sich auf ICE-Systeme, die unter anderem auch Dieselmotorsysteme, Benzin-Direkteinspritzsysteme, und homogene Ladungs-Selbstzündermotorsysteme einschließen können, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein ICE kann eine Vielzahl von an einer Kurbelwelle angebrachten Hubkolben beinhalten, die betriebsmäßig an ein Antriebssystem angebracht sein können, wie einem Fahrzeugantriebssystem, um ein Fahrzeug anzutreiben (z. B. um Traktionsdrehmoment an das Antriebssystem abzugeben). Ein ICE kann beispielsweise jede Motorkonfiguration oder - anwendung sein, einschließlich verschiedener Fahrzeuganwendungen (z. B. in Automobilen, Wasserfahrzeugen und dergleichen) sowie verschiedener Nicht-Fahrzeuganwendungen (z. B. Pumpen, Generatoren und dergleichen). Während die Verbrennungsmotoren in einem fahrzeugbezogenen Kontext (z. B. Drehmoment erzeugend) beschrieben werden können, befinden sich andere nicht fahrzeugbezogene Anwendungen innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung. Wenn daher auf ein Fahrzeug Bezug genommen wird, sollte diese Offenbarung dahingehend ausgelegt werden, dass sie für jede Anwendung eines ICE gilt.
1 veranschaulicht ein Abgasbehandlungssystem 100 unter Verwendung eines oder mehrerer OCs zur Behandlung und/oder Überwachung von Gasspezies, wie beispielsweise der von einem ICE 1 erzeugten Abgasspezies 8. Das System 100 beinhaltet im Allgemeinen eine oder mehrere Abgasleitungen 9 sowie eine oder mehrere stromabwärtige Abgasbehandlungsvorrichtungen. Stromaufwärts und stromabwärts sind in Bezug auf die Richtung der Abgasströmung 8 von dem ICE 1 definiert. Wie hierin verwendet, steht eine Vielzahl von Elementen, die als stromaufwärts und/oder stromabwärts voneinander beschrieben sind, notwendigerweise in Fluidverbindung miteinander. Die Abgasleitung 9, die mehrere Segmente umfassen kann, befördert Abgas 8 vom ICE 1 zu verschiedenen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen des Abgasnachbehandlungssystems 100. Der ICE 1 nur zur Veranschaulichung im System 100 enthalten, und die Offenbarung hierin ist nicht auf die von ICEs bereitgestellten Gasquellen zu beschränken. Es sollte weiter verstanden werden, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen für die Behandlung von Abgasströmen einschließlich NOx, Kohlenmonoxid (CO), HC oder anderen chemischen Spezies, die wünschenswert verbrannt oder anderweitig durch OCs oxidiert werden, anwendbar sein können.
Der ICE 1 kann einen oder mehrere Zylinder beinhalten (nicht dargestellt), 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. Abgas 8 kann im Allgemeinen Folgendes beinhalten: CO, HC, Wasser und Stickoxide (NO_x). Die Bestandteile des Abgases, wie sie hierin verwendet werden, sind nicht auf gasförmige Arten beschränkt. 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. Das Abgas 8 wird aus dem ICE 1 ausgestoßen und nacheinander mit der OC 10 und der selektiven katalytischen Reduktionsvorrichtung (SCR) 20 in Verbindung gebracht. Ein Reduktionsmittelinjektor 30 ist konfiguriert, um das Reduktionsmittel 36 stromabwärts von der OC 10 und stromaufwärts von der SCR 20 in die Abgasleitung 9 einzuspritzen. Ein elektrisch beheizter Katalysator (EHC) ist zumindest teilweise innerhalb einer Leitung 9 zwischen der OC 10 und einem Ort angeordnet, der sich stromaufwärts von der SCR 20 befindet. Das System 100 kann optional eine Partikelfiltervorrichtung (nicht dargestellt) beinhalten. Das Abgas 8 kann beispielsweise über ein Fahrzeug-Auspuffrohr aus dem System 100 ausgestoßen werden.
Das System 100 kann weiterhin ein Steuermodul 50 beinhalten, das über eine Anzahl an Sensoren betriebsfähig verbunden ist, um den ICE 1 und/oder das Abgasbehandlungssystem 100 zu überwachen. 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 Steuermodul 50 kann betriebsmäßig mit dem ICE 1, der OC 10, SRC 20, EHC 40 und/oder einen oder mehreren Sensoren verbunden werden. Wie zum Beispiel dargestellt, befindet sich das Steuermodul 50 in Kommunikation mit einem der NO_x Sensoren 60, und 62.
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, welche zersetzt werden kann oder in der Gegenwart von Abgasen und/oder Wärme auf sonstige Weise zu NH₃reagieren 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 ungefähr 200 °C, und, je nach Menge des eingespritzten Harnstoffs, beispielsweise relativ zu einer Strömungsrate des Abgases 8, Harnstoff kann bei Temperaturen unter ungefähr 200 °C 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 NO_x-Reduktion mit Ammoniak. 6NO+4NH₃→5N₂+6H₂O (2) 4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O (3) 6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O (4) 2NO₂+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 NO_x-Reduktionsmechanismus oder NOx-Reduktionsmechanismen zu begrenzen, noch um den Betrieb anderer Mechanismen auszuschließen. Die SCR 20 kann so konfiguriert sein, dass diese eine der oben genannten NO_x-Reduktionsreaktionen, Kombinationen der vorstehenden NOx-Reduktionsreaktionen und andere NO_x-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 Hülle oder der Behälter kann 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. Eine Bezugnahme hinsichtlich der Position der Einspritzdüse 30 betrifft die Position, bei der die Einspritzdüse 30 Reduktionsmittel 36 in die Leitung 9 eingespritzt, und Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Position der physikalischen Einspritzdüse 30 in allen Richtungen außerhalb der Leitung 9 variieren können. 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 NO_x-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 CCs 22 können eine hohe thermische Strukturstabilität aufweisen, insbesondere wenn sie im Tandem mit PFs 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 können WO₃, Al₂O₃, und MoO₃ in Kombination mit V₂O₅ verwendet werden.
SCR 20 kann eine Anspringtemperatur aufweisen, oberhalb derer CC 22 eine gewünschte oder geeignete katalytische Aktivität oder Ausbeute 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. Zum Beispiel kann eine CC 22, die V₂O₅ umfasst, eine Anspringtemperatur von ungefähr 300 °C aufweisen. In einem anderen Beispiel kann eine CC 22, die Fe-imprägnierten Zeolith umfasst, eine Anspringtemperatur von ungefähr 350 °C aufweisen. In einem anderen Beispiel kann eine CC 22, umfassend Cu-imprägnierten Zeolith, eine Anspringtemperatur von ungefähr 150 °C aufweisen. Wenn die SCR 20 bei einer Temperatur unterhalb ihrer Anspringtemperatur arbeitet, können ein unerwünschter NO_x-Durchbruch auftreten, worin NO_x durch die SCR 20 nicht umgesetzt oder nicht gespeichert passiert. Ein NO_x-Durchbruch kann unmittelbar nach dem Motorstart und bei kalten Bedingungen besonders problematisch sein. NO_x 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 NO_x-Spezies. Der hohe O2-Gehalt kann die Reduktion von NO_x-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 beispielsweise ein nichtsulfatierendes TiO₂-Material beinhalten. Der Substratkörper kann, wie nachfolgend beschrieben, umfassen, zusammenhängend ausgebildet sein mit oder nahe des EHC 40 liegen. 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, wie nachfolgend beschrieben, das SCRF-Filtersubstrat umfassen, zusammenhängend ausgebildet sein mit oder nahe des EHC 40 liegen.
Die SCR 20 kann das Reduktionsmittel zum Zusammenwirken mit dem Abgas 8 speichern (d. h. absorbieren und/oder adsorbieren). Das Reduktionsmittel kann zum Beispiel innerhalb des SCR-Katalysators als Ammoniak gespeichert werden. Während des Betriebs von SCR 20 kann eingespritztes Reduktionsmittel, 36 in SCR 20 gespeichert und anschließend während Reduktionsreaktionen mit NOx-Spezies verbraucht werden. Eine gegebene SCR-Vorrichtung weist eine Reduktionsmittelkapazität, oder eine Menge an Reduktionsmittel oder einem Reduktionsmittel-Derivat, das gespeichert werden kann. Die Menge eines innerhalb einer SCR-Vorrichtung gespeicherten Reduktionsmittels im Verhältnis zur Kapazität der SCR-Vorrichtung kann als die „Reduktionsmittelbelastung“ der SCR-Vorrichtung bezeichnet werden, und kann in einigen Instanzen als eine %-Belastung (z. B. 90 % Reduktionsmittelbelastung) angegeben werden.
OC 10 ist eine Durchflussvorrichtung, die eine katalytische Zusammensetzung (CC) 12 umfasst und für die Aufnahme von Abgas 8 konfiguriert ist. OC 10 wird im Allgemeinen verwendet, um verschiedene Abgasspezies 8 zu oxidieren, einschließlich HC-Spezies, CO und NO_x-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 erste Oxidationskatalysatormaterialien und physikalische Konfigurationen davon zum Oxidieren von HC, CO, und NOx umfassen. CC kann ferner zum Beispiel ein Substrat, wie eine poröse Keramikmatrix oder dergleichen umfassen. Substrate können zum Beispiel Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zeolith, Zirkoniumdioxid, Titandioxid, und/oder Lanthanoxid umfassen. Erste Oxidationskatalysatormaterialien können Platingruppenmetallkatalysatoren, Metalloxidkatalysatoren und Kombinationen daraus umfassen. Geeignete Platingruppenmetallkatalysatoren können Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Osmium (Os), oder Iridium (Ir) und Kombinationen daraus, einschließlich Legierungen daraus, beinhalten. In einer Ausführungsform umfassen geeignete Metalle Pt, Pd, Rh und Kombinationen davon, einschließlich Legierungen davon. Geeignete Metalloxidkatalysatoren können zum Beispiel Eisenoxide, Zinkoxide, Aluminiumoxide, Perowskite und Kombinationen daraus beinhalten. In einer Ausführungsform kann CC 12 aus Pt und Al₂O₃ bestehen. 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-Spezies, CO und NOx-Spezies zu oxidieren. 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.
Ferner umfasst CC 12 ein NOx-Speichermaterial. Insbesondere umfasst CC 12 ein kaltes NOx-Speichermaterial, das konfiguriert ist, NOx unter relativ kalten Bedingungen zu speichern und gespeichertes NOx unter relativ wärmeren Bedingungen freizugeben. Während viele kalte NOx-Speichermaterialien bekannt sind und sich zum Verwenden mit dem hierin beschriebenen Konzept eignen, kann ein NOx-Speichermaterial ein Alkalimetall, Erdalkalimetall und/oder ein Seltenerdmetall umfassen. Das Alkalimetall kann eines oder mehrere aus Kalium (K), Natrium (Na), Lithium (Li), und Caesium (Cs), einschließlich der jeweiligen Oxide, Carbonate und Hydroxide davon beinhalten. Das Erdalkalimetall kann eines oder mehrere aus Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), und Barium (Ba), einschließlich der jeweiligen Oxide, Carbonate und Hydroxide davon beinhalten. Das Seltenerdmetall kann eines oder mehrere aus Cer (C), Lanthan (La), und Yttrium (Y), einschließlich der jeweiligen Oxide, Carbonate und Hydroxide davon beinhalten. Das eine oder die mehreren Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, und/oder Seltenerdmetalle können mit einem Platingruppenmetall konfiguriert (z. B. imprägniert, beschichtet, oder anderweitig aktiviert) werden, und auf einem Substrat, wie einem derjenigen, die vorstehend beschrieben werden, getragen werden. In einer spezifischen Ausführungsform kann CC 12 ein Aluminiumoxid, Ceroxid, oder ein Platingruppenmetall umfassen. Das NO_x-Speichermaterial kann in einer Menge von etwa 1 g/l bis etwa 20 g/l angewendet werden, worin Gramm pro Liter sich auf Gramm von NO_x Speichermetall pro Liter an Volumen, das durch die OC 10 definiert wird, bezieht.
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 angeordnete SCRs und/oder SCRFs, die im Allgemeinen mit Abgasströmen mit einem NO:NO₂-Verhältnis von etwa 1:1 effizienter arbeiten, zu optimieren. Dementsprechend ist die OC 10 stromaufwärts von der SCR 20 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. Zum Beispiel kann CC 12 eine Anspringtemperatur der NOx-Oxidation von etwa 150 °C bis etwa 200 °C haben. So erreichen beispielsweise einige CCs 12 50 % Umsetzung von NO Spezies bei etwa 230 °C. 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 vorstehend beschriebenen Substratmaterialien, einschließlich verschiedener anderer Molekularsiebmaterialien, können verwendet werden, um HC zu speichern. Die Verbrennung beinhaltet im Allgemeinen die Oxidation von HC- und/oder CO-Spezies in Gegenwart von Sauerstoff zum Erzeugen von Wärme, Wasser und CO₂. In einigen Fällen kann HC und/oder CO im Abgas 8 als Folge einer unerwünschten unvollständigen Verbrennung von beispielsweise Kraftstoff 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 zumindest teilweise unverbrannt in das Abgassystem 100 ausgestoßen wird. Wenn der nacheingespritzte Kraftstoff in Verbindung mit OC 10 kommt, wird Wärme, die während der Oxidation des Kraftstoffs 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, wonach Wärme von der exothermen Verbrennung von Kraftstoff freigesetzt wird.
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 °C bis etwa 175 °C haben. So erreichen beispielsweise einige CCs 12 50 % Umsetzung von NOx-Spezies bei etwa 200 °C. Im Allgemeinen kann CC 12 eine HC-Oxidation-Anspringtemperatur von etwa 175 °C bis etwa 250 °C haben. So erreichen beispielsweise einige CCs 12 50 % Umsetzung von NOx-Spezies bei etwa 275°C. Wenn OC 10 bei einer Temperatur unterhalb seiner CO- und/oder HC-Oxidation-Anspringtemperatur arbeitet, kann unerwünschter CO- und/oder HC-Durchbruch auftreten.
Das System 100 ist durch den einzelnen EHC 40 charakterisiert, der zwischen der OC 10 und der SCR 20 angeordnet ist. Genauer gesagt, ist der EHC 40 stromabwärts von der OC 10 und stromaufwärts von der Einspritzdüse 30 angeordnet. Während des Kaltstarts des Systems 100 kann die OC 10 NOx und/oder HC speichern. Viele Systeme setzen Heizvorrichtungen stromaufwärts der OC 10 oder im Zusammenhang mit der OC 10 ein. Eine schnelle Erhitzung der OC 10 kann jedoch die Freisetzung gespeicherter HC und/oder NOx bei einer Rate veranlassen, die sich oberhalb eines Werts befindet, bei dem die OC 10 in der Lage ist, die freigegebenen HC und/oder NOx zu oxidieren. HC, die unoxidiert aus der OC 10 schlüpfen, können eine Verkokung und Katalysatorvergiftung innerhalb der SCR 20 bewirken und die aus der OC 10 freigesetzten NOx können ohne zur Reaktion gebracht worden zu sein, durch die SCR 20 passieren, wenn die SCR 20 sich unterhalb ihrer NOx-Anspring-Temperatur und/oder Reduktionsmittelzersetzungstemperatur befindet. Der EHC 40 ist vorteilhafterweise derart angeordnet, dass die OC 10 und die SCR 20 gleichzeitig davon erhitzt werden können. Die OC 10 wird optimalerweise zweifach erhitzt, nämlich sowohl von der stromaufwärtigen Seite aus durch die heißen Abgase 8 als auch von der stromabwärtigen Seite aus durch den EHC, wobei die OC 10 während des Erhitzens gespeicherte NOx und/oder HC bei einer überschaubaren Rate freisetzt, sodass HC und NOx entweder durch CC 12 oder die zweite Oxidationskatalysatorzusammensetzung auf dem EHC 40 oxidiert werden können. Dementsprechend werden der HC-Schlupf/oder der NOx-Durchbruch beseitigt oder minimiert. Ferner erhitzt die Position des EHC 40 die SCR 20 und den Abschnitt der Leitung 9, der zwischen der OC 10 und der SCR 20 angeordnet ist, derart, dass das Reduktionsmittel 36 eingespritzt und anschließend früher in einem ICE 1-Betriebszyklus mit minimierter Reduktionsmittel-36-Kristallisation zersetzt werden kann. Demnach wird sowohl die Leistung der OC 10 und SCR 20 verbessert, während nur ein einzelner EHC 40 verwendet wird.
Im Allgemeinen umfasst der EHC 40 ein Heizelement 42 über das ein elektrischer Strom geleitet wird, um Wärme zu erzeugen (z. B. über ohmsche Wärme und/oder über Induktionsheizung). Das Heizelement 42 kann dann jedes geeignete Material, das elektrisch leitfähig ist, umfassen. Der EHC 40 kann stromabwärts von der OC 10 und in der Nähe dieser oder an der stromabwärtigen Seite der OC 10 angrenzend angeordnet sein. Der EHC 40 umfasst eine Außenfläche, die sich mit der Abgasleitung 9 in Fluidverbindung befindet, und die Außenfläche umfasst ein oder mehrere zweite Oxidationskatalysatormaterialien. Die zweiten Oxidationskatalysatormaterialien können die vorstehend beschriebenen ersten Oxidationskatalysatormaterialien beinhalten und können zum Beispiel Platingruppenmetallkatalysatoren und Metalloxidkatalysatoren beinhalten. Die zweiten Oxidationskatalysatormaterialien können dieselben wie die ersten Oxidationskatalysatormaterialien sein oder sich von den ersten Oxidationskatalysatormaterialien unterscheiden.
Der EHC 40 kann wahlweise aktiviert und deaktiviert werden. Der EHC 40 kann operativ verbunden und von Modul 50 gesteuert werden. Der EHC 40 kann gesteuert werden, um beispielsweise eine Thermomanagement-Steuerroutine des ICE 1 zu implementieren. Das Modul 50 kann auch den EHC 40 steuern, um das ICE 1 Wärmemanagement der CC 22 Temperatur zu ergänzen, wodurch der Motorverschleiß reduziert wird. Der EHC 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. Die Heizvorrichtung ist in der Lage, Temperaturen von etwa 200 °C bis etwa 1000 °C zu erreichen.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Ausführung des EHC 40, der ein Heizelement 42 umfasst. Kalte Stifte 44 und 45 übertragen Strom über das Heizelement 42 von einer Energiequelle (nicht dargestellt), um Wärme zu erzeugen und Wärme über das Heizelement 42 zu übertragen. In einigen Ausführungsformen kann das Heizelement 42 die Außenfläche des EHC 40 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Heizelement 42 in Hülse 48 eingesetzt werden, in der das Heizelement 42 von der äußeren Umgebung isoliert werden kann. Der EHC 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. Der EHC 40 umfasst, wie vorstehend beschrieben, ferner ein oder mehrere Oxidationskatalysatormaterialien, wie ein oder mehrere Platingruppenmetalle und/oder einen oder mehrere Metalloxidkatalysatoren. Das eine oder die mehreren Oxidationskatalysatormaterialien können an der Außenfläche des EHC 40 derart angewendet werden, dass mindestens ein Abschnitt der oxidierenden Katalysatormaterialien innerhalb der Leitung 9 und in Fluidverbindung mit dem Abgas 8 angeordnet sind. Wenn der EHC 40 zum Beispiel keine Hülse 48 und Dichtung 46 umfasst, kann der Oxidationskatalysator auf dem Heizelement 42 angeordnet werden. Wenn der EHC 40 die Hülse 48 umfasst, kann der Oxidationskatalysator auf der Hülse 48 angeordnet und/oder darin integriert sein.
Das Heizelement 42 kann jede geeignete Form oder Ausrichtung umfassen, um Wärme auf eines oder mehrere der Folgenden zu übertragen: Abgas 8, OC 10, SCR 20, und Reduktionsmittel 36, wobei es dadurch gleichzeitig eine geeignete Strömung der Abgase 8 ermöglicht. 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 OC 10 gepaart mit dem EHC 40. Das Heizelement 42 ist aufgewickelt, um eine kreisförmige Querschnittsform zu bilden, die im Allgemeinen einer Innenkontur der OC 10 und/oder der Leitung 9 entspricht. Wie dargestellt, ist das Heizelement 42 stromabwärts von CC 12 positioniert. In einigen Ausführungsformen ist die Leitung 9 zumindest teilweise zwischen der OC 10 und der SCR 20 isoliert, um insbesondere die Wärmeübertragung auf CC 12 und CC 22 zu verbessern.
Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurden, ist 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

Abgasbehandlungssystem, das System umfassend: eine Oxidationskatalysatorvorrichtung (OC), die konfiguriert ist, Abgase an einer stromaufwärtigen Seite zu erhalten und Abgase an einer stromabwärtigen Seite freizusetzen und die eine katalytische Zusammensetzung umfasst, die Folgendes beinhaltet: ein oder mehrere erste Oxidationskatalysatormaterialien, die in der Lage sind, Kohlenstoffmonooxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), und eine oder mehrere Stickoxid (NOx)-Spezies zu oxidieren, und ein oder mehrere Speichermaterialien, die im Einzelnen oder gemeinsam in der Lage sind, NOx- und HC-Spezies zu speichern; eine selektive katalytische Reduktionsvorrichtung (SCR), die stromabwärts von der OC und über eine Leitung in Fluidverbindung damit angeordnet ist, und konfiguriert ist, in der Gegenwart eines Reduktionsmittels NOx-Spezies zu speichern und/oder NOx-Spezies zu reduzieren; eine Reduktionsmitteleinspritzdüse, die dazu konfiguriert ist, Reduktionsmittel an einer Reduktionsmitteleinspritzposition zwischen der OC und der SCR in die Leitung zu liefern; und einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC), der zumindest teilweise innerhalb der Leitung stromabwärts von der OC und stromaufwärts von der Reduktionsmitteleinspritzposition angeordnet ist, worin der EHC ein Heizelement umfasst, das eine Außenfläche, einschließlich eines oder mehrerer zweiter Oxidationskatalysatormaterialien aufweist, die in der Lage sind, CO, HC, und eine oder mehrere NOx-Spezies zu oxidieren.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, worin das eine oder die mehreren ersten Oxidationskatalysatormaterialien und/oder die zweiten Oxidationskatalysatormaterialien Platingruppenmetallkatalysatoren und/oder Metalloxidkatalysatoren umfassen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der eine oder die mehreren Platingruppenmetallkatalysatoren Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium, und/oder Iridium umfassen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der eine oder die mehreren Metalloxidkatalysatoren Eisenoxide, Zinkoxide, Aluminiumoxide, und/oder Perowskite umfassen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Speichermaterial ein NOx-Speichermaterial umfasst und eines oder mehrere aus einem Alkalimetall, einem Erdalkalimetall, und/oder einem Seltenerdmetall, einschließlich entsprechender Oxide, Carbonate und Hydroxide davon beinhaltet.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Speichermaterial ein HC-Speichermaterial umfasst und eines oder mehrere aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zeolith, Zirkoniumdioxid, Titandioxid und Lanthandioxid beinhaltet.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Speichermaterial ein kaltes Speichermaterial umfasst, das in der Lage ist, NOx-Spezies und/oder HC-Spezies bei einer relativ niedrigeren Temperatur zu speichern und gespeicherte NOx-Spezies und/oder HC-Spezies bei einer relativ höheren Temperatur freizusetzen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Reduktionsmittel eines oder mehrere aus Harnstoff und/oder Zersetzungsprodukten davon, Ammoniak und Verbindungen umfasst, die in der Lage sind, zersetzt zu werden oder auf sonstige Weise in der Lage sind, in der Gegenwart von Abgasen und/oder Wärme zu reagieren, um Ammoniak zu bilden.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin mindestens ein Abschnitt der Leitung zwischen der OC und der SCR isoliert ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das System Abgase erhält, die durch den Verbrennungsmotor emittiert worden sind.