DE10323607A1

DE10323607A1 - Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10323607A1
Application number: DE2003123607
Authority: DE
Inventors: Johannes Schaller; Hartmut Lueders; Christian Walz; Thorsten Mayer; Matthias Loehr; Ulf-Peter Schmeling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-21
Also published as: DE10323607B4

Abstract

Vorgestellt wird eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, das Stickoxide und Rußpartikel enthält, mit einem Oxidationskatalysator, einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der SCR-Katalysator zusammen mit dem Partikelfilter zu einer baulichen Einheit (68) zusammengefasst sind, die nicht ohne Zerstörung des SCR-Katalysators und/oder des Partikelfilters getrennt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, das Stickoxide und Rußpartikel enthält, mit einem Oxidationskatalysator, einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator.
Eine solche Vorrichtung ist per se bekannt.
Der Oxidationskatalysator bildet zusammen mit dem nachgeschalteten Partikelfilter ein CRT-System (Continuously Regenerating Trap).

Bekannte Partikelfilter weisen einen keramischen Wabenkörper mit einer Vielzahl von Kanälen auf, die wechselseitig so verschlossen sind, dass das partikelbeladene Abgas durch poröse Wände des Wabenkörpers strömen muss. Dabei lagern sich die Partikel in den Poren ab. Je nach Porosität des keramischen Wabenkörpers schwankt der Wirkungsgrad der Filter zwischen 70 und 90%. Um einen unzulässig hohen Abgasgegendruck durch Partikelrückstände zu vermeiden, muss der Partikelfilter regeneriert werden.

Die Regeneration erfolgt im Rahmen des CRT-Systems dadurch, dass der Oxidationskatalysator zunächst Stickstoffmonoxid aus dem motorischen Abgas mit Sauerstoff zu Stickstoffdioxid umwandelt und dass der als Rußpartikel im nachfolgenden Partikelfilter vorliegende Kohlenstoff dort mit dem Stickstoffdioxid zu CO2 und Stickstoffmonoxid umgewandelt wird, die beide mit dem übrigen Abgas aus dem Partikelfilter ausgetragen werden. Durch diese Reaktionen wird der Partikelfilter im normalen Betrieb des Verbrennungsmotors regeneriert. Auf diese Weise wird ein hoher Wirkungsgrad der Abgasreinigung erzielt.

Das bei der Regeneration des Partikelfilters entstandene Stickstoffmonoxid wird im nachfolgenden SCR-Katalysator reduziert. Die Wirkungsweise der namensgebenden „selective catalytic reaction" wird im Zusammenhang mit dem Aufbau eines SCR-Katalysators in D. Schöppe et al., "Ein geregeltes Abgasnachbehandlungssystem zur Erfüllung zukünftiger Emissions- grenzwerte bei Dieselmotoren", Fortschritt-Berichte, VDI, Reihe 12, Nr. 267, Band 1 (1996), 17. Int. Wiener Motorensymposium, S. 332-353, beschrieben. Der SCR-Katalysator setzt ein Reduktionsmittel in Ammoniak (NH3) um, das dann katalytisch mit Stickoxiden selektiv zu Stickstoff und Wasser konvertiert wird.

Ein SCR-Katalysator fördert eine selektive katalytische Reduktion von NOx zu N2, wobei als Reduktionsmittel NH3 (Ammoniak) dient, das in bekannter Weise in einem dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Hydrolysekatalysator aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung gewonnen werden kann. Die Umwandlung der Harnstoff-Wasser-Lösung kann auch am SCR-Katalysator stattfinden, so dass ein separater Hydrolysekatalysator nicht obligatorisch vorhanden sein muss.

Es ist auch bekannt, SCR-Katalysatoren ohne vorgeschaltete CRT-Systeme zu betreiben, um motorisch erzeugte Stickoxide zu konvertieren. Die Konvertierungsreaktionen finden dabei nur oberhalb eines Temperaturschwellenwertes, der sogenannten Light Off Temperatur statt.

Bei der Reinigung der Abgase von modernen Verbrennungsmotoren mit hohem Wirkungsgrad, insbesondere von Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und Abgasturbolader, ist die Abgastemperatur als Folge des hohen Wirkungsgrades sehr niedrig. Die durchschnittliche Katalysatortemperatur liegt beispielsweise bei Pkw-Dieselmotoren bei etwa 160 °C, was zusätzliche Maßnahmen für eine effektive NOx-Verringerung zum Erreichen der Grenzwerte erforderlich macht.

Außerdem ist es auf Grund weiter steigender Anforderungen an die Abgasqualität wahrscheinlich, dass künftige Grenzwerte nur bei einer zusätzlichen Ausrüstung mit einem Partikelfilter zu erfüllen sind. Es ist daher abzusehen, dass für die Erfüllung zukünftiger Grenzwerte ein Kombisystem aus Partikelfilter und einem DeNOx-Katalysator, beispielsweise einem SCR-Katalysator notwendig sein wird.

Um die angestrebte Partikelminderung auch dauerhaft und betriebssicher zu gewährleisten, sollte der Partikelfilter bei einer solchen Kombination in der Strömungsrichtung der Abgase vor dem DeNox-Katalysator angeordnet sein. In dieser Anordnung ist ein CRT-System für den Rußabbrand nutzbar. Unter Verwendung eines per se bekannten, beschichteten Partikelfilters (CDPF) liegt die Temperatur des kontinuierlichen Abbrandes bei etwa 300°C. Durch diese Anordnung erhöht sich die Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungssystems, so dass die Light-Off- Temperatur des nachfolgenden DeNox-Katalysators noch schwieriger als bisher zu erreichen sein wird. Ohne Gegenmaßnahmen muss daher damit gerechnet werden, dass die Verringerung der Partikel-Emissionen durch ein vorgeschaltetes CRT-System mit Einbußen bei der NOx-Konvertierung im nachfolgenden DeNox-Katalysator erkauft werden muss.

Mit anderen Worten: Die per se bekannte Kombination aus Oxidationskatalysator, Partikelfilter und DeNox-Katalysator in Form eines SCR-Katalysators besitzt zwar den Vorteil eines beachtlichen Abgasreinigungspotentials. Sie weist aber auch den Nachteil einer hohen Wärmekapazität auf, was gegenüber herkömmlichen SCR-Katalysatorsystemen ohne vorgeschaltetes Partikelfilter-System das Light-Off-Verhalten verschlechtert und somit eine Erfüllung zukünftiger Abgas-Normen auch bei optimaler Ausnutzung des theoretisch möglichen Wirkungsgrads in Frage stellt. Die DeNox-Aktivität ist also geringer als bei herkömmlichen SCR-Systemen ohne vorgeschaltetes Partikelfilter-System. Außerdem benötigt die per se bekannte Kombination einen größeren Einbauraum, was ebenfalls als nachteilig einzustufen ist.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Abgasreinigungssystems mit einem Partikelfilter, das eine niedrigere Wärmekapazität und damit verbessertes Light-Off-Verhalten sowie eine bessere NOx-Konvertierungsfähigkeit besitzt als die per se bekannte Kombination, das auch zukünftige Abgas-Normen bei optimaler Ausnutzung des theoretisch möglichen Wirkungsgrads erfüllt und das weniger Einbauraum benötigt als das per se bekannte System.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der SCR-Katalysator zusammen mit dem Partikelfilter zu einer baulichen Einheit zusammengefasst ist, die nicht ohne Zerstörung des SCR-Katalysators und/oder des Partikelfilters in den SCR-Katalysator und den Partikelfilter getrennt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Durch diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Durch die Zusammenfassung der Partikelfilterfunktion und der SCR-Katalysatorfunktion in einem einzigen Bauteil verringert sich die thermische Masse des Abgasreinigungssystems beträchtlich. Dadurch kann das Abgasreinigungssystem wesentlich kompakter ausgelegt werden. Die Erfindung ermöglicht insgesamt eine Verringerung der Rußpartikel-Emission bei gleichzeitiger Verringerung der Stickoxidemissionen.

Es ist bevorzugt, dass die bauliche Einheit eine Partikel aufnehmende Struktur aufweist, die mit einer SCR-aktiven Masse beschichtet ist oder aus einer solchen Masse besteht.

Bevorzugt ist auch, dass die Partikel aufnehmende Struktur ein Extrudat ist und in das Extrudat eingelagerte katalytische Zentren aufweist. Das Extrudat bildet in diesem Fall einen Vollkatalysator.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil einer noch höheren katalytischen Aktivität im Vergleich zu einer beschichteten Struktur. Die Beschichtung unterliegt nämlich mit Blick auf ihre Dicke Beschränkungen, da eine zu dicke Beschichtung den Druckverlust bei der Durchströmung unzulässig stark ansteigen lassen könnte. Diese Beschränkung hat Beschränkungen der NH3-Speicherfähigkeit und der DeNOx- Aktivität zur Folge. Insbesondere die DeNOx-Aktivität, also die NOx-Konvertierungsfähigkeit, erreicht bei einer beschichteten Struktur nicht die Werte eines herkömmlichen extrudierten SCR-Katalysators. Der besondere Vorteil der in das Extrudat eingelagerten katalytischen Zentren liegt darin, dass dieses System in der Summe eine höhere katalytisch aktive Masse besitzt. Außerdem ist auch die NH3-Speicherfahigkeit deutlich höher als bei einem beschichteten System, was eine deutliche Verbesserung des NOx-Reduktionsvermögens unter dynamischen Bedingungen und bei tiefen Temperaturen ermöglicht, da eine höhere Anzahl an Sorptionszentren zur Verfügung steht.

Ferner ist bevorzugt, dass die Struktur eine Vielzahl von einseitig verschlossenen Kanälen aufweist, die durch Partikel aufnehmende, gasdurchlässige Wände voneinander getrennt sind.

Als Folge dieser Ausgestaltung muss das Abgas durch die Wände der wechselseitig verschlossenen Kanäle hindurch diffundieren. Es strömt daher nicht nur an den Kanälen entlang, wie bei bekannten SCR-Katalysatoren. Als Folge werden bei der bevorzugten Ausgestaltung aktivitätsmindernde Prozesse, wie z.B. Film- und Porendiffusion, vermieden. Die Reaktanden werden also direkt an die aktiven Zentren geführt. Der Katalysator wird dadurch besser ausgelastet, so dass sogar eine Steigerung der DeNOx-Aktivität gegenüber einem bisherigen SCR-Katalysator zu erwarten ist. Neben der Partikelminderung besitzt diese Ausgestaltung der Erfindung also auch ein erhöhtes NOx-Minderungspotential.

Dadurch ist es möglich, die Baugröße eines solchen integrierten System stark zu verringern, was zu einem verbesserten Anspringverhalten bei niedriger Temperatur führt und einen früheren Konvertierungsbeginn durch ein schnelleres Erreichen der Light-Off-Temperatur ermöglicht. Dies ist besonders bei Anwendungen im Pkw-Bereich anzustreben, da der Verbrennungsmotor dort häufig im Teillastbereich mit niedrigen Abgastemperaturen betrieben wird.

Diese Ausgestaltung bietet also ein beachtliches Potential zur Abgasreinigung, da neben einer alltagstauglichen Anordnung des Filtersystems auch eine Steigerung des NOx-Umsatzes gegenüber einem SCR-System ohne Filter erreicht werden kann.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Struktur als Vollextrudat realisiert ist.

Durch die Realisierung als Vollextrudat kann die Masse an eingebettetem katalytischen Material maximiert werden, wobei gleichzeitig der Strömungswiderstand minimiert werden kann, da die Struktur als Vollextrudat weitestgehend aus porösem extrudiertem Material besteht.

Bevorzugt ist ferner, dass die Struktur als Filter-Trägerstruktur ausgebildet ist.

Durch diese Ausgestaltung wird ein weiter verringerter Einbauraum und eine weiter verringerte Gesamtmasse und damit auch eine weiter verringerte Wärmekapazität der Anordnung erzielt, da keine separaten Stützstrukturen erforderlich sind.

Weiter ist bevorzugt, dass die Zufuhr eines Reduktionsmittels vor der baulichen Einheit erfolgt und dass eine Harnstoff-Wasser-Lösung als Reduktionsmittel zugeführt wird.

Diese Ausgestaltung hat eine gute Zerstäubung und Verteilung der Harnstoff-Wasser-Lösung als Reduktionsmittel im Abgasstrom zur Folge. Außerdem wird das durch eine Düse in das heiße Abgas dosierte Reduktionsmittel durch die Abgaswärme weiter aufbereitet, was die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter verbessert.

Es ist weiter bevorzugt, dass die Vorrichtung ein Steuergerät aufweist, das die Zufuhr des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors steuert.

Als besonders bevorzugter Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wird eine Temperatur des Abgases oder der baulichen Einheit verwendet.

Diese Ausgestaltungen erlauben eine mengenmäßig richtige Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung als Reduktionsmittel, was ebenfalls die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter verbessert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch, einen Verbrennungsmotor mit einer bekannten Abgasreinigungsanlage;
2 ebenfalls schematisch, einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasreinigungsanlage, die Merkmale der Erfindung aufweist; und
3 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus einer katalytischen Wabenstruktur aus Vollextrudat, die auch als Partikelfilter arbeiten kann.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 zusammen mit einem Abgasreinigungssystem 12. Dem Verbrennungsmotor 10 wird Luft aus einem Saugrohr 14 zugeführt. Über eine Einspritzanlage 16 wird Kraftstoff zu der zugeführten Luft dosiert und das so entstandene Gemisch aus Kraftstoff und Luft wird in Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 nach einer Selbstzündung oder nach einer Fremdzündung verbrannt. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 und die Einspritzanlage 16 von einem Steuergerät 18 gesteuert, dem als Basis für die Steuerung des Verbrennungsmotors 10 und der Einspritzanlage 16 Signale einer Sensorik 20 über Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 10 sowie gegebenenfalls über einen Drehmomentwunsch des Fahrers zugeführt werden. Nach der Verbrennung werden die verbrannten Restgase über einen Abgaskrümmer 22 des Abgasreinigungssystems 12 auf ein Antriebsturbinenrad 24 eines Abgasturboladers 26 geleitet. Auf diese Weise treiben die Abgase des Verbrennungsmotors 10 über das Antriebsturbinenrad 24 und eine Welle 27 ein Förderturbinenrad 28 an, das im Saugrohr 14 angeordnet ist und dem Verbrennungsmotor 10 Luft zuführt. Durch den Antrieb des Abgasturboladers 26 wird dem Abgas kinetische Energie entzogen, was eine Abkühlung des Abgases bewirkt.
Zur Abgasreinigung enthält das bekannte Abgasreinigungssystem 12 der 1 zumindest einen Oxidationskatalysator 30, der in Strömungsrichtung der Abgase vor einem Partikelfilter 32 und einem dem Partikelfilter 32 nachgeschalteten SCR-Katalysator angeordnet ist. Der Oxidationskatalysator 30 weist eine Wabenstruktur 36 mit katalytisch beschichteten Kanälen 38 auf. Das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durchströmt die beidseitig offenen Kanäle 38 der Wabenstruktur 36. Dabei wird Stickstoffmonoxid aus dem Abgas mit Sauerstoff im Abgas an der katalytischen Beschichtung der Kanäle 38 zu Stickstoffdioxid konvertiert.
Der bekannte Partikelfilter 32 weist eine keramische Wabenstruktur 40 mit einer Vielzahl von Kanälen 42, 44, 46, 48 und 50 auf, die wechselseitig so verschlossen sind, dass Kanäle 42, 44, die zum Oxidationskatalysator 30 offen sind, zum SCR-Katalysator 34 geschlossen sind und umgekehrt. Als Folge strömt das partikelbeladene Abgas durch poröse Wände des Wabenkörpers. Dabei lagern sich die Partikel, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen, in den Poren der Wände ab. Je nach Porosität der keramischen Wabenstruktur 40 schwankt der Wirkungsgrad des Partikelfilters 32 zwischen 70 % und 90 %. Um einen unzulässig hohen Abgasgegendruck durch Partikelrückstände zu vermeiden, muss der Partikelfilter regeneriert werden.
Die Regeneration erfolgt bei einem CRT-System, wie es beim Gegenstand der 1 durch die Hintereinanderschaltung des Oxidationskatalysators 30 und des Partikelfilters 32 realisiert ist, dadurch, dass der Oxidationskatalysator 30 zunächst Stickstoffmonoxid aus dem motorischen Abgas mit Sauerstoff zu Stickstoffdioxid umwandelt und dass der als Rußpartikel im nachfolgenden Partikelfilter 32 vorliegende Kohlenstoff dort mit dem Stickstoffdioxid zu CO2 und Stickstoffmonoxid umgewandelt wird. Sowohl das Stickstoffdioxid als auch das Stickstoffmonoxid wird zusammen mit dem übrigen Abgas aus dem Partikelfilter ausgetragen, der dadurch im normalen Betrieb des Verbrennungsmotors regeneriert wird.
Das bei der Regeneration des Partikelfilters entstandene Stickstoffmonoxid wird im nachfolgenden SCR-Katalysator 34 reduziert. Die katalytische Beschichtung der Kanäle 54 der Wabenstruktur 52 des SCR-Katalysators 34 fördert eine selektive katalytische Reduktion von Stickstoffdioxid zu molekularem Stickstoff, wobei als Reduktionsmittel Ammoniak dient. Das Reduktionsmittel Ammoniak wird zum Beispiel durch eine Hydrolysereaktion im SCR-Katalysator 34 aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung gewonnen, die aus einem Reduktionsmitteldosiersystem 56 zum Abgas vor den SCR-Katalysator 34 dosiert wird. Das Reduktionsmitteldosiersystem 56 weist im Wesentlichen einen Reduktionsmitteltank 58 und ein Dosierventil 60 mit einer Düse 62 auf. Das Dosierventil 60 wird in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 vom Steuergerät 18 gesteuert.
Zu den Betriebsparametern des Verbrennungsmotors 10 gehört in diesem Zusammenhang insbesondere die Temperatur des Abgasreinigungssystems 12 oder einer seiner Komponenten. Zur Erfassung dieser Temperatur ist in der 1 ein Temperatursensor 64 vorgesehen, der die Temperatur des Partikelfilters 32 erfasst. Ein solcher Temperatursensor 64 kann jedoch auch an anderer Stelle im Abgasreinigungssystem vorgesehen sein. Als weitere Alternative kann die zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 und des Dosierventils 60 verwendete Temperatur auch modellhaft aus weiteren Betriebsparametern des Verbrennungsmotors wie: Luftfüllung der Brennräume, zudosierte Kraftstoffmenge et cetera, gebildet werden.
Die 2 zeigt, ebenfalls schematisch, den Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasreinigungsanlage 66, die Merkmale der Erfindung aufweist. Die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage 66 nach der 2 unterscheidet sich von der bekannten Abgasreinigungsanlage 12 nach 1 dadurch, dass der Partikelfilter 32 und der SCR-Katalysator 34 bei dem erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystem 66 zu einer baulichen Einheit 68 zusammengefasst sind, die nicht ohne Zerstörung des SCR-Katalysators und/oder des Partikelfilters getrennt werden kann.
Die bauliche Einheit 68 weist eine Wabenstruktur 70 auf, in der wechselseitig geschlossene Kanäle 72, 74, 76, 78 und 80 so ausgebildet sind, dass Kanäle 72, 74, die zum Oxidationskatalysator 30 offen sind, zur gegenüberliegenden Seite der baulichen Einheit geschlossen sind und umgekehrt. Das Abgas des Verbrennungsmotors 10 muss daher bei der Abgasreinigungsanlage 66 nach 2 durch poröse Wände der Wabenstruktur 70 diffundieren. Bei der Diffusion scheiden sich Rußpartikel in den porösen Wänden der Wabenstruktur 70 ab. Die bauliche Einheit 68 aus 2 arbeitet damit als Partikelfilter und übernimmt daher die Funktion des Partikelfilters 32 aus der 1.
Der baulichen Einheit 68 ist ein Oxidationskatalysator 30 vorgeschaltet, der zusammen mit der baulichen Einheit 68 ein CRT-System bildet, wie es im Zusammenhang mit dem Oxidationskatalysator 30 und dem Partikelfilter 32 aus der 1 erläutert worden ist. Erfindungsgemäß ist die bauliche Einheit 68 so beschaffen, dass die Abgase, die durch die bauliche Einheit 68 diffundieren, mit katalytischen Zentren in Kontakt kommen. Dabei sind Materialien der katalytischen Zentren so ausgewählt, dass sich eine SCR-Fähigkeit ergibt. Diese Fähigkeit kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die Oberflächen der wechselseitig geschlossenen Kanäle 72, 74, 76, 78 und 80 der Wabenstruktur 70 mit einer gasdurchlässigen katalytischen Schicht bedeckt werden. Die Wabenstruktur 70 dient in diesem Fall sowohl als Tragkörper für die SCR-aktive Beschichtung als auch als Partikelfilter, in dem sich die Rußpartikel abscheiden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Wabenstruktur 70 als Vollextrudat hergestellt, das katalytisches Material enthält oder ausschließlich aus katalytischem Material besteht. Die Herstellung eines solchen Vollextrudats kann mit Hilfe einer Extrudiermaschine erfolgen, die aus granulatartig zugeführten Ausgangsmaterialien Formkörper aus einer weichen plastischen Masse erzeugt, die anschließend, beispielsweise durch Kalzinierung, verfestigt wird. Das extrudierte Material besitzt als wesentliche Eigenschaften eine Porosität, die eine Partikelfilterwirkung erlaubt, und eine katalytische Aktivität, die dem Material eine SCR-Fähigkeit verleiht.
Wesentlich ist darüber hinaus, dass das Material mit diesen Eigenschaften zu einer Wabenstruktur 70 ausgeformt ist, die wechselseitig geschlossene Kanäle 72, 74, 76, 78 und 80 aufweist. Es ist gerade die erfindungsgemäße Vereinigung dieser drei Eigenschaften in einer einzigen baulichen Einheit 68, die eine Zusammenfassung eines SCR-Katalysators mit einem Partikelfilter zu einer nicht zerstörungsfrei trennbaren baulichen Einheit erlaubt. Dabei muss das Material nicht durch Extrusion hergestellt werden. Jedes andere Herstellungsverfahren, das die Herstellung einer partikelfilternden porösen Struktur in Verbindung mit katalytischen Oberflächen ermöglicht, kann auch zur Herstellung einer baulichen Einheit 68 mit SCR-Fähigkeit und partikelfilternder Wirkung verwendet werden. Für das Auslösen einer selektiven katalytischen Reaktion ist in der 2 weiter ein Reduktionsmitteldosiersystem 56 vorhanden, über das Reduktionsmittel aus einem Tank 58 in gesteuerter Weise zum Abgas dosiert werden kann. Das Reduktionsmittel 56 nach 2 kann mit dem Reduktionsmitteldosiersystem 56 nach 1 identisch sein, mit dem Unterschied, dass die Düse 62 des Reduktionsmitteldosiersystems 56 beim Gegenstand der 2 zwischen dem Oxidationskatalysator 30 und der baulichen Einheit 68 angeordnet ist.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts aus einer katalytischen Wabenstruktur 70 aus Vollextrudat, die eine poröse, katalytische Struktur 82 aufweist. In der Wabenstruktur 70 sind wechselseitig geschlossene Kanäle 78 und 72 angeordnet, wobei diese Kanäle 72 und 78 entsprechend der Darstellung der 2 orientiert sind. Das bedeutet, dass Abgasbestandteile aus dem Oxidationskatalysator 30 austreten und in den ausgangsseitig verschlossenen Kanal 72 eintreten. Anschließend diffundieren sie durch die porösen, katalytischen Strukturen 82 in den eingangsseitig verschlossenen Kanal 78, von dem aus sie die Wabenstruktur 70 verlassen. Dabei sind die Kanäle 72 und 78 durch Wandelemente 84 und 86 verschlossen.
Die Wandelemente 84 und 86 bestehen bevorzugt auch aus dem porösen katalytischen Material, weil dadurch gewissermaßen das Partikelfiltervolumen und die Anzahl der Diffusionspfade maximiert wird. Als Folge stellt sich eine Minimierung des Strömungswiderstandes der Wabenstruktur 70 ein. Alternativ können alle Wandelemente 84, 86 oder aber ein Teil der Wandelemente 84, 86 aus anderem Material, beispielsweise aus Material bestehen, das eine höhere Festigkeit aufweist, als die poröse, katalytische Struktur 82. Durch diese Ausgestaltung wird eine insgesamt verbesserte Steifigkeit der Wabenstruktur 70 erzielt. Die Pfeile 88, 90, 92, 94 und 96 repräsentieren Eintrittsströme und Austrittsströme der Wabenstruktur 70. Dabei repräsentiert der Pfeil 88 einen Strom von Ammoniak, das zum Beispiel durch eine Hydrolysereaktion der als Reduktionsmittel 57 über die Düse 62 eingespritzten Harnstoff-Wasser-Lösung erzeugt worden ist. Anstelle einer Harnstoff-Wasser-Lösung können auch andere Reduktionsmittel-Vorstufen oder Reduktionsmittel zu dem Abgas dosiert werden. So kann zum Beispiel NH3-Gas zugeführt werden.
Der Pfeil 90 repräsentiert einen Rußpartikelstrom, also einen Kohlenstoff-Teilchenstrom. Der Pfeil 92 repräsentiert die Einströmung von Stickoxiden in die Wabenstruktur 70. Das im Stickoxidstrom 92 enthaltene Stickstoffdioxid durchströmt die poröse Struktur 82 und reagiert dort mit aus dem Kohlenstoffpartikelstrom 90 abgelagertem Kohlenstoff zu Kohlendioxid und Stickstoffmonoxid. Das Kohlendioxid wird in gasförmiger Form als Strom 98 aus der Wabenstruktur 70 ausgetragen. Falls der CRT-Effekt nicht wirksam ist, muss der Filter periodisch abgebrannt werden. Das bei der Umwandlung des abgeschiedenen Kohlenstoffs entstandene Stickstoffmonoxid wird durch die SCR-Fähigkeit der porösen katalytischen Struktur 82 mit Hilfe des Ammoniakstroms 88 zu molekularem Stickstoff und Wasser umgewandelt. Der unschädliche molekulare Stickstoff und das Wasser verlassen ebenfalls in gasförmiger Form die Wabenstruktur 70. Neben dem bei der Umwandlung des Kohlenstoffs entstandenen Stickstoffmonoxid wird selbstverständlich auch vom Verbrennungsmotor 10 emittiertes Stickstoffmonoxid, das in dem Stickstoffoxidstrom 92 enthalten ist, durch die selektive katalytische Reaktion in der porösen katalytischen Struktur 82 umgewandelt.

Claims

Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors (10), das Stickoxide und Rußpartikel enthält, mit einem Oxidationskatalysator (30), einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator, dadurch gekennzeichnet, dass de SCR-Katalysator zusammen mit dem Partikelfilter zu einer baulichen Einheit (68) zusammengefasst ist, die nicht ohne Zerstörung des SCR-Katalysators und/oder des Partikelfilters in den SCR-Katalysator und den Partikelfilter getrennt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Einheit (68) eine Partikel aufnehmende Struktur (70) aufweist, die mit einer SCR-aktiven Masse beschichtet ist, oder aus einer SCR-aktiven Masse besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansspürche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (70) aus einem Extrudat mit in dem Extrudat eingelagerten katalytischen Zentren besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (70) eine Vielzahl von einseitig verschlossenen Kanälen (72, 74, 76, 78, 80) aufweist, die durch Partikel aufnehmende, gasdurchlässige Wände voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (70) als Vollextrudat realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (70) als Trägerstruktur ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr eines Reaktionsmittels (57) über eine Düse (62) zwischen dem Oxidationskatalysator (30) und der baulichen Einheit (68) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder NH₃ oder eine andere NH₃-abspaltende Substanz als Reduktionsmittel (57) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (18), das die Zufuhr des Reduktionsmittels (57) in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors (10) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter des Verbrennungsmotors zumindest eine Temperatur des Abgases oder der baulichen Einheit (68) verwendet wird.