DE102019101486A1 - Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

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Ekkehard Pott
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem Oxidationskatalysator (10), eine relativ zum Oxidationskatalysator (10) stromabwärts angeordnete Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (20), welche mit dem Oxidationskatalysator (10) zur Durchführung eines Abgases strömungsverbunden ist und einen relativ zur Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (20) stromabwärts angeordneten Partikelfilter (30), welcher mit der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (20) zur Durchführung des Abgases strömungsverbunden ist. Ferner ist ein elektrisches Heizelement (14) eingerichtet zur Erwärmung des Abgases vorgesehen, und welches derart positioniert ist, zumindest einen Teil des Oxidationskatalysators (10) zu erwärmen. Der Oxidationskatalysator (10) umfasst dabei zumindest zwei räumlich voneinander getrennte Beschichtungsabschnitte (12, 16) mit voneinander unterschiedlicher Beschichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für Verbrennungsmotoren sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.
  • Zur Erreichung zukünftiger Emissionsstandards, in denen das Emissionsverhalten unter realen Straßenbedingungen (RDE) eine zunehmende Bedeutung erlangt, ist es von besonderer Wichtigkeit, die einzelnen Komponenten der Abgasnachbehandlung so schnell wie möglich nach Motorstart bei guten und sehr guten Umsätzen betreiben zu können und diese guten Umsätze auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Aktuelle Abgasnachbehandlungssysteme bedürfen hinsichtlich ihrer Umsätze bei niedrigen Temperaturen für zukünftige Anforderungen der Emissionsgesetzgebung stets Optimierungen.
  • Bisher wurden hierzu intensive motorische Heizmaßnahmen durchgeführt oder energetisch relativ aufwendige Zusatzbrenner zur Aufheizung der Abgasanlage eingebaut.
  • Die DE 10 2008 013 777 B4 und die DE 10 2015 013 284 A1 zeigen eine Abgasnachbehandlungsanlage mit einem einheitlichen Oxidationskatalysator und einer stromabwärts positionierten Einrichtung zur selektiven Reduktion, wobei stromaufwärts ein elektrisches Heizelement zur Abgaserwärmung positioniert ist.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, hohe Umsatzraten und damit Reduzierung der Abgasemissionen insbesondere bei niedrigen Temperaturen während der Kaltstart- und Aufheizphase des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor gelöst. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Oxidationskatalysator. Ferner umfasst das Abgasnachbehandlungssystem eine relativ zum Oxidationskatalysator stromabwärts angeordnete Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion, welche mit dem Oxidationskatalysator zur Durchführung des Abgases strömungsverbunden ist. Des Weiteren umfasst das Abgasnachbehandlungssystem einen relativ zur Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion stromabwärts angeordneten Partikelfilter, welcher mit der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion zur Durchführung des Abgases strömungsverbunden ist. Ferner umfasst das Abgasnachbehandlungssystem ein elektrisches Heizelement eingerichtet zur Erwärmung des Abgases, welches derart positioniert ist, zumindest einen Teil des Oxidationskatalysators zu erwärmen. Der Oxidationskatalysator umfasst zumindest zwei räumlich voneinander getrennte Beschichtungsabschnitte mit voneinander unterschiedlicher Beschichtung.
  • Der Oxidationskatalysator ist bevorzugt ein Dieseloxidationskatalysator. Mittels der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) dem Abgasstrom beigemischt. Unter der Bezeichnung der räumlichen Trennung ist zu verstehen, dass die Abschnitte sich nicht überschneiden, sich jedoch kontaktieren können. Das Heizelement ist bevorzugt als eine Heizscheibe ausgebildet, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Heizscheibe kann dabei Teil eines elektrischen Katalysators sein. Durch elektrische Aufheizung wird zumindest ein Teil des Oxidationskatalysators aufgeheizt. Beispielsweise kann so in kurzer Zeit die Light-Off-Temperatur für Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) erreicht werden. Zudem erfolgt zeitlich betrachtet schneller eine Umsetzung von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2), sodass früher ein Verhältnis von 1:1 erreicht wird oder sogar ein Überschuss von NO2 gegenüber NO erzielt werden kann.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt mitunter darin, dass die Kombination aus Heizung einerseits und durch die verschiedenen Beschichtungen das NO/NO2-Verhältnis von etwa 1:1 zeitlich schneller und auch bei vergleichsweise niedriger Abgastemperatur gebildet werden kann und auch auch die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen durch Beschichtungen verbessert werden kann. Hierzu sind als Edelmetalle bevorzugt reine Pt-Beschichtungen oder Pt-Pd-Beschichtungen mit einem Verhältnis 20:1 bis 1:1, bevorzugt 10:1 bis 2:1, ideal 5:1 bis 3:1 einzusetzen. Dabei können mit Pt-Pd-Beschichtungen bekanntermaßen besonders wirksam HC und CO oxidiert werden, während reine Pt-Beschichtungen besonders effektiv NO zu NO2 oxidieren. Die bevorzugte Edelmetallbeladung liegt bei 10 bis 200 g/ft3, besonders 30 bis 130 g/ft3, ideal 40 bis 100 g/ft3, perfekt 60 bis 80 g/ft3.
  • Ferner wird durch die Erwärmung des Abgases und dessen Strompfad auch Wärme auf die Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion übertragen. Dadurch kann auch die Freigabe der Harnstoff-Wasser-Lösung nach einem Motor-Kaltstart früher erfolgen. Zudem wird auch der Partikelfilter früher erwärmt, sodass eine schnelle und gute Reduzierung der NOx-Emissionen erfolgen kann. Die Beheizung in Kombination mit der unterschiedlichen Beschichtung kann vorteilhaft dazu verwendet werden, ein optimiertes NO/NO2-Verhältnis zu erhalten. Durch verbessertes NO/NO2-Verhältnis, aufbereitetes NH3 und warmen Partikelfilter lässt sich so eine verbesserte Gesamtumsetzung in einem nachgeschalteten Katalysator oder einem beschichteten Partikelfilter erzielen.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement relativ zum Oxidationskatalysator stromaufwärts positioniert ist. Dadurch kann Einfluss auf die Aufheizung der nachfolgenden Strecke, also insbesondere des Oxidationskatalysators zur Erreichung des HC-CO-Light-Offs und Einstellung des NO/NO2-Verhältnisses genommen werden. Die Position und die verwendeten Beschichtungen sind auch hier optimierbar.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement in dem Oxidationskatalysator integriert ist. Mit dem integrierten Heizelement wird ein elektrisch beheizbarer Katalysator (E-Kat) ausgebildet. Das Heizelement kann dann gezielt einen bestimmten Teil des Oxidationskatalysators beheizen.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist das elektrische Heizelement zwischen zwei Beschichtungsabschnitten mit unterschiedlicher Beschichtung positioniert. Dadurch kann der stromabwärts positionierte Beschichtungsabschnitt gezielt erwärmt werden. Zudem rückt das Heizelement räumlich näher an die Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion und zum Partikelfilter, sodass diese ebenfalls besser erwärmt werden.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung des relativ zum elektrischen Heizelement stromabwärts positionierten Beschichtungsabschnitts derart ausgebildet ist, Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid umzusetzen und/oder dass die Beschichtung des relativ zum elektrischen Heizelement stromaufwärts positionierten Beschichtungsabschnitts derart ausgebildet ist, Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenstoffmonoxid zu oxidieren. Somit kann zeitlich betrachtet relativ schnell ein gewünschtes Verhältnis von NO/NO2 von ungefähr 1:1 auch bei niedrigen Abgastemperaturen, zum Beispiel bei 150-250°C, erzeugt werden.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter zumindest zwei voneinander räumlich getrennte Beschichtungsabschnitte aufweist, wobei die Beschichtungsabschnitte eine voneinander unterschiedliche Beschichtung zur selektiven Reduktion aufweisen. Die mehreren Beschichtungen können nun derart ausgebildet sein, dass diese mit dem oder den beheizten und aufgeteilten Oxidationskatalysator optimal zusammenwirken. Bevorzugt können Beschichtungen für einen ersten Beschichtungsabschnitt, welcher stromaufwärts positioniert ist, ausgebildet werden, welche bei gutem NO/NO2-Verhältnis, das heißt in der Nähe von 1, und eher geringeren Temperaturen, zum Beispiel bei 150-250°C, umsatzstark sind.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster stromaufwärts positionierter Beschichtungsabschnitt als Beschichtung zur selektiven Reduktion Eisen-Zeolith aufweist und/oder ein zweiter stromabwärts positionierter Beschichtungsabschnitt als Beschichtung zur selektiven Reduktion Kupfer-Zeolith aufweist. Eisen-Zeolith weist eine sehr gute NOx-Reduktion bei niedrigen Abgastemperaturen von beispielsweise 150 bis 250°C unter der Bedingung eines sehr guten NO/NO2-Verhältnisses auf, wie es durch den vorgelagerten beheizten Oxidationskatalysator erzeugt wird. Kupfer-Zeolith ist hingegen besonders alterungsstabil und eher unempfindlich gegenüber unterschiedlichen NO/NO2-Verhältnissen. Durch die Kombination werden beide Vorteile ausgenutzt, insbesondere die hohen Umsätze durch das Eisen-Zeolith.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Volumenverhältnis von erstem Beschichtungsabschnitt zu zweitem Beschichtungsabschnitt zwischen 10:90 und 40:60, insbesondere zwischen 20:80 und 30:70 oder bei 25:75 liegt. Somit stellt der zweite Beschichtungsabschnitt mit alterungsbeständigem Kupfer-Zeolith weiterhin den Hauptteil des Partikelfilters dar, wobei mit dem kleineren beschichteten Eisen-Zeolith hohe Umsätze im Niedrigtemperaturbereich und bei gutem NO/NO2-Verhältnis im Bereich um 1:1 erzielt werden. Eine genaue Aufteilung ist Teil des Optimierungsprozesses des Gesamtverfahrens.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Strömungspfad des Abgases zwischen der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion und dem Partikelfilter ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion positioniert ist. So kann auf eine abschnittsweise Beschichtung beziehungsweise Zonung verzichtet werden und das System vereinfacht werden. Insbesondere können sich dann Material, Zellzahl, Zellform und Wandstärke des Katalysators von dem des Partikelfilters unterscheiden, sodass ein Optimierungsfreiheitsgrad für das Gesamtsystem gewonnen wird.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion mit Eisen-Zeolith beschichtet ist und der Partikelfilter mit Kupfer-Zeolith beschichtet ist. Hier werden wieder die Vorteile des Eisen-Zeoliths ausgenutzt, welches eine sehr gute NOx-Reduktion bei niedrigen Abgastemperaturen von beispielsweise 150 bis 250°C unter der Bedingung eines sehr guten NO/NO2-Verhältnisses aufweist, wie dies durch den vorgelagerten beheizten Oxidationskatalysator erzeugt wird. Kupfer-Zeolith ist hingegen besonders alterungsstabil und eher unempfindlich gegenüber unterschiedlichen NO/NO2-Verhältnissen. Das Volumenverhältnis kann wie bei dem in Beschichtungsabschnitte aufgeteilten Partikelfilter erfolgen, also zwischen 10:90 und 40:60, insbesondere zwischen 20:80 und 30:70 oder bei 25:75 liegen.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion eine Masse aufweist, welche um mehr als 10, 20, 30 oder 50% unterhalb der Gesamtmasse aus Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion und Partikelfilter liegt. Das heißt, bei einer angenommen Volumenaufteilung von 25:75 liegt der Massenanteil des Katalysators bei 22,5; 20; 17,5; 12,5% an der Gesamtmasse von Katalysator und Partikelfilter. Dadurch wird im Interesse eines schnellen Light-Offs eine geringe thermische Trägheit des vorgeschalteten Eisen-Zeolith-Katalysators vorteilhaft erzielt.
  • Des Weiteren wird ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach einem der vorherigen Ausführungen beschrieben.
  • Auch für das Fahrzeug ist eine weitere Optimierung wegen der hohen NOx-Umsatzrate möglich. Beispielsweise können Fahrzeuge mit Dieselmotor und NOx-Endrohremissionen von nicht mehr als 35; 20; 25; 20; 10 mg/km im sogenannten WLTP-Zyklus, wobei WLTP für Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure steht, ein Volumen des Partikelfilters beziehungsweise der Einheit aus Partikelfilter und vorgeschaltetem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von nicht mehr als 2,2; 2,0; 1,8; 1,6; 1,3 dm3 pro dm3 Motorhubvolumen aufweisen. Da aufgrund der optimierten Niedertemperaturaktivität mit hohen NOx- Umsatzraten gerechnet wird, ist bezüglich des gegenüber dem Stand der Technik sehr hohen Bedarfs an NO -> NO2-Oxidationen eine Rücknahme der Anforderungen möglich. Daher kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass Fahrzeuge mit Dieselmotor und NOx-Endrohremissionen nicht höher als 35; 30; 25; 20; 15; 10 mg/km im WLTP-Zyklus eine spezifische Edelmetall-Summenbeladung von Platin (Pt) und Paladium (Pd) des vorgeschalteten Oxidationskatalysators von nicht mehr als 180; 160; 140; 120; 100; 80; 50 g/ft3 aufweisen, wobei 1ft einer Länge von 30,48 cm entspricht.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
    • 2 ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem 1 für einen Verbrennungsmotor nach einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Abgasnachbehandlungssystem 1 umfasst einen Oxidationskatalysator 10. Dieser ist insbesondere ein Dieseloxidationskatalysator. Der Oxidationskatalysator 10 ist in dieser Ausführung beispielhaft an einen Abgaskanal 5 angeschlossen, an welchem ein Abgaseinlass 3 vorgesehen ist. Beispielsweise kann somit Abgas von einem hier nicht eingezeichneten Verbrennungsmotor, insbesondere eines Dieselmotors, in das Abgasnachbehandlungssystem 1 über den Abgaseinlass 3 einströmen.
  • Relativ zum Oxidationskatalysator 10 ist stromabwärts eine Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion 20 angeordnet. Die Stromrichtung des Abgasstrompfades ist in der 1 wie auch in der folgenden 2 durch Pfeile eingezeichnet. Die Einrichtung zur selektiven katalytischen Funktion ist mit dem Oxidationskatalysator 10 zur Durchführung des Abgases strömungsverbunden. Rein beispielhaft weist die Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion ein steuerbares Dosierventil 22 auf. Über dieses steuerbare Dosierventil 22 kann dem vorbeiströmenden Abgas eine Harnstoff-Wasser-Lösung 24 zugeführt werden. Ferner ist beispielhaft ein Mischer 26 bereitgestellt, welcher gegenüber dem Dosierventil 22 stromabwärts positioniert ist und dazu eingerichtet ist, die Harnstoff-Wasser-Lösung 24 mit dem Abgas zu mischen beziehungsweise zu homogenisieren. Abgas und Harnstoff-Wasser-Lösung 24 vermischen sich auf einer Mischstrecke 28, insbesondere stromabwärts des Mischers 26, um die gewünschten chemischen Reaktionen einleiten beziehungsweise einleiten zu können.
  • Des Weiteren ist relativ zur Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion 20 stromabwärts ein Partikelfilter 30 positioniert, welcher mit der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion 20 zur Durchführung des Abgases strömungsverbunden ist. Insbesondere befindet sich der Partikelfilter 30 stromabwärts von dem Mischer 20. Der Partikelfilter ist insbesondere ein Dieselrußpartikelfilter, noch bevorzugter ein beschichteter Dieselrußpartikelfilter. An den Partikelfilter 30 schließt ferner beispielhaft ein Abgaskanal 5 und ein Abgasauslass 7 an.
  • Ferner ist ein zur Erwärmung von Abgas eingerichtetes elektrisches Heizelement 14 bereitgestellt. Dieses ist derart positioniert, zumindest einen Teil des Oxidationskatalysators 10 zu erwärmen. Der Oxidationskatalysator 10 umfasst dabei zumindest zwei räumlich voneinander getrennte Beschichtungsabschnitte 12, 16 mit voneinander unterschiedlicher Beschichtung. Die unterschiedlichen Beschichtungen und der Beschichtungsabschnitte 12, 16 haben in Kombination mit dem elektrischen Heizelement 14 den Vorteil, ein optimiertes NO/NO2-Verhältnis im Bereich von 1:1 schon bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen, zum Beispiel im Bereich von 150-250°C, zu erreichen, aber auch die HC- und CO-Oxidation durch Beschichtung zu verbessern. Dazu kann gezielte Auswahl für das Material erfolgen.
  • In dieser Ausführung ist eine Heizscheibe als Heizelement 14 verwendet, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Nur rein beispielhaft sind in dieser Ausführung Stützstifte 18 vorgesehen zur Stützung der Heizscheibe am Katalysator, wobei dies nur eine spezielle Ausführung ist und die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
  • In dieser Ausführungsform ist das elektrische Heizelement 14 innerhalb des Oxidationskatalysators 10 integriert, um eine gezielte Erwärmung bestimmter Bereiche erzielen zu können. In alternativer Ausführung kann das Heizelement 14 auch stromaufwärts vom Oxidationskatalysator 10 positioniert werden, sodass die nachfolgenden Streckenbereiche aufgewärmt werden, insbesondere der Oxidationskatalysator 10 und insbesondere dann der erste Beschichtungsabschnitt 12.
  • Insbesondere ist in dieser beispielhaften Ausführungsform das Heizelement 14 zwischen zwei Beschichtungsabschnitten 12, 16 mit unterschiedlicher Beschichtung positioniert, wodurch der stromabwärts positionierte zweite Beschichtungsabschnitt 16 besonders schnell erwärmt wird. Das Heizelement 14 kann zum Beispiel nach Motorstart mit einer Spannung von beispielsweise 12 V oder bevorzugt 48 V bei 0,5 kW bis 10kW, noch bevorzugter bei 1 kW bis 4 kW Leistung angesteuert werden. Der stromabwärts positionierte zweite Beschichtungsabschnitt 16 kann dann beispielsweise in 80 s bis 150 s der CO- beziehungsweise HC-Light-Off erreichen und die Umsetzung von NO in NO2 beginnen.
  • Insbesondere ist in dieser Ausführungsform beispielhaft die Beschichtung des relativ zum elektrischen Heizelement 14 stromabwärts positionierten zweiten Beschichtungsabschnitts 16 derart ausgebildet, Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid umzusetzen. Auch ist hierbei beispielhaft und mit Vorteil die Beschichtung des relativ zum elektrischen Heizelement 14 stromaufwärts positionierten ersten Beschichtungsabschnitts 12 derart ausgebildet, Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenstoffmonoxid zu oxidieren. In Kombination mit dem Heizelement 14 kann so ein schnelles NO/NO2-Verhältnis von etwa 1 hergestellt werden. Zudem wird die erzeugte Wärme auch schnell auf die SCR-Einrichtung 20 übertragen, sodass eine frühe Freigabe der Harnstoff-Wasser-Lösung erfolgt. Diese kann zum Beispiel bei der oben beschriebenen Ansteuerung nach ca. 50 s bis 180 s erreicht sein.
  • In dieser vorliegenden beispielhaften Ausführungsform weist der Partikelfilter 30 zwei voneinander räumlich getrennte Beschichtungsabschnitte 32, 34 auf. Die Beschichtungsabschnitte 32, 34 weisen dabei eine voneinander unterschiedliche Beschichtung zur selektiven Reduktion auf. Diese sind gezielt darauf ausgerichtet, bei eher niedrigen Temperaturen und gutem NO/NO2-Verhältnis eine hohe Umsetzung zu erzielen. Dazu kann insbesondere ein stromaufwärts positionierter erster Beschichtungsabschnitt 32 als Beschichtung zur selektiven Reduktion Eisen-Zeolith aufweisen und ein stromabwärts positionierter zweiter Beschichtungsabschnitt 34 als Beschichtung zur selektiven Reduktion Kupfer-Zeolith aufweisen. Eisen-Zeolith weist eine sehr gute NOx-Reduktion bei niedrigen Abgastemperaturen von beispielsweise 150 bis 250°C unter der Bedingung eines sehr guten NO/NO2-Verhältnisses, wie es durch den vorgelagerten beheizten Oxidationskatalysator 10 erzeugt wird. Kupfer-Zeolith ist hingegen besonders alterungsstabil und eher unempfindlich gegenüber unterschiedlichen NO/NO2-Verhältnissen. Durch die Kombination werden beide Vorteile ausgenutzt, insbesondere hohe Umsätze durch das Eisen-Zeolith bei eher niedrigen Temperaturen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die erfolgte Materialauswahl beschränkt.
  • In diesem Beispiel ist ferner das Volumenverhältnis von erstem Beschichtungsabschnitt 32 zu zweitem Beschichtungsabschnitt 34 mit 25:75 ausgebildet. Die genaue Aufteilung ist dabei Teil des gesamten Optimierungsprozesses. Zum Beispiel können diese Anteile um 10-15% variieren, also Verhältnisse von 10:90 und 40:60 vorliegen. In Ausführungsformen mit einschichtigen Beschichtungen ist eine Beschichtung mit Kupfer-Zeolith bevorzugt.
  • 2 zeigt ein Abgasnachbehandlungssystem 1 für einen Verbrennungsmotor nach einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Abgasnachbehandlungssystem 1 unterscheidet sich in dieser Ausführungsform lediglich durch die Komponenten stromabwärts von der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion 20, sodass in der Beschreibung nur auf diese Unterschiede eingegangen wird.
  • Im Strömungspfad des Abgases ist zwischen der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion 20 und dem Partikelfilter 30 ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion 40 (SCR-Katalysator) positioniert. Der SCR-Katalysator 40 ist hierbei beispielhaft mit Eisen-Zeolith beschichtet. Der Partikelfilter 30 ist ferner mit Kupfer-Zeolith beschichtet. Allgemein formuliert weisen also der SCR-Katalysator 40 eine ersten Beschichtung auf und der Partikelfilter 30 eine zweite Beschichtung, wobei sich erste Beschichtung und zweite Beschichtung voneinander unterscheiden. So kann die erste Beschichtung des SCR-Katalysators 40 beispielsweise dazu eingerichtet sein, im Niedertemperataturbereich, das heißt bei 150°-250°C und optimiertem NO/NO2-Verhältnis, eine gute Umwandlung zu erzielen, was beispielhaft mit dem Eisen-Zeolith erzielt werden kann. Das Volumenverhältnis kann dabei wie in 1 für den zweifach beschichteten Partikelfilter 30 gewählt werden, also zum Beispiel zwischen 10:90 und 40:60, insbesondere zwischen 20:80 und 30:70 oder bei 25:75 liegen. Im Vergleich zu 1 kann auf eine abschnittsweise Beschichtung beziehungsweise Zonung verzichtet werden und das System so vereinfacht werden. Insbesondere können sich dann Material, Zellzahl, Zellform und Wandstärke des Katalysators von dem des Partikelfilters unterscheiden, sodass ein Optimierungsfreiheitsgrad für das Gesamtsystem gewonnen wird.
  • Der Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion 40 weist bevorzugt eine Masse auf, welche um mehr als 10, 20, 30 oder 50 % unterhalb der Gesamtmasse aus Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion 40 und Partikelfilter 30 liegt. Durch den geringeren Massenanteil ist ein schnelles Light-Off mit geringer thermischer Trägheit erzielt. Hier werden wieder die Vorteile des Eisen-Zeoliths ausgenutzt, welches eine sehr gute NOx-Reduktion bei niedrigen Abgastemperaturen von beispielsweise 150 bis 250°C unter der Bedingung eines sehr guten NO/NO2-Verhältnisses aufweist, wie es durch den vorgelagerten beheizten Oxidationskatalysator erzeugt wird.
  • Bevorzugt weist der SCR-Katalysator 40 eine Masse auf, welche um mehr als 10, 20, 30 oder 50% unterhalb der Gesamtmasse aus SCR-Katalysator 40 und Partikelfilter 30 liegt. Das heißt, bei einer angenommen Volumenaufteilung von 25:75 liegt der Massenanteil des Katalysators bei 22,5; 20; 17,5; 12,5% an der Gesamtmasse von Katalysator und Partikelfilter. Dadurch wird im Interesse eines schnellen Light-Offs eine geringe thermische Trägheit des vorgeschalteten SCR-Katalysators 40 vorteilhaft erzielt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abgasnachbehandlungssystem
    3
    Abgaseinlass
    5
    Abgaskanal
    7
    Abgasauslass
    10
    Oxidationskatalysator
    12
    erster Beschichtungsabschnitt
    14
    elektrisches Heizelement
    16
    zweiter Beschichtungsabschnitt
    18
    Stützstift
    20
    Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Einrichtung)
    22
    Dosierventil
    24
    Wasser-Harnstoff-Lösung
    26
    Mischer
    28
    Mischstrecke
    30
    Partikelfilter
    32
    erster Beschichtungsabschnitt
    34
    zweite Beschichtungsabschnitt
    40
    Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008013777 B4 [0004]
    • DE 102015013284 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Abgasnachbehandlungssystem (1) für einen Verbrennungsmotor, umfassend: - einen Oxidationskatalysator (10); - eine relativ zum Oxidationskatalysator (10) stromabwärts angeordnete Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (20), welche mit dem Oxidationskatalysator (10) zur Durchführung eines Abgases strömungsverbunden ist; - einen relativ zur Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (20) stromabwärts angeordneten Partikelfilter (30), welcher mit der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (20) zur Durchführung des Abgases strömungsverbunden ist; - ein elektrisches Heizelement (14) eingerichtet zur Erwärmung des Abgases, und welches derart positioniert ist, zumindest einen Teil des Oxidationskatalysators (10) zu erwärmen; dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (10) zumindest zwei räumlich voneinander getrennte Beschichtungsabschnitte (12, 16) mit voneinander unterschiedlicher Beschichtung umfasst.
  2. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (14) relativ zum Oxidationskatalysator (10) stromaufwärts positioniert ist.
  3. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (14) in dem Oxidationskatalysator (10) integriert ist.
  4. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (14) zwischen zwei Beschichtungsabschnitten (12, 16) mit unterschiedlicher Beschichtung positioniert ist.
  5. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des relativ zum elektrischen Heizelement (14) stromabwärts positionierten Beschichtungsabschnitts (16) derart ausgebildet ist, Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid umzusetzen und/oder dass die Beschichtung des relativ zum elektrischen Heizelement (14) stromaufwärts positionierten Beschichtungsabschnitts (12) derart ausgebildet ist, Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenstoffmonoxid zu oxidieren.
  6. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (30) zumindest zwei voneinander räumlich getrennte Beschichtungsabschnitte (32, 34) aufweist, wobei die Beschichtungsabschnitte (32, 34) eine voneinander unterschiedliche Beschichtung zur selektiven Reduktion aufweisen.
  7. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromaufwärts positionierter erster Beschichtungsabschnitt (32) als Beschichtung zur selektiven Reduktion Eisen-Zeolith aufweist und ein stromabwärts positionierter zweiter Beschichtungsabschnitt (34) als Beschichtung zur selektiven Reduktion Kupfer-Zeolith aufweist.
  8. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungspfad des Abgases zwischen der Einrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (20) und dem Partikelfilter (30) ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (40) positioniert ist, welcher eine gegenüber dem Partikelfilter (30) unterschiedliche Beschichtung aufweist.
  9. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (40) mit Eisen-Zeolith beschichtet ist und der Partikelfilter (30) mit Kupfer-Zeolith beschichtet ist.
  10. Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche umfasst.
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