DE102020127267A1

DE102020127267A1 - Nachbehandlungssystem und -verfahren

Info

Publication number: DE102020127267A1
Application number: DE102020127267.7A
Authority: DE
Inventors: Wade J. Robel; Matthew T. Wolk
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2021-04-29
Also published as: CN112727570A; US11156143B2; US20210123366A1

Abstract

Ein Nachbehandlungssystem (160) zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor (100) umfasst in Reihe geschaltet einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) (162), einen Dieselpartikelfilter (DPF) (170) stromabwärts des DOC (162) und einen primären Katalysator zur selektiven Katalysator-Reduktion (SCR) (180) stromabwärts des DPF (170). Ein zusätzlicher SCR-Katalysator (190) ist stromaufwärts des DOC, DPF (170) und des primären SCR-Katalysators (180) angeordnet, um die Rohabgase des Verbrennungsmotors (100) aufzunehmen. Der zusätzliche SCR-Katalysator (190) kann eine SCR-Reaktion an den Rohabgasen durchführen, bis der zusätzliche SCR-Katalysator (190) eine Reaktionstemperatur (324) erreicht hat, zu welchem Zeitpunkt der zusätzliche SCR-Katalysator (190) die SCR-Reaktion durchführen kann.

Description

Gebiet der Technik
Diese Patentoffenbarung betrifft im Allgemeinen ein Abgasnachbehandlungssystem zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor und insbesondere ein System und Verfahren zur Anwendung der selektiven katalytischen Reduktion.
Stand der Technik
Es wurden verschiedene Systeme und Verfahren entwickelt, um bestimmte Emissionen und Nebenprodukte in den Abgasen von Verbrennungsmotoren zu reduzieren, von denen einige direkt als Reaktion auf die von der Regierung erlassenen Vorschriften über solche Emissionen entwickelt wurden. Diese Systeme können in situ mit dem Verbrennungsvorgang arbeiten, wie beispielsweise Brennstoffzusätzen und dergleichen. Andere Systeme können stromabwärts im Abgassystem angeordnet sein, um mit den Abgasen zu interagieren, und können als Nachbehandlungssysteme bezeichnet werden. Ein Beispiel für ein Nachbehandlungssystem ist ein Filtrationssystem wie ein Dieselpartikelfilter (DPF), das Elemente wie Partikel und Ruß, die zum Beispiel durch eine unvollständige Verbrennung von Brennstoff entstehen können, aus den Abgasen filtert und entfernt. Da der Filter Partikel physikalisch einfängt und ansammelt, beginnt er irgendwann, den Abgasstrom zu behindern, und erfordert daher in der Regel eine regelmäßige Reinigung, die durch ein als „Filterregeneration“ bezeichnetes Verfahren durchgeführt werden kann. Die Filterregeneration kann entweder aktiv oder passiv erfolgen. Die aktive Regeneration erfolgt in der Regel unter Verwendung einer zusätzlichen Wärmequelle, beispielsweise durch Einleiten und Verbrennen von zusätzlichem Brennstoff in das Abgassystem, um die vom Filter aufgefangenen Partikel abzubrennen. Die passive Regeneration erfolgt bei normalen Abgastemperaturen und erfordert keine zusätzliche Wärmequelle. Allerdings erfordert die passive Regeneration in der Regel, dass der Filter mit speziellen katalytischen Materialien beschichtet wird, um die chemischen Umwandlungen einzuleiten, die während der passiven Regeneration stattfinden, oder dass spezielle katalytische Beschichtungen vor dem Filter vorgesehen werden, um die damit verbundenen chemischen Reaktionen für eine passive Regeneration zu bewirken.
Andere Beispiele für ein Nachbehandlungssystem sind solche, die einen im Abgasstrom angeordneten Katalysator verwenden, um die Abgase direkt in unschädlichere Chemikalien umzuwandeln. Bei einem chemischen Verfahren, das als selektive katalytische Reduktion (SCR) bezeichnet wird, nimmt beispielsweise ein Katalysator mit einem Durchflusssubstrat, das aus einem unedlen Metall wie Vanadium hergestellt oder damit beschichtet ist, die heißen Abgase auf, die vom Verbrennungsmotor ausgestoßen werden. Ein gasförmiges oder flüssiges Reduktionsmittel wird in das Abgassystem eingeführt und kann die Abgase vermischen oder am Katalysator absorbiert werden. Ein gebräuchliches Reduktionsmittel oder eine Dieselabgasflüssigkeit (DEF) ist Harnstoff, obwohl auch andere geeignete Substanzen wie Ammoniak in einem SCR-Verfahren verwendet werden können. Stickoxide wie NO und NO₂, manchmal auch als NOx bezeichnet, reagieren mit dem DEF in Gegenwart des Katalysators, sodass NOx in Stickstoff (N₂) und Wasser (FhO) umgewandelt wird. Ein weiteres Beispiel für ein katalytisches Nachbehandlungssystem ist ein Diesel-Oxidationskatalysator (DOC), bei dem ein Katalysator aus Palladium, Platin oder einem anderen Edelmetall katalytisch mit Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (CxHx) in den Abgasen zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) oxidiert.
In Fällen, in denen der Verbrennungsmotor von signifikanter Größe ist, z. B. in der Größenordnung von mehreren hundert PS oder Kilowatt, kann der Motor mit mehreren Nachbehandlungssystemen betrieben werden, die mit verschiedenen Emissionen und Nebenprodukten in den Abgasen interagieren sollen. Es versteht sich jedoch, dass die Kombination mehrerer verschiedener Nachbehandlungssysteme zusammengenommen Verpackungsherausforderungen und Bedenken hinsichtlich Größe, Gewicht und Kosten mit sich bringt. Das U.S.-Patent Nr. 9,879,581 („das '581-Patent“) beschreibt ein Nachbehandlungssystem mit einem Diesel-Oxidationskatalysator, einem Dieselpartikelfilter und einem selektiven katalytischen Reduktionskatalysator, die im kooperativen Betrieb zusammen angeordnet sind. Die vorliegende Anmeldung richtet sich auch auf neuartige Anordnungen und Verfahren zur Nachbehandlung von Motorabgasen.
Kurzdarstell ung
Die Offenbarung beschreibt in einem Aspekt ein Nachbehandlungssystem zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor. Das Nachbehandlungssystem beinhaltet einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) zur Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (CxHx) in den Abgasen zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O). Das Nachbehandlungssystem beinhaltet zudem einen Dieselpartikelfilter (DPF), der stromabwärts des DOC angeordnet ist, um die Abgase aufzunehmen, und operativ so ausgebildet ist, dass er Partikel aus den Abgasen auffängt. Dem DPF nachgeschaltet ist ein primärer selektiver katalytischer Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator) zur Reduzierung von Stickoxiden (NOx) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O). Ein zusätzlicher SCR-Katalysator kann stromaufwärts des DOC angeordnet und eng an diesen angekoppelt sein, um Rohabgase aufzunehmen, und kann Stickoxide (NOx) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduzieren, wenn der primäre SCR-Katalysator nicht in Betrieb ist.
In einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor. Gemäß diesem Verfahren werden die Rohabgase an einem zusätzlichen selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator) empfangen und mit Dieselabgasflüssigkeit (DEF) zur Reaktion gebracht, um während eines Startmodus des Verbrennungsmotors Stickoxide (NOx) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) zu reduzieren. Danach werden die Abgase vom zusätzlichen SCR-Katalysator zu einem Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) und zu einem Dieselpartikelfilter (DPF) stromabwärts des zusätzlichen SCR-Katalysators geleitet. Ein primärer SCR-Katalysator kann die Abgase aus dem DOC und dem DPF, gemischt mit DEF, aufnehmen, um NOx während eines laufenden Betriebs des Verbrennungsmotors zu N₂ und H₂O zu reduzieren.
In einem weiteren Aspekt beschreibt die Offenbarung ein Kompaktmodul für die Nachbehandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor. Das Kompaktmodul beinhaltet ein stromaufwärtiges Modulgehäuse, in dem ein zusätzlicher selektiver katalytischer Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator) und ein Diesel-Oxidationskatalysator DOC in enger Kopplung untergebracht sind. Der zusätzliche SCR-Katalysator befindet sich in der Nähe einer Einlassöffnung des stromaufwärtigen Modulgehäuses, um Rohabgase aufzunehmen, wobei der DOC stromabwärts des zusätzlichen SCR-Katalysators angeordnet ist. Das Kompaktmodul beinhaltet zudem ein stromabwärtiges Modulgehäuse, das einen Dieselpartikelfilter (DPF) und einen primären SCR-Katalysator aufnimmt. Der DPF befindet sich in der Nähe einer Einlassöffnung des stromabwärtigen Modulgehäuses und der primäre SCR-Katalysator befindet sich stromabwärts des DPF. Eine Transferleitung stellt die Fluidverbindung zwischen dem stromaufwärtigen Modulgehäuse und dem stromabwärtigen Modulgehäuse her und steht in Fluidverbindung mit einer primären Dieselabgasflüssigkeit (DEF)-Einspritzdüse, um DEF in die Abgase einzubringen, die vom stromaufwärtigen Modulgehäuse zum stromabwärtigen Modulgehäuse strömen.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Verbrennungsmotors, der gemäß der Offenbarung mit einem Nachbehandlungssystem zur Behandlung von Abgasen wirkverbunden ist.
2 ist eine schematische Darstellung, die den Abgasstrom in einer Wandströmungskonfiguration für den Dieselpartikelfilter zeigt.
3 ist eine Teilschnittdarstellung eines Abgasnachbehandlungssystems, das gemäß der Offenbarung als Kompaktmodul konfiguriert ist.
4 ist eine schematische Darstellung der relativen Größenunterschiede der in einem Kompaktmodul untergebrachten Nachbehandlungsvorrichtungen, wie entlang der Linie 4-4 in 3 dargestellt.
5 ist eine weitere schematische Darstellung der relativen Größenunterschiede der in einem Kompaktmodul untergebrachten Nachbehandlungsvorrichtungen, wie sie im Kompaktmodul dargestellt sind.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für eine computerimplementierte Verfahrensweise oder ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor gemäß der Offenbarung darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleichartige Elemente auf gleichartige Bezugsnummern beziehen, wird nun ein Verbrennungsmotor 100 in Verbindung mit einer Vielzahl von Motorsystemen zur Unterstützung des Betriebs dargestellt. Der Verbrennungsmotor 100 ist für die Verbrennung einer Mischung aus einem Oxidationsmittel wie Luft und Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis ausgebildet, um die darin enthaltene chemische Energie in eine mechanische Antriebskraft in Form einer Drehbewegung umzuwandeln, die für andere Arbeiten genutzt werden kann. Der Verbrennungsmotor 100 kann jede beliebige Größe aufweisen, die vorliegende Anwendung eignet sich jedoch besonders für große schwere Industriemotoren in der Größenordnung von mehreren hundert PS oder Kilowatt. Der Verbrennungsmotor 100 kann zum Antrieb einer Vielzahl von Industriemaschinen eingesetzt werden, darunter mobile Maschinen, die im Baugewerbe, im Bergbau, in der Landwirtschaft und in anderen Industriezweigen eingesetzt werden. Zu solchen mobilen Maschinen können Planierraupen, Bagger, Radlader, Muldenkipper, Traktoren, Mähdrescher und dergleichen gehören. Alternativ kann der Verbrennungsmotor 100 in stationären Anwendungen eingesetzt werden, um elektrische Generatoren, Pumpen und dergleichen anzutreiben.
Der Verbrennungsmotor 100 kann für die Verbrennung jedes geeigneten Brennstoffs auf Kohlenwasserstoffbasis ausgelegt sein und kann ein Dieselmotor mit Kompressionszündung, ein Benzinmotor mit Fremdzündung, ein Hybridmotor, ein Zweistoffmotor, der flüssigen Kraftstoff und Erdgas verbrennt, oder der Motor kann eine Turbine, ein Dampfkessel oder eine andere Art von Verbrennungsmotor sein. Aspekte der Offenbarung können jedoch besonders für dieselbetriebene Kompressionszündungsmotoren geeignet sein. Der Verbrennungsmotor 100 kann einen Motorblock 102 mit einer Vielzahl von darin angeordneten Zylindern beinhalten, in denen die Verbrennung von Brennstoff und Luft stattfindet. In jedem Zylinder 104 befindet sich der Kolben 106, der zwischen einer Position des oberen Totpunktes (OT) und einer Position des unteren Totpunktes (UT) beweglich ist. Die Kolben 106 sind mit einer Kurbelwelle 108 wirkverbunden, die die lineare Hin- und Herbewegung der Kolben 106 in eine Drehbewegung umsetzt, die auf andere Anwendungen übertragen werden kann. Der Verbrennungsmotor 100 kann mit dem bekannten Viertakt-Verbrennungszyklus arbeiten, bei dem sich die Kolben 106 während eines Ansaugtaktes sequentiell in die UT-Position bewegen, um Luft anzusaugen; sie bewegen sich in die OT-Position, um die Luft zu verdichten; sie bewegen sich während des Arbeitstaktes zurück in die UT-Position, wenn der in den Zylinder 104 eingeführte Brennstoff mit der Luft verbrennt; und sie bewegen sich zurück in die OT-Position, um die Verbrennungsnebenprodukte aus dem Zylinder 104 auszustoßen. Der Verbrennungsmotor 100 kann jedoch für den Betrieb mit anderen Verbrennungszyklen ausgelegt sein.
Um die Vielzahl von Zylindern 104 mit Brennstoff zu versorgen, kann der Verbrennungsmotor 100 mit einem Kraftstoffsystem 110 wirkverbunden sein. Um den auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff für die Verbrennung zu speichern, beinhaltet das Kraftstoffsystem 110 einen Kraftstoffvorratsbehälter oder Kraftstofftank 112, der sich typischerweise an der Maschine befindet, die mit dem Verbrennungsmotor 100 verbunden ist. Die Kraftstoffleitungen 114 können Brennstoff aus dem Kraftstofftank 112 zu einer Vielzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 116 leiten, wobei zumindest ein Kraftstoffeinspritzventil 116 in Fluidverbindung mit jeweils einem der Zylinder 104 steht. Das Kraftstoffsystem 110 kann zudem eine Kraftstoffpumpe 118 beinhalten, die den Brennstoff unter Druck setzt und ihn über eine gemeinsame Brennstoffschiene zu der Vielzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 116 leitet. In dieselbetriebenen Kompressionszündungsmotoren entzündet sich der Brennstoff beim Einleiten in die sich aus dem Kompressionshub ergebenden hohen Druckvempfängtnisse im Zylinder 104 selbst, und dementsprechend können die Kraftstoffeinspritzventile 116 zeitlich so eingestellt werden, dass sie den Wirkungsgrad und die Energieerzeugung erhöhen.
Um Luft für die Verwendung als Oxidationsmittel während des Verbrennungsvorgangs aus der Umgebung, d. h. der Atmosphäre, zuzuführen, kann der Verbrennungsmotor 100 mit einem Lufteinlasssystem 120 wirkverbunden sein. Um Luft aus der Umgebung aufzunehmen, kann das Lufteinlasssystem 120 einen Luftfilter 122 und einen einstellbaren Regler 124 beinalten. Der Luftfilter 122 kann Verunreinigungen, Staub und Schmutz aus der Einlassluft entfernen, und der einstellbare Regler 124 kann ein Ventil wie eine Drosselklappe oder ähnliches sein, das zur Einstellung und Dosierung der Einlassluftmenge, die dem Lufteinlasssystem 120 zugeführt wird, gesteuert wird. Von dem einstellbaren Regler 124 erstreckt sich eine Einlassleitung 126, beispielsweise ein Rohr oder ein Kanal, bis zu einem Ansaugkrümmer 128, der operativ an dem Zylinderblock 102 angeordnet ist. Der Ansaugkrümmer 128 kann Kanäle oder Wege für die Luftführung von der Einlassleitung 126 zu der Vielzahl von Zylindern 104 beinhalten. Um selektiv eine Fluidverbindung zwischen dem Ansaugkrümmer 128 und dem Zylinder 104 herzustellen, können den Zylindern 104 Einlassventile zugeordnet sein, die zu den gewünschten Zeiten selektiv geöffnet und geschlossen werden können, um Einlassluft vom Ansaugkrümmer 128 zu empfangen. Die Einlassventile können elektrisch oder über Nocken betätigt werden und können für die Implementierung einer variablen Ventilsteuerung ausgelegt sein.
Zur Entfernung der Nebenprodukte des Verbrennungsvorgangs aus den Zylindern 104 kann der Verbrennungsmotor 100 mit einem Abgassystem 130 wirkverbunden sein. Das Abgassystem kann einen Abgaskrümmer 132 beinhalten, der operativ auf dem Zylinderblock 102 angeordnet ist und über selektiv betätigte Auslassventile in Fluidverbindung mit der Vielzahl von Zylindern 104 steht. Durch Öffnen eines Auslassventils, wenn sich der Kolben 106 während des Ausstoßtaktes in die OT-Position bewegt, wird der Inhalt des Zylinders 104 zwangsweise in den Abgaskrümmer 132 entleert. In einer Ausführungsform können jedem Zylinder 104 mehrere Einlass- und Auslassventile zugeordnet sein. Der Abgaskrümmer 132 steht auch in Verbindung mit einer Abgasleitung 134, die sich bis zu einem Abgasstutzen 136 erstreckt und die ausgestoßenen Abgase schließlich zu diesem leitet, wo sie an die Atmosphäre abgegeben werden.
Um den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 100 zu erhöhen, kann in einer Ausführungsform ein Turbolader 140 mit dem Ansaugsystem 120 und dem Abgassystem 130 wirkverbunden werden. Insbesondere kann der Turbolader 140 eine Turbine 142 aufweisen, die in der Abgasleitung 134 stromabwärts des Abgaskrümmers 132 angeordnet ist und unter Druck stehende Abgase aus den Zylindern 104 empfängt. Die Turbine 142 kann eine Vielzahl von Schaufeln aufweisen, die auf einer Drehnabe 144 und um diese herum angeordnet sind. Wenn die unter Druck stehenden Abgase durch die Turbine 142 an den Schaufeln vorbeigeleitet werden, kann die Druckströmung die Schaufeln antreiben und dadurch die Drehnabe 144 in Drehung versetzen. Die Nabe 144 kann drehbar mit einem Verdichter 146 gekoppelt sein, der in der Einlassleitung 126 stromabwärts des Reglers 124 angeordnet ist und durch den die atmosphärische Luft empfangen wird. Der Verdichter 146 kann eine ähnliche Anordnung von Schaufeln auf der Drehnabe 144 aufweisen, die als Gebläse fungiert, um die Einlassluft weiter stromabwärts in die Einlassleitung 126 und in den Ansaugkrümmer 128 zu leiten und unter Druck zu setzen. Da die Einlassluft im Ansaugkrümmer 128 mit Druck beaufschlagt wird, kann mehr Einlassluft in die Zylinder 104 gepresst und somit mehr Brennstoff pro Motorzyklus eingeleitet und verbrannt werden, wodurch der Wirkungsgrad und/oder die Leistung des Motors erhöht wird.
Um die Emissionen und insbesondere die Stickoxide (NOx) in den Abgasen zu reduzieren, kann der Verbrennungsmotor 100 in einer Ausführungsform operativ mit einem Abgasrückführungssystem (AGR-System) 150 konfiguriert werden, um einen Teil der Abgase aus dem Abgassystem 130 in das Ansaugsystem 120 umzuleiten. Insbesondere kann das AGR-System 150 eine AGR-Leitung 152 beinhalten, die in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 134 stromaufwärts des Turboladers 140 steht und durch ein AGR-Ventil 154 selektiv geöffnet und geschlossen werden kann. Die AGR-Leitung 152 steht außerdem über einen AGR-Kühler 156, bei dem es sich um eine strahlungsluftgekühlte Vorrichtung handeln kann, in Fluidverbindung mit dem Ansaugkrümmer 128. Wenn das AGR-Ventil 154 geöffnet ist, wird ein Teil der Abgase durch die AGR-Leitung zum AGR-Kühler 156 umgeleitet, in dem die Gastemperatur gesenkt wird, und dann zum Ansaugkrümmer 128 geleitet, in dem die Gase mit frischer Einlassluft aus dem Ansaugsystem 120 wieder in den Zylinder 104 eingeleitet werden. Die Rückführung von Abgasen aus früheren Motorzyklen zu geeigneten Zeiten während des Motorbetriebs kann die Verbrennungstemperaturen senken, was die NOx-Bildung reduziert und überschüssigen Sauerstoff O₂ in der frischen Einlassluft verdrängen kann, was die NOx-Bildung weiter verringert.
Zur weiteren Behandlung und Reduzierung der Emissionen in den Abgasen kann der Verbrennungsmotor 100 mit einem Nachbehandlungssystem 160 mit einer oder mehreren Nachbehandlungsvorrichtungen, die in der Abgasleitung 134 stromabwärts des Motors angeordnet sind, wirkverbunden sein. Die Nachbehandlungsvorrichtungen können so angeordnet und miteinander verbunden werden, dass sie kooperativ interagieren und mit den Abgasen reagieren, um die Reduzierung der Emissionen zu erleichtern. Um zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (C_xH_x) zu reduzieren, die aus unverbranntem Brennstoff in den Abgasen entstehen, kann ein Diesel-Oxidationskatalysator DOC 162 eingesetzt werden, um eine Oxidationsreaktion einzuleiten, die diese Komponenten in Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umwandelt. Der DOC kann ein DOC-Substrat 164 in Waben- oder Drahtgeflechtbauweise mit einer Durchflusskonfiguration aufweisen, durch die parallele, unbehinderte Kanäle angeordnet sind, die einen relativ geringen Widerstand gegen den Abgasstrom aufweisen. Das DOC-Substrat 164 kann aus einem Edelmetall wie Palladium oder Platin hergestellt sein, das formuliert ist, um die katalytische Reaktion zu verursachen. Eine Sekundärreaktion im Zusammenhang mit DOCs ist die Produktion von Stickstoffdioxid (NO₂) aus Stickstoffoxid (NO) und Sauerstoff (O2) in den Abgasen, die ferner behandelt werden muss.
Zur Entfernung von Partikeln und Ruß kann ein Dieselpartikelfilter (DPF) 170 stromabwärts des DOC eingebaut werden, der ein DPF-Substrat 172 aus Cordierit, Aluminiumtitanat oder einem ähnlichen Keramikmaterial beinhalten kann, um die Partikel abzufangen und zurückzuhalten. Im Gegensatz zur Durchflusskonfiguration des DOC 162 kann der DPF 170 eine monolithische Wandströmungskonstruktion mit Einlass- und Auslasskanälen sein. Unter Bezugnahme auf 2, die Wandströmungskonfiguration, beinhaltet das DPF-Substrat 172 eine Vielzahl kleiner, paralleler Kanäle 174, die sich axial von der Eintrittsfläche 176 bis zur Austrittsfläche 178 des DPF-Substrats 172 erstrecken. Die Kanäle 174 sind von den die inneren Kanalwände 175 bildenden Filtermedien umgeben und getrennt, und angrenzende Kanäle sind abwechselnd an den Eintritts- oder Austrittsflächen 176, 178 mit Stopfen 179 verschlossen, sodass Abgase, die aufgrund des Ausstoßtaktes unter Druck stehen, gezwungen werden, die inneren Kanalwände 175 zu einem offenen Kanal zu durchqueren. Die Wandströmungskonfiguration des DPF 170 kann daher eine größere Menge oder einen größeren Prozentsatz an Partikeln abfangen als eine Durchflusskonfiguration. Wie oben erwähnt, muss der DPF jedoch regelmäßig regeneriert werden.
In einer Ausführungsform kann der DPF 170 ein blanker DPF sein, was bedeutet, dass sich die DPF-Substrate 172 in einem unkatalysierten Zustand befinden und frei von jeglichen Katalysatoren sind. Das DPF-Substrat 172 ist nicht mit Edelmetallen, unedlen Metallen oder anderen Katalysatoren beschichtet und kann ggf. nur aus Cordierit bestehen. Wie nachfolgend erläutert, kann der blanke DPF in Gegenwart von Stickstoffdioxiden (NO₂) noch passiv regeneriert werden.
Weiter stromabwärts angeordnet, um die in den Abgasen vorhandenen Stickoxide, einschließlich des vom DOC 162 erzeugten NO₂, zu reduzieren, kann das Nachbehandlungssystem 160 einen Primär- oder Hauptkatalysator 180 für die selektive katalytische Reduktion (SCR) beinhalten. Der primäre SCR-Katalysator 180 kann ein primäres SCR-Substrat 182 aus Vanadium, Wolfram, Kupfer-Zeolith und/oder Eisen-Zeolith und Kombinationen davon beinhalten, das auch in einer offenen Durchflusskonfiguration ausgebildet sein kann, z. B. in Form einer Wabe oder eines Drahtgeflechts, das den Durchfluss relativ wenig behindert. Um das Reduktionsmittel oder die Dieselabgasflüssigkeit (DEF) in das Abgas einzubringen, kann eine primäre DEF-Einspritzdüse 184 in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 134 stromaufwärts des primären SCR-Katalysators 182 angeordnet sein. Die primäre DEF-Einspritzdüse 184 kann eine elektromechanisch betriebene Einspritzdüse sein, die so ausgebildet ist, dass sie unter Druck stehendes DEF als Spray in den Abgasstrom in einem Verfahren einführt, das manchmal als Dosierung bezeichnet wird. Um das DEF angemessen mit den Abgasen zu mischen, bevor es auf den primären SCR-Katalysator 182 trifft, können Prallbleche 186 zwischen der primären DEF-Einspritzdüse 184 und dem primären SCR-Katalysator 180 angeordnet sein. Das DEF selbst kann in einem wiederbefüllbaren DEF-Tank 188 oder einem Vorratsbehälter auf der Maschine, die mit dem Verbrennungsmotor 100 verbunden ist, aufbewahrt werden. Es ist wünschenswert, die Einleitungs-DEF in den primären SCR-Katalysator 180 stöchiometrisch auszugleichen, sodass genügend DEF für die Reaktion vorhanden ist, aber so, dass wenig oder kein überschüssiges DEF vorhanden ist, um das Nachbehandlungssystem unreagiert zu verlassen, ein Zustand, der als Ammoniakschlupf bezeichnet wird. In einer Ausführungsform kann ein Ammoniak-Oxidationskatalysator (AMOX) stromabwärts des primären SCR-Katalysators 180 angeordnet sein, um Ammoniak (NH₃) und Sauerstoff (O₂) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) zu katalysieren.
Die durch den primären SCR-Katalysator 180 durchgeführte selektive katalytische Reaktion ist von mehreren Variablen und Faktoren abhängig, die sich mit dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 100 häufig ändern. Zu diesen Faktoren gehören die Abgastemperatur und die Dauer der Reaktion, bevor die Abgase den SCR-Katalysator verlassen. Beispielsweise kann die SCR-Reaktion erfordern, dass der primäre SCR-Katalysator 180 eine Aktivierungstemperatur von 200 °C oder mehr, möglicherweise 225 °C oder mehr, erreicht hat. Da sich der primäre SCR-Katalysator 180 stromabwärts von den anderen Nachbehandlungskomponenten, einschließlich des DOC 162 und des DPF 170, befindet und einen Abstand zum Abgaskrümmer 132 und dem Auslass der Turbine 142 hat, ist die Temperatur der Abgase ggf. nicht ausreichend, um den SCR-Katalysator schnell auf Betriebstemperaturen zu erwärmen, insbesondere unter Startbedingungen oder beim Kaltstart des Verbrennungsmotors 100. Dementsprechend kann NOx ggf. in die Atmosphäre ausgestoßen werden, bis der primäre SCR-Katalysator 180 die Reaktionstemperatur erreicht hat. Damit der primäre SCR-Katalysator 180 die Reaktionstemperatur erreichen kann, kann das Nachbehandlungssystem 160 gemäß einem Aspekt der Offenbarung einen sekundären oder zusätzlichen SCR-Katalysator 190 beinhalten, der vor den anderen Vorrichtungen, einschließlich des primären SCR-Katalysators 180, angeordnet ist.
In einer Ausführungsform kann der zusätzliche SCR-Katalysator 190 in einem eng gekoppelten Vempfängtnis zum DOC 162 und unmittelbar stromaufwärts von diesem an einer Stelle angeordnet sein, an der der zusätzliche SCR-Katalysator 190 die Rohabgase direkt von der Turbine 142 über die Abgasleitung 134 empfängt. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „eng gekoppelt“ das Fehlen von dazwischenliegenden Komponenten, die die Abgaszusammensetzung beeinflussen, nämlich NO_x, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC-) Partikel oder andere Abgasbestandteile. „Roh“ bedeutet unbehandelt, sodass die Angabe, dass der zusätzliche SCR-Katalysator 190 Rohabgase vom Verbrennungsmotor empfängt 100, bedeutet, dass keine Nachbehandlung stattgefunden hat. Da der zusätzliche SCR-Katalysator 190 heiße Abgase vom Verbrennungsmotor 100 empfängt, kann er sich schnell auf die Reaktionstemperatur erwärmen, um den NOx-Gehalt der Gase schnell zu reduzieren.
In einer anderen Ausführungsform kann der zusätzliche SCR-Katalysator 190 ferner stromaufwärts vor den anderen Komponenten des Nachbehandlungssystems 160 angeordnet sein, beispielsweise kann der zusätzliche SCR-Katalysator in der Abgasleitung 134 in der Nähe der Turbine 142 des Turboladers 140 angeordnet sein. Durch die Anordnung des zusätzlichen SCR-Katalysators 190 weiter stromaufwärts in der Abgasleitung 134, wie in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, kann der zusätzliche SCR-Katalysator Abgase mit ausreichend hohen Temperaturen aufnehmen, um schnell auf eine Betriebstemperatur zur Durchführung des SCR-Verfahrens zu steigen. Es versteht sich, dass die Anordnung des zusätzlichen SCR-Katalysators 190 von der Größe des Verbrennungsmotors 100 und der Länge der Abgasleitung 134 abhängig sein und so gewählt werden kann, dass der zusätzliche SCR-Katalysator 190 erhöhten Temperaturen der Abgase ausgesetzt ist.
Der zusätzliche SCR-Katalysator 190 kann in Aufbau und Konfiguration ähnlich wie der primäre SCR-Katalysator 180 ausgebildet sein und kann ein zusätzliches SCR-Substrat 192 aus Vanadium oder Wolfram in einer offenen Durchflusskonfiguration beinhalten. Zur Aufnahme von DEF zur Einleitung der SCR-Reaktion kann eine zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 in der Abgasleitung 134 stromaufwärts des zusätzlichen SCR-Katalysators 190 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann die zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 in einem Abschnitt der Abgasleitung 134 angeordnet sein, der einen oder mehrere Bögen oder Krümmer beinhaltet, sodass sich DEF und die heißen Abgase ausreichend vermischen können, bevor sie auf den zusätzlichen SCR-Katalysator treffen. In einer Ausführungsform kann die zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 in der Abgasleitung 132 in der Nähe der Turbine 142 angeordnet sein, sodass die Temperatur des DEF durch die heißen Abgase erhöht wird, bevor sie auf den zusätzlichen SCR-Katalysator 190 treffen, und um die Bildung von Ablagerungen aufgrund von Turbulenzen zu vermeiden. Die zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 kann in Fluidverbindung mit dem DEF-Tank 188 stehen, um DEF aufzunehmen; in anderen Ausführungsformen kann die zusätzliche DEF-Einspritzdüse jedoch mit ihrem eigenen DEF-Tank oder -Reservoir wirkverbunden sein. Um den Betrieb des Verbrennungsmotors 100 und der zugehörigen Systeme zu koordinieren und zu regeln, kann eine elektronische Steuereinheit (Electronic Control Unit, ECU) 200, die auch als Motorsteuermodul (Engine Control Module, ECM) oder möglicherweise nur als Steuerung bezeichnet wird, mit dem Motor wirkverbunden sein und sich an Bord der Maschine befinden, die der Motor antreibt. Die ECU 200 kann eine programmierbare Rechenvorrichtung sein und kann einen oder mehrere Mikroprozessoren 202, einen nicht-flüchtigen computerlesbaren und/oder -beschreibbaren Arbeitsspeicher 204 oder ein ähnliches Speichermedium, Ein-/Ausgabeschnittstellen 206 und andere geeignete Schaltungen zur Verarbeitung von computerausführbaren Anweisungen, Programmen, Anwendungen und Daten beinhalten, um die Leistung des Motors 100 zu regulieren. Die ECU 200 kann für die Verarbeitung digitaler Daten in Form von binären Bits und Bytes ausgebildet sein. Die ECU 200 kann mit verschiedenen Sensoren kommunizieren, um Daten über die Motorleistung und die Betriebseigenschaften des Motors zu empfangen, und kann in Reaktion darauf verschiedene Aktoren zur Anpassung dieser Leistung steuern.
Zum Senden und Empfangen von elektronischen Signalen für Eingabedaten und Ausgabebefehle kann die ECU 200 mit einem Kommunikationsnetzwerk mit einer Vielzahl von Terminalknoten in Wirkverbindung stehen, die über Datenverbindungen oder Kommunikationskanäle miteinander verbunden sind. Zum Beispiel kann, wie es Fachleuten der Automobiltechnik bekannt sein dürfte, ein Controller Area Network („CAN“) verwendet werden, bei dem es sich um einen standardisierten Kommunikationsbus mit physischen Kommunikationskanälen handelt, die Signale leiten, die Informationen zwischen der ECU 200 und den mit dem Verbrennungsmotor 100 verbundenen Sensoren und Aktoren übertragen. In möglichen Ausführungsformen kann die ECU 200 jedoch auch andere Formen der Datenkommunikation nutzen, wie beispielsweise Radiofrequenzwellen wie Wi-Fi, optische Wellenleiter und Glasfaseroptik oder andere Technologien. In einer Ausführungsform kann die ECU 200 eine vorprogrammierte, dedizierte Vorrichtung wie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) sein. Für eine mögliche Schnittstelle mit einer Bedienperson oder einem Techniker kann die ECU 200 mit einer Bedienerschnittstellenanzeige wirkverbunden sein, die auch als Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human-Machine Interface, HMI) bezeichnet werden kann.
Um den Betrieb des Nachbehandlungssystems 160 zu regeln, kann die ECU elektronisch mit Sensoren, Aktoren und Reglern kommunizieren, wie in 1 durch gestrichelte Linien dargestellt. Zur Messung und Bestimmung der Temperatur der heißen Abgase, die aus der Turbine 142 austreten, kann beispielsweise ein Rohabgassensor 210 in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 134 angeordnet sein, die von der Turbine 142 stromaufwärts des Nachbehandlungssystems 160 erstreckt. Der Rohabgassensor 210 kann daher die Temperatur und andere Qualitäten der Rohabgase vor jeder Nachbehandlungsbearbeitung messen. Der Rohabgassensor 210 kann ein Thermoelement oder ein Infrarotsensor sein oder mit anderen geeigneten Temperaturmessparametern arbeiten. Der Rohabgassensor 210 kann so ausgebildet sein, dass er andere Parameter des Rohabgases misst oder erfasst, wie beispielsweise Volumen oder Massendurchsatz in der Abgasleitung 134 oder den NOx-Gehalt oder die -Konzentration in den Rohabgasen. Um die Temperatur des primären SCR-Katalysators 180 zu messen und zu bestimmen, kann die ECU 200 in elektronischer Verbindung mit einem primären SCR-Sensor 212 stehen, der in dem primären SCR-Katalysator 180 angeordnet oder mit diesem wirkverbunden ist. Um die Temperatur des zusätzlichen SCR-Katalysators 190 zu messen, kann die ECU 200 ebenfalls in elektronischer Verbindung mit dem zusätzlichen SCR-Sensor 214 stehen, der sich im zusätzlichen SCR-Katalysator 190 befindet oder mit diesem wirkverbunden ist. Wie der Rohabgassensor 210 können der primäre und der zusätzliche SCR-Sensor 212, 214 so ausgebildet sein, dass sie andere Parameter und/oder Eigenschaften wie die Massendurchflussrate und die NOx-Konzentration an ihren jeweiligen Positionen messen oder erfassen. In möglichen Ausführungsformen können die primären und zusätzlichen SCR-Sensoren 212, 214 virtuelle Sensoren sein, die indirekt die NOx-Konzentration basierend auf anderen Parametern in Verbindung mit den Abgasen oder dem Motorbetrieb erfassen. Die ECU 200 kann auch in elektronischer Verbindung mit den primären und zusätzlichen DEF-Einspritzdüsen 184, 194 stehen, um diese selektiv zu betätigen und möglicherweise die dem jeweiligen Katalysator zugeführte DEF-Menge einzustellen. Die ECU 200 kann auch den Betrieb des Einlassreglers 124 und des AGR-Ventils 154 steuern, um den Betrieb des Lufteinlasssystems 120 bzw. des AGR-Systems 150 zu regeln.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung können die Vorrichtungen des Nachbehandlungssystems 160 aus Platz- und Gewichtsgründen und zur Vereinfachung der Installation und Montage auf dem Verbrennungsmotor 100 als Kompaktmodul 220 angeordnet und verpackt sein. Die Verpackung des Nachbehandlungssystems 160 als Kompaktmodul 220 reduziert Größe und Gewicht und ermöglicht gleichzeitig die Anordnung der verschiedenen Vorrichtungen und die Führung der Abgase in einer Weise, die das kooperative Zusammenwirken des Systems erhöht. Bezugnehmend auf 3 kann das Kompaktmodul 220 zur Unterbringung der Nachbehandlungsvorrichtungen ein erstes oder stromaufwärtiges Gehäuse 222 und ein zweites oder stromabwärtiges Gehäuse 224 beinhalten, die beide im Allgemeinen eine zylindrische Form aufweisen und als Metalltrommeln oder -dosen beispielsweise aus Edelstahl oder Aluminium hergestellt sein können. Das zylindrische stromaufwärtige Modulgehäuse 222 kann einen ersten axialen Strömungsweg 226 für den Abgasstrom zwischen einer Einlassöffnung 228 und einer Auslassöffnung 229 des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 definieren. Die Einlassöffnung 228 in das stromaufwärtige Ende des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 kann axial auf den ersten axialen Strömungsweg 226 ausgerichtet sein. In einer Ausführungsform kann das stromabwärtige axiale Ende des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 geschlossen werden, sodass die Auslassöffnung 229 direkt radial durch das Gehäuse verläuft. In gleicher Weise kann das zylindrische stromabwärtige Modulgehäuse 224 einen axialen Strömungsweg 230 für die Abgase zwischen einer Einlassöffnung 232 und einer Auslassöffnung 234 des stromabwärtigen Modulgehäuses 224 definieren. Das stromaufwärtige axiale Ende des stromabwärtigen Modulgehäuses 224 kann so umschlossen sein, dass die Einlassöffnung 232 radial in das Gehäuse angeordnet ist, während die Auslassöffnung 234 axial auf den axialen Strömungsweg 230 ausgerichtet sein kann.
Bei Montage im Kompaktmodul 220 können das stromaufwärtige und das stromabwärtige Modulgehäuse 222, 224 parallel zueinander angeordnet sein, wobei der erste und der zweite axiale Strömungsweg 226, 230 ebenfalls parallel verlaufen und ferner beide in die gleiche axiale Richtung ausgerichtet sein können. Um eine Fluidverbindung zwischen dem stromaufwärtigen Modulgehäuse 222 und dem stromabwärtigen Modulgehäuse 224 herzustellen, kann ein Transferrohr oder eine Transferleitung 240 dazwischen angeordnet sein, sodass die Abgase von der Auslassöffnung 228 des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 zur Einlassöffnung 232 des stromabwärtigen Modulgehäuses 224 strömen. Bei der Transferleitung 240 kann es sich um ein zylindrisches, längliches Rohr handeln, das einen kleineren Durchmesser als entweder das stromaufwärtige Modulgehäuse 222 oder das stromabwärtige Modulgehäuse 224 aufweist. Da die stromaufwärtigen axialen Enden des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Modulgehäuses 222, 224 relativ koextensiv zueinander angeordnet sein können und die stromabwärtigen axialen Enden des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Modulgehäuses 222, 224 relativ koextensiv zueinander angeordnet sein können, muss die Transferleitung 240 den Abgasstrom umkehren und umlenken. Insbesondere kann die Transferleitung 240 eine dritten axialen Strömungsweg 242 parallel zu und in entgegengesetzter Richtung zum ersten und zweiten axialen Strömungsweg 226, 230 herstellen.
In einer Ausführungsform können die Vorrichtungen des Nachbehandlungssystems 160 in den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Modulgehäusen 222, 224 in Reihe angeordnet sein, um die verschiedenen Reaktionen mit den Abgasen vorteilhaft zu inszenieren. Zum Beispiel kann der zusätzliche SCR-Katalysator 190 im stromaufwärtigen Modulgehäuse 222 zur Aufnahme der Rohabgase neben der Einlassöffnung 228 angeordnet sein. Zur Aufnahme in dem zylindrischen stromaufwärtigen Modulgehäuse 222 kann das zusätzliche SCR-Substrat, das mit dem zusätzlichen SCR-Katalysator 190 verbunden ist, als zylindrischer Substratblock mit der Substratmatrix, wie beispielsweise einer Wabe oder einem Drahtgeflecht, ausgebildet und in einer röhrenförmigen Umhüllung angeordnet sein, die angrenzend an die Innenwand des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 befestigt werden kann. Dementsprechend können der zusätzliche SCR-Katalysator 190 und das zylindrische stromaufwärtige Modulgehäuse 222 komplementäre Durchmesser aufweisen. Die zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 kann stromaufwärts der Einlassöffnung 228 angeordnet sein, um den zusätzlichen SCR-Katalysator 190 mit DEF zu versorgen, aber in anderen Ausführungsformen kann die zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 innerhalb der Einlassöffnung 228 angeordnet sein. Der DOC 162 kann in Reihe unmittelbar stromabwärts des zusätzlichen SCR-Katalysators 190 und axial ausgerichtet mit diesem angeordnet und in der Nähe der Auslassöffnung 229 des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 angeordnet sein. Der DOC 162 kann auch als zylindrischer Block mit einem zum stromaufwärtigen Modulgehäuse 222 komplementären Durchmesser ausgebildet sein. In einer möglichen Ausführungsform kann ein Ammoniak-Oxidationskatalysator (AMOX) zwischen dem zusätzlichen SCR-Katalysator 190 und dem DOC 162 in dem stromaufwärtigen Modulgehäuse 222 enthalten sein.
Die aus der Auslassöffnung 229 des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 austretenden Abgase werden von der Transferleitung 240 etwa 180° entlang des dritten axialen Strömungsweges 242 umgeleitet. In einer Ausführungsform kann zur Bereitstellung von DEF für den primären SCR-Katalysator 180 die primäre DEF-Einspritzdüse 184 in Fluidverbindung mit der Transferleitung 240 in der Nähe der Stelle stehen, an der die Transferleitung 240 in die Auslassöffnung 229 des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 mündet. Das DEF hat ausreichend Gelegenheit, sich mit den Abgasen zu vermischen, wenn diese die Länge der Transferleitung 240 bis zur Einlassöffnung 232 des stromabwärtigen Modulgehäuses 224 durchqueren. Darüber hinaus wird durch die Anordnung der primären DEF-Einspritzdüse 184 in der Transferleitung 240 und die Einführung des DEF stromabwärtig vom DOC sichergestellt, dass das DEF nicht vorzeitig mit dem DOC 162 reagiert, das mit Edel- oder reaktiven Metallen katalysiert sein kann.
Die Abgase werden erneut um 180° vom dritten axialen Strömungsweg 242 zum zweiten axialen Strömungsweg 230 umgelenkt und treten in den DPF 170 ein, der im zweiten Modulgehäuse 224 neben der Einlassöffnung 232 zur Entfernung von Partikeln angeordnet ist. Der DPF 170 kann entlang des zweiten axialen Strömungsweges 230 axial ausgerichtet sein, wobei der primäre SCR 180 stromabwärtig in dem stromabwärtigen Modulgehäuse 224 angeordnet ist. Der primäre SCR 180 reduziert das NOx in den Abgasen, die dann axial aus dem stromabwärtigen Modulgehäuse 224 durch die Auslassöffnung 234 abgeführt werden. Sowohl der DPF 170 als auch der primäre SCR 180 können als zylindrische Blöcke zur Unterbringung in dem zylindrischen stromabwärtigen Modulgehäuse 224 geformt sein.
Die vorstehende Anordnung ermöglicht eine kleinere Verpackung des Nachbehandlungssystems 160, was die Gesamtgröße und das Gewicht des Systems verringert. Da es sich beim DPF 170 beispielsweise typischerweise um eine Vorrichtung mit Wandströmung handelt, bei der die Abgase die Innenwände durchströmen müssen, ist der DPF 170 in der Regel ausreichend dimensioniert, um eine beträchtliche Oberfläche aufzuweisen und den ansonsten entstehenden Gegendruck zu verringern. Der primäre SCR-Katalysator 180 ist ebenfalls ausreichend dimensioniert und hat eine beträchtliche Oberfläche, um die SCR-Reaktionszeit zu verlängern und die NOx-Emissionen erheblich zu reduzieren und gleichzeitig Ammoniakschlupf zu verhindern. Der zusätzliche SCR-Katalysator 190 und der DOC 162 können dagegen tendenziell kleiner in Größe und/oder Volumen sein als der primäre SCR-Katalysator 180 und der DPF 170. Unter Bezugnahme auf 4 ermöglicht die relative Größe der Nachbehandlungsvorrichtungen eine Gesamtreduzierung der Größe des Kompaktmoduls 220. Wie in 4 ersichtlich, kann die axiale Länge des stromaufwärtigen Modulgehäuses 222 kürzer sein als die entsprechende axiale Länge des stromabwärtigen Modulgehäuses 224. Wie in 5 ersichtlich, ermöglichen der vergleichsweise kleinere zusätzliche SCR-Katalysator 180 und der DOC 162, dass das stromaufwärtige Modulgehäuse 222 einen kleineren Durchmesser als das stromabwärtige Modulgehäuse 224 aufweist und so bemessen werden kann, dass eine NOx-Reduktion nur während der Startbedingungen erreicht wird. Daher kann die Gesamtgröße und das Volumen eines Kompaktmoduls 220 gemäß der vorstehenden Konstruktion wesentlich geringer sein als bei einem herkömmlichen System, bei dem jede der Nachbehandlungsvorrichtungen im Wesentlichen die gleiche Größe und Form aufweist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Ablaufdiagramm 300 einer beispielhaften Routine oder eines Algorithmus für den offenbarten Nachbehandlungsvorgang dargestellt. Das Ablaufdiagramm 300 kann eine Reihe von Schritten, einschließlich Maßnahmen und Entscheidungen, beinhalten, die als computerausführbare Software-Anweisungen oder als Code in Form einer Anwendung oder eines Programms implementiert werden können, die bzw. das von dem mit der ECU 200 verbundenen Prozessor 202 ausgeführt werden kann. Ferner kann das Ablaufdiagramm 300 in Softwareform in einem nicht-flüchtigen Zustand in dem der ECU 200 zugeordneten Arbeitsspeicher 204 gespeichert werden. Das Ablaufdiagramm 300 kann mit dem anfänglichen Starten des Verbrennungsmotors 100 in einem Startschritt 302 beginnen, der einen Kaltstart und/oder das Anlassen in einer kalten Umgebungsumgebung beinhalten kann.
In einem Leitungsschritt 304 werden die Rohabgase vom Verbrennungsmotor 100 zum Nachbehandlungssystem 160 geleitet, das im Kompaktmodul 220 von 3 angeordnet sein kann. In einem ersten DEF-Einführungsschritt 310 kann die ECU 200 anweisen, dass die zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 DEF in die Rohabgase stromaufwärts des Kompaktmoduls 220 einführt. Dementsprechend kann, wenn das Gemisch in den zusätzlichen SCR-Katalysator 190 eintritt, ein vorläufiger SCR-Reaktionsschritt 312 erfolgen, in dem das NOx in den Rohabgasen zu N₂ und H₂O reduziert wird. Dies kann zum Teil darauf zurückzuführen sein, dass der zusätzliche SCR-Katalysator 190 aufgrund seiner stromaufwärtigen Anordnung, die heiße, unbehandelte Rohabgase empfängt, und aufgrund seiner relativ geringen Größe und seines relativ kleinen Volumens in relativ kurzer Zeit auf die Reaktionstemperatur erwärmt werden kann. Beispielsweise kann sich der zusätzliche SCR-Katalysator 190 in etwa 30 Sekunden auf eine Reaktionstemperatur von etwa 200 °C bis 225 °C erwärmen. Während des Startmodus oder anderer Kaltstartbedingungen führt die primäre SCR-Einspritzdüse 1484 kein DEF ein, sodass der primäre SCR-Katalysator nicht mit Abgasen reagieren kann.
Es kann wünschenswert sein, die vorläufige SCR-Reaktion für eine begrenzte Zeit durchzuführen. Dementsprechend kann die ECU 200 die Temperatur des primären SCR-Katalysators 180 in einem Temperaturmessschritt 320 überwachen, beispielsweise mit dem primären SCR-Sensor 210. Die ECU 200 kann die Temperatur des primären SCR-Katalysators 180 zur Ausführung eines Entscheidungsschritts 322 verwenden, in dem die ECU 200 die Katalysatortemperatur mit einer Reaktionstemperatur 324, beispielsweise mit etwa 200 °C bis 225 °C, vergleicht. Bleibt der primäre SCR-Katalysator 180 unter der Reaktionstemperatur 324, kann die ECU 200 zum ersten DEF-Einführungsschritt 310 zurückkehren, um mit der Einführung von DEF durch die zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 fortzufahren.
Wenn jedoch im Entscheidungsschritt 322 festgestellt wird, dass der primäre SCR-Katalysator 180 bei der Reaktionstemperatur 324 liegt oder diese übersteigt, kann davon ausgegangen werden, dass das Nachbehandlungssystem 160 in einen Betriebsmodus eingetreten ist. Beispielsweise kann der primäre SCR-Katalysator 180 300 Sekunden oder mehr benötigen, um die Reaktionstemperatur 324 zu erreichen und in den Betriebsmodus überzugehen. Zu diesem Zeitpunkt kann die ECU 220 einen zweiten DEF-Einführungsschritt 330 ausführen, um anzuweisen, dass die primäre SCR-Einspritzdüse 184 mit der Einführung von DEF in die Abgase stromaufwärts des primären SCR-Katalysators 180 und des DOC 162 beginnt. In der Ausführungsform eines Kompaktmoduls 220 kann das DEF beispielsweise in die Transferleitung 240 stromaufwärts des DPF 170 in das stromabwärtige Modulgehäuse 224 eingeführt werden. Der zweite DEF-Einführungsschritt 330 führt zu einem primären SCR-Reaktionsschritt 332, in dem der primäre SCR-Katalysator 180 NOx zu N₂ und H₂O reduziert. Da der primäre SCR-Katalysator 180 betriebsbereit ist, kann die ECU 220 in einem Abschaltschritt 334 die zusätzliche DEF-Einspritzdüse 194 anweisen, die DEF-Einführung zu stoppen, sodass die vorläufige SCR-Reaktion im zusätzlichen SCR-Katalysator 190 beendet wird.
Ein möglicher Vorteil der vorstehenden Anordnung des Nachbehandlungssystems 160 ist, dass die NOx-Produktion während des Startmodus oder beim Kaltstart des Verbrennungsmotors 100 erheblich reduziert wird. In einer möglichen Variante kann die ECU 220 während des Startmodus eine AGR-Stufe 340 durchführen, bei der das AGR-Ventil 154 geöffnet wird, um die Abgase in das Einlasssystem 120 zurückzuführen, während die vorläufige SCR-Reaktion stattfindet, wodurch die NOx-Produktion während des Verbrennungszyklus weiter reduziert wird. In einer anderen möglichen Variante kann der primäre SCR-Sensor 212 weiterhin die Temperatur des primären SCR-Katalysators 180 überwachen, sodass, wenn diese unter die Reaktionstemperatur 324 fällt, beispielsweise während des Leerlaufs des Motors bei extrem kalten Wetterbedingungen, das Nachbehandlungssystem wieder auf die Verwendung des zusätzlichen SCR-Katalysators 190 zur NOx-Reduzierung umschalten kann. Durch den Betrieb des zusätzlichen SCR-Katalysators 190 anstelle des primären SCR-Katalysators 180 unter solch extrem kalten Bedingungen wird auch der Ammoniakschlupf reduziert.
Ein weiterer möglicher Vorteil der vorstehenden Anordnung besteht darin, dass der DPF 170, der ein blanker, unbeschichteter DPF sein kann, passiv regeneriert werden kann. Während des Betriebs erzeugt der DOC 162 NO₂ aus NO und O₂ in den Abgasen. Das NO₂ wird über die Transferleitung 240 zum blanken DPF 170 übertragen, um an der passiven Regeneration des DPF 170 teilzunehmen. Da der DPF 170 frei von Katalysatoren ist, reagiert er darüber hinaus nicht mit dem DEF, das durch die stromaufwärtige primäre DEF-Einspritzdüse 184 eingeführt wird, sodass das DEF nicht abgebaut oder inaktiv gemacht wird. Diese und andere mögliche Vorteile und Merkmale der Offenbarung sollten aus der vorstehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich sein.
Es ist offensichtlich, dass die vorstehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Es ist jedoch denkbar, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder auf Beispiele davon sollen auf das jeweils an dieser Stelle beschriebene Beispiel Bezug nehmen und sollen keine Begrenzung des allgemeinen Umfangs der Offenbarung implizieren. Jeglicher Ausdruck von Unterscheidung und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll auf keine Bevorzugung dieser Merkmale hinweisen, diese jedoch nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, soweit dies nicht anderweitig angegeben ist.
Die Angabe von Wertebereichen soll lediglich als eine Kurzschreibweise für die Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, dienen, sofern es hierin nicht anderweitig angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung aufgenommen, als ob er einzeln aufgeführt wäre. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern nichts anderes angegeben ist oder der Zusammenhang nicht eindeutig etwas Anderes besagt.
Demzufolge beinhaltet diese Offenbarung im Rahmen des gesetzlich Erlaubten alle Modifikationen und Äquivalente des in den hieran angefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstands. Des Weiteren ist jegliche Kombination der zuvor beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen derselben in der Offenbarung umfasst, sofern hierin nichts anderes angegeben ist oder der Zusammenhang nicht eindeutig etwas Anderes besagt.
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 9879581 [0004]

Claims

Nachbehandlungssystem (160), umfassend: einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) (162), der Abgase aufnimmt und für die Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (CxHx) in den Abgasen zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) ausgebildet ist; einen Dieselpartikelfilter (DPF) (170), der stromabwärts des DOC (162) angeordnet ist, um die Abgase aufzunehmen, und operativ so ausgebildet ist, dass er Partikel aus den Abgasen auffängt; einen primären Katalysator (180) zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), der stromabwärts des DPF (170) angeordnet ist, wobei der primäre SCR-Katalysator (180) ausgebildet ist, um Stickoxide (NOx) während eines Betriebsmodus des Nachbehandlungssystems (160) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) zu reduzieren; und einen zusätzlichen SCR-Katalysator (190), der stromaufwärts des DOC (162) angeordnet und eng mit diesem gekoppelt ist, um Rohabgase aufzunehmen, wobei der zusätzliche SCR-Katalysator (190) so ausgebildet ist, dass er Stickoxide (NOx) während eines Startmodus des Nachbehandlungssystems (160) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduziert.
Nachbehandlungssystem (160) nach Anspruch 1, wobei der zusätzliche SCR-Katalysator (190) und der DOC (162) eng gekoppelt und nebeneinander angeordnet sind.
Nachbehandlungssystem (160) nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine zusätzliche Dieselabgasflüssigkeit (DEF)-Einspritzdüse (194), die stromaufwärts des zusätzlichen SCR-Katalysators (190) angeordnet ist; und eine primäre DEF-Einspritzdüse (184), die zwischen dem DOC (162) und dem DPF (170) angeordnet ist.
Nachbehandlungssystem (160) nach Anspruch 3, wobei der DPF (170) ein unkatalysierter, blanker DPF (170) ist, der für die passive Regeneration in Gegenwart von Stickstoffdioxid (NO₂) ausgebildet ist, das teilweise vom DOC (162) oxidiert wird.
Nachbehandlungssystem (160) nach Anspruch 4, wobei der DPF (170) eine Wandströmungskonfiguration aufweist, bei der die Abgase durch eine Vielzahl von inneren Kanalwänden geleitet werden.
Nachbehandlungssystem (160) nach Anspruch 5, wobei der DOC (162), der primäre SCR-Katalysator (180) und der zusätzliche SCR-Katalysator (190) eine Durchflusskonfiguration mit einer Vielzahl von offenen Kanälen aufweisen.
Nachbehandlungssystem (160) nach Anspruch 6, ferner umfassend einen primären SCR-Sensor (212), der mit dem primären SCR-Katalysator (180) wirkverbunden und ausgebildet ist, um die Temperatur des primären SCR-Katalysators (180) zu überwachen.
Nachbehandlungssystem (160) nach Anspruch 7, wobei der primäre SCR-Sensor (212) elektrisch mit einem elektronischen Steuermodul (ECU) (200) verbunden ist, das ausgebildet ist, um die primäre SCR-Einspritzdüse (184) anzuweisen, DEF einzuführen, sobald der primäre SCR-Katalysator (180) eine Reaktionstemperatur (324) erreicht.
Nachbehandlungssystem (160) nach Anspruch 8, wobei die ECU (200) ausgebildet ist, den zusätzlichen SCR-Katalysator (190) so zu steuern, dass er die Einführung von DEF beendet, sobald der primäre SCR-Katalysator (180) die Reaktionstemperatur (324) errei cht.
Verfahren zur Behandlung von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor (100), umfassend: Aufnehmen der Rohabgase an einem zusätzlichen selektiven katalytischen Reduktionskatalysator (SCR-Katalysator) (190) und Reagieren der Rohabgase mit Dieselabgasflüssigkeit (DEF), um Stickoxide (NOx) während eines Startmodus des Verbrennungsmotors (100) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) zu reduzieren; Leiten der Abgase vom zusätzlichen SCR-Katalysator (190) zu einem Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) (162) und zu einem Dieselpartikelfilter (DPF) (170) stromabwärts des zusätzlichen SCR-Katalysators (190); Aufnahme der Abgase aus dem DOC (162) und dem DPF (170) an einem primären SCR-Katalysator (180) und Reaktion der Abgase mit DEF zur Reduzierung von NOx zu N₂ und H₂O während eines Betriebsmodus des Verbrennungsmotors (100).