WO2008052756A1 - Abgasnachbehandlungssystem eines verbrennungsmotors - Google Patents

Abgasnachbehandlungssystem eines verbrennungsmotors Download PDF

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WO2008052756A1
WO2008052756A1 PCT/EP2007/009435 EP2007009435W WO2008052756A1 WO 2008052756 A1 WO2008052756 A1 WO 2008052756A1 EP 2007009435 W EP2007009435 W EP 2007009435W WO 2008052756 A1 WO2008052756 A1 WO 2008052756A1
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WO
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oxidation
exhaust aftertreatment
catalytic
aftertreatment system
exhaust
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PCT/EP2007/009435
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Tillmann Braun
Ralf Bruenemann
Andreas Gorbach
Markus Kemmner
Axel Zuschlag
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Daimler Ag
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an exhaust aftertreatment system having the features of the preamble of claim 1.
  • an exhaust aftertreatment system for the aftertreatment of exhaust gas of an internal combustion engine which, arranged one behind the other, comprises a first oxidation catalytic effective exhaust aftertreatment unit, spaced therefrom a second oxidation catalytic effective exhaust aftertreatment unit and a particulate filter.
  • the first oxidation-catalytic effective exhaust aftertreatment unit serves primarily for heating the exhaust gas by exothermic oxidation of fuel introduced upstream into the exhaust gas. In this way, the temperature of the downstream second oxidation-catalytic exhaust aftertreatment unit can be raised within the range of its best efficiency with respect to the oxidation of nitrogen monoxide (NO) to nitrogen dioxide (NO 2 ).
  • the object of the invention is in contrast to provide an exhaust aftertreatment system, which enables improved exhaust gas purification.
  • the exhaust gas aftertreatment system according to the invention is distinguished by a first injection device for introducing a fuel into the exhaust gas flow between the first oxidation-catalytic exhaust treatment unit and the second oxidation-catalytic exhaust treatment unit.
  • the exhaust gas aftertreatment system according to the invention is primarily advantageous for predominantly lean-burn internal combustion engines, in particular for diesel engines.
  • the oxidation-catalytic exhaust aftertreatment units and the particulate filter can each be accommodated in separate housings or a common housing of two of these components or of all components in a common housing can also be provided.
  • the oxidation-catalytic exhaust aftertreatment units and the downstream particulate filter are arranged in a single-flow, that is unbranched exhaust line, which allows a low component cost and ease of operation of the exhaust aftertreatment system.
  • the embodiment according to the invention permits a separate optimization of the two functions by different design of the first and second oxidation-catalytic exhaust treatment units. which leads to a better exhaust aftertreatment of the internal combustion engine.
  • any suitable for the retention of particles exhaust emission control component can be used.
  • sintered metal filters or so-called wallflow filters made of cordierite, silicon carbide or aluminum titanate ceramic with a large number of elongate gas ducts preference is given to sintered metal filters or so-called wallflow filters made of cordierite, silicon carbide or aluminum titanate ceramic with a large number of elongate gas ducts.
  • sintered metal filters with sintered metal pockets or sintered metal plates are advantageous.
  • foam-like designed depth filter or so-called open filter body with a variety of Gasumlen- kung Particular preference is given to catalytically coated tete particle filter.
  • the catalytic coating can be designed, for example, with regard to promoting soot oxidation and / or nitrogen oxide oxidation.
  • the first injection device may be designed to introduce a gaseous fuel, such as a vaporized or by an external reformer treated liquid fuel or for introducing a liquid reducing agent.
  • a gaseous fuel such as a vaporized or by an external reformer treated liquid fuel or for introducing a liquid reducing agent.
  • the second oxidation-catalytically effective exhaust gas aftertreatment unit has a higher temperature resistance than the first oxidation-catalytic effective exhaust aftertreatment unit.
  • the second oxidation-catalytic effective exhaust aftertreatment unit is preferably designed so that it can withstand temperatures of at least 600 0 C, in particular of at least 800 0 C without significant aging.
  • the first oxidation-catalytic effective exhaust aftertreatment unit is arranged behind an exhaust gas turbocharger in the exhaust line. Since the turbocharger withdraws energy from the exhaust gas, the first oxidation-catalytic exhaust treatment unit is exposed to less high temperature stress. Thus, comparable to the second oxidation catalytic effective exhaust gas treatment unit temperature resistance is not required, and it can be a more cost-effective design can be selected.
  • the first oxidation catalytic effective exhaust aftertreatment unit has a higher activity for the oxidation of nitrogen monoxide than the second oxidation catalytic effective exhaust aftertreatment unit. The latter is mainly used for a high oxy dations Koch with respect to hydrocarbons, in particular those with an increased boiling point of 250 0 C or rated it.
  • the first oxidation-catalytic exhaust gas aftertreatment unit has a coating with a higher noble metal content compared to the second oxidation-catalytic exhaust gas aftertreatment unit.
  • a precious metal content in the range of 10 to 120 g / ft 3 , more preferably of at least 50 g / ft 3 .
  • the first oxidation-catalytic exhaust gas after-treatment unit has a coating with a higher platinum content than the second oxidation-catalytic exhaust gas after-treatment unit.
  • platinum platinum
  • the second oxidation-catalytic exhaust gas after-treatment unit has a coating with a higher palladium content compared to the first oxidation-catalytic exhaust gas after-treatment unit. As a result, it is possible to achieve a particularly good temperature resistance with simultaneously high oxidation-catalytic effect with respect to hydrocarbons.
  • the particle filter has a catalytically active coating.
  • A likewise oxidation-catalytically active coating is preferred.
  • this design lowers the temperature required for thermal soot burn-up.
  • a reduction of in particular in connection with a thermal Rußabbrand supplied hydrocarbons or caused by Rußabbrand carbon monoxide is possible.
  • a coating with nitrogen oxide storage properties or an SCR catalyst coating comes into consideration. In this way, the particulate filter can assume a nitrogen oxide reduction function, as a result of which it is possible to dispense with a downstream nitrogen oxide reduction catalyst.
  • the coatings can be applied in succession in two or more layers on contact surfaces of the particulate filter or in the exhaust gas flow direction.
  • a coating may be provided on the gas inlet side and / or on the gas outlet side contact surfaces, wherein it is advantageous to provide the coating only on partial regions, in particular only on the end side.
  • a third oxidation-catalytic effective exhaust aftertreatment unit provided, which is connected downstream of the particle filter.
  • a nitrogen oxide reduction catalyst for the reduction of nitrogen oxides under oxidizing conditions downstream of the particle filter.
  • the nitrogen oxide reduction catalyst can be formed as a so-called Denox catalyst, which can reduce nitrogen oxides under oxidizing conditions by using a hydrocarbon- or hydrogen-containing reducing agent.
  • an embodiment is preferred as a so-called SCR catalyst, which can reduce nitrogen oxides under oxidizing conditions with ammonia or another nitrogen-containing reducing agent.
  • the nitrogen oxide reduction catalyst can be designed as a so-called full catalyst or as a coated supported catalyst in honeycomb form. When Full catalyst is an extrudate on V2O5, TiO2, WO3-based preferred.
  • the nitrogen oxide reduction catalyst is formed as a supported catalyst having a zeolitic coating.
  • This embodiment has a higher temperature resistance compared to V2O5 based full catalysts.
  • a second injection device for introducing a reducing agent effective in reducing nitrogen oxides upstream of the nitrogen oxide reduction catalyst.
  • the second injection device may be similar to the first injection device.
  • a compressed air support can be provided for atomizing the reducing agent.
  • a barrier catalyst having oxidation catalytic activity is connected downstream of the nitrogen oxide reduction catalyst and / or the nitrogen oxide reduction catalyst is provided with an oxidation-catalytically active coating at its outlet end. In this way, unwanted reductant slip can be eliminated or avoided.
  • FIG. 1 shows a first advantageous embodiment of the exhaust aftertreatment system according to the invention
  • FIG. 2 shows a second advantageous embodiment of the exhaust aftertreatment system according to the invention
  • FIG. 3 shows a third advantageous embodiment of the exhaust aftertreatment system according to the invention
  • FIG. 4 shows a first advantageous embodiment of the exhaust aftertreatment system according to the invention.
  • the first embodiment of the exhaust gas aftertreatment system 1 comprises a first oxidation-catalytic exhaust treatment unit 3, a second oxidation-catalytic exhaust treatment unit (4) and a particle filter 5.
  • the exhaust aftertreatment system (1) is preferably directly at the outlet an exhaust gas turbocharger turbine of a preferably designed as a diesel engine internal combustion engine connected (not shown).
  • the mentioned exhaust gas aftertreatment units (3, 4, 5) are arranged in a single-flow, ie unbranched exhaust line.
  • a first injection device 7 for adding a fuel to an exhaust gas line section 6 of the exhaust line is provided between the first oxidation-catalytic exhaust treatment unit 3, hereinafter simply referred to as the first oxidation catalytic converter, and the second oxidation catalytic exhaust treatment unit 4, hereinafter simply referred to as the second oxidation catalytic converter
  • Oxidation catalyst 3 leads to the second oxidation catalyst 4.
  • the first oxidation catalyst 3 is accommodated in a separate first housing 8.
  • the second oxidation catalytic converter 4 is accommodated at a small distance from the particle filter 5 together with it in a common second housing 9.
  • the second oxidation catalyst 4 can also be arranged in a separate housing or in the form of a coating for the particulate filter 5.
  • the first oxidation catalyst 3 is preferably designed as a coated supported catalyst.
  • the support is preferably formed as a metal or ceramic honeycomb body having a cell density in the range of 100 to 800 cpsi (cells per square inch). However, a cell density of about 300 cpsi is preferred. This preferred cell density represents an optimal compromise with respect to the available catalyst surface area and flow resistance, with the additional added risk of blocking by deposited particles being sufficiently low.
  • the coating is optimized for a high nitrogen oxide oxidation activity.
  • oxides of rare earth metals and / or transition metals may be provided as coating constituents.
  • Particularly advantageous is the use of one or more oxides from the group V2O5, Cr2O3, Mn2O3, MnO2, Mn3O4, Fe2O3, Fe3O4, CoO, Co304, NiO, NiO2, Ni2O3, CeO2, Ce2O3.
  • a noble metal-containing coating in many cases.
  • an oxidic coating according to the abovementioned examples with a noble metal doping or impregnation.
  • a noble metal coating in so-called Pt-only design, wherein the platinum content is preferably in the range between 10 and 120 g / ft 3 (grams per cubicfoot).
  • Pt-only design wherein the platinum content is preferably in the range between 10 and 120 g / ft 3 (grams per cubicfoot).
  • high activity at low temperatures is preferred.
  • a design is preferred which below 250 0 C, preferably already below 200 0 C allows almost complete NO oxidation in the sense of thermodynamic equilibrium.
  • a high proportion of the soot deposited in the particle filter 5 can be removed by continuous low-temperature oxidation, which in turn reduces the frequency of undesired active regeneration processes due to soot burn-up. It is likewise preferred to provide a coating with a comparatively high specific surface area of at least 100 m 2 / g, particularly preferably of at least 250 m 2 / g, which can be achieved by means of a suitable alumina or zeolite washcoat. In addition, a cerium oxide content of 20% or more is advantageous, in particular for the NO oxidation function.
  • a design oriented on the displacement of the internal combustion engine has proven to be advantageous.
  • a total volume of the first oxidation catalyst 3 is selected in the range of 0.3 to 1.0 times the engine displacement. Particularly preferred is a factor of about 0.5.
  • the energy extraction by the turbocharger exhaust peak temperatures are usually below 500 0 C. A design with a view to a high temperature resistance is therefore not required.
  • a coating is selected which has an increased temperature stability.
  • the increased temperature resistance is preferably achieved by stabilizing additives such as zirconia in the catalyst coating.
  • it can also be provided to dispense with certain, conventionally provided coating components.
  • it may be advantageous to form the coating of the second oxidation catalyst 4 free of cerium and / or to provide a lower specific surface area of less than 200 m 2 / g from the outset.
  • a carrier which is particularly suitable for this purpose, such as, for example, a high-temperature-resistant metal carrier. This also offers advantages in terms of a possible direct electrical heating of the second oxidation catalyst 4.
  • the coating is preferably additionally designed with respect to an oxidation of the fuel provided by the first injection device 7.
  • a content of noble metals, especially of platinum group noble metals, in the range of 10 to 60 g / ft 3 is preferred.
  • Pd palladium
  • a Pd content of at least 50%, in particular of at least 75% is preferred.
  • Be palladium-only coating is preferred.
  • the design of the size is preferably carried out analogously to that of the first oxidation catalyst 3.
  • the second oxidation catalyst 4 is formed as a cracking or reforming catalyst for the partial oxidation of hydrocarbons, in particular of diesel fuel, and / or for the production of hydrogen by steam reforming, partial oxidation of hydrocarbons and / or mixed forms.
  • the heat energy released during an exothermic partial oxidation can be used to heat the exhaust gas in connection with a thermal particle filter regeneration.
  • a steam reforming with production of a CO and H2-containing gas mixture (synthesis gas) can be carried out.
  • These reducing agents and / or unburned or cracked hydrocarbons may advantageously be used subsequently for reducing nitrogen oxides at a downstream Denox or nitrogen oxide storage catalyst (see below).
  • synthesis gas in particular results in an improved nitrogen oxide reduction at low temperature.
  • ammonia production by reduction of stored nitrogen oxides directly in the exhaust aftertreatment system is possible in particular when using a downstream nitrogen oxide storage catalyst, the generated ammonia can in turn be used for further reduction of nitrogen oxides at a downstream SCR catalyst.
  • a supply of externally supplied ammonia or urea as a reducing agent for the SCR catalyst.
  • particle filter 5 is preferably a so-called wall-flow filter made of SiC-based used, which may be provided with a preferably noble metal-containing catalytic coating.
  • a so-called wall-flow filter made of SiC-based used which may be provided with a preferably noble metal-containing catalytic coating.
  • the largest possible volume of about 1.5 times the engine displacement is advantageous.
  • an optimized with regard to the exhaust back pressure design of the particulate filter 5 is preferred.
  • Porosity and size are preferably determined so that at a soot loading of about 5 g / l in the vast operating range of the internal combustion engine, a back pressure of about 100 mbar is exceeded.
  • a round design with a ratio of length to diameter (L / D ratio) in the range of 0.8 to 2.0 is preferred.
  • L / D ratio 1.0 to 1.3, a particularly uncritical and even temperature distribution during thermal regeneration can be achieved. Due to the inventive design of the first oxidation catalyst 3 in connection with a corresponding engine operation, however, the supply of NO 2 is sufficiently large to keep their frequency low. If a thermal regeneration is required, the temperature of the exhaust gas or of the particulate filter 5 is raised to such an extent by engine measures and if necessary by exothermic oxidation of fuel introduced into the exhaust gas, that deposited soot can be oxidized or burned off by oxygen contained in the exhaust gas.
  • the supply of fuel into the exhaust gas is made possible via the first injection device 7, via which the fuel temperature-controlled upstream of the second oxidation Catalyst 4 can be added to the exhaust gas.
  • the first injection device 7 of the available engine fuel usually diesel , as such is sprayed into the exhaust.
  • a nebulization or distribution in the exhaust gas supported by compressed air and / or by a static or moving mixer arranged in the exhaust gas line can be provided.
  • the introduction of the fuel takes place as far upstream of the second oxidation catalyst 4, that the greatest possible homogenization or evaporation of the supplied fuel in the feed line s is made possible.
  • a feed line s to the second oxidation catalyst 4 of about 100 mm to 1000 mm.
  • a feed distance s of 200 mm to 500 mm in length is preferred.
  • an exhaust pipe part from the engine compartment to the vehicle underbody area for this purpose.
  • it has one or more flow deflections of approximately 90 degrees, thereby allowing further improved mixing or evaporation.
  • a heat-insulating sheath is provided at least for the exhaust pipe section of the feed line s.
  • a further, third oxidation-catalytic exhaust treatment unit can be provided on the output side of the particle filter 5.
  • Fig. 2 an advantageous embodiment thereof is shown schematically.
  • components, as far as they correspond to those of Fig. 1, are identified by the same reference numerals. To avoid repetition, only the essential differences will be discussed below.
  • the third oxidation-catalytic exhaust aftertreatment unit 10 may be arranged in a separate housing, it is preferred if an arrangement is selected directly and at a short distance from the particle filter 5 in the same housing 9.
  • the third oxidation catalytic converter 10 an embodiment analogous to the first or second oxidation catalytic converter 3, 4 can be selected.
  • an embodiment with an increased temperature resistance is at least advantageous in the arrangement shown in FIG. 2 directly behind the particle filter 5, since the third oxidation catalyst 3 may be exposed to temperatures of up to 800 ° C. during a thermal particle filter regeneration.
  • the third oxidation catalyst 10 may also be formed as a nitrogen oxide storage catalyst, in which case an arrangement in a separate housing is preferred.
  • nitrogen oxides can be efficiently removed from the exhaust gas. This is particularly advantageous if, for an effective continuous Liehe soot regeneration of the internal combustion engine is operated with an increased nitrogen oxide crude emission.
  • a nitrogen oxide reduction catalyst of another type for example a so-called Denox catalyst
  • a nitrogen oxide reduction catalyst designed as a classic SCR catalytic converter is used. In this case, its arrangement downstream of the particulate filter 5 is preferred.
  • FIG. 3 an advantageous embodiment of a related thereto exhaust aftertreatment system 1 is shown schematically.
  • the SCR catalytic converter 11 is accommodated in a separate housing 14, which is connected to the housing 9 for the particle filter 5 via a line section 13 of the exhaust gas line.
  • Preferred is an SCR catalyst with a volume which is in the range of 1.5 times to 2.5 times the displacement of the internal combustion engine. With an approximately 2-fold displacement, a particularly favorable cost-effectiveness ratio is achieved.
  • the SCR catalyst 11 is preferably designed as a supported catalyst in honeycomb construction with a zeolitic coating.
  • a zeolitic coating In this case, an iron-containing zeolite is particularly preferred.
  • zeolite materials have zeolites of
  • Mordenite, Y, ZSM5 MFI, and ß-type proved to be advantageous.
  • an embodiment with a SiO 2 / Al 2 O 3 ratio of more than 30 or a dealuminated zeolite may be advantageous.
  • acidic zeolites are preferred with a Hammett acidity of less than -3.
  • a second injection device 12 For supplying a reducing agent for the SCR catalyst, a second injection device 12 is provided.
  • the reducing agent used is preferably an aqueous urea solution.
  • the delivery of urea solution can be done by means of compressed air support in the form of a mist or aerosol. However, it may also be provided a so-called air-free dosage.
  • a cooled embodiment of the second injection device 12 is advantageous, which can avoid deposits on nozzle openings.
  • This can be a passive cooling measure, for example in the form of a heat sink or an active cooling element, for example in the form of a return cooling or coolant cooling.
  • the urea solution is preferably supplied with an overpressure of the second injection device 12 and sprayed from this finely divided into the exhaust gas. The overpressure is preferably selected to be so high that blistering due to boiling up to a maximum temperature of about 200 ° C. occurring at the second injection device 12 is precluded.
  • the second injection device 12 may be arranged between the second oxidation-catalytic exhaust treatment unit 4 and the particle filter 5.
  • an arrangement as shown between the particle filter 5 or an optionally downstream third oxidation catalyst 10 and the SCR catalyst 11 in the line section 13 is preferred.
  • a feed path s2 of about 1000 mm is preferred. By multiple deflection can still be achieve a compact design.
  • a hydrolysis catalyst for the hydrolysis of supplied urea in the line section 13 may also be provided.
  • the SCR catalyst types preferably used have a reducing agent or ammonia storage capability.
  • the achievable nitrogen oxide conversion is greater, the higher the amount of reducing agent or ammonia stored in the catalyst.
  • the SCR catalytic converter 11 can be provided on the output side with an oxidation-catalytic coating. It is advantageous to provide for at least 10% of the catalyst length on the outlet side.
  • a coating of the SCR catalyst in the outlet region is preferably about 20% of the total catalyst length.
  • a so-called blocking catalytic converter with oxidation-catalytic effectiveness to be connected downstream as a separate component. Analogous to a coating, a volume of about 20% of the nitrogen oxide reduction catalyst volume is preferred.
  • FIG. 4 shows an exhaust aftertreatment system 1 in the variant with a downstream ammonia blocking catalytic converter 15.
  • the blocking catalytic converter 15 can be designed similar to the first oxidation catalytic converter 3. A particularly high temperature stability is not required because the temperature in this area of the exhaust aftertreatment system 1 is usually below 500 0 C.
  • the barrier catalyst 15 connects with little or negligible distance directly to the SCR catalyst 11 and is disposed in the same housing 14. An installation in a separate housing is of course also possible.
  • sensors for the exhaust aftertreatment system 1 are provided to control its operation.
  • the sensors preferably comprise suitably placed sensors for temperature, pressure, ammonia, nitrogen oxide, and oxygen content of the exhaust gas.
  • a temperature sensor for monitoring the operation or functionality of these assemblies or thermal particle filter regeneration may be provided upstream of the second oxidation catalyst 4 and / or between the latter and the particle filter 5 and on the output side of the particle filter 5, a temperature sensor for monitoring the operation or functionality of these assemblies or thermal particle filter regeneration may be provided.
  • the placement of a nitrogen oxide sensor on the output side of the first oxidation catalytic converter 3, in particular in conjunction with a temperature detection of the first oxidation catalytic converter 3, allows an estimation of the NO 2 content in the exhaust gas at the outlet of the first oxidation catalytic converter 3. This permits in connection with a temperature detection for the particle filter 5 a reliable modeling of its soot loading and a control of the addition of the reducing agent via the second injection device 12.
  • an ammonia sensor may be provided downstream of the SCR catalyst 11.
  • a control unit which is not shown in the drawing, which is connected to the sensors and can communicate with an engine control unit for the internal combustion engine or is integrated therein.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungs System zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors für ein Nutzfahrzeug. Das Abgasnachbehandlungssystem (1) umfasst einen ersten Oxidationskatalysator (3), einen zweiten Oxidationskatalysator (4) und einen Partikelfilter (5), die hintereinander in einem einflutigen Abgasstrang angeordnet sind. Erfindungsgemäss ist eine Injektionsvorrichtung (7) insbesondere für Kraftstoff zwischen dem ersten Oxidationskatalysator (3) und dem zweiten Oxidationskatalysator (4) vorgesehen.

Description

Daimler AG
Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der WO-A-00/34632 ist ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung von Abgas eines Verbrennungsmotors bekannt, welches hintereinander angeordnet eine erste oxidationskata- lytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit, beabstandet zu dieser eine zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit sowie einen Partikelfilter umfasst . Die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungs- einheit dient dabei in erster Linie zur Aufheizung des Abgases durch exotherme Oxidation von stromauf ins Abgas eingebrachtem Brennstoff. Auf diese Weise kann die Temperatur der nachgeschalteten zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit in den Bereich ihrer besten Wirksamkeit bezüglich der Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) angehoben werden. Dadurch wird wiederum eine verbesserte Niedertemperaturoxidation von im nachgeschalteten Partikelfilter abgelagerten Ruß erreicht. Diese Niedertemperatur-Rußoxidation, auch als kontinuierliche Rußregeneration bezeichnet, reicht jedoch oftmals nicht aus, um den Rußgehalt des Partikelfilters unter dem tolerierbaren Höchstwert zu halten, so dass ein dauerhaft zuverlässiger Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems nicht gewährleistet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, welches eine verbesserte Abgasreinigung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem zeichnet sich aus durch eine erste Injektionsvorrichtung zum Einbringen eines Brennstoffs in den Abgasstrom zwischen der ersten oxi- dationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit und der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit. Das erfindungsgemäße AbgasnachbehandlungsSystem ist hauptsächlich für überwiegend mager betriebene Verbrennungsmotoren, insbesondere für Dieselmotoren vorteilhaft. Die oxidationskatalytischen Abgasnachbehandlungseinheiten und der Partikelfilter können dabei jeweils in separaten Gehäusen untergebracht sein oder es kann auch eine gemeinsame Unterbringung von zwei dieser Bauteile oder aller Bauteile in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen sein. Die oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheiten sowie der nachgeschaltete Partikelfilter sind in einem einflutig, dass heißt unverzweigt ausgeführten Abgasstrang angeordnet, was einen geringen Bauteilaufwand und einen einfachen Betrieb des AbgasnachbehandlungsSystems erlaubt. Mit der einflutigen Ausführung des Abgasstrangs ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass innerhalb eines Gehäuses zwei oder mehrere Bauteile strömungsmäßig parallel angeordnet sind und von Abgas gleicher Zusammensetzung durchströmt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausführung kann einerseits mittels der ersten und der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit eine optimale NO-Oxidation erreicht werden. Dadurch ist in weiten Betriebsbereichen eine kontinuierliche Rußregeneration des Partikelfilters bei niedrigen Temperaturen unter 400 0C ermöglicht. Andererseits ist durch Zufuhr von Brennstoff direkt vor der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit eine effektive Temperaturerhöhung des Abgases durch exotherme Oxidation des Brennstoffs ermöglicht, wodurch der Partikel - filter bei Bedarf rasch und effizient auf eine zur thermischen Regeneration durch Rußabbrand erforderliche Temperatur von 550 0C oder mehr aufgeheizt werden kann. Im Gegensatz zu einer Ausführung mit einer einzigen dem Partikelfilter vorgeschalteten oxidationskatalytischen Abgasnachbehandlungseinheit, welche sowohl die Funktion der NO-Oxidation als auch die Funktion der Brennstoffoxidation übernimmt, ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung durch unterschiedliche Auslegung der ersten und der zweiten oxidationskatalytischen Abgasnachbehandlungseinheit eine getrennte Optimierung beider Funktionen, was insgesamt zu einer besseren Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors führt .
Als Partikelfilter kann jedes zur Zurückhaltung von Partikeln geeignete Abgasreinigungsbauteil eingesetzt werden. Bevorzugt sind jedoch Sintermetall-Filter oder so genannte wallflow- Filter aufgebaut aus Kordierit-, Siliziumkarbid- oder Alumi- niumtitanat-Keramik mit einer Vielzahl von langgestreckten Gaskanälen. Hinsichtlich der Speicherfähigkeit für Ruß und Asche sind insbesondere Sintermetallfilter mit Sintermetalltaschen oder Sintermetallplatten vorteilhaft. Ebenfalls möglich sind jedoch schaumartig ausgeführte Tiefenfilter oder so genannte offene Filterkörper mit einer Vielzahl von Gasumlen- kungsstellen. Besonders bevorzugt sind katalytisch beschich- tete Partikelfilter. Dabei kann die katalytische Beschichtung beispielsweise hinsichtlich der Förderung einer Rußoxidation und/oder einer Stickoxidoxidation ausgelegt sein.
Die erste Injektionsvorrichtung kann zum Einbringen eines gasförmigen Brennstoffs, wie beispielsweise eines verdampften oder mittels eines externen Reformers aufbereiteten flüssigen Kraftstoffs oder zum Einbringen eines flüssigen Reduktionsmittels ausgelegt sein.
In Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite oxidations- katalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine höhere Temperaturfestigkeit auf als die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit. Die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie Temperaturen von mindestens 600 0C, insbesondere von mindestens 800 0C ohne nennenswerte Alterung widerstehen kann.
Demgegenüber sind Maßnahmen zur Erzielung einer hohen Temperaturfestigkeit für die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit nicht oder nicht in gleichem Maße erforderlich. Vorzugsweise ist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit hinter einem Abgasturbolader im Abgasstrang angeordnet . Da der Turbolader dem Abgas Energie entzieht, ist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit einer weniger hohen Temperaturbeanspruchung ausgesetzt. Damit ist eine zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit vergleichbare Temperaturfestigkeit nicht erforderlich, und es kann eine kostengünstigere Ausführung gewählt werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste oxi- dationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine höhere Aktivität zur Oxidation von Stickstoffmonoxid auf als die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit. Letztere ist hauptsächlich für eine hohe Oxi- dationswirkung in Bezug auf Kohlenwasserstoffe, insbesondere solche mit einem erhöhten Siedepunkt von 250 0C oder darüber ausgelegt .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit höheren Edelmetallgehalt auf. Bevorzugt ist ein Edelmetallgehalt im Bereich von 10 bis 120 g/ft3, besonders bevorzugt von wenigstens 50 g/ft3. Zwar kann auch durch eine oxidische Beschichtung, im Extremfall sogar durch eine völlig edelmetallfreie Beschichtung eine erwünschte hohe Aktivität hinsichtlich der Stickoxidoxidation erzielt werden. Eine insbesondere an Platin reiche Beschichtung kann jedoch hinsichtlich der Alterungsstabilität vorteilhaft sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit höheren Platingehalt auf. Bei Einsatz unterschiedlicher Edelmetalle, insbesondere der Platingruppe, ist es vorteilhaft, wenn der relative Anteil an Platin (Pt) vergleichsweise hoch ist. Ein Pt-Anteil von wenigstens 50 % insbesondere von wenigstens 75 % ist bevorzugt. Vorteilhaft kann auch der Einsatz einer so genannten Platin-only-Beschichtung sein. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite oxi- dationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur ersten oxidations- katalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit höheren Palladiumgehalt auf. Dadurch lässt sich eine besonders gute Temperaturfestigkeit bei gleichzeitig hoher oxidationskataly- tischer Wirkung in Bezug auf Kohlenwasserstoffe erzielen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Partikelfilter eine katalytisch wirksame Beschichtung auf. Eine ebenfalls oxidationskatalytisch wirksame Beschichtung ist dabei bevorzugt. Mit dieser Ausführung wird einerseits die zum thermischen Russabbrand erforderliche Temperatur abgesenkt. Andererseits ist ein Abbau von insbesondere im Zusammenhang mit einem thermischen Rußabbrand zugeführten Kohlenwasserstoffen bzw. von beim Rußabbrand entstandenem Kohlenmonoxid ermöglicht. Es kann jedoch auch eine Beschichtung vorgesehen sein, welche zusätzlich oder alternativ andere katalytische Eigenschaften aufweist. Hier kommt insbesondere eine Beschichtung mit Stickoxid-Speichereigenschaften oder eine SCR-Katalysatorbeschichtung in Betracht. Auf diese Weise kann der Partikelfilter eine Stickoxidvermin- derungsfunktion übernehmen, wodurch gegebenenfalls auf einen nachgeschalteten Stickoxidverminderungskatalysator verzichtet werden kann. Die Beschichtungen können in zwei oder mehreren Schichtlagen auf Kontaktoberflächen des Partikelfilters oder in Abgasströmungsrichtung hintereinander aufgebracht sein. Es kann eine Beschichtung auf den gaseinlassseitigen und/oder auf den gasauslassseitigen Kontaktflächen vorgesehen sein, wobei es vorteilhaft ist, die Beschichtung lediglich auf Teilbereichen, insbesondere lediglich endseitig vorzusehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine dritte oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit vorgesehen, die dem Partikelfilter nachgeschaltet ist. Dadurch ist eine Reoxidation von durch Rußoxidation im Partikelfilter aus NO2 rückgebildetem NO bzw. eine Oxidation von reduzierenden Abgasbestandteilen, welche bei einer thermischen Partikelfilterregeneration im Abgas verbleiben ermöglicht .
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stickoxid- reduktionskatalysator zur Reduktion von Stickoxiden unter oxidierenden Bedingungen dem Partikelfilter nachgeschaltet. Dadurch ist neben der Entfernung von Partikeln zusätzlich eine Entfernung des Schadstoffs Stickoxid ermöglicht. Dies ermöglicht es wiederum, den Verbrennungsmotor mit einer erhöhten Stickoxidrohemission zu betreiben. Beispielsweise können ohne Rücksicht auf eine dabei erhöhte Stickoxidrohemission Einspritzzeitpunkte für einen wirkungsgradoptimierten Motorbetrieb eingestellt werden, da emittierte Stickoxide nachmotorisch mittels des Stickoxidreduktionskatalysators wieder entfernt werden. Bei einem mit dieser Ausführungsform bevorzugten Motorbetrieb in der Nähe des maximalen Stickoxidausstoßes wird einerseits ein minimaler Kraftstoffverbrauch erzielt, andererseits wird die kontinuierliche Rußregeneration des Partikelfilters verbessert. Dabei kann der Stick- oxidreduktionskatalysator als so genannter Denox-Katalysator ausgebildet sein, der unter Verwendung eines kohlenwasser- stoff- oder wasserstoffhaltigen Reduktionsmittels Stickoxide bei oxidierenden Bedingungen reduzieren kann. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung als so genannter SCR-Katalysator, der Stickoxide bei oxidierenden Bedingungen mit Ammoniak oder einem anderen stickstoffhaltigen Reduktionsmittel reduzieren kann. In beiden Fällen kann der Stickoxidreduktionskatalysa- tor als so genannter Vollkatalysator oder als beschichteter Trägerkatalysator in Wabenkörperbauform ausgebildet sein. Als Vollkatalysator ist ein Extrudat auf V2O5-, TiO2-, WO3 -Basis bevorzugt .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stick- oxidreduktionskatalysator als Trägerkatalysator mit einer zeolithischen Beschichtung ausgebildet. Diese Ausführungsform hat weist eine im Vergleich mit Vollkatalysatoren auf V2O5- Basis erhöhte Temperaturfestigkeit auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine zweite Injektionsvorrichtung zum Einbringen eines hinsichtlich einer Reduktion von Stickoxiden wirksamen Reduktionsmittels stromauf des Stickoxidreduktionskatalysators vorgesehen. Obschon vorzugsweise eine Einbringung einer Harnstoff enthaltenden wässrigen Lösung ins Abgas vorgesehen ist, kann die zweite Injektionsvorrichtung gleichartig wie die erste Injektionsvorrichtung ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine Druckluftunterstützung zur Vernebelung des Reduktionsmittels vorgesehen sein. Mit einer getaktet betreibbaren Injektionsvorrichtung kann eine besonders hohe Dosiergenauigkeit erzielt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein oxidations- katalytisch wirksamer Sperrkatalysator dem Stickoxidredukti- onskatalysator nachgeschaltet und/oder der Stickoxidredukti- onskatalysator ist an seinem auslassseitigen Ende mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung versehen. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Reduktionsmittelschlupf abgebaut bzw. vermieden werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erste vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems , Fig. 2 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems , Fig. 3 eine dritte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems und Fig. 4 eine erste vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen AbgasnachbehandlungsSystems .
Die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen AbgasnachbehandlungsSystems 1 umfasst hintereinander in Abgasströmungsrichtung 2 angeordnet eine erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit 3, eine zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) sowie einen Partikelfilter 5. Das Abgasnachbehandlungssystem (1) ist dabei vorzugsweise direkt an den Auslass einer Abgasturboladerturbine eines vorzugsweise als Dieselmotor ausgeführten Verbrennungsmotors angeschlossen (nicht dargestellt) . Charakteristischerweise sind die genannten Abgasnachbehandlungseinheiten (3, 4, 5) in einem einflutigen, d.h. unverzweigt ausgebildeten Abgasstrang angeordnet. Zwischen der ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit 3, nachfolgend vereinfacht als erster Oxidationskatalysator bezeichnet, und der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit 4, nachfolgend vereinfacht als zweiter Oxidationskatalysator bezeichnet, ist eine erste Injektionsvorrichtung 7 zur Zugabe eines Brennstoffs in einen Abgasleitungsabschnitt 6 des Abgasstrangs vorgesehen, der vom ersten Oxidationskatalysator 3 zum zweiten Oxidationskatalysator 4 führt. Dabei ist der erste Oxidationskatalysator 3 in einem separaten ersten Gehäuse 8 untergebracht. Der zweite Oxidationskatalysator 4 ist hingegen mit geringem Abstand zum Partikelfilter 5 mit diesem zusammen in einem gemeinsamen zweiten Gehäuse 9 untergebracht. Der zweite Oxidationskatalysator 4 kann jedoch ebenfalls in einem separaten Gehäuse angeordnet sein oder in Form einer Beschichtung für den Partikelfilter 5 vorliegen.
Der erste Oxidationskatalysator 3 ist vorzugsweise als beschichteter Trägerkatalysator ausgebildet. Der Träger ist vorzugsweise als Metall- oder Keramik-Wabenkörper mit einer Zelldichte im Bereich von 100 bis 800 cpsi (cells per square- inch) ausgebildet. Eine Zelldichte von etwa 300 cpsi ist jedoch bevorzugt. Diese bevorzugte Zelldichte stellt einen optimalen Kompromiss in Bezug auf die verfügbare Katalysatoroberfläche und den Strömungswiderstand dar, wobei zusätzlich die Gefahr einer Verblockung durch abgelagerte Partikel ausreichend niedrig ist.
Obschon auch eine Beschichtung mit einem katalytisch wirkenden Stickoxidspeichermaterial vorgesehen sein kann, ist es bevorzugt, wenn die Beschichtung für eine hohe Stickoxidoxi- dations-Aktivität optimiert ist. Für eine hohe Oxidations- wirkung gegenüber NO können beispielsweise Oxide von Seltenen Erdmetallen und/oder von Übergangsmetallen als Beschichtungs- bestandteile vorgesehen sein. Vorteilhaft ist insbesondere der Einsatz eines oder mehrerer Oxide aus der Gruppe V2O5, Cr2O3, Mn2O3, MnO2 , Mn3O4, Fe2O3 , Fe3O4, CoO, Co304, NiO, NiO2, Ni2O3, CeO2 , Ce2O3. Mit einer derartigen Beschichtung, insbesondere bei einem geringen oder vernachlässigbaren Edelmetallgehalt, ergeben sich entsprechende Kostenvorteile. Allerdings können sich Nachteile durch Abrasion oder anderweitige unerwünschte Stabilitätsprobleme ergeben. Aus diesem Grund ist eine edelmetallhaltige Beschichtung in vielen Fällen zu bevorzugen. Es kann jedoch auch eine oxidische Beschichtung gemäß den oben genannten Beispielen mit einer Edelmetalldotierung bzw. -Imprägnierung versehen sein. Besonders bevorzugt ist eine Edelmetall-Beschichtung in so genannter Pt-only-Ausführung, wobei der Platingehalt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 120 g/ft3 (grams per cubicfoot) liegt. Damit kann eine erhöhte Unempfindlichkeit gegenüber Schwefeloxiden erzielt werden. Bevorzugt ist außerdem generell eine hohe Aktivität bei niedrigen Temperaturen. Insbesondere ist eine Auslegung bevorzugt, welche unterhalb 2500C, vorzugsweise bereits unterhalb 200 0C eine nahezu vollständige NO-Oxidation im Sinne des thermodynamisehen Gleichgewichts ermöglicht. Dadurch kann ein hoher Anteil des im Partikelfilter 5 abgelagerten Rußes durch kontinuierliche Nie- dertemperaturoxidation entfernt werden, wodurch wiederum die Häufigkeit von an sich unerwünschten aktiven Regenerations- vorgängen durch Russabbrand verringert wird. Gleichfalls bevorzugt ist es, eine Beschichtung mit einer vergleichsweise hohen spezifischen Oberfläche von wenigstens 100 m2/g, besonders bevorzugt von wenigstens 250 m2/g vorzusehen, was mittels eines geeigneten Alumina- bzw. Zeolith-Washcoats erreicht werden kann. Vorteilhaft, insbesondere für die NO- Oxidationsfunktion ist zudem ein Ceroxidanteil von 20 % oder mehr.
Was die Größe des ersten Oxidationskatalysators 3 betrifft, so hat sich eine an der Hubraumgröße des Verbrennungsmotors orientierte Auslegung als vorteilhaft erwiesen. Vorzugsweise wird ein Gesamtvolumen des ersten Oxidationskatalysators 3 im Bereich vom 0,3- bis 1,0- fachen des Motorhubraums gewählt. Besonders bevorzugt ist ein Faktor von etwa 0,5. Eine möglichst motornahe Anordnung, insbesondere unmittelbar hinter dem Turbolader ist bevorzugt. Damit wird eine unerwünschte Abkühlung des Abgases vor Eintritt in den ersten Oxidations- katalysator 3 vermieden. Andererseits liegen infolge des Energieentzugs durch den Turbolader die Abgas-Spitzentemperaturen meist unterhalb von 500 0C. Eine Auslegung mit Blick auf eine hohe Temperaturfestigkeit ist daher nicht erforderlich.
Demgegenüber wird bei ansonsten vorzugsweise ähnlicher Ausführung für den zweiten Oxidationskatalysator 4 eine Beschichtung gewählt, welche eine erhöhte Temperaturstabilität aufweist. Die erhöhte Temperaturfestigkeit wird vorzugsweise durch stabilisierende Zusätze wie beispielsweise Zirkonoxid in der Katalysatorbeschichtung erreicht . Es kann jedoch auch vorgesehen sein, auf bestimmte, üblicherweise vorgesehene Beschichtungskomponenten zu verzichten. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, die Beschichtung des zweiten Oxidationskatalysators 4 frei von Cer auszubilden und/oder von vornherein eine geringere spezifische Oberfläche von weniger als 200 m2/g vorzusehen. Zur Erzielung einer erhöhten Temperaturfestigkeit kann auch der Einsatz eines hierfür besonders geeigneten Trägers, wie beispielsweise eines hochtemperaturfesten Metallträgers vorgesehen sein. Dies bietet zudem Vorteile bezüglich einer möglichen direkten elektrischen Beheizung des zweiten Oxidationskatalysators 4. Die Beschichtung ist vorzugsweise zusätzlich in Bezug auf eine Oxidation des von der ersten Injektionsvorrichtung 7 bereitgestellten Brennstoffs ausgelegt. Es ist ein Gehalt von Edelmetallen, insbesondere von Edelmetallen der Platingruppe im Bereich von 10 bis 60 g/ft3 bevorzugt. Bei Einsatz unterschiedlicher Edelmetalle ist es vorteilhaft, wenn der relative Anteil an Palladium (Pd) vergleichsweise hoch ist und im Bereich von etwa 30 % bis 90 % liegt. Ein Pd-Anteil von wenigstens 50 %, insbesondere von wenigstens 75 % ist bevorzugt. Vorteilhaft kann auch der Einsatz einer so genannten Palladium-only-Beschichtung sein. Die Auslegung der Größe wird vorzugsweise analog zu der des ersten Oxidationskataly- sators 3 vorgenommen.
In einer weiteren vorteilhaften Variante ist der zweite Oxi- dationskatalysator 4 als Crack- bzw. Reformerkatalysator zur partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Dieselkraftstoff, und/oder zur Erzeugung von Wasserstoff durch Wasserdampfrefomierung, partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Mischformen ausgebildet. Damit kann einerseits die bei einer exothermen partiellen Oxidation freigesetzte Wärmeenergie zur Abgasaufheizung im Zusammenhang mit einer thermischen Partikelfilterregeneration genutzt werden. Andererseits kann auch eine Dampfreformierung mit Erzeugung eines CO- und H2 -haltigen Gasgemisches (Synthesegas) durchgeführt werden. Diese Reduktionsmittel und/oder unverbrannte bzw. gecrackte Kohlenwasserstoffe können mit Vorteil im Weiteren zur Reduzierung von Stickoxiden an einem nachgeschalteten Denox- oder Stickoxid-Speicherkatalysator (s. u.) eingesetzt werden. Mit der Bereitstellung von Synthesegas ergibt sich insbesondere eine verbesserte Stickoxidverminderung bei niedriger Temperatur. Daneben ist insbesondere bei Einsatz eines nachgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysators eine Ammoniakerzeugung durch Reduktion von gespeicherten Stickoxiden direkt im Abgasnachbehandlungssystem ermöglicht, wobei der erzeugte Ammoniak wiederum zur weiteren Reduktion von Stickoxiden an einem nachgeschalteten SCR- Katalysator genutzt werden kann. In einem solchen Fall kann auf eine Zufuhr von extern bereitgestelltem Ammoniak bzw. Harnstoff als Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator verzichtet werden. Zur Optimierung der Crackfunktion des zweiten Oxidationskatalysators 4 ist es vorteilhaft, für diesen eine zeolithische Beschichtung vorzusehen. Besonders bevorzugt ist dabei eine erhöhte Hammett-Acidität von weniger als -3 und/oder eine Platin- und/oder Palladiumimprägnierung.
Als Partikelfilter 5 kommt vorzugsweise ein so genannter wall-flow-Filter aus SiC-Basis zum Einsatz, der mit einer vorzugsweise edelmetallhaltigen katalytischen Beschichtung versehen sein kann. Für eine hohe Aufnahmefähigkeit von Ruß- und Aschepartikeln ist ein möglichst großes Volumen von etwa dem 1,5-fachen des Motorenhubraums vorteilhaft. Da die vorgeschalteten Oxidationskatalysatoren 3, 4 bereits einen gewissen Staudruck bewirken, ist eine hinsichtlich des Abgasgegendrucks optimierte Auslegung des Partikelfilters 5 bevorzugt. Porosität und Größe werden vorzugsweise so festgelegt, dass bei einer Rußbeladung von etwa 5 g/l im überwiegenden Betriebsbereich des Verbrennungsmotors ein Gegendruck von etwa 100 mbar unterschritten wird. Dabei ist eine runde Bauform mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D- Verhältnis) im Bereich von 0,8 bis 2,0 bevorzugt. Mit einem L/D-Verhältnis von 1,0 bis 1,3 lässt sich eine besonders unkritische und gleichmäßige Temperaturverteilung bei thermischen Regenerationen erzielen. Infolge der erfindungsgemäßen Auslegung des ersten Oxidationskatalysators 3 im Zusammenhang mit einem entsprechenden Motorbetrieb ist das Angebot an NO2 jedoch ausreichend groß, um deren Häufigkeit niedrig zu halten. Ist eine thermische Regeneration erforderlich, so wird durch motorische Maßnahmen und falls notwendig durch exotherme Oxidation von ins Abgas eingebrachtem Brennstoff, die Temperatur des Abgases bzw. des Partikelfilters 5 soweit angehoben, dass abgelagerter Ruß von im Abgas enthaltenem Sauerstoff oxidiert bzw. abgebrannt werden kann.
Die Zufuhr von Brennstoff ins Abgas ist dabei über die erste Injektionsvorrichtung 7 ermöglicht, über welche der Brennstoff temperaturkontrolliert stromauf des zweiten Oxidations- katalysators 4 dem Abgas zugegeben werden kann. Wenngleich für eine zuverlässige und rasche Aufheizung ausgehend von niedrigen Temperaturen die Zugabe eines leicht oxidierbaren Brennstoffs wie Reformat, oder gecrackter Kraftstoff vorgesehen sein kann, ist es aus Gründen des apparativen Aufwands bevorzugt, wenn über die erste Injektionsvorrichtung 7 der verfügbare Motor-Kraftstoff, meist Diesel, als solcher ins Abgas gesprüht wird. Hierfür ist es vorteilhaft, einen Mehrlochinjektor vorzusehen, über welchen der unter einem erhöhten Druck von vorzugsweise 5 bar bis etwa 100 bar zur Verfügung gestellte Kraftstoff bedarfsgerecht, mengendosiert und fein verteilt versprüht werden kann. Zur verbesserten Verteilung im Abgas kann eine durch Druckluft und/oder durch einen im Abgasstrang angeordneten statischen oder bewegten Mischer unterstützte Vernebelung bzw. Verteilung im Abgas vorgesehen sein.
Vorzugsweise erfolgt die Einbringung des Brennstoffs soweit stromauf des zweiten Oxidationskatalysators 4, dass eine weitestgehende Homogenisierung bzw. Verdampfung des zugeführten Kraftstoffs in der Zuführungsstrecke s ermöglicht ist. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, eine Zuführungsstrecke s zum zweiten Oxidationskatalysator 4 von etwa 100 mm bis 1000 mm vorzusehen. Bevorzugt ist eine Zuführungsstrecke s von 200 mm bis 500 mm Länge. Besonders vorteilhaft ist, hierfür ein Abgasleitungsteil vom Motorraum zum Fahrzeug- Unterbodenbereich zu nutzen. Vorzugsweise weist dieser ein oder mehrere Strömungsumlenkungen von annähernd 90 Grad auf, wodurch eine weiter verbesserte Vermischung bzw. Verdampfung ermöglicht ist. Vorzugsweise ist zumindest für den Abgasleitungsabschnitt der Zuführungsstrecke s eine wärmeisolierende Umhüllung vorgesehen. Zur Reoxidation von durch Rußoxidation im Partikelfilter 5 aus NO2 rückgebildetem NO bzw. zur Oxidation von reduzierenden Abgasbestandteilen, welche bei einer thermischen Partikelfilterregeneration im Abgas verbleiben, kann ausgangs- seitig des Partikelfilters 5 eine weitere, dritte oxidations- katalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit vorgesehen sein. In Fig. 2 ist eine hierfür vorteilhafte Ausführungsform schematisch dargestellt. Dabei sind in Fig. 2 Bauteile, soweit sie denen der Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend lediglich auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen.
Obschon die dritte oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit 10, nachfolgend als dritter Oxidations- katalysator bezeichnet, in einem separaten Gehäuse angeordnet sein kann, ist es bevorzugt, wenn eine Anordnung unmittelbar und mit geringem Abstand zum Partikelfilter 5 in demselben Gehäuse 9 gewählt wird. Für den dritten Oxidationskatalysator 10 kann eine Ausführung analog zum ersten oder zweiten Oxidationskatalysator 3, 4 gewählt werden. Eine Ausführung mit einer erhöhten Temperaturfestigkeit ist zumindest bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung unmittelbar hinter dem Partikelfilter 5 jedoch vorteilhaft, da der dritte Oxidationskatalysator 3 bei einer thermischen Partikelfilterregeneration Temperaturen von bis zu 800 0C ausgesetzt sein kann. Der dritte Oxidationskatalysator 10 kann auch als Stickoxid- Speicherkatalysator ausgebildet sein, wobei in diesem Fall eine Anordnung in einem separaten Gehäuse bevorzugt ist. Mit einem dem Partikelfilter 5 nachgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysator ist einerseits eine Oxidation von Kohlenmon- oxid und Kohlenwasserstoffen ermöglicht, andererseits können Stickoxide aus dem Abgas effizient entfernt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn für eine effektive kontinuier- liehe Rußregeneration der Verbrennungsmotor mit einer erhöhten Stickoxidrohemission betrieben wird.
Zur Verminderung von Stickoxiden kann alternativ oder zusätzlich zum genannten Stickoxid-Speicherkatalysator ein Stick- oxidverminderungskatalysator anderer Art, beispielsweise ein so genannter Denox-Katalysator vorgesehen sein. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird jedoch nachfolgend davon ausgegangen, dass ein als klassischer SCR-Katalysator ausgebildeter Stickoxidreduktionskatalysator eingesetzt wird. Dabei ist dessen Anordnung stromab des Partikelfilters 5 bevorzugt .
In Fig. 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines diesbezüglich ausgebildeten Abgasnachbehandlungssystem 1 schematisch dargestellt. Der SCR-Katalysator 11 ist in einem separaten Gehäuse 14 untergebracht, welches über einen Leitungs- abschnitt 13 des Abgasstrangs mit dem Gehäuse 9 für den Partikelfilter 5 verbunden ist. Bevorzugt ist ein SCR-Katalysator mit einem Volumen, welches im Bereich des 1,5-fachen bis 2,5-fachen des Hubraums des Verbrennungsmotors liegt. Mit einem etwa 2-fachen Hubvolumen wird ein besonders günstiges Kosten-Wirkungsverhältnis erreicht .
Der SCR-Katalysator 11 ist vorzugsweise als Trägerkatalysator in Wabenkörperbauform mit einer zeolithischen Beschichtung ausgebildet. Dabei ist ein eisenhaltiger Zeolith besonders bevorzugt. Als Zeolithmaterialien habe sich Zeolithe vom
Mordenit-, Y-, ZSM5- MFI-, und ß-Typ als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere mit Blick auf gute Temperaturstabilität kann dabei eine Ausführung mit einem SiO2/Al2O3 -Verhältnis von mehr als 30 oder ein dealuminierter Zeolith vorteilhaft sein. Für eine besonders hohe Aktivität in Bezug auf die Stickoxidreduktion sind acide Zeolithe mit einer Hammett- Acidität von weniger als -3 bevorzugt.
Zur Zuführung eines Reduktionsmittels für den SCR-Katalysator ist eine zweite Injektionsvorrichtung 12 vorgesehen. Als Reduktionsmittel wird vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung eingesetzt. Die Abgabe der Harnstofflösung kann mittels Druckluftunterstützung in Form eines Nebels bzw. Aerosols erfolgen. Es kann jedoch auch eine so genannte luft- freie Dosierung vorgesehen sein. Insbesondere in diesem Fall ist eine gekühlte Ausführung der zweiten Injektionsvorrichtung 12 vorteilhaft, wodurch sich Ablagerungen an Düsenöffnungen vermeiden lassen. Dabei kann es sich um eine passive Kühlmaßnahme, etwa in Form eines Kühlkörpers oder um eine aktive Küh1maßnähme , etwa in Form einer Rücklaufkühlung oder einer Kühlmittelkühlung handeln. Die Harnstofflösung wird dabei vorzugsweise mit einem Überdruck der zweiten Injektionsvorrichtung 12 zugeführt und von dieser fein verteilt ins Abgas abgespritzt. Der Überdruck wird dabei bevorzugt so hoch gewählt, dass eine Blasenbildung durch Sieden bis zu einer an der zweiten Injektionsvorrichtung 12 auftretenden maximalen Temperatur von etwa 200 0C ausgeschlossen ist.
Die zweite Injektionsvorrichtung 12 kann zwischen der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit 4 und dem Partikelfilter 5 angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine Anordnung wie dargestellt zwischen dem Partikel - filter 5 bzw. einem gegebenenfalls nachgeschalteten dritten Oxidationskatalysator 10 und dem SCR-Katalysator 11 im Leitungsabschnitt 13. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, eine Zuführungs- bzw. Hydrolysestrecke s2 zum SCR-Katalysator 11 im Leitungsabschnitt 13 von etwa 500 mm bis 1000 mm oder mehr vorzusehen. Bevorzugt ist eine Zuführungsstrecke s2 von etwa 1000 mm. Durch mehrfache Umlenkung lässt sich dennoch eine kompakte Bauweise erzielen. Um eine demgegenüber verkürzte Zuführungsstrecke s2 zu erhalten, kann jedoch auch ein Hydrolysekatalysator zur Hydrolyse von zugeführtem Harnstoff im Leitungsabschnitt 13 vorgesehen sein.
Die vorzugsweise eingesetzten SCR-Katalysatortypen weisen eine Reduktionsmittel- bzw. Ammoniakspeicherfähigkeit auf. Dabei ist im Allgemeinen der erreichbare Stickoxidumsatz um so größer, je höher die im Katalysator gespeicherte Reduktionsmittel- bzw. Ammoniakmenge ist. Bei hoher Speichermenge tritt jedoch ein mehr oder weniger großer, unerwünschter Reduktionsmittelschlupf auf. Um dennoch einen Betrieb mit hoher Ammoniakspeichermenge und damit möglichst hohem Stickoxidumsatz zu ermöglichen, kann der SCR-Katalysator 11 aus- gangsseitig mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung versehen sein. Dabei ist es vorteilhaft, diese auf wenigstens 10 % der Katalysatorlänge auslassseitig vorzusehen. Bevorzugt ist eine Beschichtung des SCR-Katalysators im auslassseitigen Bereich auf etwa 20 % der Gesamtkatalysatorlänge . Es kann jedoch auch ein so genannter Sperrkatalysator mit oxidations- katalytischer Wirksamkeit als separates Bauteil nachgeschaltet sein. Analog zu einer Beschichtung ist dabei ein Volumen von etwa 20 % des Stickoxidreduktionskatalysator-Volumens bevorzugt .
In Fig. 4 ist ein Abgasnachbehandlungssystem 1 in der Variante mit nachgeschaltetem Ammoniaksperrkatalysator 15 dargestellt. Der Sperrkatalysator 15 kann dabei ähnlich wie der erste Oxidationskatalysator 3 beschaffen sein. Eine besonders hohe Temperaturstabilität ist nicht erforderlich, da die Temperatur in diesem Bereich des Abgasnachbehandlungssystems 1 meist unterhalb von 500 0C liegt. Vorzugsweise schließt sich der Sperrkatalysator 15 mit geringem oder vernachlässigbarem Abstand unmittelbar an den SCR-Katalysator 11 an und ist in demselben Gehäuse 14 angeordnet. Ein Einbau in einem separaten Gehäuse ist natürlich ebenfalls möglich.
Wenngleich der Übersichtlichkeit halber nicht in den Zeichnungen dargestellt, ist klar, dass eine geeignete Sensorik für das AbgasnachbehandlungsSystem 1 vorgesehen ist, um dessen Betrieb zu steuern. Die Sensorik umfasst dabei vorzugsweise geeignet platzierte Sensoren für Temperatur, Druck, Ammoniak-, Stickoxid-, und Sauerstoffgehalt des Abgases.
So kann insbesondere stromauf vor dem zweiten Oxidations- katalysator 4 und/oder zwischen diesem und dem Partikelfilter 5, sowie ausgangsseitig des Partikelfilters 5 jeweils ein Temperatursensor zur Überwachung des Betriebs bzw. der Funktionalität dieser Baueinheiten bzw. von thermischen Partikel - filterregenerationen vorgesehen sein. Die Platzierung eines Stickoxidsensors ausgangsseitig des ersten Oxidationskataly- sators 3 , insbesondere im Zusammenhang mit einer Temperaturerfassung des ersten Oxidationskatalysators 3, ermöglicht eine Abschätzung des NO2 -Anteils im Abgas am Ausgang des ersten Oxidationskatalysators 3. Dies erlaubt im Zusammenhang mit einer Temperaturerfassung für den Partikelfilter 5 eine zuverlässige Modellierung von dessen Rußbeladung sowie eine Regelung der Zugabe des Reduktionsmittels über die zweite Injektionsvorrichtung 12. Zur weiteren Verbesserung dieser Regelung oder zu Diagnosezwecken kann ein Ammoniaksensor stromab des SCR-Katalysators 11 vorgesehen sein.
Durch eine Platzierung eines Drucksensors stromab nach und/oder stromauf vor dem Partikelfilter 5 kann eine Abschätzung von dessen Ruß- oder Aschegehalt erfolgen und thermische Regenerationsvorgänge getriggert bzw. gesteuert werden . Zur Durchführung der Steuer- bzw. Regelvorgänge ist auch ein zeichnerisch nicht dargestelltes Steuergerät vorgesehen, das mit den Sensoren verbunden ist sowie mit einem Motorsteuergerät für den Verbrennungsmotor kommunizieren kann oder in dieses integriert ist.

Claims

Daimler AGPatentansprüche
1. Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung von Abgas eines Verbrennungsmotors, umfassend in AbgasStrömungsrichtung hintereinander in einem an den Verbrennungsmotor angeschlossenen einflutig ausgeführten Abgasstrang angeordnet
- eine erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3),
- eine beabstandet zur ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (3) angeordnete zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) und
- einen Partikelfilter (5) , dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Injektionsvorrichtung (7) zum Einbringen eines Brennstoffs in den Abgasstrom zwischen der ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (3) und der zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (4) vorgesehen ist.
2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) eine höhere Temperaturfestigkeit aufweist als die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3).
3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3) eine höhere Aktivität zur Oxidation von Stickstoffmonoxid aufweist als die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) .
4. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3) eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (4) höheren Edelmetallgehalt aufweist.
5. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (3) eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur zweiten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (4) höheren Platingehalt aufweist .
6. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (4) eine Beschichtung mit einem im Vergleich zur ersten oxidationskatalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungseinheit (3) höheren Palladiumgehalt aufweist .
7. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (5) eine katalytisch wirksame
Beschichtung aufweist.
8. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte oxidationskatalytisch wirksame Abgasnachbehandlungseinheit (10) vorgesehen ist, die dem Partikelfilter (5) nachgeschaltet ist.
9. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stickoxidreduktionskatalysator (11) zur Reduktion von Stickoxiden unter oxidierenden Bedingungen dem Partikel- filter (5) nachgeschaltet ist.
10. AbgasnachbehandlungsSystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxidreduktionskatalysator (11) als Trägerkatalysator mit einer zeolithischen Beschichtung ausgebildet ist.
11. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Injektionsvorrichtung (12) zum Einbringen eines hinsichtlich einer Reduktion von Stickoxiden wirksamen Reduktionsmittels stromauf des Stickoxid- reduktionskatalysators (11) vorgesehen ist.
12. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis
dadurch gekennzeichnet, dass ein oxidationskatalytisch wirksamer Sperrkatalysator (15) dem Stickoxidreduktionskatalysator (11) nachgeschaltet ist und/oder der Stickoxidreduktionskatalysator (11) an seinem auslassseitigen Ende mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung versehen ist.
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