DE102018207028A1 - Sorptionsverstärkte reaktionstechnik zur leistungssteigerung von fahrzeugkatalysatoren - Google Patents

Sorptionsverstärkte reaktionstechnik zur leistungssteigerung von fahrzeugkatalysatoren Download PDF

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Cummins Emission Solutions Inc
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) in katalytischen Systemen offenbart. Das Verfahren beinhaltet die Aufnahme von NO-haltigem Abgas aus einem Verbrennungsmotorsystem, das Reagieren von NO mit einer stöchiometrischen Menge an Sauerstoffgas (O2), das Reagieren in Gegenwart eines Sorptionsmittels und eines Katalysators, und die Rückgewinnung einer Menge an Stickstoffdioxid (NO2), welche die Gleichgewichtsbegrenzung der NO-Oxidationsreaktion übersteigt.

Description

  • VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/502,937 , eingereicht am 8. Mai 2017, deren Inhalt in der Gesamtheit und für alle Zwecke durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung behandelt allgemein das Gebiet von Nachbehandlungssystemen für Verbrennungsmotoren.
  • HINTERGRUND
  • Für Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Dieselmotoren, können Stickoxid-Verbindungen (NOx-Verbindungen) in das Abgas abgegeben werden. Zum Reduzieren von NOx-Emissionen kann ein selektives katalytisches Reduktionsverfahren (engl. selective catalytic reduction, SCR) eingesetzt werden, um die NOx-Verbindungen in neutrale Verbindungen wie zweiatomigen Stickstoff, Wasser oder Kohlendioxid mit Hilfe eines Katalysators und eines Reduktionsmittels umzuwandeln. Der Katalysator kann in einer Katalysatorkammer eines Abgassystems, beispielsweise derjenigen eines Fahrzeugs oder einer Energieerzeugungseinheit, enthalten sein. Ein Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniakanhydrid, wässrige Ammoniaklösung oder Harnstoff, wird üblicherweise vor der Katalysatorkammer in den Abgasstrom eingebracht. Um das Reduktionsmittel für den SCR-Prozess in den Abgasstrom einzubringen, kann ein SCR-System das Reduktionsmittel durch ein Dosiermodul, das das Reduktionsmittel der Katalysatorkammer vorgelagert in ein Abgasrohr der Abgasanlage verdampft oder sprüht, dosieren oder anderweitig einbringen. Das SCR-System kann einen oder mehrere Sensoren einschließen, um die Bedingungen innerhalb des Abgassystems zu überwachen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die hierin beschriebenen Implementierungen beziehen sich auf ein Verfahren zur Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) in einem katalytischen System. Das Verfahren beinhaltet die Aufnahme von NO-haltigem Abgas aus einem Verbrennungsmotorsystem, das Reagieren von NO mit einer stöchiometrischen Menge an Sauerstoffgas (O2), das Reagieren in Gegenwart eines Sorptionsmittels und eines Katalysators, und die Rückgewinnung einer Menge an Stickstoffdioxid (NO2), welche die Gleichgewichtsbegrenzung der NO-Oxidationsreaktion übersteigt.
  • In einer Implementierung adsorbiert das Sorptionsmittel selektiv NO2. In einer Implementierung beinhaltet das Verfahren ferner die periodische Regenerierung des Sorptionsmittels. In einer weiteren Implementierung beinhaltet das Verfahren die kontinuierliche Regenerierung des Sorptionsmittels.
  • In einer Implementierung beinhaltet das Verfahren ferner die Unterdrückung der Umkehrreaktion von NO2 zur Bildung von NO und O2. In einer Implementierung ermöglicht die Gegenwart des Sorptionsmittels und des Katalysators eine höhere Umwandlung von NO, als wenn kein Sorptionsmittel vorhanden ist.
  • Figurenliste
  • Die Details einer oder mehrerer Implementierungen werden in den begleitenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Offenbarung werden anhand der Beschreibung, der Zeichnungen und der Ansprüche ersichtlich, für die gilt:
    • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften selektiven katalytischen Reduktionssystems mit einem beispielhaften Reduktionsmittelzufuhrsystem für ein Abgassystem.
    • 2 ist ein Flussdiagramm, das einen sorptionsverstärkten Reaktionsprozess gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung darstellt.
    • 3 veranschaulicht die Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) bei 500 °C unter Verwendung eines Standard-Dieseloxidationskatalysators und einer Mischung aus Katalysator und Sorptionsmittel (~1:3 Gewichtsverhältnis von Katalysator zu Sorptionsmittel). Die Reaktionszufuhr umfasst 200 ppm NO, 10 % O2, Rest Argon.
    • 4 veranschaulicht die NO-Oxidation bei 500 °C unter Verwendung eines Standard-Dieseloxidationskatalysators und einer Mischung aus Katalysator und Sorptionsmittel (~1:3 Gewichtsverhältnis von Katalysator zu Sorptionsmittel). Die Reaktionszufuhr umfasst ,x' ppm NO, 10 % O2, Rest Argon.
  • Es ist anzumerken, dass es sich bei manchen oder allen der Figuren um schematische Darstellungen zu Zwecken der Veranschaulichung handelt. Die Figuren werden zum Zweck der Veranschaulichung einer oder mehrerer Implementierungen mit dem expliziten Verständnis bereitgestellt, dass sie nicht dazu verwendet werden, um den Umfang oder die Bedeutung der Ansprüche zu beschränken.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es folgen detailliertere Beschreibungen verschiedener Konzepte in Zusammenhang mit, sowie Implementierungen von, Verfahren, Geräten und Systemen für die Nachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Die verschiedenen, vorstehend vorgestellten und nachstehend ausführlich beschriebenen Konzepte können auf eine von zahlreichen Weisen implementiert werden, da die beschriebenen Konzepte nicht auf eine bestimmte Art und Weise der Implementierung beschränkt sind. Beispiele für spezielle Implementierungen und Anwendungen werden hauptsächlich zu Zwecken der Veranschaulichung bereitgestellt.
  • Übersicht
  • Bei manchen Abgasanlagen kann ein Sensormodul einem SCR-Katalysators nachgeschaltet sein, um eine oder mehrere Emissionen in dem Abgasstrom hinter dem SCR-Katalysator zu erkennen. Zum Beispiel kann ein NOx-Sensor, ein CO-Sensor und/oder Feinstaubsensor dem SCR-Katalysator nachgeschaltet positioniert werden, um NOx, CO und/oder Feinstaub in dem Abgas aufzufinden, das den Auspuff des Fahrzeugs verlässt. Solche Emissionssensoren können nützlich sein, um einer Steuereinheit eine Rückkopplung bereitzustellen, um einen Betriebsparameter des Nachbehandlungssystems des Fahrzeugs zu modifizieren. Zum Beispiel kann ein NOx-Sensor verwendet werden, um eine Menge von NOx zu erfassen, die das Fahrzeugabgassystem verlässt, und falls das erfasste NOx zu hoch oder zu niedrig ist, kann die Steuereinheit eine Menge von Reduktionsmittel modifizieren, das durch ein Dosiermodul zugeführt wird. Es können auch ein CO- und/oder ein Feinstaubsensor verwendet werden.
  • Überblick über das Nachbehandlungssystem
  • 1 stellt ein Nachbehandlungssystem 100 mit einem beispielhaften Reduktionsmittelzufuhrsystem 110 für eine Abgasanlage 190 dar. Das Nachbehandlungssystem 100 schließt einen Partikelfilter, zum Beispiel einen Dieselpartikelfilter (DPF) 102, ein, sowie das Reduktionsmittelzufuhrsystem 110, eine Zersetzungskammer oder ein Reaktorrohr 104, einen SCR-Katalysator 106 und einen Sensor 150.
  • Der DPF 102 ist dazu konfiguriert, Feinstaub, beispielsweise Ruß, aus in der Abgasanlage 190 strömendem Abgas zu entfernen. Der DPF 102 beinhaltet einen Einlass, durch den das Abgas eintritt, und einen Auslass, durch den das Abgas austritt, nachdem Feinstaub im Wesentlichen aus dem Abgas gefiltert wurde und/oder Feinstaub in Kohlendioxid umgewandelt wurde.
  • Die Zersetzungskammer 104 ist dazu konfiguriert, ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise Harnstoff, wässrige Ammoniaklösung oder DEF in Ammoniak umzuwandeln. Die Zersetzungskammer 104 beinhaltet ein Reduktionsmittelzufuhrsystem 110 mit einem Dosiermodul 112, das dazu konfiguriert ist, das Reduktionsmittel in die Zersetzungskammer 104 zu dosieren. Bei einigen Umsetzungsformen wird das Reduktionsmittel vor dem SCR-Katalysator 106 eingespritzt. Die Reduktionsmitteltröpfchen durchlaufen dann die Prozesse der Verdampfung, Thermolyse und Hydrolyse, um gasförmiges Ammoniak innerhalb der Abgasanlage 190 zu bilden. Die Zersetzungskammer 104 beinhaltet einen Einlass in Fluidverbindung mit dem DPF 102, um das Abgas aufzunehmen, das NOx-Emissionen enthält, sowie einen Auslass für das Abgas, NOx-Emissionen, Ammoniak und/oder verbleibendes Reduktionsmittel für die Strömung zum SCR-Katalysator 106.
  • Die Zersetzungskammer 104 beinhaltet das an der Zersetzungskammer 104 angebrachte Dosiermodul 112 dergestalt, dass das Dosiermodul 112 das Reduktionsmittel in die Abgase dosieren kann, die in die Abgasanlage 190 strömen. Das Dosiermodul 112 kann einen Isolator 114 beinhalten, der zwischen einem Abschnitt des Dosiermoduls 112 und dem Abschnitt der Zersetzungskammer 104 angeordnet ist, an dem das Dosiermodul 112 montiert ist. Das Dosiermodul 112 ist fluidisch mit einer oder mehreren Reduktionsmittelquellen 116 gekoppelt. Bei einigen Umsetzungsformen kann eine Pumpe 118 verwendet werden, um die Reduktionsmittelquelle 116 für die Zufuhr zum Dosiermodul 112 mit Druck zu beaufschlagen.
  • Das Dosiermodul 112 und die Pumpe 118 sind ebenfalls elektrisch oder kommunikativ mit einer Steuerung 120 gekoppelt. Die Steuerung 120 ist dazu konfiguriert, das Dosiermodul 112 zu steuern, um Reduktionsmittel in die Zersetzungskammer 104 zu dosieren. Die Steuerung 120 kann auch zum Steuern der Pumpe 118 konfiguriert sein.
  • Die Steuerung 120 kann einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application-specific integrated circuit (ASIC)), eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (field-programmable gate array (FPGA)) usw. oder Kombinationen davon beinhalten. Die Steuerung 120 kann einen Speicher beinhalten, der unter anderem eine elektronische, optische, magnetische oder eine andere Datenspeicher- oder Übermittlungsvorrichtung beinhaltet, die in der Lage ist, Programmanweisungen für einen Prozessor, eine ASIC, eine FPGA usw. bereitzustellen. Der Speicher kann einen Speicherchip, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM)), einen löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (erasable programmable read only memory (EPROM)), einen Flash-Speicher oder einen anderen geeigneten Speicher beinhalten, aus dem die Steuerung 120 Anweisungen lesen kann. Die Anweisungen können Code von einer beliebigen geeigneten Programmiersprache beinhalten.
  • Der SCR-Katalysator 106 ist dazu konfiguriert, zur Verringerung von NOx-Emissionen beizutragen, indem ein NOx-Reduktionsprozess zwischen dem Ammoniak und dem NOx des Abgases in zweiatomigen Stickstoff, Wasser und/oder Kohlendioxid beschleunigt wird. Der SCR-Katalysator 106 beinhaltet einen Einlass in Fluidverbindung mit der Zersetzungskammer 104, von der Abgas und Reduktionsmittel empfangen werden, und einen Auslass in Fluidverbindung mit einem Ende der Abgasanlage 190.
  • Die Abgasanlage 190 kann ferner einen Oxidationskatalysator, zum Beispiel einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) in Fluidverbindung mit der Abgasanlage 190 beinhalten (z. B. dem SCR-Katalysator 106 nachgeschaltet oder dem DPF 102 vorgeschaltet), um Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid im Abgas zu oxidieren.
  • Bei manchen Ausführungen kann der DPF 102 der Zersetzungskammer oder dem Reaktorrohr 104 nachgelagert positioniert sein. Beispielsweise können der DPF 102 und der SCR-Katalysator 106 in einer einzelnen Einheit, wie etwa einem DPF mit SDPF-Beschichtung (SDPF), kombiniert sein. Bei manchen Ausführungen kann das Dosiermodul 112 stattdessen einem Turbolader nachgelagert oder einem Turbolader vorgelagert positioniert sein.
  • Der Sensor 150 kann mit dem Abgassystem 190 gekoppelt sein, um einen Zustand des Abgasstroms durch das Abgassystem 190 zu erkennen. Bei einigen Implementierungen kann der Sensor 150 einen innerhalb des Abgassystems 190 angeordneten Teil aufweisen, z. B. kann eine Spitze des Sensors 150 in einen Teil des Abgassystems 190 verlaufen. Bei anderen Implementierungen kann der Sensor 150 Abgas durch eine andere Leitung empfangen, wie z. B. durch ein Probenrohr, das vom Abgassystem 190 verläuft. Während der Sensor 150 so dargestellt ist, dass er hinter dem SCR-Katalysator 106 nachgeschaltet positioniert ist, versteht es sich, dass der Sensor 150 an anderen Positionen des Abgassystems 190, einschließlich dem DPF 102 nachgeschaltet, im DPF 102, zwischen dem DPF 102 und der Zersetzungskammer 104, innerhalb der Zersetzungskammer 104, zwischen der Zersetzungskammer 104 und dem SCR-Katalysator 106, im SCR-Katalysator 106 oder hinter dem SCR-Katalysator 106 positioniert sein kann. Zusätzlich können zwei oder mehr Sensoren 150 verwendet werden, um einen Zustand des Abgases zu erkennen, wie z. B. zwei, drei, vier, fünf oder sechs Sensoren 150, wobei jeder Sensor 150 an einer der vorher erwähnten Positionen des Abgassystems 190 angeordnet ist.
  • Kombination von Katalysatoren mit selektivem Sorptionsmaterial
  • Durch die Kombination vorhandener Katalysatoren (namentlich Fahrzeugkatalysatoren) mit selektiven Sorptionsmaterialien in einem Katalysatorbett ergeben sich mehrere potenzielle Vorteile. So können beispielsweise thermodynamische Gleichgewichte katalytischer Reaktionen überschritten, die Umwandlungseffizienz erhöht und das katalytische Nachbehandlungssystem widerstandsfähiger gegen schnelle Veränderungen im Motorabgas werden.
  • In einer Implementierung wird eine Mischung aus Sorptionsmittel und Katalysator in einem Reaktor gemischt. Bei reversiblen Reaktionen (z.B. A ⇌ B) entfernt das Sorptionsmittel selektiv mindestens ein Reaktionsprodukt durch physikalische oder chemische Adsorption, um dadurch die Vorwärtsreaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. In der Folge werden Gleichgewichtsbegrenzungen überschritten, da durch die Entfernung des Reaktionsprodukts die Umkehrreaktion in einem reversiblen System (z.B. B → A) unterdrückt wird und das System die Geschwindigkeit der Vorwärtsreaktion (A → B) in dem Versuch, das Gleichgewicht wiederherzustellen, erhöht. Das Sorptionsmittel kann dann mittels verschiedener Ausführungen, wie beispielsweise Druckwechseladsorption, Thermowechseladsorption, Wanderbettreaktoren und ähnlichen Mechanismen, periodisch oder kontinuierlich regeneriert werden. Der Katalysator hat keinen Einfluss auf das Gleichgewicht, kann aber zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit der Vorwärtsreaktion verwendet werden. Dieser Prozess wird als sorptionsverstärkte Reaktion (SER) bezeichnet.
  • In einem weiteren Beispiel des SER-Prozesses werden Mischungen aus Katalysatoren und Sorptionsmitteln in Fahrzeugkatalysatoren eingesetzt. Der Einsatz von SER in Fahrzeugkatalysatoren bietet viele Vorteile, darunter (1) die Überschreitung von Gleichgewichtsbegrenzungen, um höhere Umwandlungen bei hohen Temperaturen zu ermöglichen, (2) verbesserte Umwandlungen bei niedrigen Temperaturen durch Unterdrückung von Umkehrreaktionen, (3) erhöhte Systemrobustheit durch Widerstand gegen Änderungen in Systemzuständen (z.B. Temperatur, Druck, Konzentrationen usw.) und (4) Systemkostenreduzierung aufgrund des Bedarfs an weniger Katalysator. Nachstehend wird jeder Vorteil ausführlicher beschrieben.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Prozesses der sorptionsverstärkten Reaktion (SER) gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung. Der Prozess beinhaltet die Aufnahme von NO-haltigem Abgas aus einem Verbrennungsmotorsystem (200), das Reagieren von NO mit einer stöchiometrischen Menge an Sauerstoffgas (O2), das Reagieren in Gegenwart eines Sorptionsmittels und eines Katalysators (210) und die Rückgewinnung einer Menge an Stickstoffdioxid (NO2), welche die Gleichgewichtsbegrenzung der NO-Oxidationsreaktion (220) übersteigt.
  • Überschreitung von Gleichgewichtsbegrenzungen zum Ermöglichen höherer Umwandlungen bei hohen Temperaturen
  • Die Katalysatorchemie beinhaltet reversible Reaktionen, die bei hohen Temperaturen gleichgewichtsbegrenzt sind, wie beispielsweise NO-Oxidation (NO + ½O2 ⇌ NO2) und SO2-Oxidation (SO2 + ½O2 ⇌ SO3). Um die Gleichgewichtsbegrenzung für die NO-Oxidation zu überwinden, wird ein Sorptionsmittel zur selektiven Adsorption von NO2 zugesetzt. Durch selektive Entfernung von NO2 (Adsorption am Sorptionsmittel) wird die Umkehrreaktion (NO2 → NO + ½O2) unterdrückt und die Vorwärtsreaktion (NO + ½O2 → NO2) in einem Versuch zur Rekalibrierung im Gleichgewicht verstärkt. Die sorptionsverstärkte NO-Oxidation setzt sich fort, bis das Sorptionsmittel seine volle Kapazität von NO2 erreicht hat, woraufhin die NO-Oxidation zu ihrer Gleichgewichtsgrenze zurückkehrt. Wie Katalysatoren können auch Sorptionsmittel als Reaktion auf Wärmebehandlungen oder -veränderungen, Druckveränderungen oder ähnliche äußere Reize regeneriert werden, so dass nahezu kontinuierliche sorptionsverstärkte Reaktionen möglich sind.
  • Bei SER-Mechanismen besteht der Hauptzweck des Sorptionsmittels darin, nur das Produkt der reversiblen Reaktion einzufangen, das die Reaktionsgleichgewichtsbegrenzung überschreitet und zu höheren Reaktandenumwandlungen führt. Wenn nur das Produkt eingefangen wird, wird die Umkehrreaktion verhindert (d.h. NO2 zurück zu NO), während die Vorwärtsreaktion verstärkt wird (Gleichgewichtsbruch). Herkömmliche Sorptionstechnologien (z.B. Mager-NOx- Falle (LNT) / Dieselkaltstart-Katalysator- oder Dieselkaltstart-Konzept-(dCSC)-Sorption) sind nicht nur für das Produkt selektiv, was bedeutet, dass sowohl NO als auch NO2 eingefangen werden (z.B. NOx). Folglich steht weniger Reaktant (d.h. NO) für die Umwandlung in ein Produkt (NO2) zur Verfügung. Mit anderen Worten können herkömmliche Fahrzeug-Sorptionstechnologien die Gleichgewichtsbegrenzungen nicht überschreiten, da sowohl der Reaktant als auch das Produkt eingefangen werden, was sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsreaktion verhindert.
  • Beispiel 1
  • 3 veranschaulicht die Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) bei 500 °C unter Verwendung eines Standard-Dieseloxidationskatalysators und einer Mischung desselben Dieseloxidationskatalysators mit einem NO2-Sorptionsmittel (~1:3 Gewichtsverhältnis von Katalysator zu Sorptionsmittel). Die Reaktionszufuhr umfasst 200 ppm NO, 10 % O2, Rest Argon. Wie gezeigt, fällt der Dieseloxidationskatalysator (genannt „Katalysator“) innerhalb von 8 Minuten schnell auf eine Gleichgewichtsgrenze von ~20 % Umwandlung ab, während die Katalysator- und Sorptionsmittelmischung (genannt „Katalysator + Sorptionsmittel“) während des gesamten beobachteten Zeitrahmens die Umwandlungen deutlich über der Gleichgewichtsgrenze hält. Durch die selektive Entfernung von NO2 ist das Katalysator-Sorptionsmittel somit in der Lage, nachweislich die Gleichgewichtsbegrenzungen (z.B. 20 % in diesem Beispiel) für NO-Oxidationen zu überschreiten, um höhere Umwandlungen bei hohen Temperaturen zu ermöglichen. Derzeit gibt es in der Automobilindustrie keine Ansätze, die es ermöglichen, die Gleichgewichtsbegrenzungen der Katalysatorchemie zu überschreiten.
  • Verstärkte Umwandlungen bei niedrigen Temperaturen durch Unterdrückung von Umkehrreaktionen. Wie vorstehend erwähnt, können Sorptionsmittel Umkehrreaktionen stark unterdrücken, indem sie Produkte während ihrer Herstellung aus der Reaktionszone entfernen. In der Folge werden die Vorwärtsreaktionen in dem Versuch verstärkt, das System auszugleichen und ein Gleichgewicht zu erreichen. Diese Verstärkung tritt auch dann auf, wenn die Gleichgewichtsbegrenzungen nicht einschränkend sind, d.h. bei niedrigen Temperaturen.
  • Erhöhte Systemrobustheit durch Widerstand gegen Änderungen in Systemzuständen (Temperatur, Druck. Konzentrationen usw.). Da ein Sorptionsmittel Moleküle selektiv adsorbiert und desorbiert, ist das gesamte System in der Lage, plötzlichen Veränderungen der Systemvariablen zu widerstehen, die sich auf die Konzentration eines Zielmoleküls auswirken können (z.B. NO2). In diesen Fällen hat das Sorptionsmittel noch nicht seine volle Sorptionskapazität erreicht.
  • Beispiel 2
  • 4 veranschaulicht die NO-Oxidation bei 500 °C unter Verwendung eines Standard-Dieseloxidationskatalysators und einer Mischung desselben Dieseloxidationskatalysators mit einem NO2-Sorptionsmittel (~1:3 Gewichtsverhältnis von Katalysator zu Sorptionsmittel). Die Reaktionszufuhr umfasst ,x' ppm NO, 10 % O2, Rest Argon. Die Robustheit des Systems wird im Falle von Konzentrationsabfällen oder -zunahmen beobachtet. Die NO-Oxidation wird bei 500 °C durchgeführt und erlaubt, eine stationäre Umwandlung zu erreichen (d.h. NO-Konzentration entspricht etwa 160 ppm; NO2Konzentration entspricht etwa 55 ppm), bevor die NO-Konzentration um etwa 50 % reduziert wird. Die transiente NO- und NO2-Konzentration wird als Funktion der Zeit dargestellt und zeigt, dass der Katalysator schnell einen neuen stationären Zustand erreicht (bei einer NO-Konzentration von etwa 80 ppm und einer NO2-Konzentration von etwa 30 ppm), während die Katalysator- und Sorptionsmittelmischung langsamer auf die Änderung der NO-Konzentration anspricht. Da die NO-Konzentration bei etwa ~3000 Sekunden verdoppelt wird, reagiert der Katalysator wieder schnell auf das Erreichen eines neuen stationären Zustandes bei der ursprünglichen NO-Konzentration von etwa 160 ppm und einer NO2Konzentration von etwa 55 ppm. Die Katalysator- und Sorptionsmittelmischung reagiert wieder langsamer auf die Änderung der NO-Konzentration. Wenn nämlich die Gaskonzentrationen sinken, setzt das Sorptionsmittel adsorbierte/gespeicherte Moleküle frei, um die Konzentrationsänderung auszugleichen; das entgegengesetzte Verhalten tritt ein, wenn die Gaskonzentrationen erhöht werden. Auf diese Weise kann das Gesamtsystem plötzlichen Konzentrationsänderungen standhalten.
  • Beispiel 3
  • Eine mögliche Anwendung für die Nutzung dieser Katalysator-Sorptionsmittel-Technologie ist die Kopplung eines Dieseloxidationskatalysators mit einem Sorptionsmittel NO2, wie in den vorstehenden Beispielen gezeigt. Basierend auf den 2 und 3 wird die Kombination eines Dieseloxidationskatalysators mit einem NO2 Sorptionsmittel die NO-Umwandlung signifikant erhöhen, über die Gleichgewichtsbegrenzungen bei hohen Temperaturen hinaus, und als chemischer Puffer wirken, um plötzlichen Veränderungen am Motoraustritt-NOx zu widerstehen. Die verstärkte NO-Umwandlung in NO2 bei niedrigen Temperaturen können auch die „Schnelle SCR“ bei niedrigen Temperaturen nachgeschaltet erleichtern.
  • Systemkostenreduzierung aufgrund des Bedarfs an weniger Katalysator. Da die Abgasnormen für Kraftfahrzeuge immer strenger werden, beinhalten die meisten gegenwärtigen Katalysator-Technologien eine Verbesserung des Katalysators, die Entwicklung neuer Katalysatoren oder eine Erhöhung des Katalysatorvolumens. Wie vorstehend gezeigt, ermöglicht das Mischen eines Sorptionsmittels mit einem Katalysator zur Durchführung einer SER höhere Umwandlungen als mit einem Katalysator allein. Somit kann der Einsatz teurer Katalysatoren reduziert werden, indem ein Teil des Katalysators durch eine ausreichende Menge an Sorptionsmittel ersetzt wird, um eine Zielumwandlung zu erreichen. Sorptionsmittel werden oft aus preiswerteren, nicht edlen Materialien hergestellt als die Edelmetall-Katalysatoren, wie beispielsweise Aluminiumoxide, Alkalimetalloxide oder natürlich vorkommende Mineralien wie beispielsweise Hydrotalcite. Auf diese Weise ermöglichen weniger teure Sorptionsmittel kostengünstigere und leistungsfähigere Systeme als die derzeit verfügbaren.
  • Der Begriff „Steuerung“ schließt alle Arten von Einrichtungen, Vorrichtungen und Maschinen zum Verarbeiten von Daten ein, in beispielhafter Weise einen programmierbaren Prozessor, einen Computer, ein System auf einem Chip (system on a chip) oder mehrere davon, einen Abschnitt eines programmierten Prozessors oder Kombinationen des Vorhergehenden einschließend. Die Vorrichtung kann einen zweckgebundenen Logikschaltkreis, z. B. einen FPGA oder eine ASIC, beinhalten. Die Vorrichtung kann zudem zusätzlich zur Hardware einen Code einschließen, der eine Ausführungsumgebung für das betreffende Computerprogramm erzeugt, z. B. einen Code, der Prozessorfirmware, einen Protokollstapel, ein Datenbankverwaltungssystem, ein Betriebssystem, eine plattformübergreifende Laufzeitumgebung, eine virtuelle Maschine oder eine Kombination aus einem oder mehreren davon darstellt. Die Vorrichtung und die Ausführungsumgebung können verschiedene unterschiedliche Rechenmodellinfrastrukturen verwirklichen, beispielsweise verteiltes Rechnen und Gitterrecheninfrastrukturen.
  • Ein Computerprogramm (auch als Programm, Skript oder Code bekannt) kann in jeder Form von Programmiersprache geschrieben sein, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, deklarativer oder prozeduraler Sprachen, und es kann in jeder Form eingesetzt werden, beispielsweise als eigenständiges Programm oder als Modul, Komponente, Subroutine, Objekt oder andere Einheit, die zur Verwendung in einer Rechenumgebung geeignet ist. Ein Computerprogramm kann, muss jedoch nicht, einer Datei in einem Dateisystem entsprechen. Ein Programm kann in einem Abschnitt einer Datei, der weitere Programme oder Daten enthält (z. B. ein oder mehrere in einem Auszeichnungssprachendokument gespeicherte Skripte) in einer einzelnen dedizierten Datei für das fragliche Programm oder in mehreren koordinierten Dateien (z. B. Dateien, in denen ein oder mehrere Module, Unterprogramme oder Teile von Code gespeichert sind) gespeichert sein.
  • Obwohl dieses Dokument viele spezifische Implementierungsdetails enthält, sollten diese nicht als Einschränkungen des Umfangs dessen aufgefasst werden, was beansprucht sein kann, sondern vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen, die spezifisch für bestimmte Implementierungen sind. Bestimmte, in dieser Patentschrift im Kontext separater Ausführungen beschriebene Merkmale können auch in Kombination in einer einzigen Ausführung umgesetzt werden. Im Gegensatz dazu können verschiedene, im Kontext einer einzigen Ausführung beschriebene Merkmale auch in mehreren Ausführungen separat oder in einer beliebigen, geeigneten Unterkombination umgesetzt werden. Zudem können, obwohl vorstehende Merkmale so beschrieben sein können, dass sie in bestimmten Kombinationen fungieren und auch anfänglich als solche beansprucht sind, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in manchen Fällen aus der Kombination ausgesondert werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
  • In ähnlicher Weise gilt, dass, obgleich Operationen in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, dies nicht so verstanden werden sollte, dass es erforderlich ist, dass diese Operationen in der bestimmten Reihenfolge oder in sequenzieller Reihenfolge durchgeführt werden, oder dass alle veranschaulichten Operationen durchgeführt werden, um wünschenswerte Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen kann die Trennung von verschiedenen Systemkomponenten in den oben beschriebenen Implementierungen nicht als Erfordern solcher Trennung in allen Implementierungen verstanden werden, und es sollte klar sein, dass die beschriebenen Komponenten und Systeme allgemein in ein einziges Produkt integriert sein können oder in mehreren Produkte auf greifbaren Medien verkörpert verpackt sein können.
  • Wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „etwa“, „im Wesentlichen“ und ähnliche Begriffe eine weitreichende Bedeutung haben, die im Einklang mit der gebräuchlichen und akzeptierten Verwendung durch den Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich der Gegenstand dieser Offenbarung bezieht, steht. Es ist für Fachleute, die diese Offenbarung lesen, offensichtlich, dass diese Begriffe eine Beschreibung bestimmter beschriebener und beanspruchter Merkmale zulassen sollen, ohne den Umfang dieser Merkmale auf die bereitgestellten, genauen numerischen Bereiche einzuschränken. Demgemäß sollen diese Begriffe so ausgelegt werden, dass sie angeben, dass unwesentliche oder unbedeutende Modifikationen oder Abänderungen an dem beschriebenen und beanspruchten Gegenstand als innerhalb des Umfangs der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt, liegend betrachtet werden. Zusätzlich wird festgestellt, dass Einschränkungen der Ansprüche für den Fall, dass der Begriff „Mittel“ darin nicht verwendet wird, nicht als „Mittel plus Funktion“-Einschränkungen unter den Patentgesetzen der USA darstellend zu interpretieren sind.
  • Die Begriffe „gekoppelt“ und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, bedeuten das direkte oder indirekte Verbinden zweier Komponenten miteinander. Diese Verbindung kann stationär (z. B. permanent) oder beweglich (z. B. entfernbar oder lösbar) geschehen. Dieses Verbinden kann dadurch erreicht werden, dass die zwei Komponenten oder die zwei Komponenten und beliebige weitere Zwischenkomponenten miteinander integral als ein einziger einheitlicher Körper ausgebildet sind, oder dass die zwei Komponenten oder die zwei Komponenten und beliebige weitere Zwischenkomponenten aneinander befestigt sind.
  • Die Begriffe „fluidgekoppelt“ oder „in Fluidverbindung“ und dergleichen, wie sie hierin verwendet werden, bedeuten, dass die zwei Komponenten oder Objekte einen zwischen den zwei Komponenten oder Objekten ausgebildeten Pfad aufweisen, in dem eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, Luft, gasförmiges Reduktionsmittel, gasförmiges Ammoniak usw. entweder mit oder ohne dazwischen geschalteten Komponenten oder Objekte strömen kann. Beispiele für Fluidkopplungen oder Konfigurationen zum Ermöglichen einer Fluidverbindung können Rohre, Kanäle oder jegliche anderen geeigneten Komponenten zum Ermöglichen des Strömens eines Fluids von einer Komponente zur anderen beinhalten.
  • Es ist wichtig zu beachten, dass die Konstruktion und Anordnung des in den vielfältigen beispielhaften Implementierungen gezeigten Systems lediglich veranschaulichender und nicht einschränkender Art sind. Es wird gewünscht, dass sämtliche Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Geistes und/oder Umfangs der beschriebenen Implementierungen fallen, geschützt sind. Während beispielsweise der Einsatz dieser Technologie für NO-Oxidationen in Fahrzeugkatalysatoren beispielhaft ist, versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Reaktion und Anwendung beschränkt ist. Vielmehr sind NO-Oxidationen in Fahrzeugkatalysatoren nur eine Ausführungsform, die für etwaige in Fahrzeugen stattfindenden chemischen Reaktionen beispielhaft sein soll. Es versteht sich auch, dass manche Merkmale nicht notwendig sind und Implementierungen, denen die verschiedenen Merkmale fehlen, als innerhalb des Umfangs der Anmeldung liegend betrachtet werden, wobei der Umfang durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird. Beim Lesen der Ansprüche ist beabsichtigt, dass bei der Verwendung von Worten wie „ein“, „eine“, „mindestens ein“ oder „mindestens ein Abschnitt“/„mindestens ein Anteil/Teil“ sowie deren Deklinationen nicht die Absicht besteht, den Anspruch auf nur einen Gegenstand zu begrenzen, sofern in dem Anspruch nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist. Soweit die Begriffe „mindestens ein Abschnitt“/„mindestens ein Anteil/Teil“ und/oder „ein Abschnitt“/„ein Anteil/Teil“ verwendet werden, kann der Gegenstand einen Abschnitt/einen Anteil/Teil und/oder den gesamten Gegenstand einschließen, sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62502937 [0001]

Claims (13)

  1. Nachbehandlungssystem für einen Motor, wobei das Nachbehandlungssystem Folgendes umfasst: einen Dieselpartikelfilter; eine Zersetzungskammer; ein Dosiermodul, das dazu konfiguriert ist, Reduktionsmittel in die Zersetzungskammer zu dosieren; und eine Katalysatorkomponente, die für die Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) konfiguriert ist, wobei die Katalysatorkomponente dazu konfiguriert ist, einen Strom von NO-haltigem, von dem Motor erzeugten Abgas aufzunehmen, um das NO-haltige Abgas mit einer Menge an Sauerstoffgas (O2) in Gegenwart eines Sorptionsmittels und eines Katalysators umzusetzen, wobei das Sorptionsmittel dazu ausgelegt ist, eine Menge an Stickstoffdioxid (NO2) zu adsorbieren, um eine Gleichgewichtsbegrenzung einer NO-Oxidationsreaktion für das NO-haltige Abgas zu überschreiten.
  2. System nach Anspruch 1, wobei das Gewichtsverhältnis des katalytischen Materials zum Sorptionsmittel in der Katalysatorkomponente ungefähr 1:3 beträgt.
  3. Systems nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Katalysatorkomponente eine Dieseloxidationskatalysatorkomponente ist.
  4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sorptionsmittel dazu ausgelegt ist, eine Umkehrreaktion von NO2 zu NO und O2 zu unterdrücken.
  5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sorptionsmittel dazu ausgelegt ist, die Geschwindigkeit der Vorwärtsreaktion in einer reversiblen Reaktion zu erhöhen.
  6. System nach Anspruch 5, wobei das Sorptionsmittel dazu ausgelegt ist, die Geschwindigkeit zur Bildung von NO2 zu erhöhen.
  7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Sorptionsmittel dazu ausgelegt ist, NO2 einzufangen, ohne NO einzufangen.
  8. Verfahren zur Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) in einem katalytischen System, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: die Aufnahme von NO-haltigem, von einem Motor erzeugten Abgas an einer Katalysatorkomponente; das Umsetzen des NO-haltigen Abgases mit einer Menge an Sauerstoffgas (O2) in Gegenwart eines Sorptionsmittels und eines Katalysators in der Katalysatorkomponente; und die Adsorption einer Menge an Stickstoffdioxid (NO2) mit dem Sorptionsmittel, um eine Gleichgewichtsbegrenzung einer NO-Oxidationsreaktion für das NO-haltige Abgas zu überschreiten.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, das ferner die periodische Regenerierung des Sorptionsmittels umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, das ferner die kontinuierliche Regenerierung des Sorptionsmittels umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, das ferner die Unterdrückung der Umkehrreaktion von NO2 zu NO und O2 umfasst.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Katalysatorkomponente eine Dieseloxidationskatalysatorkomponente ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei NO-haltiges Abgas, das in die Katalysatorkomponente eintritt, eine Temperatur von 500 °C aufweist.
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