DE112013005070B4 - SYSTEM FÜR DIE BEHANDLUNG VON NOx ENTHALTENDEN ABGASEN VON EINEM MOTOR - Google Patents

SYSTEM FÜR DIE BEHANDLUNG VON NOx ENTHALTENDEN ABGASEN VON EINEM MOTOR Download PDF

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Abstract

System für die Behandlung von NOx enthaltenden Abgasen von einem Motor, wobei das System Folgendes umfasst:
einen Durchfluss-Monolithen (20) mit einer ersten katalytischen Zusammensetzung für selektive katalytische Reduktion von NOx und mit einem ersten Volumen;
einen eng gekoppelten Feinstaubfilter (22) mit einer zweiten katalytischen Zusammensetzung für die Reduktion des Feinstaubs und die selektive katalytische Reduktion von Ox und mit einem zweiten Volumen; und
ein Volumenverhältnis des ersten Volumens zum zweiten Volumen von weniger als ungefähr 1:2,
worin der Durchfluss-Monolith (20) in Fluid-Kommunikation mit dem Feinstaubfilter (22) steht, und stromaufwärts von diesem eingebaut ist, und
worin die erste und die zweite katalytische Zusammensetzung ein Unedel-Metall-unterstütztes Aluminosilikat-Molekularsieb oder Silikoaluminophosphat-Molekularsieb umfassen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf die Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren und insbesondere auf ein System für die Behandlung von NOx enthaltenden Abgasen von einem Motor.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine der belastendsten Kraftfahrzeugabgaskomponenten ist NOx, das Stickoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) und Distickstoffoxid (N2O) umfasst. Der Ausstoß von NOx ist besonders problematisch für Magermotoren, beispielsweise Dieselmotoren. Um die Umweltbelastung von NOx in Abgasen abzuschwächen, ist es wünschenswert, diese unerwünschten Komponenten zu beseitigen, vorzugsweise durch ein Verfahren, das keine anderen schädlichen oder giftigen Substanzen erzeugt.
  • Zusätzlich zum Ausstoß von NOx-Gasen haben Magerverbrennungsmotoren aufgrund ihrer Verbrennungseigenschaften den Nachteil, dass sie Feinstaub oder Ruß erzeugen, auf denen eine Vielfalt an organischen Substanzen absorbiert werden kann, umfassend unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Schwefelsäure, die durch die Oxidation von Schwefeldioxid hergestellt wird, das von Schwefel-Arten abstammt, die im Treibstoff oder in Schmierölen vorhanden sind. Das Abgas von Dieselmotoren neigt dazu, im Vergleich zu Benzinmotoren mehr Ruß aufzuweisen.
  • Da Abgase von Magerverbrennungsmotoren zur Luftverschmutzung beitragen, sind Aufbereitungssysteme unverzichtbar, um die vom Betreiben eines Magerverbrennungsmotors stammenden umweltschädlichen Auswirkungen gering zu halten.
  • Zwei Verfahren werden üblicherweise eingesetzt, um Schadstoffe in Abgasen von Magerverbrennungsmotoren zu verringern. Das erste Verfahren wandelt NOx in einem Diesel-Abgas in harmlosere Substanzen um, was auch als selektive katalytische Reduktion (SCR) bekannt ist. Ein SCR-Verfahren bringt die Umwandlung von NOx, bei Vorliegen eines Katalysators und eines Reduktionsmittels, typischerweise wasserfreiem Ammoniak, wässriger Ammoniaklösung oder Harnstoff, in elementaren Stickstoff (N2) und Wasser mit sich. Das zweite Verfahren verringert Ruß-Emissionen durch das Hindurchbewegen des rußhaltigen Abgases durch einen Partikelfilter. Die Anhäufung von Rußpartikeln auf dem Filter kann jedoch einen unerwünschten Anstieg im Rückstrom des Abgassystems, während dieses in Betrieb ist, verursachen, wodurch der Wirkungsgrad herabgesetzt wird. Um den Filter zu erneuern, muss der sich angesammelt habende, auf Kohlenstoff basierende Ruß aus dem Filter entfernt werden, beispielsweise durch regelmäßiges Verbrennen des Rußes durch passive oder aktive Oxidation bei hohen Temperaturen.
  • Aus der WO 99/ 39 809 A1 ist die Kombination einer Anzahl an separaten einzelnen Komponenten in einem Abgassystem bekannt, umfassend einen SCR-Katalysator, um, unter anderem, Feinstaub und Stickstoffoxide zu behandeln. Beispielsweise kann ein Abgasstrom von einem Motor, der mit einem Reduktionsmittel kombiniert wird, zuerst durch einen Durchfluss-Monolithen fließen, der den SCR-Katalysator enthält, um NOx zu reduzieren, und dann werden die Gase stromabwärts weiterbehandelt, um Feinstaub zu entfernen, indem man sie durch einen Partikelfilter laufen lässt. Der Nachteil von solchen Ausgestaltungen besteht darin, dass ein Ansteigen der Anzahl an Abgas-Nachbehandlungskomponenten die Gesamtkosten des Abgassystems als auch das Gesamtvolumen und Gewicht des Systems erhöht, was für Kraftfahrzeuge besonders nachteilig ist. Je schwerer ein Kraftfahrzeugabgasgesamtsystem ist, desto mehr Treibstoff wird das Kraftfahrzeug brauchen, um es zu transportieren.
  • Um den oben angeführten Nachteilen entgegenzutreten, sind Abgassysteme mit einer Einzelkomponente ausgestaltet worden, die NOx und Feinstaub reduzieren kann. US 2010 / 0 180 580 A1 offenbart ein System, einen SCR-Katalysator mit einem Wandstromfilter zu kombinieren. Wandstromfilter enthalten mehrfache angrenzende parallele Kanäle, die an einem Ende verschlossen sind, worin das Verschließen an den entgegengesetzten Enden von angrenzenden Kanälen in einem alternierenden Muster erfolgt. Das Verschließen alternierender Kanalenden hindert das Gas, das in die Einlass-Seite des Filters eintritt, daran, den Kanal geradeaus zu durchfließen und aus diesem Kanal auszutreten. Stattdessen tritt das Gas in die Vorderseite des Substrates ein und bewegt sich bis ungefähr in die Mitte der Kanäle, wo es über die Kanalwände getrieben wird, bevor es durch die Auslass-Seite des Substrats austritt. Der Katalysator wird typischerweise auf die Wände des Wandstromfilters in Form einer wässrigen Mischung oder Grundierung aufgetragen, und dann kalziniert, um auf der Oberfläche der Wände haften zu bleiben.
  • Der Nachteil gewisser SCR-Wandstromfilter besteht darin, dass eine begrenzte Katalysatormenge auf die Oberfläche aufgetragen werden kann. Eine dicke Grundierung wird die Kanäle und in einigen Fällen die Poren verengen und den Gasstrom hemmen, was zum Rückstrom beiträgt und die Wirksamkeit des Systems negativ beeinflusst. Ein bekanntes Verfahren zur Verringerung des Rückstroms erfordert das Einschränken der aufgetragenen Grundierungsmenge. Geringere Grundierung führt zu einem geringeren Katalysator und Fähigkeit des Filters, NOx umzuwandeln. Letztendlich trägt das Beschichten der Oberfläche eines Wandstromfilters durch einen SCR-Katalysator zum Gesamtgewicht des Filters bei. Eine erhöhte Masse wird mehr Zeit und Energie erfordern, den Wandstromfilter auf die Temperaturen zu erhitzen, die für die Katalysatoraktivierung notwendig sind, was einen erheblichen Nachteil bei der Inbetriebnahme darstellt, wenn der Motor seine normale stationäre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Um die Aufheizgeschwindigkeit eines SCR-Wandstromfilters zu erhöhen, kann der Filter dicht am Motor angeordnet werden.
  • Ein bekanntes Verfahren, den mit einem SCR-Wandstromfilter in Verbindung stehenden Nachteilen entgegenzutreten, besteht darin, einem SCR-Durchfluss-Monolithen stromaufwärts des Wandstromfilters anzuordnen. Durchfluss-Monolithen mit einer sogenannten Wabengeometrie umfassen mehrfache angrenzende parallele Kanäle, die an beiden Enden offen sind und sich im Allgemeinen von der Einlass-Seite zur Auslass-Seite des Substrats erstrecken. Jeder Kanal weist typischerweise einen viereckigen, runden, sechseckigen oder dreieckigen Querschnitt auf. Katalytisches Material wird auf das Substrat typischerweise als eine Grundierung oder ein anderer Brei aufgetragen, der auf und/oder in den Wänden des Substrats enthalten sein kann.
  • DE 10 2010 023 820 A1 betrifft ein Abgasbehandlungssystem für einen Dieselmotor, das einen Mager-NOx-Fänger (LNT) und einen Zwei-Wege-Katalysator umfasst. DE 10 2011 100 479 A1 ist auf ein Verfahren zum Steuern eines Abgasbehandlungssystems gerichtet, welches das selektive Bestimmen eines Steuerzustandes anhand einer Abgastemperatur und von Aktivierungstemperaturen, gefolgt vom Schätzen einer Reduktionsmitteldosis und anschließendem Steuern der Reduktionsmittelinjektion umfasst. WO 2012/ 080 608 A1 beschreibt eine Abgasleitung für Abgas aus einer Wärmekraftmaschine, wobei die Abgasleitung ein Rohr mit einem Partikelfilter und einem SCRS-System aus einem stromaufwärtigen SCR-Element und einem stromabwärtigen SCR-Element umfasst. WO 2003/ 054 364 A2 bezieht sich auf ein Verfahren zur selektiv katalytischen Reduktion von NOx in einem Abgassystem, in welchem ein Feinstaubfilter mit einem SCR-Katalysator vorgesehen ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Anmelder haben ein System zur Abgasbehandlung von einem Magerverbrennungsmotor, der NOx und Ruß reduziert, entdeckt. Gemäß Patentanspruch 1 umfasst das System einen kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen, der stromaufwärts eines eng gekoppelten SCR-Wandstrom-Filters angeordnet ist.
  • Wie hierin angewandt, bezieht sich der Begriff „eng gekoppelt“ auf eine Komponentenposition in einem Abgasbehandlungssystem eines Motors, das weniger als ungefähr 1 Meter stromabwärts des Abgaskrümmers des Motors oder Abgasturboladers, vorzugsweise ungefähr 0,05 bis ungefähr 0,5 Meter. Bei Inbetriebnahme oder bei Betreiben eines Motors unter starker Belastung werden Komponenten in einer eng gekoppelten Position typischerweise höheren Abgastemperaturen als im Vergleich zu weiter stromabwärts liegenden Komponenten ausgesetzt. Es wurde entdeckt, dass die Kombination eines kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen und eines separaten, stromabwärts eng gekoppelten SCR-Wandstrom-Filters einen synergetischen Effekt aufweist, der bei Kombinationen von größeren SCR-Durchfluss-Monolithen und stromabwärts liegenden SCR-Wandstromfiltern oder SCR-Wandstromfiltern, die mit dem Motor nicht eng gekoppelt sind, nicht auftritt. Darüber hinaus tritt dieser Effekt in einem Einzel-SCR-Wandstromfilter mit einem Volumen und einer Katalysatorbeladung, die dem kombinierten SCR-Durchfluss-Monolithen und dem SCR-Wandstromfilter der vorliegenden Erfindung äquivalent ist, nicht auf. Im Besonderen ergibt die synergetische Kombination von SCR-Komponenten eine Rußverbrennungs-Effizienz, die höher als bei herkömmlichen SCR-Durchfluss-Monolith- und SCR-Wandstromfilterkombinationen ist. Überdies erzeugt die synergetische Kombination von Komponenten eine höhere NOx-Umwandlung, verglichen mit einem einzigen, eng gekoppelten SCR-Wandstromfilter mit einem Volumen und einer Katalysatorbeladung, die mit der synergetischen Komponentenkombination vergleichbar sind. Das heißt, die synergetische Komponentenkombination der vorliegenden Erfindung verbessert die Gesamt-NOx-Umwandlungseffizienz eines SCR/Rußfiltrationssystems ohne dass ein zusätzlicher Katalysator erforderlich ist, wodurch die Kosten des Systems gesenkt werden, während auch eine hohe Temperaturstabilität des Wandstromfilters bereitgestellt wird, um eine stetige Filtererneuerung zu ermöglichen.
  • Der kompakte SCR-Durchfluss-Monolith weist bevorzugt im Vergleich zum Stromabwärts-SCR-Wandstromfilter eine niedrigere Wärmekapazität auf. Gemäß Patentanspruch 1 hat der SCR-Durchfluss-Monolith ein kleineres Volumen als der SCR-Wandstromfilter.
  • Demgemäß stellt die Erfindung gemäß Patentanspruch 1 ein System zur Behandlung von Abgasen bereit, die NOx aus einem Motor enthalten, wobei das System (a) einen Durchfluss-Monolithen mit einer ersten katalytischen Zusammensetzung für eine selektive katalytische Reduktion von NOx und einem ersten Volumen; (b) einen eng gekoppelten Feinstaubfilter mit einer zweiten katalytischen Zusammensetzung für die Reduktion von Feinstaub und der selektiven katalytischen Reduktion von NOx und einem zweiten Volumen; und (c) ein Volumenverhältnis des ersten Volumens zum zweiten Volumen von weniger als ungefähr 1:2, umfasst; worin der Durchfluss-Monolith in Fluid-Kommunikation mit, und integriert stromaufwärts von dem Feinstaubfilter eingebaut ist.
  • Hierin beschrieben wird ein Verfahren für die Behandlung eines Motorabgasstroms, der NOx und Ruß enthält, umfassend: das In-Kontakt-Bringen des Abgasstroms, in Gegenwart eines Reduktionsmittels, mit einem Durchfluss-Monolithen mit einer ersten SCR-Katalysator-Zusammensetzungs-Beladung und einem ersten Volumen, um einen Zwischengasstrom zu erzeugen, worin ein erster Teil von dem NOx in N2 und O2 umgewandelt worden ist; das In-Kontakt-Bringen des Zwischengasstroms mit einem eng gekoppelten katalytischen Feinstaubfilter mit einer zweiten SCR-Katalysator-Zusammensetzungs-Beladung und einem zweiten Volumen, worin das zweite Volumen zumindest ungefähr zweimal dem ersten Volumen ist, um einen Teil des Rußes einzufangen und einen sauberen Gasstrom zu erzeugen, worin ein zweiter Teil des NOx in N2 und O2 umgewandelt worden ist; das Oxidieren des Teils des Rußes bei einer Ruß-Oxidationstemperatur, um den katalytischen Feinstaubfilter zu regenerieren; das Erhitzen des katalytischen eng gekoppelten Durchfluss-Monolithen auf eine SCR-Anspringtemperatur vor dem Erhitzen des katalytischen Feinstaubfilters auf eine SCR-Anspringtemperatur; und das Aufrechterhalten, unter Niedrig-Last-Bedingungen, der Ruß-Oxidationstemperatur des katalytischen Feinstaubfilters eine längere Zeitspanne hindurch, verglichen mit einem katalytischen Feinstaubfilter mit einem Volumen, das dem ersten und zweiten kombinierten Volumen entspricht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Motorabgasbehandlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
    • 2 stellt die Gesamtmasse von NOx graphisch dar, die bei der Motor-Inbetriebnahme durch ein System, umfassend nur einen SCR-Wandstromfilter und ein System gemäß der vorliegenden Erfindung, umgewandelt wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Diese Erfindung stellt ein neuartiges System für die Behandlung von aus einem Magerverbrennungsmotor stammenden Abgasen dar, umfassend eine Temperaturstabilisierte Serie von SCR-Katalysatoren, um eine verbesserte NOx-Umwandlung und eine höhere Rußverbrennungseffizienz zu erzeugen. Im Besonderen bringt die Erfindung ein System zur Rußverminderung und zur Behandlung von NOx in einem Abgas mit sich, umfassend einen kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen, der stromaufwärts eines eng gekoppelten SCR-Wandstromfilters angeordnet ist. Die Erfindung soll eine besondere Anwendung bei Abgasen von schweren Dieselmotoren finden, besonders von Kraftfahrzeugmotoren, beispielsweise Lastwagen- oder Busmotoren, sie soll jedoch nicht als darauf beschränkt angesehen werden. Andere Anwendungen könnten LDD (leichte Dieselmotoren), GDI (Benzindirekteinspritzung), CNG (komprimiertes Erdgas) -Motoren, Schiffe oder ortsfeste Quellen sein. Der Einfachheit halber jedoch betrifft die Mehrheit dieser Beschreibung derartige Kraftfahrzeugmotoren.
  • Da der SCR-Wandstromfilter eng gekoppelt ist, sollte die Gesamtlänge des in der vorliegenden Erfindung angewandten, kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen weniger als der Raum sein, der zwischen dem SCR-Wandstromfilter und dem Motorauslass bereitgestellt wird, um auch andere Komponenten des Abgassystems unterzubringen, beispielsweise den Reduktionsmittel-Einspritzpunkt oder einen Oxidationskatalysator. Der kompakte SCR-Durchflussmonolith sollte auch leichtgewichtig sein, um sich schnell auf die Aktivierungstemperatur des Katalysators während der Inbetriebnahme des Motors zu erwärmen. Vor der vorliegenden Erfindung war die strukturelle Integrität eines derartigen leichtgewichtigen, kompakten Durchfluss-Monolithen fragwürdig.
  • Der kompakte Monolith trägt zur NOx-Reduktion bei, besonders bei Inbetriebnahme des Motors. Der schwerere SCR-Wandstromfilter wird nach dem Erhitzen auf die Aktivierungstemperatur seines SCR-Katalysators (das heißt, die Anspringtemperatur) bei den stationären Betriebstemperaturen des Motors dann einen größeren Teil von NOx in den der Inbetriebnahme nachfolgenden Abgasen umwandeln. Da der SCR-Wandstromfilter schwerer und mit dem Motor eng gekoppelt ist, wird eine Abkühlung und daher ein Aufrechterhalten der NOx-Umwandlung während der Motor unter Niedrig-Last-Bedingungen in Betrieb ist oder sich im Leerlauf befindet, länger dauern, wodurch seine Ruß-Oxidationseffizienz verbessert wird.
  • Da der kompakte SCR-Durchfluss-Monolith der vorliegenden Erfindung klein ist und daher einen begrenzten Oberflächenbereich aufweist, auf den ein Katalysator aufgebracht werden kann, wird bevorzugt, dass ein schweres Laden des Monolithen mit einem Katalysator pro Volumeneinheit des Monolithen vorgesehen ist. Ferner wird bevorzugt, dass der kompakte SCR-Durchfluss-Monolith eine Katalysator-Beladung pro Volumeneinheit aufweist, die größer als die Katalysator-Beladung pro Volumeneinheit des Substrats auf dem im vorliegenden erfinderischen System angewandten SCR-Wandstromfilter ist. Der kompakte Monolith hat einen bevorzugten Katalysatorbeladungsbereich von ungefähr 3 bis ungefähr 15 g/in³ (ungefähr 0,18 bis ungefähr 092 g/cm³), vorzugsweise ungefähr 4 bis ungefähr 10 g/in³ (ungefähr 0,24 bis ungefähr 0,61 g/cm³). Im Vergleich dazu hat der SCR-Wandstromfilter vorzugsweise einen Katalysatorbeladungsbereich von ungefähr 1 bis ungefähr 2,8 g/in³ (ungefähr 0,06 bis ungefähr 0,17 g/cm³), beispielsweise 1,5 bis 2,5 g/in³ (ungefähr 0,09 bis ungefähr 0,15 g/cm³). Daher beträgt in einigen Ausführungsformen das Verhältnis der SCR-Katalysatorbeladung pro Volumeneinheit auf dem kompakten Monolithen, verglichen mit dem Wandstrompartikelfilter ungefähr 15:1 bis ungefähr 1,5:1, beispielsweise ungefähr 4:1 bis ungefähr 2:1. Der SCR-Katalysator auf dem Durchfluss-Monolith und der SCR-Katalysator auf dem Wandstromfilter können der gleiche Katalysator oder ein unterschiedlicher Katalysator sein. In gewissen Ausführungsformen ist der SCR-Katalysator auf dem Stromaufwärts-Durchfluss-Monolith ein eisenbeschleunigter Zeolith und der SCR-Katalysator auf dem Stromabwärts-Wandstromfilter ist ein kupferbeschleunigter Zeolith.
  • Die Ausmaße des Kompaktmonolithen sind teilweise auch auf Basis der gewünschten Wärmekapazität pro Volumeneinheit für den Kompaktmonolithen ausgewählt. Das „Volumen“, wie es hierin verwendet wird, ist durch die äußeren Dimensionen, beispielsweise Länge und Durchmesser des Monolithen oder Filters, bestimmt. Wie oben erwähnt, ermöglichen die kompakte Größe und das Gewicht des SCR-Durchfluss-Monolithen, dass er sich bei Inbetriebnahme des Motors schnell auf die Aktivierungstemperatur des Katalysators erwärmt und ein Abgasbehandlungssystem mit verbesserter NOx-Umwandlung bereitstellt. Die gewünschten Dimensionen des kompakten Monolithen können mit Bezug auf die Größe des Stromabwärts-SCR-Wandstromfilters ausgedrückt werden. Das Volumen des kompakten Monolithen der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ungefähr 15% bis ungefähr 50% des Volumens des SCR-Wandstromfilters, noch bevorzugter ungefähr 15% bis ungefähr 40%, und am bevorzugtesten ungefähr 20% bis ungefähr 25%. Das Verhältnis des Volumens des Durchfluss-Monolithen zum Volumen des Wandstromfilters ist geringer als ungefähr 1:2, beispielsweise ungefähr 1:10 bis ungefähr 1:2, oder ungefähr 1:6 bis ungefähr 1:4.
  • Zusätzlich zur Größenauswahl des kompakten Monolithen wird die Art der Materialien, die verwendet werden, um den kompakten Monolithen zu bilden, auf Basis der gewünschten Wärmekapazität pro Volumeneinheit des kompakten Monolithen ausgewählt, da die Wärmekapazität von den Materialeigenschaften des zu erwärmenden Objekts abhängt. Ähnlich dem Volumen kann die gewünschte Wärmekapazität pro Volumeneinheit (beispielsweise eine spezifische Wärmekapazität) des kompakten Monolithen relativ zur spezifischen Wärmekapazität des Wandstromfilters ausgedrückt werden. Die spezifische Wärmekapazität des kompakten Durchfluss-Monolithen ist vorzugsweise ungefähr 20% bis 80% der spezifischen Wärmekapazität des Wandstromfilters, noch bevorzugter 25% bis 75%, am bevorzugtesten 35% bis 65%.
  • In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der in der vorliegenden Erfindung angewandte, kompakte Monolith extrudiert. Der extrudierte Monolith wird hergestellt, indem zuerst die Ausgangsmaterialien, umfassend einen Katalysator, ein Bindemittel und wahlweise anorganische Fasern, kombiniert werden, um eine Suspension zu bilden. Die Suspension wird durch zusätzliches Mischen und/oder Kneten in einer Säure- oder alkalinen wässrigen Mischung weiterverarbeitet. Ein organisches Reagenz wird der wässrigen Mischung hinzugefügt, um eine Zusammensetzung herzustellen, die für ein Extrudieren geeignet ist. Nachdem die Zusammensetzung in die Form eines Monolithen extrudiert worden ist, wird sie getrocknet und kalziniert. Das Ergebnis ist ein Monolith mit ausreichend mechanischer Stabilität und wirksamer Aktivität für eine langfristige Anwendung.
  • Durch das Extrudieren einer Katalysatorzusammensetzung in die Form eines Monolithen besteht kein Bedarf mehr nach einem Substrat, das mit einem Katalysator beschichtet ist, und er wird durch einen Katalysatorkörper ersetzt, der das Katalysatormaterial überall im Körper aufweist. Daher enthalten extrudierte Monolithen typischerweise mehr Katalysator-pro-Volumeneinheit als reaktionsträge Substrate, auf die eine Grundierung aufgetragen wird, die eine katalytische Komponente enthält. Ein extrudierter, katalytischer Monolith kann kompakt und leicht sein, wodurch er stromaufwärts eines SCR-Wandstromfilters im vorliegenden erfinderischen System angeordnet werden kann.
  • In einer zweiten Ausführungsform wird der in der vorliegenden Erfindung angewandte, kompakte Monolith hergestellt, indem zuerst eine wässrige Mischung, umfassend eine katalytische Komponente und wahlweise ein Bindemittel, vorbereitet wird und diese wässrige Mischung auf ein reaktionsträges Substrat in der Form eines Monolithen aufgetragen wird, der dann getrocknet und kalziniert wird. Da ein leichtgewichtiger Monolith gewünscht wird, sollte ein Material gewählt werden, das dünne Wände bereitstellen wird, um die Auftragung einer wirksamen Katalysatormenge auf seine Oberfläche zu ermöglichen, ohne die mechanische Stabilität des Monolithen für eine langfristige Anwendung in der vorliegenden Erfindung zu gefährden.
  • Der Durchfluss-Monolith ist vorzugsweise eine Wabe mit einer Vielzahl an Kanälen, die an beiden Enden offen sind und den Monolithen in ungefähr paralleler Richtung durchziehen. Die Querschnittsform der Kanäle ist nicht sonderlich abgegrenzt und kann beispielsweise viereckig, rund, oval, rechteckig, dreieckig, sechseckig oder ähnliches sein. Vorzugsweise enthält der Durchfluss-Monolith (entweder der extrudierte Katalysator oder das reaktionsträge Substrat) ungefähr 150 bis ungefähr 800 Kanäle pro Quadratzoll (cpsi; 1 Kanal pro Quadratzoll entspricht ungefähr 0,16 Kanal pro Quadratzentimeter), und, noch bevorzugter, ungefähr 300 bis ungefähr 400 cpsi oder ungefähr 600 bis ungefähr 800 cpsi. In gewissen Ausführungsformen kann der Durchfluss-Monolith (entweder der extrudierte Katalysator oder das reaktionsträge Substrat) Wände mit einer durchschnittlichen Wanddicke von weniger als ungefähr 0,30 mm, weniger als ungefähr 0,25 mm, weniger als ungefähr 0,22 mm oder weniger als ungefähr 0,20 mm haben. In gewissen Ausführungsformen werden die Zellenwände eine durchschnittliche Dicke von ungefähr 0,30 mm bis ungefähr 0,25 mm, ungefähr 0,25 mm bis ungefähr 0,22 mm oder ungefähr 0,22 mm bis ungefähr 0,20 mm haben.
  • Der Durchfluss-Monolith ist vorzugsweise aus einem oder mehreren Materialien ausgestaltet, die, als eine vorherrschende Phase, Keramik, Cermet, Metall, Oxide und Kombinationen davon umfassen. Unter Kombinationen sind physikalische oder chemische Kombinationen gemeint, beispielsweise Mischungen, Verbindungen oder Zusammensetzungen. Einige Materialien, die für die Praxis der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind, sind jene, die aus Cordierit, Mullit, Ton, Talk, Zirkon, Zirkonia, Spinell, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Borid, Lithium-Aluminosilikat, Aluminiumoxid-Silikatmaterial, Feldspat, Titanoxid, Quarzglas, Nitrid, Borid, Karbid, beispielsweise, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid oder Mischungen davon hergestellt sind. Ein besonders bevorzugtes Material ist Siliziumkarbid.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das System einen SCR-Wandstromfilter, der stromabwärts des kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen angeordnet, jedoch eng gekoppelt mit dem Motor ist. Derartige SCR-Wandstromfilter sind gemäß dem Stand der Technik bekannt und können die gleichen oder unterschiedliche Katalysatoren wie den im vorliegenden erfinderischen System angewandten, kompakten Durchfluss-Filter umfassen. Der Katalysator ist im Wandstromfilter durch das Auftragen einer Grundierung des Katalysators auf ein Substrat vor der Kalzinierung integriert. Ein Vakuum wird üblicherweise verwendet, um die Grundierung durch die Filterwände zu ziehen. Herkömmliche Wandstromfiltersubstrate für Dieselmotoren, die typischerweise verschiedene parallele Kanäle aufweisen, enthalten ungefähr 250 - 800 cpsi, beispielsweise ungefähr 250 - 350 cpsi, und werden entweder in Form einer Keramikwabe oder in Form einer Metallwabe bereitgestellt. Die Kanäle sind durch poröse Wände definiert und jeder Kanal hat eine Kappe entweder an der Einlass- oder Auslass-Seite des Substrats. Wandstromfiltersubstrate zur Anwendung in Kraftfahrzeugabgassystemen, beispielsweise wie diese, sind aus einer Vielfalt an Quellen im Handel erhältlich und können beliebige Formen aufweisen, die für die Anwendung in einem Abgassystem geeignet sind.
  • Die Wände des Wandstromfilters haben eine Porosität und Porengröße, die sie gasdurchlässig machen, ein Einfangen eines Großteils des Feinstaubs, beispielsweise Ruß, aus dem Abgas jedoch ermöglichen, wenn dieses durch die Wand hindurchtritt. Das Substrat kann aus einem porösen Material mit einer Porosität von mindestens ungefähr 35%, noch bevorzugter ungefähr 45 - 55%, gebildet sein. Die mittlere Porengröße des porösen Substrats ist auch wichtig für die Filterung. Die mittlere Porengröße kann durch jedes akzeptable Mittel, umfassend durch Quecksilberporosimetrie, bestimmt werden. Die mittlere Porengröße des porösen Substrats sollte von einem Wert sein, der hoch genug ist, einen niedrigen Rückstrom zu fördern, während er eine angemessene Wirksamkeit bereitstellt, und zwar entweder durch das Substrat an sich, durch die Unterstützung einer Ruß-Filterschicht auf der Oberfläche des Substrats oder durch eine Kombination von beiden. Bevorzugte poröse Substrate haben eine mittlere Porengröße von ungefähr 10 bis ungefähr 40 µm, beispielsweise ungefähr 20 bis ungefähr 30μm, ungefähr 10 bis ungefähr 25 μm, ungefähr 10 bis ungefähr 20 μm, ungefähr 20 bis ungefähr 25 μm, ungefähr 10 bis ungefähr 15 μm, und ungefähr 15 bis ungefähr 20 µm.
  • Bevorzugte Wandstromsubstrate sind hocheffiziente Filter. Der Wirkungsgrad bestimmt sich durch den Gewichtsprozentsatz des Feinstaubs, der eine bestimmte Größe aufweist, der bei Hindurchtreten durch ein Wandstromsubstrat aus dem unbehandelten Abgas entfernt wurde. Daher bezieht sich der Wirkungsgrad auf Ruß und andere Partikel ähnlicher Größe und auf Partikelkonzentrationen, die typischerweise in herkömmlichem Diesel-Abgas vorzufinden sind. Die Größe von Partikeln im Diesel-Abgas kann sich in einem Bereich von 0,05 Mikron bis 2,5 Mikron bewegen. Somit basiert der Wirkungsgrad auf diesem Bereich. Wandstromfilter zur Anwendung der vorliegenden Erfindung haben vorzugsweise einen Wirkungsgrad von mindestens 70%, mindestens ungefähr 75%, mindestens ungefähr 80%, oder mindestens ungefähr 90%. In gewissen Ausführungsformen wird die Wirksamkeit vorzugsweise zwischen ungefähr 75 und ungefähr 99%, zwischen ungefähr 75 und ungefähr 90%, zwischen ungefähr 80 und ungefähr 90%, oder zwischen ungefähr 85 und ungefähr 95% liegen.
  • Katalysatoren zur Anwendung gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein Unedel-Metall-unterstütztes Aluminosilikat-Molekularsieb oder Silikoaluminophosphat-Molekularsieb. Der Katalysator ist in der Lage, Stickstoffoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu vermindern. Besonders geeignete Katalysatoren umfassen kupfer- und/oder eisengestützte Aluminosilikate und Silikoaluminophosphate. Ein besonders bevorzugtes Metall ist Cu. In einer Ausführungsform ist die Übergangsmetallbeladung ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 Gew.-% des Molekularsiebs, beispielsweise von ungefähr 0,5 Gew.-% bis ungefähr 5 Gew.-%, von ungefähr 0,5 bis ungefähr 1 Gew.-%, und von ungefähr 2 bis ungefähr 5 Gew.-%. Die Art und die Konzentration des Übergangsmetalls kann gemäß dem Wirtsmolekularsieb und der Anwendung variieren. Aluminosilikate weisen vorzugsweise ein Siliziumdioxid-zu-Aluminiumoxid-Verhältnis (SAR) von ungefähr 15 zu ungefähr 50 auf, beispielsweise von ungefähr 20 zu ungefähr 40 oder von ungefähr 25 zu ungefähr 30.
  • Die Molekularsiebe weisen ein Gerüst auf, das für SCR-Verfahren geeignet ist, umfassend, aber nicht beschränkt auf Beta, CHA, AEI, LEV, MFI, ERI, und Mischungen oder Verwachsungen davon.
  • Die Anordnung des SCR-Katalysators, der entweder im Durchfluss-Monolithen oder dem Durchfluss-Filter vorhanden ist, auf eine Art und Weise, die jegliche Einschränkung des Abgasstroms durch die Komponente herabsetzt, wird höchst bevorzugt. Mehr als ein Katalysator kann übereinander gelagert werden. Das Katalysatormaterial kann auch auf eine Art und Weise angeordnet werden, sodass ein oder mehrere Konzentrationsgradienten entlang der Kanalwände oder über die Kanäle zwischen der Stromaufwärts-Seite und der Stromabwärts-Seite der Wand gebildet werden. Unterschiedliche Katalysatoren können entlang der Kanalwände oder auf der Stromaufwärts- und der entsprechenden Stromabwärts-Seite der Wände in einem Wandstromfilter beladen werden.
  • Das System der vorliegenden Erfindung kann auch eine Reduktionsmittelquelle umfassen. Das Reduktionsmittel (auch als ein reduzierender Agent bekannt) für SCR-Verfahren meint allgemein jede Verbindung, die die Reduktion von NOx in einem Abgas fördert. Beispiele für Reduktionsmittel, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen Ammoniak, Hydrazin oder jeden geeigneten Ammoniak-Vorläufer, beispielsweise Harnstoff ((NH2)2CO), Ammoniumkarbonat, Ammoniumcarbamat, Ammoniumhydrogencarbonat oder Ammoniumformiat und Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Diesel-Treibstoff und ähnliches. Besonders bevorzugte Reduktionsmittel sind Stickstoff basierend auf Ammoniak. Andere Reduktionsmittel umfassen Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Propen und Diesel-Treibstoff.
  • Die Reduktionsmittelflüssigkeitsquelle kann die bestehende Technologie anwenden, um Flüssigkeit in den Gasstrom einzuspritzen. Beispielsweise kann eine Massen-Steuereinheit die Zulieferung von komprimiertem NH3 steuern, das durch einen in einem Abgasrohr angeordneten ringförmigen Einspritzring eingespritzt werden kann. Der Einspritzring kann eine Vielfalt von Einspritzöffnungen aufweisen, die um seinen Umfang herum angeordnet sind. Herkömmliche Diesel-Treibstoff-Einspritzsysteme umfassen Pumpen und Einspritzdüsen, um Harnstoff einzuspritzen. Ein komprimierter Luftstrom kann auch um die Düse herum eingespritzt werden, um ein gutes Mischen und Abkühlen bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Einspritzpunkt eines Reduktionsmittels stromaufwärts des kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen angeordnet. Ein zweiter Einspritzpunkt kann wahlweise zwischen dem kompakten Monolithen und dem SCR-Wandstromfilter angeordnet sein.
  • Eine Schwierigkeit bei der Behandlung von NOx aus mobilen Quellenanwendungen besteht darin, dass die Menge an dem im Abgas vorhandenen NOx flüchtig ist, das heißt, es variiert bei Fahrbedingungen, beispielsweise Beschleunigung, Verlangsamung und Fahren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die flüchtige Natur der NOx-Komponente im mobilen Anwendungsabgas stellt eine Reihe von technischen Herausforderungen dar, umfassend das korrekte Dosieren des stickstoffhaltigen Reduktionsmittels, um ausreichend NOx zu reduzieren, ohne stickstoffhaltige Reduktionsmittel an die Atmosphäre zu verschwenden oder auszustoßen.
  • In der Praxis können SCR-Katalysatoren ein stickstoffhaltiges Reduktionsmittel vorzugsweise absorbieren (oder speichern), wodurch ein Puffer zur angemessenen Zulieferung des verfügbaren Reduktionsmittels bereitgestellt wird. Technologen wenden dieses Phänomen an, um eine angemessene stickstoffhaltige Reduktionsmitteleinspritzung in Abgase zu kalibrieren. Geringe Speicherkapazität wird häufigere Einspritzungen von Reduktionsmittel in das im Betrieb befindliche System erfordern. Ein wünschenswerter SCR-Katalysator hat genügend NH3-Speicherkapazität bei einer vorgegebenen Temperatur (um sicherzustellen, dass ein Überschuss an NH3 nicht über den Katalysator „schlüpft“ und es der Umwandlung zu ermöglichen, fortzufahren, wenn NH3 in der Einspeisung nicht vorhanden ist) und weist eine hohe Aktivität auf, die unabhängig vom Anteil am NH3-Füllstand ist (der Füllstand ist mit Bezug auf eine gesättigte NH3-Speicherkapazität definiert). Der NH3-Füllstand kann als die NH3-Menge (beispielsweise in Gramm) ausgedrückt werden, die auf dem vollständigen Katalysator (beispielsweise in Liter) mit Bezug auf einen Maximalfüllstand bei einem vorgegebenen Bedingungssatz vorhanden ist. Es kann wünschenswert sein, einen Ammoniakschlupf-Katalysator stromabwärts des SCR-Wandstromfilters zu integrieren, um jegliches NH3 oder Derivate davon zu entfernen, die unumgesetzt oder als Nebenprodukte durchströmen könnten. Ammoniakschlupf-Katalysatoren können einen Zweischicht-Katalysator umfassen, der eine Schicht einer reduktiven Komponente, beispielsweise einen metallbeschleunigten Zeolith, und eine Schicht einer oxidativen Komponente, beispielsweise Platin oder Palladium, aufweist.
  • Das vorliegende erfinderische Abgasbehandlungssystem kann wahlweise auch einen Oxidations-Katalysator stromaufwärts des kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen umfassen. In einer Ausführungsform ist der Oxidations-Katalysator angepasst, einen Gasstrom freizusetzen, der in den SCR-Zeolith-Katalysator eintritt, der ein Verhältnis von NO zu NO2 von ungefähr 4:1 bis ungefähr 1:3 pro Volumen aufweist, beispielsweise bei einer Abgastemperatur an einem Oxidations-Katalysator-Einlass von 250 °C bis 450 °C. Der Oxidations-Katalysator kann mindestens ein Platingruppenmetall (oder Kombinationen davon), beispielsweise Platin, Palladium oder Rhodium, enthalten, das auf ein Durchfluss-Monolith-Substrat aufgetragen ist. In einer Ausführungsform ist das zumindest eine Platingruppenmetall Platin, Palladium oder eine Kombination von Platin und Palladium. Das Platingruppenmetall kann auf einer hohen Oberflächengrundierungskomponente, beispielsweise Aluminiumoxid, Zeolith, beispielsweise Aluminosilikat-Zeolith, Siliziumdioxid, Nicht-Zeolith-Siliziumdioxid-Aluminiumoxid, Cerium, Zirkonia, Titandioxid oder ein gemischtes oder zusammengesetztes Oxid, das sowohl Cerium als auch Zirkonia enthält, aufgelagert sein.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Motor bereitgestellt, der mit einem Abgassystem gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert ist. Der Motor kann ein Dieselmotor, ein Magerverbrennungsbenzinmotor oder ein Motor, der mit Flüssiggas oder Erdgas angetrieben wird, sein. Wie in 1 zu sehen ist, wird ein Magerverbrennungsmotor (10) gezeigt, der einen Abgaskrümmer (12) und einen wahlweisen Abgasturbolader (14) aufweist, von wo sich ein Abgasstrom des Magerverbrennungsmotors (10) zuerst in Richtung (30) eines wahlweisen OxidationsKatalysators (28), dann zu einem kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen (20) und dann zu einem eng gekoppelten SCR-Wandstromfilter (22) bewegt. Dicht am und aufwärts des kompakten Monolithen (20) angeordnet befindet sich ein Einspritzpunkt für ein Reduktionsmittel (24), beispielsweise Ammoniak oder Harnstoff. Ein zweiter und wahlweiser Einspritzpunkt (26) für ein Reduktionsmittel ist zwischen dem kompakten Monolithen (20) und dem Wandstromfilter (22) angeordnet. Der Gasstrom, der aus dem SCR-Wandstromfilter (22) austritt, wird so behandelt, dass die Konzentration von NOx-Gasen und Feinstaub im Vergleich zum Abgas, das aus dem Motor austritt, reduziert worden ist. Der Standort des SCR-Wandstromfilters (22) hinsichtlich des Krümmers (12) oder wahlweisen Abgasturboladers (14) ist derart, dass das Abgas zwischen dem Auslass des Krümmers oder des Abgasturboladers und dem Auslass des Wandstromfilters weniger als 0,5 Meter oder sogar weniger als 0,3 Meter strömt. Die Abgasdurchflussentfernung zwischen dem Einlass des kompakten Monolithen (20) und dem Auslass des Krümmers (12) oder Abgasturboladers (14) sollte nicht sonderlich begrenzt sein, und ist vorzugsweise minimiert, um den wahlweisen Oxidations-Katalysator (28) und die entsprechende ReduktionsmittelEinspritzung und -Mischung zu ermöglichen. Die Abgasdurchflussentfernung zwischen dem Einlass des Wandstromfilters (22) und dem Auslass des kompakten Monolithen (20) ist nicht sonderlich begrenzt, vorausgesetzt, dass zumindest eine gewisse Entfernung die zwei Komponenten trennt. Beispiele geeigneter Entfernungen umfassen 0,05 Meter, 0,1 Meter und 0,2 Meter. Die Komponenten 20, 22, 24, 26, und 28 sind alle in Fluid-Kommunikation miteinander über eine Abgassystemleitung oder andere Hilfsmittel, die das Abgas des Motors durch ein Behandlungssystem hindurchleiten.
  • Gemäß eines weiteren Aspekts wird ein Verfahren für die Reduktion von NOx in einem Abgasstrom aus einem Verbrennungsmotor bereitgestellt, das die Einbringung eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom, das Durchleiten des Abgasstroms durch einen kompakten SCR-Durchfluss-Monolithen und letztendlich das Durchleiten des Gases, das aus dem kompakten Durchfluss-Monolithen durch einen eng gekoppelten SCR-Wandstromfilter austritt, umfasst. Feinstaub innerhalb des Abgases wird gleichzeitig innerhalb des SCR-Wandstromfilters eingefangen. In einer Ausführungsform beträgt die Temperatur des Abgasstroms am Einlass des eng gekoppelten SCR-Wandstromfilters unter schwerer Last mindestens 600 °C.
  • Das Verfahren kann auch den Schritt der Erneuerung des SCR-Wandstromfilters umfassen. Bei Normalbetrieb des Abgassystems sammeln sich der Ruß und andere Partikel auf den Einlass-Seiten der Wände an, was zu einem Anstieg des Rückstroms führt. Um diesen Anstieg im Rückstrom zu verringern, werden die Filtersubstrate kontinuierlich oder regelmäßig durch aktive oder passive Verfahren erneuert, umfassend das Verbrennen des angesammelten Rußes durch bekannte Verfahren, umfassend beispielsweise in Gegenwart von Stickstoffdioxid, das von einem Stromaufwärts-Oxidations-Katalysator erzeugt wird. Wie oben erwähnt, hält das vorliegende erfinderische Abgasbehandlungssystem den SCR-Wandstromfilter in einer eng gekoppelten Position aufrecht, was daher den Vorteil der großen Nähe zur Wärmequelle mit sich bringt, was einen einfacheren Wärme-Haushalt und Filtererneuerung ermöglicht.
  • Obiges Verfahren kann für ein Gas ausgeführt werden, das von einem Verbrennungsvorgang abstammt, beispielsweise von einem Verbrennungsmotor (ob mobil oder stationär), einer Gasturbine und Kohlekraftwerken oder ölbefeuerten Kraftwerken. Das Verfahren kann auch angewandt werden, um Gas aus industriellen Verfahren, beispielsweise Veredelungsverfahren, aus Raffinerieerhitzern und Boilern, Hochöfen, der chemischen Verarbeitungsindustrie, Koksöfen, Kommunalabfallanlagen und Müllverbrennungsanlagen etc. zu behandeln. In einer bestimmten Ausführungsform wird das Verfahren für die Behandlung von Abgas aus einem Kraftfahrzeugmagerverbrennungsmotor angewandt, beispielsweise einem Dieselmotor, einem Benzin-Magermotor oder einem mit Flüssiggas oder Erdgas angetriebenen Motor.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt kann das System, wenn es in Verwendung ist, Mittel zur Steuerung der Dosierung von stickstoffhaltigen Reduktionsmitteln in das strömende Abgas nur dann umfassen, wenn bestimmt ist, dass der Katalysator in der Lage ist, die NOx-Reduktion bei oder über einem gewünschten Wirkungsgrad zu katalysieren, beispielsweise bei über 100 °C, über 150 °C oder über 175 °C. Die Bestimmung durch die Steuervorrichtungen kann durch eine oder mehrere angemessene Sensoreingaben unterstützt werden, die eine Bedingung des Motors anzeigen, die aus der Gruppe, bestehend aus Abgastemperatur, Katalysatorbetttemperatur, Gaspedalstellung, Abgas-Massenfluss im System, Krümmerunterdruck, Zündzeitpunkt, Motordrehzahl, Lambdawert des Abgases, die in den Motor eingespritzte Treibstoffmenge, Stellung des Abgas-Rückzirkulations (EGR)-Ventils und damit das Ausmaß an EGR und Ladedruck, ausgewählt wird.
  • In einer bestimmten Ausführungsform wird das Dosieren in Reaktion auf die Menge an Stickstoffoxiden im Abgas entweder direkt (unter Anwendung eines geeigneten NOx-Sensors) oder indirekt gesteuert, beispielsweise unter Anwendung von vorkorrelierten Nachschlagetabellen oder Karten - die in den Steuermitteln gespeichert sind - die irgendeine oder mehrere der oben erwähnten Eingaben als Anzeige für eine Bedingung des Motors mit dem vorhergesagten NOx-Gehalt des Abgases korrelieren. Die Dosierung des stickstoffhaltigen Reduktionsmittels kann so gestaltet sein, dass 60% bis 200% des theoretischen Ammoniaks im Abgas vorhanden ist, das in den bei 1:1 NH3/NO und 4:3 NH3/NO2 berechneten SCR-Katalysator eintritt. Die Steuervorrichtungen können einen vorprogrammierten Prozessor, beispielsweise eine elektronische Steuereinheit (ECU) umfassen.
  • BEISPIEL
  • Die Gesamt-NOx-Umwandlung bei Inbetriebnahme des Motors für ein System gemäß der vorliegenden Erfindung wurde mit der Gesamt-NOx-Umwandlung eines Systems verglichen, das nur einen SCR-Wandstromfilter umfasste. Der SCR-Wandstromfilter umfasste ein reaktionsträges Siliziumkarbid-Substrat mit einer Porosität von 52% und einer mittleren Porengröße von 20 Mikron. Das Volumen des Wandstromfilters betrug 2,5 L. Das Volumen des kompakten Monolithen betrug 0,625 L. Vor der Überprüfung wurden der kompakte Monolith und der SCR-Wandstromfilter bei 800 °C 16 Stunden lang gealtert. Die zwei Systeme wurden mit einem 1,9L -Motor in einem Kraftfahrzeug getestet, das Testbedingungen ausgesetzt wurde, die mit dem MVEG-Fahrzyklus mit eingespritztem Harnstoff als das Reduktionsmittel bei 180 °C verbunden sind. Die sich daraus ergebenden NOx-Emissionen für die zwei Systeme und eine Steuerung über der Zeit-Kurve.
  • Das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte NOx-Umwandlungspotential ist in 2 dargestellt, die eine Abnahme in der Gesamtausgabe von NOx in den Abgasen nach dem Hindurchtreten durch ein System der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem System, das nur einen SCR-Wandstromfilter anwendet, zeigt. Linie 1 zeigt stellt das sich ansammelnde NOx im durch den Motor erzeugten Abgas dar; Linie 2 stellt das sich ansammelnde NOx dar, das nur einen SCR-Wandstromfilter anwendet und Linie 3 stellt das sich ansammelnde NOx dar, das ein System gemäß der vorliegenden Erfindung anwendet. Während beide Systeme die Gesamt-NOx-Emissionen bei Inbetriebnahme des Motors erheblich verringert haben, zeigte das System gemäß der vorliegenden Erfindung eine erhöhte NOx-Umwandlungsrate von ungefähr 15% bis 20%.
  • Obwohl hierin bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, dass derartige Ausführungsformen nur als Beispiele dienen sollen. Fachleute werden auf zahlreiche Variationen, Abänderungen und ersetzende Beispiele stoßen, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche sowohl alle derartigen Variationen abdecken als auch unter das Wesen und den Schutzbereich der Erfindung fallen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Magerverbrennungsmotor
    12
    Abgaskrümmer
    14
    Abgasturbolader
    20
    SCR-Durchfluss-Monolith
    22
    SCR-Wandstromfilter
    24
    Einspritzpunkt für ein Reduktionsmittel
    26
    Einspritzpunkt für ein Reduktionsmittel
    28
    Oxidations-Katalysator
    30
    Richtung von Abgasstrom

Claims (17)

  1. System für die Behandlung von NOx enthaltenden Abgasen von einem Motor, wobei das System Folgendes umfasst: einen Durchfluss-Monolithen (20) mit einer ersten katalytischen Zusammensetzung für selektive katalytische Reduktion von NOx und mit einem ersten Volumen; einen eng gekoppelten Feinstaubfilter (22) mit einer zweiten katalytischen Zusammensetzung für die Reduktion des Feinstaubs und die selektive katalytische Reduktion von Ox und mit einem zweiten Volumen; und ein Volumenverhältnis des ersten Volumens zum zweiten Volumen von weniger als ungefähr 1:2, worin der Durchfluss-Monolith (20) in Fluid-Kommunikation mit dem Feinstaubfilter (22) steht, und stromaufwärts von diesem eingebaut ist, und worin die erste und die zweite katalytische Zusammensetzung ein Unedel-Metall-unterstütztes Aluminosilikat-Molekularsieb oder Silikoaluminophosphat-Molekularsieb umfassen.
  2. System nach Anspruch 1, worin das Volumenverhältnis ungefähr 1:10 bis ungefähr 1:2 ist.
  3. System nach Anspruch 1, worin das Volumenverhältnis ungefähr 1:6 bis ungefähr 1:4 ist.
  4. System nach Anspruch 1, worin der Durchfluss-Monolith (20) ein extrudierter Katalysator-Ziegel ist.
  5. System nach Anspruch 4, worin der Feinstaubfilter (22) ein reaktionsträges Substrat ist, das mit der zweiten katalytischen Zusammensetzung beschichtet und/oder imprägniert ist.
  6. System nach Anspruch 5, worin das Substrat in erster Linie entweder aus Cordierit oder Metall gemacht ist.
  7. System nach Anspruch 1, worin der Durchfluss-Monolith (20) eine niedrigere Wärmekapazität in Bezug auf den Feinstaubfilter (22) hat.
  8. System nach Anspruch 1, worin der Durchfluss-Monolith (20) eine niedrigere spezifische Wärmekapazität in Bezug auf den Feinstaubfilter (22) hat.
  9. System nach Anspruch 8, worin der Durchfluss-Monolith (20) eine spezifische Wärme aufweist, die ungefähr 20 bis ungefähr 80% der spezifischen Wärmekapazität des Feinstaubfilters (22) beträgt.
  10. System nach Anspruch 9, worin der Durchfluss-Monolith (20) eine spezifische Wärme aufweist, die ungefähr 35 bis ungefähr 65% der spezifischen Wärmekapazität des Feinstaubfilters (22) beträgt.
  11. System nach Anspruch 1, worin der Durchfluss-Monolith (20) eine SCR-Katalysatorbeladung aufweist, die größer als eine SCR-Katalysatorbeladung auf dem Feinstaubfilter (22) ist.
  12. System nach Anspruch 11, worin der Durchfluss-Monolith (20) eine SCR-Katalysatorbeladung von ungefähr 3 bis 15 g/in³ (ungefähr 0,18 bis 0,92 g/cm³) aufweist.
  13. System nach Anspruch 1, worin die erste und die zweite katalytische Zusammensetzung unterschiedlich sind.
  14. System nach Anspruch 1, worin die zweite katalytische Zusammensetzung für die selektive katalytische Reduktion von NOx auf einer Stromabwärts-Seite des Feinstaubfilters (22) beschichtet und/oder imprägniert ist.
  15. System nach Anspruch 1, worin die zweite katalytische Zusammensetzung für die selektive katalytische Reduktion von NOx auf einer Stromaufwärts-Seite des Feinstaubfilters (22) beschichtet und/oder imprägniert ist.
  16. System nach Anspruch 1, worin der Feinstaubfilter (22) ungefähr 0,01 bis ungefähr 0,25 Meter stromabwärts vom Durchfluss-Monolithen (20) angeordnet ist.
  17. System nach Anspruch 16, ferner umfassend eine Quelle einer Reduktionsmitteleinspritzung (26), in Fluid-Kommunikation mit und angeordnet zwischen dem Durchfluss-Monolithen (20) und dem Feinstaubfilter (22).
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