DE69910605T2

DE69910605T2 - Stufenweise reduktionsmittelinjektion zur verbesserten nox reduzierung

Info

Publication number: DE69910605T2
Application number: DE69910605T
Authority: DE
Inventors: A. Joseph PATCHETT
Original assignee: Engelhard Corp
Current assignee: BASF Catalysts LLC
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: DE69910605D1; EP1129278B1; US6125629A; JP2003529699A; WO2000029728A1; KR20010075708A; KR100642701B1; EP1129278A1; WO2000029728A9; AU2146200A; ATE247768T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System (Verfahren und Vorrichtung) zum Entfernen von Schadstoffemissionen aus den Abgasen des Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs und insbesondere die Reduktion von Stickoxiden zu freiem Stickstoff.
Die Erfindung ist besonders anwendbar auf ein System für das Entfernen von Stickoxiden von Dieselmotoren, die bei mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen arbeiten, die die Bildung von NO_x fördern, wobei die Erfindung mit speziellem Verweis auf ein solches System beschrieben wird. Die Fachleute in der Technik werden jedoch verstehen, dass die Erfindung eine breitere Anwendung hat und z. B. auf Benzinmotoren, die unter Magerverbrennungsbedingungen betrieben werden, angewandt werden könnte.
Die folgenden Dokumente legen Einzelheiten dar, die den Fachleuten bekannt sind.

1) US-Patent Nr. 4,961,917, erteilt am 9. Oktober 1990 an Byrne, betitelt "Method for Reduction of Nitrogen Oxides with Ammonia using Promoted Zeolite Catalysts".
2) US-Patent Nr. 5,189,876, erteilt am 2. März 1993 an Hirota et al., betitelt "Exhaust Purification System for an internal Combustion Engine".
3) US-Patent Nr. 5,224,346, erteilt am 6. Juli 1993 an Berriman et al., betitelt "Eingine NO_x Reduction System".
4) US-Patent Nr. 5,491,120, erteilt am 13. Februar 1996, betitelt "Oxidation Catalyst with Bulk Ceria, a Second Bulk Metal Oxide, and Platinum".
5) US-Patent Nr. 5,516,497, erteilt am 14. Mai 1996 an Speronello et al., betitelt "Staged Metal-Promoted Zeolite Catalysts and Method for Catalytic Reduction of Nitrogen Oxides using the Same".
6) US-Patent Nr. 5,788,936, erteilt am 4. August 1998 an Subramanian et al., betitelt "Catalyst System for Converting Emissions of a Lean-Burn Engine".

HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass Dieselmotoren, die mager arbeiten (gemeint ist ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis über stöchiometrisch oder Lambda über 1), und Benzinmotoren, die "Magerverbren nungs"-Kraftstoffstrategien einsetzen, die die Bildung von Stickoxiden (NO_x) in den Verbrennungsprodukten fördern. Ein bekanntes Verfahren zur Umwandlung des NO_x in harmlose Emissionen und das Verfahren, auf das sich diese Erfindung bezieht, ist das Einführen eines Reduktionsmittels, z. B. Ammoniak, in den Abgasstrom, der NO_x enthält. Der Abgasstrom mit dem Reduktionsmittel wird mit einem Katalysator bei erhöhter Temperatur in Berührung gebracht, um die Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak zu katalysieren. Diese katalysierte Reaktion wird als die selektive katalytische Reduktion ("SCR") von Stickoxiden bezeichnet. Das überschüssige oder restliche Ammoniak, das in dem Abgas nach SCR vorhanden ist, wird in die Umgebung als NH₃-Nachstrom oder reagiert mit Sauerstoff, um Stickstoff zu bilden, H₂O und möglicherweise NO_x über einem oxidierenden Katalysator entlassen. Ammoniak-Oxidation und SCR sind wetteifernde Reaktionen, wobei die Vorherrschaft der einen üder die andere in gewissem Umfang durch die Katalysator-Zusammensetzung kontrolliert wird. Siehe US-Patente des Zessionars 5,516,497 an Speronello et al. und 5,024,981 an Speronello et al.
Diese Anordnung wird begrifflich in 1A veranschaulicht, wo ein Motor 1, der unter Magerbedindungen betrieben wird, Abgase erzeugt, in die ein Reduktionsmittel 2, z. B. Ammoniak, durch ein Ventil 3 zugemessen wird. Der Strom von Reduktionsmittel und Abgase laufen durch einen SCR-Katalysator 5 und laufen dann durch einen oxidierenden Katalysator (nicht gezeigt), wo Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und restliches oder überschüssiges Ammoniak oxidiert werden. Dies ist die typische Anordnung wie sie z. B. in den US-Patenten 4,946,659 an Held et al., 5,189,876 an Hirota et al., 5,224,346 an Berriman et al. und 5,788,936 an Subramanian et al. veranschaulicht wird.
Emissionsvorschriften begrenzen die Menge an spezifischen Emissionen, einschließlich NO_x, die ein Fahrzeug während eines spezifizierten Fahrzyklusses, z. B. ein FTP ("Federal Test Procedure") in den USA oder ein MVEG ("Mobile Vehicle Emission Group") in Europa, emittieren kann. Diese Fahrzyklen spezifizieren einen Motorkaltstart. Katalytische Umwandler sind jedoch bei erhöhten Temperaturen am wirksamsten. Die von einem Motor während des Erwärmens auf Betriebstemperatur erzeugten Emissionen können einen wesentlichen Teil der während des gesamten Fahrzyklusses erzeugten Emissionen umfassen. Um diese Forderung anzusprechen, verwenden Emissionssysteme mehrere Katalysatoren, die bei verschiedenen Temperaturbereichen katalytisch aktiv sind. Was SCR-Katalysatoren betrifft, so ist ein edelmetallhaltiger Katalysator, verglichen mit denen, die mit Grundmetalloxiden oder Zeolithen gebildet werden, katalytisch bei niedrigeren Temperaturen aktiv.
Eine typische Anordnung wird in 1B veranschaulicht, die der in 1A gezeigten ähnlich ist, außer dass der SCR-Katalysator 5 jetzt einen Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A und einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B umfasst. Wie bei 1A kann ein oxidierender Katalysator hinter den SCR-Katalysatoren 5A und 5B bereitgestellt werden. Die SCR-Katalysatoren 5A und 5B können getrennte Katalysatoren oder getrennte Betten innerhalb eines Katalysators sein, und der oxidierende Katalysator (nicht gezeigt) könnte als ein getrenntes Endbett innerhalb eines katalytischen Umwandlers konfiguriert sein. Während die Platzierung von Hoch- und Niedertemperatur-SCR-Katalysatoren variiert werden kann, wenn ein äußeres Reduktionsmittel dem System hinzugefügt wird, ist der Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A vor dem Niedertemperatur-SCR-Reaktor 5B plaziert. Wenn die SCR-Positionen umgekehrt wären, wird, wenn der Motor normale Betriebstemperatur erreicht, der Betriebsbereich oder das -fenster des Niedertemperatur-SCR überschritten, und das Ammoniak wird mit Sauerstoff in dem Abgas regieren, um N₂ und H₂O oder möglicherweise NO_x zu erzeugen. Die SCR-Reaktion mit NO_x, um N₂ und H₂O zu erzeugen, wird nicht stattfinden.
Die in 1B veranschaulichte Konfiguration ist speziell entwickelt, um NO_x-Emissionen nach dem Kaltstart des Fahrzeugs zu minimieren, und stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem in 1A gezeigten herkömmlichen System dar. Trotzdem haben, wie oben erörtert, Tests gezeigt, dass das System nicht in einer rechtzeitigen Weise anspricht, um NO_x während des Warmlaufens des Motors nach dem Kaltstart zu reduzieren. Das heißt, wenn während des Erwärmens des Motors die Betriebstemperatur des Niedertemperatur-SCR-Katalysators erreicht wird, reduziert der Niedertemperatur-SCR-Katalysator nicht sofort NO_x. Es gibt eine Zeitverzögerung. Des Werteren kann das System von 1B unter bestimmten Last- oder Fahrbedingungen des Fahrzeugs und nachdem das Fahrzeug Betriebsbedingungen erreicht hat, unwirksam sein, um schnell auf Änderungen der Betriebstemperatur anzusprechen, um NO_x zu reduzieren.
DE-A-42 14 183 A1 offenbart, wie oben angemerkt, einen Oxidations-Katalysator hinter zwei verschiedenen Katalysatoren, wie in 1B gezeigt, aber der Niedertemperatur-Katalysator 5B kommt zuerst, und der Hochtemperatur-Katalysator 5A folgt. Getrennte Zumessung von Ammoniak folgt zuerst in den Niedertemperatur-Katalysator und dann in den Hochtemperatur-Katalysator und findet nicht gleichzeitig statt. Die Katalysatorfolge ist fest, und während der Betriebsbereich des Motors allgemein erwähnt wird, gibt es keine Erörterung der Aufwärm-, Speicherungs- und Freisetzungseigenschaften der Katalysatoren, Ammoniak-Reaktion usw.
US-Patent Nr. 5,491,120 beschreibt Oxidations-Katalysatorzusammensetzungen, die im wesentlichen aus einer Kombination von Volumen-Zermetall und Volumen-Zweitmetalloxid be stehen. Die Katalysator-Zusammensetzungen können in Verfahren benutzt werden, um Dieselmotorabgas zu behandeln, indem das heiße Abgas mit der Katalysator-Zusammensetzung in Berührung gebracht wird, um die Oxidation des flüchtigen organischen Anteils zu fördern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist folglich eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein Fahrzeugemissionsverfahren bereitzustellen, das mehrfache SCR-Katalysatoren, die bei verschiedenen Betriebstemperaturen wirksam sind, mit einem externen Reduktionsmittel verwenden, das schnell auf Motorbetriebsbedingungen anspricht, um NO_x-Emissionen wirksamer zu reduzieren als es bisher möglich ist.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Umwandeln von NO_x-Emissionen in den Abgasen eines von einem Dieselmotor angetriebenen Fahrzeugs bereitgestellt, das die Schritte des Leitens der Abgase über wenigstens einen ersten und einen zweiten Katalysator mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR), wobei der erste SCR-Katalysator katalytisch aktiv ist, wenn seine Katalysatorbett-Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs von einer ersten niedrigen Temperatur bis zu einer ersten hohen Temperatur liegt, sich der zweite SCR-Katalysator chemisch von dem ersten SCR-Katalysator unterscheidet und katalytisch aktiv ist, wenn seine Katalysatorbett-Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs von einer zweiten niedrigen Temperatur bis zu einer zweiten hohen Temperatur liegt, wobei die zweite niedrige Temperatur niedriger ist als die zweite niedrige Temperatur, und des Bereitstellens eines Reduktionsmittels zum Dosieren zu den SCR-Katalysatoren umfasst, wobei das Reduktionsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ammoniak und Ammoniak-Vorläufer(n) besteht, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) aufeinanderfolgendes Leiten der Abgase entweder von dem ersten oder dem zweiten SCR-Katalysator zu dem anderen ersten oder zweiten SCR-Katalysator;
b) Dosieren des Reduktionsmittels während des Warmlaufens des Motors zu dem zweiten SCR-Katalysator, bis das erste Katalysatorbett von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur erhitzt ist, bei der es aufhört, als Wärmesenke zu fungieren, und
c) anschließend Dosieren des Reduktionsmittels zu einem beliebigen der SCR-Katalysatoren mit einem katalytisch aktiven Bett.

Bevorzugte Merkamle der vorliegenden Erfindung werden in Ansprüchen 2 bis 6 dargelegt.
Die vorliegende Erfindung umfasst somit ein Verfahren zum Reduzieren von NO_x-Emissionen in den Abgasen eines Verbrennungsmotors, besonders, wenn der Motor sich in einem Aufwärmzustand nach dem Kaltstart befindet, was einen ersten Katalysator nach dem Motor einschließt, über den der Abgasstrom läuft und der beim Vorhandensein eines Reduktionsmittels wirksam ist, um im Wesentlichen NO_x zu reduzieren, wenn der erste Katalysator sich in einem ersten Temperaturbereich befindet. Die Abgase laufen auch über einen zweiten Katalysator hiner dem ersten Katalysator, bevor sie sich in die Atmosphäre entladen, und der zweite Katalysator ist ebenfalls wirksam, um in Anwesenheit eines Reduktionsmittels im Wesentlichen NO_x zu reduzieren, wenn sich der zweite Katalysator in einem zweiten Temperaturbereich befindet, der sich von dem ersten unterscheidet. Ein Reduktionsmittel wird von einer Dosierungseinrichtung bereitgestellt, die als Reaktion auf ein Befehlssignal das Reduktionsmittel in den Abgasstrom entweder i) vor dem ersten Katalysator oder ii) vor dem zweiten Katalysator, aber hinter dem ersten Katalysator, oder iii) vor dem ersten Katalysator und gleichzeitig vor dem zweiten Katalysator injiziert. Das Ergebnis ist, dass das Reduktionsmittel kombiniert mit den Abgasen über einen Katalysator in seinem aktiven Temperaturbereich läuft.
Nach einem anderen bevorzugten Merkmal der Erfindung ist das Befehlssignal ein temperaturbasiertes Signal, entweder modelliert oder abgefühlt, das die Temperatur des ersten und zweiten Katalysators angibt, und die Reduktionsmittel-Dosienrngseinrichtung injiziert das Reduktionsmittel nur in den Katalysator, der in seinem reduzierenden Temperaturbereich liegt, wodurch das Reduktionsmittel nicht in einem katalytisch inaktiven Katalysator absorbiert wird, was die Umwandlungsansprechzeit des Systems verzögert, oder durch einen Katalysator bei einer Temperatur höher als sein katalytisch aktiver Bereich oxidiert wird, was eine Verschwendung des Reduktionsmittels zur Folge hat.
Nach einem spezifischen bevorzugten Merkmal der Erfindung ist der erste Katalysator ein eng gekoppelter SCR-Katalysator, der bei einem niedrigen Temperaturbereich entsprechend den Kaltstart- und typischen ländlichen Fahrbedingungen katalytisch aktiv ist. Der zweite Katalysator ist ein SCR-Katalysator, der bei höheren Temperaturbereichen entsprechend den höheren Motorbetriebstemperaturen im Autobahn- oder Hochgeschwindigkeitsbetrieb katalytisch aktiv ist. Das Befehlssignal injiziert das Reduktionsmittel nur in den ersten Katalysator während des Warmlaufens des Motors nach Kaltstart und schaltet die Reduktionsmitteleinspritzung nur auf den zweiten Katalysator, nachdem der Motor im Wesentlichen sein Aufwärmen vollendet hat, wodurch das System wirksam NO_x-Emissionen nach Motorkaltstart reduziert, indem NO_x-Emissionen in harmlose Emissionen umgewandelt werden, sobald der eng gekoppelte Katalysator seinen katalytisch aktiven Temperaturbereich erreicht.
Nach einem noch anderen spezifischen bevorzugten Merkmal der Erfindung wird das Befehlssignal, das die Reduktionsmittelinjektion steuert, aus dem NO_x-Gehalt des Abgases, der Raumgeschwindigkeit der Abgase und der Temperatur der Abgase gewonnen, sodass Änderungen in Motorlast und Motortemperatur, die beim normalen Motorbetrieb auftreten, eine dosierte Reduktionsmittelinjektion nur in den oder die katalytisch aktiven Katalysatoren) zur Folge haben, um NO_x für diesen Motorbetriebszustand zu reduzieren. Das System wandelt folglich NO_x Emissionen über den ganzen Betriebsbereich des Motors hinweg wirkungsvoll und effektiv um.
Noch ein anderes bevorzugtes Merkmal, das aus dem allgemeinen erfinderichen Konzept kommt, besteht darin, dass die Dosierungsrate des Reduktionsmittels, während sie in der bevorzugten Ausführung konstant ist und mit einer Rate gewählt wird, die ausreicht, um die zu dieser Zeit von dem Motor erzeugte Menge an NO_x zu reduzieren, über dem katalytisch aktiven Betriebstemperaturbereich des SCR-Katalysators, der zur Injektion ausgewählt ist, verändert werden kann, sodass die Menge an injiziertem Reduktionsmittel an das Vermögen des SCR-Katalysators, NO_x zu reduzieren, angepasst wird, was in gewissen Umfang mit seiner genauen Temperatur in seinem festgelegten Bereich korreliert ist, wodurch Reduktionsmittelverbrauch eingespart wird.
Noch eines anderes bestimmtes Merkmal der Erfindung, das aus ihrem breiten erfinderischen Konzept hervorgeht, ist die Verwendung des Systems in einem einzigen Katalysatorbett, das das Reduktionsmittel in den Teil des Betts injiziert, der eine katalytisch aktive Temperatur erreicht hat, wodurch das System in Systemen benutzt werden kann, die einen einzigen SCR-Katalysator einsetzen. Speziell werden feste Reduktionsmittel-Injektoren, die sich nahe dem Betteingang, in der Mitte des Betts und nahe dem Bettausgang befinden, betätigt, wenn die Betttemperatur vom Eingang zum Ausgang während des Warmlaufens erhöht wird, und werden danach selektiv mit dem Bettteil bei katalytisch aktiven Temperaturen verbunden.
Es ist eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um im Wesentlichen von einem Verbrennungsmotor erzeugte gasförmige NO_x-Emissionen umzuwandeln.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das von einem Verbrennungsmotor erzeugte NO-Emissionen im Wesentlichen im harmlose Emissionen in einer schnellen, rechtzeitigen Weise während des Warmlaufens des Motors nach Kaltstart umwandelt, sowie NO_x-Emissionen während Temperaturänderungen, nachdem der Motor Betriebstemperatur erreicht hat, rechtzeitig umwandelt.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren bereitzustellen, das einen höheren Prozentsatz von NO_x-Emissionen, die von Diesel-Verbrennungsmotoren erzeugt werden, als bisher möglich reduziert.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist, ein Emissionsverfahren bereitzustellen, das besonders für Diesel-Verbrennungsmotoren geeignet ist und ein externes Reduktionsmittel an Katalysatorbetten selektiv anlegt, die bei verschiedenen Temperaturen katalytisch aktiv sind, um eine rechtzeitige und wesentliche NO_x-Reduktion über dem ganzen Betriebsbereich des Motors sicherzustellen.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren bereitzustellen, das ein Reduktionsmittel an selektive Katalysatoren mit verschiedenen katalytisch aktiven Temperaturgrenzen abhängig von abgefühlten Motorbetriebsbedingungen liefert, um eine wesentliche Reduktion von NO_x während normaler Betriebsbedingungen des Motors nach Erwärmung des Motors sicherzustellen.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes SCR-Katalysatorverfahren mit externem Reduktionsmittel bereitzustellen, um NO_x-Emissionen, die von Diesel- und Magerverbrenungs-Benzinmotoren erzeugt werden, mittels mehrerer SCR-Katalysatoren, die bei verschiedenen Betriebstemperaturbereichen katalytisch aktiv sind, zu reduzieren, von denen jeder sofort aktiviert wird, wenn der Motor bewirkt, dass der aktivierte SCR-Katalysator in seinen katalytisch aktiven Temperaturbereich fällt, und der deaktiviert wird, wenn der Motor bewirkt, dass der SCR-Katalysator aus seinem katalytisch aktiven Temperaturbereich herausfällt.
Eine wichtige Aufgabe der Erfindung ist, ein SCR-Katalysatorverfahren für Diesel- und Magerverbrennungs-Benzinmotoren bereitzustellen, dass den Gebrauch eines externen Reduktionsmittels minimiert.
Diese Aufgaben und andere Merkmale der Erfindung werden für die Fachleute in der Technik aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann physikalische Form in bestimmten Teilen und Anordnung von Teilen annehmen, von denen eine bevorzugte Ausführung im Einzelnen beschrieben und in den be gleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, veranschaulicht werden. Inhalt der Zeichnungen:
1A und 1B sind schematische Blockzeichnungen von SCR-Systemen des Stands der Technik, die mit einem externen Reduktionsmittel versorgt werden.
2 ist eine schematische Blockzeichnung der vorliegenden Erfindung, die in Einzelheiten denen der Zeichnungen des Stands der Technik in 1A und 2B gleicht.
2A ist eine schematische Blockzeichnung einer alternativen Ausführung der Erfindung, die in Einzelheiten denen der Zeichnungen des Stands der Technik in 1A und 2B gleicht.
3 ist eine schematische Blockzeichnung der Erfindung in größerer Einzelheit als die in 2 gezeigte.
4 ist eine Graphik, die die kumulativen Motor NO_x-Emissionen als eine Funktion der Zeit während des Startabschnitts eines Fahrzyklusses zeigt.
5 ist eine Graphik einer Reihe von Versuchen, die die Wirkungen von Ammoniak-Amplitudenschntten (veränderliche Pegel von Ammoniak), die in einen Hochtemperatur-Katalysator eingegeben werden, zeigen.
6 ist eine Graphik, die Temperatur-Aus-Ablesungen an ausgewählten Stellen in dem Abgassystem während des Startabschnitts eines MVEG-Fahrzyklusses zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Damit die Erfindung in einer konsistenten Weise beschrieben wird, sollen die folgenden Begriffe, Wörter oder Ausdrücke die ihnen zugewiesenen Bedeutungen haben, wenn sie in dieser ausführlichen Beschreibung und in den Ansprüchen der Erfindung gebraucht werden.
"SCR" bedeutet eine selektive katalytische Reduktion, bei der eine katalytische Reaktion von Stickoxiden mit einem Reduktionsmittel stattfindet, um die Stickoxide zu reduzieren, d. h. zu N₂, N₂O. Das Reduktionsmittel kann extern, intern oder durch eine Kombination von externen und internen Quellen zugeführt werden, da Kohlenwasserstoffe in den Abgasen als ein Reduktionsmittel fungieren können. Wie später erklärt wird, ist ein SCR-Katalysator, während er reduziert, wenn er mit NO_x reagiert, nicht unbedingt nur ein reduzierender Katalysator. Es können Oxidationsreaktionen vorkommen.
"Kaltstart" bdeutet, wenn die Temperatur des Motors und des Katalysators auf Umgebungstemperatur ist.
"Aufwärmen" meint die Zeit, die der Motor und das Emissionssystem brauchen, um vom Kaltstart normale Betriebsbedingungen erreichen.
"Katalytisch aktiv" bedeutet in Bezug auf einen SCR-Katalysator die Kombination von Raumgeschwindigkeit, Temperatur und NO_x-Konzentration, bei der der Katalysator beginnt, über den Katalysator laufende NO_x-Emissionen wesentlich zu reduzieren.
"Wesentlich reduzieren" für Zwecke dieser Erfindung bedeutet eine Reduktion von etwa 50% der NO_x-Emissionen, wie durch stationäres Testen mittels NH₃ als Reduktionsmittel bestimmt.
"Katalytisch aktive Temperatur" meint den Temperaturbereich, bei dem ein SCR-Katalysator katalytisch aktiv ist. Wenn der SCR-Katalysator unter dem Temperaturbereich ist, wird er NO_x in einer wesentlichen Menge nicht reduzieren. Wenn der SCR-Katalysator über der katalytisch aktiven Temperatur ist, wird er das Reduktionsmittel oxidieren. Wie man weiß, kann, wenn die Abgastemperatur wesentlich über der katalytisch aktiven Temperatur liegt, das Reduktionsmittel NO_x bilden. Siehe z. B. US-Patent 5,224,346 an Berriman et al.
"Reduktionsmittel" oder "reduzierendes Mittel" werden hierin synonym gebraucht, um Ammoniak und/oder Ammoniak-Vorläufer zu meinen, die dazu neigen, bei erhöhten Temperaturen NO_x zu reduzieren. In der vorliegenden Erfindung ist das reduzierende Mittel bevorzugt Ammoniak, speziell ein Ammoniak-Vorläufer, d. h. Urea. (Wie man weiß, hydrolysiert Urea (H₂N-CO-NH₂) leicht zu CO₂ und 2NH₃). Vorzugsweise ist das reduzierende Mittel oder Reduktionsmittel in gasförmiger Form. Das reduzierende Mittel kann jedoch in flüssiger Form in die Abgase injiziert werden, wenn die Abgase auf ausreichend hoher Temperatur sind.
Nun auf die Zeichnungen verweisend, in denen die Darstellungen nur dem Zweck der Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung und nicht dem Zweck der Einschränkung derselben dienen, zeigt 1B, wie unter Hintergrund beschrieben, eine bevorzugte SCR-Katalysator-Anordnung zum Reduzieren von NO_x-Emissionen. In dieser Anordnung werden SCR-Katalysatoren mit verschiedenen katalytisch aktiven Temperaturen verwendet, sodass NO_x-Emissionen, die während des Aufwärmens des Fahrzeugs erzeugt werden, sowie NO_x-Emissionen, die erzeugt werden, wenn der Motor auf normalen Betriebstemperaturen ist, reduziert werden können, um die Emissionsanforderungen zu erfüllen. Die se Ausführung der Erfindung verwendet die gleichen SCR-Katalysatoren wie die des Stands der Technik. Während die SCR-Katalysatoren erforderlicht sind, um die Erfindung zu praktizieren, sind sie nicht die Erfindung an sich, weil keine speziellen Katalysatoren entwickelt werden müssen, um die Erfindung zu praktizieren. Die Zusammensetzung solcher Katalysatoren wird als bekannt angesehen und wird hierin nicht im Einzelnen beschrieben. Zu einer ausführlicheren Beschreibung solcher Katalysatoren sei auf die US-Patente des Zessionars 4,961,917 an Byrne und 5,516,497 an Speronello et al. verwiesen. Viele SCR-Katalysatoren enthalten Zeolith. Der Zeolith (hohe Temperatur) oder Zeolith mit Edelmetall (niedrige Temperatur) wird typischerweise als ein Waschbelag auf einem monolithischen Träger mit einer Vielzahl von feinen Gasflussdurchgängen aufgebracht, durch die die Abgase laufen.
Zu Zwecken der Beschreibung der vorliegenden Ausführung der Erfindung besitzt der durch Verweiszeichen 5A in 1B gezeigte Hochtemperatur-SCR-Katalysator einen katalytisch aktiven Temperaturbereich von etwa 280 bis 600°C. Der durch Verweiszeichen 5B in 1B gezeigte Niedertemperatur-SCR-Katalysator besitzt einen katalytisch aktiven Temperaturbereich von etwa 100 bis 300°C. Man beachte, dass es eine Überschneidung der Temperaturen im katalytisch aktiven Temperaturbereich jedes SCR gibt. Die ist ein allgemeiner Bereich. Spezifische Niedertemperatur- und/oder Hochtemperatur-SCRs können engere oder schmalere Temperaturbereiche aufweisen, die in die genannten allgemeinen Bereiche fallen.
Nun auf 4 verweisend werden mehrere Plots von Daten gezeigt, die während eines MVEG-(Mobil Vehicle Emission Group) Fahrzyklusses, speziell des ECE-Abschnitts davon, (der Stadt/Land-Fahren nach Kaltstart darstellt) genommen wurden. Die Daten wurden von einem 2.5 Liter Ford Transit Direkteinspritz-Dieselmotor genommen, der mit SCR-Katalysatoren in der in 1B gezeigten Konfiguration ausgestattet war, wobei Urea als Reduktionsmittel benutzt wurde. Der Hochtemperatur-Katalysator 5A war ein oben beschriebener Engelhard-Katalysator, der unter dem Engelhard-Markennamen ZNX^R geliefert wird, und der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B war ein oben beschriebener Eingelhard-Katalysator, der unter dem Engelhard-Markennamen NOXCAT^R geliefert wird. Auf der X-Achse ist Zeit in Sekunden nach dem Kaltstart des Motors aufgetragen. Auf der Y-Achse sind zwei Skalen aufgetragen. Auf einer Skala, gezeigt auf der rechten Seite der Graphik, ist Fahrzeuggeschwindigkeit, die durch den Fahrzyklus vorgegeben wird, in km/h. Die andere Y-Achse ist das von dem Motor emittierte kumulative Gesamt-NO_x in Gramm. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs wird durch die Linie gezeigt, die durch Dreiecke läuft, durch Verweiszeichen 20 in 4 angegeben. Die von den Verbrennungsprodukten des Fahrzeugs erzeugten NO_x-Emissionen und vor den SCR-Katalysatoren 5A und 5B werden durch eine Linie gezeigt, die durch Kreise läuft, und durch Verweiszeichen 21 in 4 angegeben. Die NO_x-Emissionen hinter den SCR-Katalysatoren 5A und 5B, die in die Atmosphäre abgegeben werden, werden durch die Linie gezeigt, die durch Quadrate läuft, und durch Verweiszeichen 22 in 4 angegeben. Was 4 deutlich zeigt ist, dass trotz des Vorhandenseins von abgestuften SCR-Katalysatoren der Stand der Technik erst imstande ist, NO_x zu reduzieren, nachdem etwa acht Minuten in dem Fahrzyklus vergangen sind. Die ist völlig unannehmbar, da der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B ideal zum Umwandeln von NO_x bei Temperaturen geeignet ist, die früher als acht Minuten in dem Fahrzyklus auftreten. Die Katalysatorbett-Temperatur liegt gut innerhalb der katalytisch aktiven Temperatur des SCR-Katalysators 5B, wenn sich das Fahrzeug acht Minuten in dem Fahrzyklus befindet.
Während einer Anzahl von Labortests, die unternommen wurden, um zu untersuchen, wie die Diskrepanz zwischen theoretischen und in 4 gezeigten praktischen Ergebnissen zustande kam, wurde bemerkt, dass der Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B beeinfusste. Man kam zu dem Schluss, dass die offensichtliche schwache Leistung des zweiten, Niedertemperatur-SCR-Katalysators 5B zustande kommt, weil das Reduktionsmittel auf dem ersten, Hochtemperatur-SRC-Katalysator 5A absorbiert wird, was verhindert, dass das Reduktionsmittel den zweiten, Niedertemperatur-SCR-Katalysator erreicht. Dieser Schluss, der eine der Stützen der Erfindung bildet, wird durch 5 verifiziert.
5 plottet die Ergebnisse von Labortests von Gasanalyse, bei der synthetische Gase, die Abgase simulieren, analysiert werden. Die analysierte Bedingung ist gleichwertig mit der Bedingung des Abgases am Ausgang des Hochtemperatur-Katalysators 5A und vor dem Eintritt in den Niedertemperatur-Katalysator 5B, wie in 1B gezeigt. Eine Serie von drei Tests wurde durchgeführt von Anfangsbedingungen einer konstanten Raumgeschwindigkeit von 60,000 h^–1 mit 500 ppm NO, 100 ppm NH₃, 300°C und mit 10% O₂ und H₂O. Der Hochtemperatur-Katalysator war der gleiche wie oben erwähnt, d. h. ein Engelhard ZNX^R Katalysator mit 456 Zellen pro cm² (300 Zellen pro Quadratzoll) von Zeolith. Von den Anfangsbedingungen wurde Ammoniak auf 500 ppm erhöht, was durch Quadrate in 5 angegebene Linien erzeugte. Dann wurden die Anfangsbedingungen wiederhergestellt, und das Ammoniak wurde mit einer Rate von 600 ppm (Teile pro Million) zugemessen, wobei die Ergebnisse durch Linien gezeigt werden, die in 5 durch Kreise laufen. Wiederum wurden die Anfangsbedingungen wiederhergestellt, und das Ammoniak wurde mit einer Rate von 800 ppm zugemessen, wobei die Ergebisse durch Linien gezeigt werden, die in 5 durch Dreiecke laufen.
Noch auf 5 verweisend ist die X-Achse ein Plot der Zeit beginnend mit dem Einführen von Ammoniak mit den oben angegebenen Raten. Auf der Y-Achse sind zwei Skalen geplottet. Auf der rechten Seite der Graphik zeigt die Y-Achsenskala die Konzentration von NH₃, die in dem Abgasstrom nach Durchlaufen des Hochtemperatur-SCR-Katalysators 5A vorhanden ist. Auf der auf der linken Seite von 5 gezeigten Y-Achse ist die Konzentration von NO_x hinter dem Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A geplottet. Die vertikal verlaufenden Plots bestätigen dramatisch den Schluss, dass der Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A das Ammoniak speichert. Die mit Verweiszeichen 30 bezeichnete vertikal verlaufende Kurve, die durch Quadrate in 5 läuft, zeigt an, dass der Hochtemperatur-Katalysator den 800 ppm Ammoniakstrom für etwa 275 Sekunden absorbierte, bis das Ammoniak als ein Nachstrom zu erscheinen begann. Wenn das Ammoniak zu erscheinen begann, nahm außerdem der Nachstromgehalt dramatisch zu, was anzeigte, dass der Hochtemperatur-SCR-Katalysator seine Absorptionsgrenze erreicht hatte. Der 600 ppm Ammoniak-Nachstrom wird durch Verweiszeichen 32 angedeutet und läuft durch Kreise. Es brauchte etwa 340 Sekunden, um die geringere Konzentration von Ammoniak durch den Hochtemperatur-SCR-Katalysator zu absorbieren. Wie bei dem 800 ppm Ammoniakstrom steigt die 600 ppm Kurve dramatisch an, sobald der Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A seine Absorptionsgrenze erreicht. Schließlich zeigt der duch Verweiszeichen 34 bezeichnete und durch Karos laufende Plot, dass der Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A etwa 425 Sekunden brauchte, um seine Absorptionsgrenze zu erreichen. Des Weiteren kann bei der durch Plot 34 angezeigten niedrigeren Rate von Ammoniak die Fähigkeit des Hochtemperatur-SCR-Katalysators 5A, Ammoniak zu speichern, leicht erhöht sein, um die Differenz in der Steigung von Plot 34 verglichen mit den Plots 30 und 32 zu erklären. Die Plots 30, 32 und 34 zeigen klar, dass der Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A in der Tat das Ammoniak absorbiert. Die Folge ist, dass der Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A die Zeit für das Ammoniak verzögert, den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B zu erreichen, der bei 300°C katalytisch aktiv ist, wogegen der spezifische Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A bei dieser Temperatur katalytisch nicht aktiv ist. Ebenfalls geplottet ist der Stickoxidgehalt des durch den Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A laufenden Abgases für 500, 600 und 800 ppm Ammoniakströme, die als 30A, 32A bzw. 34A bezeichnet sind. Die Plots 30A, 32A und 34A sind alle etwas ähnlich und zeigen eine Reduktion im Stickoxid, während der Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A das Ammoniak speichert. Die Reduktion im Stickoxid wird der Reaktion von Ammoniak mit den Abgasen bei 300°C zugeschrieben. Die Plots 30A, 32A und 34A werden gezeigt, um zu demonstrieren, dass die reduzierenden Reaktionen, obwohl sie nicht natürlich bei der hohen unkatalysierten Temperatur, bei der eine vollständige Reduktion auftritt, auftreten, trotzdem über dem Katalysator auftreten und den Schluss verschleiern, dass das Katalysatorbett das Reduktionsmittel absorbiert. Wenn der Hochtemperatur-Katalysator vor dem Niedertempe ratur-Katalysator liegt, wie in 1B gezeigt, verhindert der Hochtemperatur-Katalysator wirkungsvoll, dass das Ammoniak den Niedertemperatur-Katalysator erreicht.
Wie unter Hintergrund angemerkt, wird das Verlagern des Niedertemperatur-SCR-Katalysaators 5B vor den Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A keine Lösung in der Anordnung des Stands der Technik in 1B liefern, weil die Betriebstemperaturen die katalytisch aktive Temperatur des Niedertemperatur-SCR-Katalysators übersteigen werden. Es werden Oxidationsreaktionen auftreten und entweder freien Stickstoff oder, abhängig von der Temperatur, NO_x erzeugen. Signifikant, das Reduktionsmittel wird aus dem Abgasstrom entfernt, was die Wirksamkeit des zweiten Katalysators reduziert. Die Erfindung wird schematisch in 2 veranschaulicht.
Nun auf 2 verweisend wird ein getrennter Kanal 10A bereitgestellt, der eine Fluid-Verbindung mit dem Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A herstellt, und ein Niedertemperaturkanal 10B wird in Fluid-Verbindung mit dem Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B bereitgestellt. Das Dosierventil wird in ein bidirektionales Dosierventil geändert, um eine dosierte Fluid-Verbindung vom Reduziermitteltank 2 zum i) Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A über den Hochtemperaturkanal 10A oder ii) zum Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B über den Niedertemperaturkanal 10B oder iii) zu sowohl dem Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A als auch zum Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B über den Hochtemperaturkanal 10A und den Niedertemperaturkanal 10B zu errichten. Vorzugsweise führen der Hoch- und der Niedertemperaturkanal 10A, 10B das Reduktionsmittel oberhalb ihrer betreffenden SCR-Katalysatoren ein. "Oberhalb" wird jedoch im generischen Sinn gebraucht und deckt auch die direkte Injektion in den Ziegel oder das Katalysatorbett ab. Das heißt, wenn der katalytische Um-Wandler mehrere Betten von SCR-Katalysatoren unterschiedlicher Temperatur in einem Gehäuse, d. h. einen katalytischen Umwandler, umfasst, erwägt die Erfindung, dass das Reduktionsmittel an jeden Katalysator an seiner Vorderkante gerichtet werden kann, wobei die Injektion als oberhalb des Katalysators angesehen werden würde.
Während die Hauptanstrengung zum Entwickeln der Erfindung darin bestand, ein System zustandezubringen, das die Vorteile von Niedertemperatur-SCR-Katalysatoren während der Warmlaufperiode des Motors voll verwirklichte, sodass die vorgeschlagenen Emissionsstandards, besonders für Diesel- und Magerverbrennungs-Benzinmotoren, erfüllt werden, ist das System ein auf Temperatur ansprechendes System. Es findet spezielle Anwendung, nachdem der Motor 1 Betriebstemperatur erreicht hat, wenn eine Vielfalt dem Motor auferlegter Betriebsbelastungen seine Betriebstemperatur beeinflusst, die wiederunm die Temperatur des SCR-Katalysators beeinflusst. Für alle praktischen Zwecke basiert das System auf der Temperatur des Katalysatorbetts, sobalb die Raumgeschwindigkeit des Abgases und der Emissionsgehalt in den Gasen bekannt oder schätzbar sind. Des Weiteren kann sich die Temperatur in dem Bett aus einer Anzahl von Gründen ändern. Zu Zwecken dieser Erfindung und die Tatsache vorausgesetzt, dass die SCR-Katalysatoren über einem Temperaturbereich wirksam sind, wird jedoch eine einzelne Temperatur verwendet. Man sollte zur Kentnis nehmen, dass die relativ große Masse des SCR-Katalysatorbetts sowie die Masse des Emissionssystems, des Motors und die Geschwindigkeit der Abgase anfangs dazu führen, dass das Katalysatorbett nach Kaltstart und während der Zeit, wo der Motor sich zu erwärmen beginnt, als eine Wärmesenke wirkt. Sobald das System auf Betriebstemperatur ist, wirken jedoch die Katalysatorbetten als Wärmeaustauscher zwischen dem Abgasbett und dem Abgas. Die Erfindung kann mehrfache Injektoren innerhalb des Katalysatorbetts benutzen mit Injektion des Reduktionsmittels in diejenigen Katalysatorbetten, die auf katalytisch aktiven Temperaturen sind. Die Systemwärmebetrachtungen müssen in Erwägung gezogen werden, wenn die Injektion des Reduktionsmittels sequentiell geordnet wird. Dieses Konzept wird in 6 verdeutlicht.
Nun auf 6 verweisend werden mehrere Plots von Abgastemperaturen, die an verschiedenen Stellen in dem Emissionssystem während des Stadt/Land-Abschnitts des MVEG-Fahrzyklusses genommen wurden, und besonders der Teil des Fahrzyklusses, der mit Kaltstart beginnt, für einen auf der X-Achse gezeigten Zeitraum mit der auf der Y-Achse geplotteten Abgastemperatur gezeigt. Unter diesen Gegebenheiten wird die Temperatur des Abgases hinter dem Motor 1 und vor dem Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5a als eine Linie gezeigt, die durch Dreiecke läuft und mit Verweiszeichen 40 in 6 bezeichnet ist. Die Temperatur des Abgases am Ausgang des Hochtemperatur-SCR-Katalysators 5A wird durch die Linie gezeigt, die durch Quadrate läuft und mit Verweiszeichen 41 in 6 bezeichnet ist. Die Temperatur des Abgases am Ausgang des Niedertempertur-SCR-Katalysators 5B wird durch die Linie gezeigt, die durch Kreise läuft und mit Verweiszeichen 42 bezeichnet ist.
Der Wechsel im Katalysator von einer Wärmesenke zu einem Wärmeaustauscher, der von beiden Katalysatormassen 5A und 5B beeinflusst wird, wird klar durch die Linie 42 gezeigt. Bezüglich 6 können einige Schlüsse gezogen werden. Erstens, eine normale Injektionsroutine würde während des Warmlaufs das Injizieren eines Reduktionsmittels durch den Kanal 10B in den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B und dann während einer Übergangszeit oder eines Übergangstemperaturbereichs das Injizieren eines Reduktionsmittels in sowohl den Hochtemperatur- als auch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5A, 5B gefolgt von dem Injizieren eines Reduktionsmittels in nur den Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A umfassen. Des Weiteren zeigt 6, dass die Erfindung selbst auf die Anordnung des Stands der Technik in 1A anwendbar ist, wo nur ein Katalysatorbett 5 benutzt wird. Die Temperaturverteilung innerhalb des Betts wird, wie allgemein durch 6 angedeutet wird, variieren, und das Reduktionsmittel kann in den Teil des Betts, der auf optimaler Temperatur ist, injiziert werden, um Ammoniak-Oxidation in den sehr heißen Bereichen des Katalysatorbetts und Ammoniak-Absorption in den sehr kalten Bereichen des Betts zu vermeiden.
Die Vorteile der Erfindung werden in der Tabelle unten veranschaulicht, die die gemessene NO_x-Umwandlung der Anordnung des Stands der Technik in 1 verglichen mit der in 2 veranschaulichten erfinderischen Anordnung zeigt. Ein MVEG-Fahrzyklus wurde auf dem gleichen, mit Verweis auf 4, 5 und 6 beschriebenen, Katalysator mit dem gleichen Motor durchgeführt und umfasste die simulierten Stadt/Land-Fahr-(ECE) und simulierte Autobahn-Fahr-(EUDC) Abschnitte des MVEG-Fahrzyklusses. Die Daten zeigen, wie erwartet, eine wesentliche Zunahme im Stadt/Land-Fahrzyklus und auch eine Zunahme im Autobahn-Fahrabschnitt des Tests.
Die Erfindung wurde speziell beschrieben, um einer in der Technik erfahrenen Person zu ermöglichen, dieselbe praktisch umzusetzen. Es sollte klar sein, dass die Reihenfolge oder Sequenz, mit der Abgas durch mehrfache SCR-Katalysatoren fließt, nicht wichtig ist.
Nun auf 2A verweisend wird eine allgemeine Anordnung, die die Erfindung in einem Einbett-Katalysator 5 einsetzt, veranschaulicht. In dieser schematischen Anordnung führt das Reduktionsmittel 2 zu einem Verteiler 4 in Verbindung mit einem Einlasskanal 10A angrenzend an das Einlassende von Katalysator 5 zum Dosieren von Reduktionsmittel in das Kalysator-Einlassende durch das Dosierventil 3A. Der Verteiler 4 ist auch in Fluid-Verbindung mit einem Mittelkanal 10B angrenzend an den Mittelteil von Katalysator 5 zum Dosieren von Reduktionsmittel in den mittleren Abschnitt von Katalysator 5 durch das Dosierventil 3B. Der Verteiler 4 ist auch in Fluid-Verbindung mit einem Ausgangsendekanal 10C zum Dosieren von Reduktionsmittel in den Katalysator-Endabschnitt durch das Dosierventil 3C. Die Dosierventile 3A, 3B und 3C werden betätigt, wenn die Temperaturen der entsprechenden Ka- Katalysator-Bettabschnitte katalytisch aktive Werte erreichen. Die Katalysatorbett-Temperaturen können direkt abgefühlt werden, werden aber in der Praxis durch herkömmliche Algorithmen unter Verwendung von Daten modelliert, die von mehreren Sensoren erlangt werden. In der bevorzugten Ausführung werden die Dosierventile 3A, 3B und 3C bei einem festgelegten Verhältnis in einer "Ein-Aus"-Weise betätigt. Es liegt jedoch im breiteren Umfang der Erfindung, das Verhältnis des Reduktionsmittels als eine Funktion der Temperatur des Katalysatorbetts sowie anderen bekannten Funktionen zu variieren, die das Verhältnis bestimmen, auf das die Dosierventile 3A, 3B und 3C gesetzt werden, d. h. NO_x-Gehalt, Massenfluss, Gastemperatur usw.
Ein detaillierteres Schema, das eine besondere katalytische Anordnung darstellt wird in 3 offenbart. Nun auf 3 verweisend wird schematisch ein eng gekoppelter SCR-Katalysator 50 gezeigt, der ein Niedertemperatur-Katalysator ähnlich dem oben erörterten Niedertemperatur-SCR-Katalysator 5B ist. Hinter dem eng gekoppelten Katalysator 50 befindet sich ein Hochtemperatur-Katalysator 51, der dem Hochtemperatur-SCR-Katalysator 5A gleicht. Hinter dem Hochtemperatur-SCR-Katalysator 51 befindet sich ein herkömmlicher Oxidations-Katalysator 52 zum Oxidieren von HC, CO usw.
Der Motor 1 ist gänzlich konventionell und ist mit einer Anzahl von Sensoren und Betätigungselementen unter der Kontrolle einer herkömmlichen ECU (Motor-Befehlseinheit) 60 versehen, die den Betrieb des Motors 1 steuert. Nur zu Zwecken der Zeichnungsveranschaulichung wird das SCR-System in 3 als unter Kontrolle der ECU 60 gezeigt. In der Praxis wird eine ähnliche Einrichtung, die dem Steuern von Urea-Injektion in das Abgas gewidmet und vorzugsweise über eine Schnittstelle mit der ECU 60 verbunden ist, benutzt. Alternativ kann ein frei stehender Prozessor mit zugeeigneten Sensoren und Betätigungselementen eingesetzt werden. Das Akronym "ECU" wird hierin gebraucht, um alle derartigen Anordnungen zu meinen.
Die ECU 60 (oder Urea-Steuer-ECU) erzeugt ein Ausgangssignal auf Leitung 71, das das Dosierventil 70 regelt. Das Dosierventil 70 dosiert nicht nur variabel das Reduktionsmittel, sondern leitet auch das Reduktionsmittel an entweder den eng gekoppelten Katalysatorkanal 72 oder den Hochtemperatur-Katalysatorkanal 73 oder an beide, wie oben beschrieben. Das Dosierventil 70 kann irgendein in der Technik bekanntes herkömmliches Ventil sein oder könnte alternativ getrennte Magnetventile an jedem Kanal umfassen. Vorzugsweise endet jeder Kanal 72, 73 an einem Injektor 74. Das Reduktionsmittel wird im Tank 75 gespeichert.
Das Dosierventil 70 wird von der ECU (oder Urea-Steuer-ECU) veränderlich eingestellt, um das selektive Zuteilen des Reduktionsmittels mit der gewünschten Rate zustandezubringen. Grundsätzlich muss die ECU über Information verfügen, die den NO_x-Gehalt in dem Abgas, die Masse des Abgases und die Temperatur des Katalysators anzeigt, um das Dosierventil variabel zu steuern. Theoretisch kann der NO_x-Gehalt direkt durch einen als Verweiszeichen 61 gezeigten NO_x-Sensor erfasst werden. In der Praxis sind NO_x-Sensoren 61 kommerziell nicht vorhanden, und NO_x wird aus mehreren Sensoren und Betätigungselementen wie z. B. die Kraftstoffeinstellung für den Injektor 65, der vom Massenluftflusssensor 67 erfasste Massenluftfluss oder -Druck und die Motordrehkraft oder -Last, wie durch den Abnehmer 63 erfasst, modelliert. Die Abgasmasse kann aus dem Geschwindigkeitsabnehmer 63 und dem Massenluftflusssensor 67 bestimmt werden. Die Temperatur kann direkt durch Thermometer abgefühlt oder alternativ mittels der Umgebungslufttemperatur, der Motor-Kühlmitteltemperatur vom Sensor 66 und, zum Start, nach Kaltstart verbrauchtem Kraftstoff modelliert werden. Auf Massenwärmeübertragung basierte Algorithmen können dann eingesetzt werden, um die Temperatur festzustellen. Siehe z. B. US-Patent Nr. 5,765,370 an Hanafusa et al.
Des Weiteren und insbesondere während des Kaltstarts ist es möglich, das Reduktionsmittel in den katalytisch aktiven SCR-Katalysator bei der geschätzten Temperatur des Katalysators zu dosieren, um die Leistung des Katalysators weiter zu optimieren.
Die Erfindung ist mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführung beschrieben worden. Es ist offensichtlich, dass anderen in der Technik erfahrenen Personen nach dem Lesen und Verstehen der ausführlichen Beschreibung der Erfindung Änderungen einfallen werden.

Claims

Verfahren zum Umwandeln von NOx-Emissionen in den Abgasen eines Fahrzeugs, das von einem Dieselmotor angetrieben wird, welches die Schritte des Leitens der Abgase über wenigstens einen ersten und einen zweiten Katalysator mit selektiver katalytischer Reduktion (SCR), wobei der erste SCR-Katalysator katalytisch aktiv ist, wenn seine Katalysatorbett-Temperatur innerhalb eines Temperaturbereiches von einer ersten niedrigen Temperatur bis zu einer ersten hohen Temperatur liegt, sich der zweite SCR-Katalysator chemisch von dem ersten SCR-Katalysator unterscheidet und katalytisch aktiv ist, wenn seine Katalysatorbett-Temperatur innerhalb eines Temperaturbereiches von einer zweiten niedrigen Temperatur bis zu einer zweiten hohen Temperatur liegt, wobei die zweite niedrige Temperatur niedriger ist als die erste niedrige Temperatur, und des Bereitstellens eines Reduktionsmittels zum Dosieren zu den SCR-Katalysatoren umfasst, wobei das Reduktionsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ammoniak und Ammoniak-Vorläufer(n) besteht, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) aufeinanderfolgendes Leiten der Abgase entweder von dem ersten oder dem zweiten SCR-Katalysator zum anderen, d. h. zu dem ersten oder dem zweiten, SCR-Katalysator; b) Dosieren des Reduktionsmittels während des Warmlaufens des Motors zu dem zweiten SCR-Katalysator, bis das erste SCR-Katalysatorbett von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur erhitzt ist, bei der es aufhört, als Wärmesenke zu fungieren; und c) anschließend Dosieren des Reduktionsmittels zu einem beliebigen der SCR-Katalysatoren mit einem katalytisch aktiven Bett.
Verfahren nach Anspruch 2, das des Weiteren den Schritt des simultanen Dosierens des Reduktionsmittels zu dem ersten und dem zweiten Katalysator einschließt, wenn die Betten beider Katalysatoren katalytisch aktiv sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Katalysator zu einem einzelnen Katalysatorbett zusammengefasst werden, und bei dem Dosierschritt Reduktionsmittel auf den Abschnitt des Katalysatorbettes geleitet wird, der nach Kaltstart aufgehört hat, als Wärmesenke zu fungieren und sich auf einer katalytisch aktiven Temperatur befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Reduktionsmittel-Dosierrate zu einem beliebigen SCR-Katalysator eine veränderliche Rate ist, die als eine Funktion der Katalysatorbett-Temperatur, der Raumgeschwindigkeit des Abgases durch den Katalysator und die Menge an NOx, die in dem Abgas vorhanden ist, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, das des Weiteren einen Oxidationskatalysator stromab von dem zweiten SCR-Katalysaotr zum Verhindern von Ammoniak-Seitenstrom (ammonia slip) enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste SCR-Katalysator ein Edelmetall-Katalysator ist, der auf einen Träger aufgebracht ist, und der zweite Katalysator ein Oxid umfasst.