WO2017108165A1 - Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Claudia ESSMANN
Uwe Gärtner
Alexander Massner
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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 device for a
  • Exhaust gas aftertreatment devices for internal combustion engines, in particular of motor vehicles, are already well known from the general state of the art and in particular from production vehicle production.
  • the internal combustion engine has at least one combustion chamber, in particular in the form of a cylinder, which during a fired operation of the
  • Internal combustion engine fuel especially liquid fuel, and air are supplied. This creates a fuel-air mixture in the combustion chamber, which is also referred to as a mixture and burned. This results in exhaust gas of the internal combustion engine, wherein the exhaust gas from at least one outlet of the internal combustion engine and thus from the internal combustion engine itself can flow.
  • the exhaust gas to the
  • the exhaust gas aftertreatment device comprises at least one SCR catalytic converter through which exhaust gas from the internal combustion engine can flow, by means of which a selective catalytic reduction (SCR) is effected or assisted.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the SCR catalyst catalyzes the SCR reaction.
  • NO x nitrogen oxides contained in the exhaust gas are reduced, that is, at least partially removed from the exhaust gas. This removal of the nitrogen oxides from the exhaust gas is also called de-stemming designated.
  • nitrogen oxides contained in the exhaust gas react in particular with constituents of a reducing agent introduced into the exhaust gas or with
  • the reducing agent is in particular an aqueous urea solution.
  • This aqueous urea solution forms effective ammonia (NH3) in the reduction of nitrogen oxides during the SCR reaction.
  • exhaust gas aftertreatment devices for internal combustion engines which are designed as diesel engines, comprise at least one particulate filter, which can be flowed through by the exhaust gas and arranged upstream of the SCR catalytic converter in the flow direction of the exhaust gas, for retaining soot particles from the exhaust gas.
  • the particulate filter By means of the particulate filter, the exhaust gas is filtered, so that at least a portion of the soot particles contained in the exhaust gas is filtered by means of the particulate filter from the exhaust gas.
  • the particulate filter is usually also called
  • Exhaust after-treatment device upstream of the particulate filter usually a
  • Object of the present invention is to develop an exhaust aftertreatment device of the type mentioned in such a way that a particularly
  • Exhaust gas aftertreatment device comprises a permeable by the exhaust gas and arranged upstream of the particulate filter combination catalyst.
  • Combination catalyst comprises a first catalyst part, which is designed as an SCR catalyst or SCR catalyst part.
  • the first catalyst part causes or supports a selective catalytic reduction (SCR), wherein in the context of the SCR reaction in the exhaust gas contained nitrogen oxides (NO x ) reduced, that is at least partially removed from the exhaust gas.
  • SCR selective catalytic reduction
  • nitrogen oxides contained in the exhaust gas react, in particular with components of a reducing agent introduced into the exhaust gas or with constituents which form from the reducing agent, into nitrogen and water.
  • the first catalyst portion catalyses the SCR reaction and thus has a SCR-action so that by means of the first catalyst portion in particular nitric oxide (NO) and / or nitrogen dioxide (N0 2) to nitrogen (N 2) can be converted.
  • NO nitric oxide
  • N0 2 nitrogen dioxide
  • the combination catalytic converter further comprises a second catalyst part, which is arranged downstream of the first catalyst part in the flow direction of the exhaust gas through the exhaust gas aftertreatment device.
  • the second catalyst part is designed as an ammonia slip catalyst (ASC) and has a noble metal layer with a first noble metal content.
  • ASC ammonia slip catalyst
  • an ammonia slip from the reducing agent is oxidized into nitrogen and water.
  • ASC effect is to be understood as a catalytic effect of the ammonia slip catalyst on an oxidation of ammonia (NH 3 ).
  • the combination catalyst further includes a third catalyst portion disposed downstream of the second catalyst portion.
  • Exhaust gas aftertreatment device flowing through exhaust gas first through the first catalyst part, then through the second catalyst part and subsequently through the third catalyst part, so that the first, second and third
  • Catalyst part are successively flowed through by the exhaust gas.
  • Catalyst part is designed as an oxidation catalyst and has a
  • Precious metal layer with a second noble metal content Precious metal layer with a second noble metal content.
  • the oxidation catalyst and thus the third catalyst part has the task, possibly contained in the exhaust gas
  • the third catalyst part catalyzes, that is, aides, the oxidation of unburned hydrocarbons and
  • the third catalyst part has an OC effect, in particular a DOC effect. Furthermore, the combination catalyst has a on the
  • Catalyst part extends.
  • the SCR layer is a fourth part of the combination catalyst with the SCR layer extending down to deeper wall layers
  • Precious metal layers is arranged or applied, so that the exhaust gas, which exits from the first catalyst part and flows into the second catalyst part, first meets the SCR layer and then diffused to the deeper noble metal layer of the second catalyst part.
  • the SCR layer has an SCR effect, in which reduction reactions of nitrogen oxides with ammonia to nitrogen and water vapor are catalyzed.
  • the SCR layer is intended to degrade an NH 3 slip from the first catalyst part by SCR reactions.
  • the SCR layer is advantageously arranged directly on the noble metal layers and thus touches the respective noble metal layers.
  • the combination catalyst is designed so that the
  • Precious metal layers and the SCR layer of the second and third catalyst part are applied to common catalyst main body elements and connect the second and the third catalyst part in the flow direction of the exhaust gas directly to each other and possibly even contact, whereby the second and third catalyst part advantageously particularly compact executable and particularly inexpensive can be produced.
  • N nitrogen oxide
  • the invention is based in particular on the finding that after a start, in particular after a cold start, the internal combustion engine and after a vehicle operation in the low load range, in particular after idling, that is, even after a sailing operation in which the internal combustion engine is in idle mode, and after Traffic light waits during which the
  • the exhaust aftertreatment device according to the invention is particularly advantageous for diesel vehicles and especially for diesel trucks whose emissions, in particular nitrogen oxide emissions, can be kept particularly low by means of the exhaust gas aftertreatment device according to the invention.
  • the invention is further based in particular on the knowledge that future emission requirements for internal combustion engines, in particular diesel engines, are increasingly aimed at taking account of various secondary emissions such as NO 2 and N 2 O and the operability of the exhaust aftertreatment device under real driving conditions.
  • various secondary emissions such as NO 2 and N 2 O and the operability of the exhaust aftertreatment device under real driving conditions.
  • Exhaust after-treatment devices comprising an oxidation catalyst, a particulate filter disposed downstream of the oxidation catalyst, an SCR catalyst downstream of the particulate filter, and an ASC (ammonia slip catalyst) downstream of the SCR catalyst will rapidly heat the SCR catalyst, particularly after a cold start and thus preventing high efficiency of the SCR catalyst.
  • the SCR catalyst designed as the first catalyst part of the combination catalyst of the exhaust gas after treatment device according to the invention after the exit of the exhaust gas from the
  • the first catalyst part formed as an SCR catalyst heats up comparatively quickly after a start or a low-load operation of the internal combustion engine, so that a comparatively quickly after a start or a low-load operation of the internal combustion engine
  • Denitrification efficiency can be achieved in the designed as SCR catalyst first catalyst part.
  • the SCR catalytic converter of the first catalytic converter part of the exhaust gas aftertreatment device according to the invention will be referred to as the first SCR catalytic converter.
  • Low load operating conditions of the internal combustion engine is particularly strong in motor vehicles in the form of commercial vehicles or trucks stronger with the result of correspondingly higher exhaust emissions than in passenger cars, as in Commercial vehicle or truck due to space constraints compared to passenger cars a relatively large distance with an associated large distance between the internal combustion engine and the
  • the exhaust gas has a very low temperature.
  • the introduction of the reducing agent is turned off, so it does not
  • Reducing agent is usually switched on or performed only when an SCR catalyst in which the reducing agent is to be reacted, has a temperature which is greater than 180 degrees Celsius.
  • the shutdown of the introduction of the reducing agent has high nitrogen oxide emissions during the operating conditions mentioned, if no appropriate countermeasures are taken.
  • the exhaust aftertreatment device By means of the exhaust aftertreatment device according to the invention, an extremely good cold start behavior and an advantageous behavior under real driving conditions can be realized. Especially in city mode N02 secondary emissions can be kept very low, in particular by NC shares of less than or equal to 50 percent. It has proven to be particularly advantageous if the first SCR catalyst is designed as a vanadium-based SCR catalyst. In the case of vanadium-based SCR catalysts, a comparatively low ammonia level is advantageously necessary for good denitrification efficiency.
  • the noble metal layers are formed from platinum or from mixtures of platinum and palladium and the second noble metal content is higher than the first noble metal content.
  • Precious metal layers of platinum and mixtures of platinum and palladium have high N0 2 formation activity and high catalytic activity for HC oxidation.
  • this embodiment of the invention is based on the following knowledge: the higher the noble metal content of a catalyst, the higher the reaction rate of a NH 3 formed from the reducing agent to nitrous oxide (N 2 0) compared to a reaction rate of NH 3 to N 2 , Due to the lower precious metal content of the noble metal layer of the second Catalyst part is advantageously oxidized in the second part of the catalyst NH3 slip of the first SCR catalyst substantially to N 2 instead of N 2 0, so that formed as the oxidation part or oxidation catalyst third
  • Exhaust after-treatment device can be provided.
  • the noble metal layer of the second metal is the noble metal layer of the second metal
  • Catalyst part compared to the noble metal layer of the third catalyst part a high platinum content in a mixture of platinum and palladium, with a platinum content of the total mixture of at least 80 percent.
  • the noble metal layer of the second catalyst part may also be formed exclusively with platinum.
  • Part of the catalyst has a platinum content in a total mixture of platinum and palladium of at least 50 percent.
  • the first noble metal content is in a range of from about 1 / 28316.8 grams per cubic centimeter up to and including about 5/28316 grams per cubic centimeter. This means that the first precious metal content is preferably in a range of from about
  • an NH3-slip of the first SCR catalyst can advantageously be substantially N 2 are oxidized in place to N 2 0, so that to the formed as an oxidation catalyst third catalyst part no ammonia or only a very small amount of ammonia passes.
  • the second noble metal content is in a range of, for example, 5 / 28316.8 grams per
  • a first metering device is provided in the exhaust gas aftertreatment device, by means of which at least one upstream of the combination catalyst, and thus upstream of the first SCR catalyst, arranged first point a reducing agent, in particular an aqueous urea solution, for Entsticken the exhaust gas in the exhaust gas can be introduced.
  • a reducing agent in particular an aqueous urea solution
  • a second metering device is provided, by means of which at least one downstream of the first SCR catalyst and upstream of the second catalyst arranged second point a reducing agent, in particular an aqueous
  • Urea solution can be introduced to Entsticken the exhaust gas in the exhaust gas.
  • the second metering device is advantageously used to provide the exhaust gas reducing agent before entering the second catalyst, which is designed as an SCR catalyst, since for the function of acting as an oxidation catalyst third catalyst portion in the second catalyst part of the NH 3 slip is oxidized, so that downstream of the second catalyst part of the combination catalyst and thus also in the second catalyst, which is arranged downstream of the combination catalyst in the
  • the second catalytic converter of the exhaust gas aftertreatment device according to the invention which is designed as an SCR catalytic converter, is referred to as a second SCR catalytic converter.
  • the second metering device can be switched on or activated and with the second catalyst a nitrogen oxide reduction can take place with the reducing agent introduced with the second metering device.
  • there is no time limit for a nitrogen oxide reduction during a N0 2 -based regeneration of the particulate filter which would be due to a storage capacity for NH 3 of the second SCR catalyst for this embodiment of the invention.
  • the second point at which reducing agent can be introduced into the exhaust gas by means of the second metering device is arranged downstream of the particle filter.
  • the particle filter is provided with a heavy-metal and noble metal-free coating and an oxidation of the carbon particles retained in the particle filter.
  • Exhaust after-treatment device provided heavy metal and precious metal-free coating of the particulate filter advantageously has no polluting heavy metals and no other toxic or environmentally harmful substances.
  • the heavy metal and precious metal-free coating of the particulate filter alkali and / or alkaline earth metal compounds.
  • the heavy metal and precious metal-free coating of the particulate filter can particularly advantageously comprise alkali metal-containing silicates. Particulate filter with such
  • Coating which in particular contains alkali metal-containing silicates, can advantageously catalyze solid substance reactions with soot particles.
  • the coating of the particulate filter has, for example, a silicate structure, in which very finely distributed alkali metals, in particular potassium, as the active component of the catalytic
  • Coating are involved.
  • the coating of the particulate filter is on
  • the coating of the particulate filter allows the passive regeneration of the particulate filter based on nitrogen dioxide (N0 2 ) even at very low nitrogen dioxide levels and / or even at lower temperatures, since the reaction of soot or carbon dioxide catalyzed by the coating with alkali and / or alkaline earth compounds the realized by means of this coating reaction contained in the particulate filter Soot particles with nitrogen dioxide in the particulate filter is a solid-state reaction that catalyzes, that is, supports, this coating. This reaction can be carried out with a particularly high reaction rate.
  • the reaction of carbon black with nitrogen dioxide can already be carried out at smaller amounts of nitrogen dioxide and at higher reaction rates than in a particle filter with a noble metal-containing coating.
  • the active, oxygen (02) -based soot oxidation or regeneration is comparatively better catalyzed by the coating with alkali and / or alkaline earth compounds and takes place in particle filters with such a coating already at significantly lower temperatures than in particle filters with noble metal coatings.
  • a regeneration of the particulate filter is understood here to mean that at least part of the soot particles retained in the particulate filter is removed from the particulate filter as part of the regeneration.
  • the particulate filter With increasing operating time and thus with increasing retention of soot particles from the exhaust gas, the particulate filter is increasingly added with soot particles. This clogging is also referred to as loading or loading of the particulate filter. As part of a regeneration, the loading of the
  • Particulate filter is at least reduced by the soot particles are oxidized.
  • the particle filter is oxidized in the context of regeneration, for example with the aid of NO 2 or burned free with the aid of O 2.
  • Coatings of the particulate filter have the function of catalyzing the oxidation of the soot particles.
  • the coating of the particulate filter with alkali and / or alkaline earth metal compounds allows NC-based regeneration of the particulate filter at much lower NÜ 2 quantities with a higher reaction rate compared to particulate filters with a noble metal-containing catalytic coating.
  • the coating of the particulate filter with alkali-metal-containing silicates catalyzes the regeneration of the particulate filter with the aid of N0 2 particularly well, so that such a regeneration based on N0 2 , which is also referred to as passive regeneration, already at low N0 2 - Input concentrations, such as the N0 2 -Röemission the internal combustion engine, leading to a sufficient Rußabbrandrate and that it is advantageously not necessary, in particle filters with such a coating N0 2 -based regeneration continuously, but that a temporary regeneration is sufficient.
  • Alkaline earth metal compounds already support NC-based regeneration at temperatures of around 300 degrees Celsius to 350 degrees Celsius.
  • the C was based
  • Soot regeneration may also partially replace N0 2 based regeneration in a temperature window of from about 300 degrees Celsius to 350 degrees Celsius if NO 2 - based regeneration is limited or completely eliminated due to low NO 2 concentrations, as is the case the total amount of NO 2 present in the exhaust gas at the upstream first SCR catalyst formed by the first catalyst part is consumed in the SCR reaction.
  • the C-based regeneration in particle filters with coatings with alkali and / or alkaline earth metal compounds can already take place in a temperature range of about 300 degrees Celsius to 350 degrees Celsius, the 02-based regeneration of the particulate filter can be used without the Disadvantage of undesirable temperature-related damage of exhaust aftertreatment elements occurs, which can occur at the high temperatures of 02-based regenerations of conventional noble metal-containing particulate filters. This is of decisive advantage for the exhaust aftertreatment device according to the invention, since SCR catalysts are particularly temperature-sensitive and in the first catalyst part of the invention
  • Exhaust after-treatment device so that high temperatures can be avoided during an 02-based regeneration.
  • Combination catalyst in particular the first catalyst part of the
  • the first catalytic converter part in particular the combination catalytic converter, is arranged as the first exhaust gas after-treatment element which can be flowed through by the exhaust gas of the internal combustion engine after the exit of the exhaust gas from the internal combustion engine, so that with respect to a flow direction of the exhaust gas from the internal combustion engine to the first SCR catalytic converter between the combination catalytic converter , in particular the first catalyst part, and the internal combustion engine none of the exhaust gas effetströmbares exhaust gas aftertreatment element is arranged for post-treatment of the exhaust gas of the internal combustion engine. As a result, excessive cooling of the combination catalyst can be avoided.
  • the second catalyst part and the third catalyst part form a hybrid catalyst, wherein the volume of the second catalyst part through which the exhaust gas can flow is approximately twice as large as the volume of the third catalyst part. It has surprisingly been found that the volume ratio of the second and third catalyst part according to this embodiment of the invention is necessary so that with the exhaust aftertreatment device according to the invention, in particular a concentration of newly formed N 2 0 can be kept so low that future emission requirements for secondary emissions under real driving conditions can be.
  • the invention also includes a method for operating an exhaust aftertreatment device according to the invention.
  • Fig. 1 is a schematic side view of an exhaust aftertreatment device according to a first embodiment for an internal combustion engine of a motor vehicle, with at least one of exhaust gas of the
  • Combustion engine Wegrittbaren combination catalyst, with at least one of the exhaust gas and arranged downstream of the combination catalyst arranged particulate filter for the retention of soot particles from the exhaust gas, and with one of the exhaust gas can flow through and arranged downstream of the particulate filter SCR catalyst;
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the exhaust gas aftertreatment device according to a second embodiment
  • FIG. 3 a detail of a schematic longitudinal sectional view of the
  • Fig. 1 shows a generally designated 10 drive means for a
  • the drive device 10 includes an internal combustion engine 12, which in the present case is designed as a reciprocating internal combustion engine. In this case, the commercial vehicle by means of the internal combustion engine 12 can be driven.
  • Internal combustion engine 12 is designed as a diesel engine.
  • Internal combustion engine 12 includes a cylinder housing 14, through which a plurality of combustion chambers in the form of cylinders 16 of the internal combustion engine 12 is formed.
  • the cylinders 16 are supplied with air and fuel, in particular liquid fuel, so that a fuel-air mixture is produced in the respective cylinder 16.
  • This fuel-air mixture is burned, resulting in exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas from the cylinders 16 is guided in an exhaust manifold 18 and then discharged from the internal combustion engine 12.
  • the drive device 10 further comprises an exhaust system 20, which also as
  • the exhaust system 20 can be flowed through by the exhaust gas from the cylinders 16. By means of the exhaust system 20, the exhaust gas from the cylinders 16.
  • the internal combustion engine 12 discharged.
  • the internal combustion engine 12 in this case has a so-called outlet 22, via which the exhaust gas from the
  • the outlet 22 is also referred to as engine outlet or exhaust or engine exhaust and is disposed on an exhaust side of the internal combustion engine 12.
  • the exhaust system 20 includes a designated as a whole with 24
  • Embodiment is shown.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine 12 is aftertreated.
  • the exhaust system 20 and the exhaust gas aftertreatment device 24 can be flowed through by the exhaust gas, wherein the flow or the flow of the exhaust gas through the exhaust system 20 and thus through the exhaust aftertreatment device 24 in Fig. 1 is illustrated by arrows 26.
  • the flow direction of the exhaust gas through the exhaust system 20 and thus through the exhaust aftertreatment device 24 in Fig. 1 is illustrated by arrows 26.
  • the exhaust aftertreatment device 24 is disposed downstream of the outlet 22. Since the exhaust gas upstream of the exhaust aftertreatment device 24 and downstream of the outlet 22 has not yet been aftertreated by the exhaust aftertreatment device 24, the emissions of the internal combustion engine 12 in a region between the outlet 22 and before, that is upstream of the exhaust aftertreatment device 24, referred to as raw emissions.
  • the exhaust aftertreatment device 24 comprises at least one of the exhaust gas of the internal combustion engine 12 can flow through the first catalyst 32, which is designed as a combination catalyst, with at least one of the exhaust gas
  • the combination catalytic converter 32 is the first exhaust gas aftertreatment element which can be flowed through by the exhaust gas after the outlet 22 and thus after the exit of the exhaust gas from the internal combustion engine 12. This means that the combination catalytic converter 32, the first downstream of the internal combustion engine 12, of the exhaust gas flow through
  • Exhaust after-treatment element is, so that between the combination catalyst 32 and the internal combustion engine 12, in particular the outlet 22, no exhaust gas aftertreatable by the exhaust gas after-treatment element, by means of which the exhaust gas is treated, is arranged.
  • the drive device 10 further comprises an exhaust gas turbocharger not shown in full in FIG. 1, which is also referred to as a turbocharger. Furthermore, the Drive device 10, for example, an intake, not shown in FIG. 1, which can be flowed through by the aforementioned air or a mixture of recirculated exhaust gas and air which is supplied to the cylinders 16.
  • the exhaust gas turbocharger comprises a compressor arranged in the intake tract, by means of which the air flowing through the intake tract and to be supplied to the cylinders 16 or the mixture of recirculated exhaust gas and air is to be compressed or compressed.
  • the exhaust gas turbocharger comprises a turbine 34, which is arranged in the exhaust system 20 and consequently can be flowed through by the exhaust gas flowing through the exhaust system 20. Based on the flow direction of the exhaust gas through the
  • Exhaust system 20 is the turbine 34 upstream of the combination catalyst 32
  • the turbine 34 comprises, for example, a turbine housing 36 and a turbine wheel 38, which is arranged in the turbine housing 36 and can be driven by the exhaust gas flowing through the turbine 34, and which is rotatable about an axis of rotation relative to the turbine
  • Turbine housing 36 is rotatable.
  • the compressor includes, for example
  • Compressor wheel by means of which the intake air flowing through the air can be compressed.
  • the compressor wheel is arranged, for example, coaxially with the turbine wheel 38 and thus rotatable about the aforementioned axis of rotation.
  • the exhaust gas turbocharger further comprises a shaft, not shown in FIG. 1, which is both non-rotatably connected to the turbine wheel 38 and non-rotatably connected to the compressor wheel.
  • the compressor wheel can be driven by the turbine wheel 38 via the shaft. Since the turbine wheel 38 is drivable or driven by the exhaust gas, and since the air flowing through the intake tract is compressed by the driving of the compressor wheel, energy contained in the exhaust gas can be utilized for compressing the air, so that a particularly efficient operation of the drive device 10 can be represented ,
  • the effect of retaining particulate matter from the exhaust gas by means of the particulate filter 30 is to understand that soot particles contained in the exhaust gas by means of the particulate filter 30 are filtered out of the exhaust gas and thus retained.
  • soot particles are contained in the exhaust gas, which are at least partially filtered by means of the particulate filter 30 from the exhaust gas.
  • the soot particles remain on the particulate filter 30, in particular in its interior, hang or settle on the particulate filter 30, in particular on its interior, so that the particulate filter 30 becomes increasingly contaminated with soot particles with increasing service life. This clogging is also referred to as loading or loading of the particulate filter 30.
  • the particulate filter 30 is also referred to as diesel particulate filter (DPF).
  • DPF diesel particulate filter
  • Combination catalyst 32 - as can be seen particularly well in conjunction with FIG. 3 - a first catalyst part 40, which is designed as a first SCR catalyst.
  • the first SCR catalyst is designed as a vanadium-based SCR catalyst, wherein vanadium is also referred to as Va. Therefore, and because an SCR catalyst is generally also simply referred to as SCR, the first catalyst part 40 in Fig. 3 is also designated Va-SCR.
  • the combination catalyst 32 further comprises a - in the flow direction of the
  • the combination catalyst 32 comprises a third catalyst part 46 arranged in the flow direction of the exhaust gas through the combination catalyst 32, downstream of the second catalyst part 42, which is designed as an oxidation catalyst and has a noble metal layer 48 which is also formed exclusively with the noble metal platinum and a second one
  • the noble metal layer 48 of the third catalyst part 42 may be formed instead of pure platinum with a noble metal mixture of platinum and palladium, wherein the platinum content in the platinum-palladium mixture is at least 50 percent. Since the internal combustion engine 12 in the present case, for example, is designed as a diesel engine, the oxidation catalyst is also called
  • SCR layer 50 which comprises copper (Cu) and zeolite (Z) and therefore also referred to as Cu-Z layer.
  • the respective platinum layer 44 and 48 is a layer comprising platinum (Pt).
  • the first platinum content in the combination catalyst 32 shown in FIG. 3 ranges from 1 gram per cubic foot (g / ft 3 ) to 5 grams per cubic foot inclusive, with the second platinum content in the range of, inclusive 5 grams per cubic foot up to and including 20 grams per cubic foot.
  • One cubic foot (ft 3 ) corresponds at least essentially to 28316.8 cubic centimeters (cm 3 ) and denotes the volume of the respective platinum layer 44 or 48. It has proven to be particularly advantageous if the second platinum content is higher than the first platinum content.
  • hybrid catalyst designated 52 As a whole is formed, which has both an ammonia slip effect (ASC effect) and an oxidation Effect (DOC effect), so that the combination catalyst is also referred to as hybrid ASC-DOC in FIG.
  • ASC effect ammonia slip effect
  • DOC effect oxidation Effect
  • the hybrid catalytic converter 52 has a direction of flow of the exhaust gas
  • the second catalyst part 42 has a first partial length 11 extending in the flow direction of the exhaust gas, the third catalytic converter part 46 having a second partial length 12 extending in the flow direction of the exhaust gas.
  • the partial lengths 11 and 12 add up the total length L.
  • the SCR layer 50 extends over the entire length L of the hybrid catalyst 52 and thus over the partial length 11 of the second catalyst part 42 and the partial length 12 of the third catalyst part 46.
  • the first part length 11 two thirds of the total length L, wherein the partial length 12 is one third of the total length L.
  • the combination catalytic converter 32 as a whole has a length G extending in the direction of flow of the exhaust gas, the first
  • Catalyst part 40 has a running in the flow direction of the exhaust gas partial length t.
  • Combination catalyst 32 It is provided, for example, that the partial length t is in a range of between 50 percent and 90 percent inclusive of the length G, wherein the total length L, for example, in a range of 10 percent up to and including 50 percent of the length G.
  • the SCR layer 50 is understood to mean that the SCR layer 50 has an SCR effect. That is, the SCR layer 50 catalyzes, that is, functions, a selective catalytic reduction (SCR) in which nitrogen oxides contained in the exhaust gas are converted to nitrogen and water.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the SCR layer 50 is an upper layer or an upper coating which is arranged on the platinum layers 44 and 48 or is applied to the platinum layers 44 and 48. In this case, the SCR layer 50 is applied directly to the platinum layers 44 and 48, so that the SCR layer 50 contacts the platinum layers 44 and 48.
  • the lower platinum layer 44 of the second catalyst part 42 serves to oxidize excess ammonia (NH 3 ), so that the second catalyst part 42 functions as an ammonia slip catalyst.
  • Platinum layer 48 is used for the oxidation of NO and unburned hydrocarbons (HC), so that for example by means of the platinum layer 48 NO2 is formed in order to realize a passive Rußabbrand, that is a passive regeneration of the particulate filter 30 and a sufficient temperature to realize an active
  • the passive regeneration is a NO2-based regeneration, by means of which the loading of the particulate filter 30 is at least reduced.
  • the named active regeneration is an oxygen, that is to say 0 2 -based regeneration, with the aid of which the loading of the particle filter 30 is at least reduced.
  • the respective platinum layer 44 or 48 is a lower platinum layer, which is arranged below the SCR layer 50. Goal for both
  • Platinum layers 44 and 48 are low N 2 O selectivity.
  • the partial length 11 is in a range of from 0 percent to 80 percent inclusive of the total length L.
  • the partial length 12 is in a range of between 20 percent and 100 percent inclusive of the total length L.
  • the drive device 10, in particular the exhaust aftertreatment device 24, comprises a first metering device 54, by means of which at at least one upstream of the combination catalyst 32 arranged first point S1, a reducing agent for Entsticken the exhaust gas is introduced into the exhaust gas.
  • the reducing agent is, for example, an aqueous urea solution from which ammonia is produced, which is present in the exhaust gas as part of the SCR mentioned
  • FIG. 1 shows that the first point S1 or the metering device 54 is arranged upstream of the turbine wheel 38 or the turbine 34. However, it is preferably provided that the first location S1 or the first metering device 54 is arranged upstream of the combination catalyst 32 and downstream of the turbine wheel 38 or the turbine 34.
  • a second metering device 56 is provided, by means of which at least one downstream of the combination catalyst 32 and upstream of the SCR catalyst 28 arranged second point S2 reducing agent for Entsticken the exhaust gas is introduced into the exhaust gas.
  • the nitrogen oxides are at least partially removed from the exhaust gas. This removal of nitrogen oxides is also referred to as Entsticken the exhaust gas, which - as described - using the
  • the second location S2 or the second metering device 56 is arranged upstream of the SCR catalytic converter 28 and upstream of the particle filter 30.
  • a mixing device 58 Downstream of the second point S2 or the second metering device 56 and upstream of the SCR catalyst 28, a mixing device 58 is arranged, by means of which the metered reducing agent is mixed or mixed with the exhaust gas.
  • the mixing device 58 is arranged upstream of the particulate filter 30. Furthermore, the
  • Exhaust after-treatment device 24 a catalyst 60, which is arranged downstream of the SCR catalyst 28 and formed as an SCR catalyst and / or as an ammonia slip catalyst.
  • the particulate filter 30 is provided with a heavy metal and precious metal-free coating and an oxidation of the particulate filter 30 retained soot particles catalyzing coating based on alkali metal silicate structures, so that the coating with a coating
  • alkali metal-containing silicates This coating catalyzes soot oxidation, that is, the oxidation of the soot particles retained by the particulate filter 30 and thus located in the particulate filter 30, particularly efficiently and effectively.
  • soot oxidation that is, the oxidation of the soot particles retained by the particulate filter 30 and thus located in the particulate filter 30, particularly efficiently and effectively.
  • the soot particles are removed from the particulate filter 30, whereby the load is at least reduced.
  • This reduction in the load of the particulate filter 30 is also referred to as regeneration or regeneration of the particulate filter 30.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the drive device 10. In FIG. 2, the overview is not shown for the internal combustion engine 12.
  • the embodiment differs from the first embodiment
  • Metering device 56 upstream of the SCR catalyst 28, but downstream of the Particle filter 30 is arranged.
  • the mixing device 58 downstream of the second point S2 and the second metering device 56 and upstream of the SCR catalyst 28 is arranged.
  • HC dosing unit not shown in the figures, by means of which unburned hydrocarbons can be introduced into the exhaust gas at a dosing point D can be provided. From FIGS. 1 and 2 it can be seen that the dosing point D
  • the HC doser or the dosing point D at which the unburned hydrocarbons (HC) can be introduced or metered into the exhaust gas by means of the HC dosing, upstream of the combination catalyst 32 and in particular upstream of the turbine wheel 38 and the turbine 34 is arranged.
  • internal engine measures for introducing unburned hydrocarbons into the exhaust gas are conceivable. In such an engine inside
  • a measure is, for example, a particularly late injection of fuel into at least one of the cylinders 16.
  • the catalyst volumes of the combination catalyst 32 and the volumes of the catalyst parts 40, 42 and 46 and those of the catalysts 28 and 60 are determined by the stroke volume of the internal combustion engine 12.
  • the first catalytic converter part 40 from FIG. 1 or FIG. 2 has a volume through which exhaust gas can flow, which for commercial vehicle internal combustion engines lies in a range of approximately 44 to 105 percent of the stroke volume of the internal combustion engine 12.
  • the sum of the volumes of the SCR catalyst 28 and the catalyst 60 is for
  • the ratio of the volume of the first catalyst portion 40 to the sum of the volumes of the SCR catalyst 28 and the catalyst 60 is for example in a range of from 0.25 to including 1, 34.
  • the stop condition comprises that the space velocity of the SCR catalytic converter 28 exceeds a predefinable threshold value, for example in a range from 40,000 to 60,000, and / or that an injection rate exceeds a threshold value and / or that the nitrogen oxide content exceeds a predefinable threshold value.
  • the regeneration period of the active regeneration is, for example, in a range of 15 minutes to and including 60 minutes, and is performed, for example, after an interval of more than 100 hours.
  • the size fraction of the first catalyst part 40 in the total SCR volume of the exhaust aftertreatment device 24 is, for example, in a range of between 20 percent and 50 percent inclusive.
  • Trigger regeneration model-based soot loading limit (soot quantity trigger)
  • Back pressure ⁇ 1, 1 opposite empty filter. 4 shows a diagram for illustrating a method for operating the drive device 10, in particular the exhaust gas aftertreatment device 24.
  • the diagram shown in FIG. 4 has an abscissa 62 on which the time, in particular in seconds, is plotted. Furthermore, the diagram has an ordinate 64, on which the temperature, in particular in degrees Celsius, is plotted.
  • a curve 66 is entered, which illustrates the temperature of the first catalyst part 40, wherein the first catalyst part 40 is also referred to as ccSCR. In other words, the curve 66 is a time profile of the temperature of the first catalyst part 40 functioning as an SCR catalytic converter.
  • a line 68 illustrates a state of the first metering device 54. For blocks 70 and 72 entered in line 68, the first metering device 54 is activated, so that the blocks 70 and 72 illustrate respective time periods during which the reducing agent is introduced into the exhaust gas by means of the activated first metering device 54, in particular injected.
  • a line 74 illustrates a state of the second metering device 56, wherein the registered in line 74 blocks 76 and 78, the second metering device 56 is activated.
  • blocks 76 and 78 illustrate respective time periods during which the reducing agent is introduced into the exhaust gas by means of the activated second metering device 56, in particular injected.
  • a line 80 illustrates a state of the HC doser or an activation of internal engine measures for
  • FIG. 12 illustrates a period of time during which the HC doser is activated such that during the period of time illustrated by block 82 by means of the activated HC doser at the dosing point D, unburned hydrocarbons (HC) are introduced into the exhaust gas, in particular injected.
  • a line 84 of the diagram illustrates the raw nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine 12.
  • Internal combustion engine measures for nitrogen oxide reduction Since the internal combustion engine 12 are also referred to as an internal combustion engine, the internal combustion engine internal measures are also called
  • blocks 86, 88 and 90 illustrate respective periods during which engine measures, that is, internal combustion engine internal combustion
  • a VM measure is, for example, an adjustment of a Injection time late.
  • the internal combustion engine measure can be a particularly high exhaust gas recirculation rate.
  • Another VM measure is, for example, the reduction of the respective cylinder 16
  • Another combustion engine measure may be, for example, that the internal combustion engine is driven or operated at higher loads.
  • a block 92 entered in the diagram illustrates a start, in particular a cold start, of the internal combustion engine 12. During this cold start, at least one combustion engine measure is performed, which is indicated by the block 86
  • a block 94 entered in the diagram illustrates a heating phase, during which - as can be seen at block 70 - the first
  • Metering device 54 is activated. This is followed by a consumption-optimal phase, which is illustrated by a block 96.
  • a block 98 illustrates operation of the internal combustion engine 12 at low loads wherein at least one engine action illustrated by the block 88 is performed.
  • the metering device 54 is activated (block 72), or internal engine measures are triggered. This is followed by a consumption-optimal phase illustrated by a block 100 during which, for example, the HC doser is activated (block 82). Further, as illustrated by block 90, at least one engine action is performed. It is preferably provided that the HC doser is activated only when the first metering device 54 is deactivated, that is, when caused by the metering device 54 introducing reducing agent into the exhaust gas is omitted. If the respective metering device 54 or 56 is deactivated, then there is no introduction of reducing agent into the exhaust gas caused by the respective metering device 54 or 56.
  • HC doser If the HC doser is activated, unburned hydrocarbons (HC) are introduced into the exhaust gas by means of the HC doser. If the HC doser is deactivated, then there is no introduction of HC into the exhaust gas caused by the HC doser.
  • a double arrow 102 illustrates passive regeneration
  • a double arrow 104 illustrates the active regeneration or the regeneration period of the active regeneration.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) für eine Verbrennungskraftmaschine (12) eines Kraftwagens, mit wenigstens einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren ersten Katalysator (32), mit wenigstens einem von dem Abgas durchströmbaren und stromab des ersten Katalysators (32) angeordneten Partikelfilter (30) zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas, sowie einem mit wenigstens dem Abgas durchströmbaren zweiten Katalysator (28), welcher stromab des Partikelfilters (30) angeordnet und als SCR-Katalysator ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der erste Katalysator (32) ein Kombinationskatalysator, mit - einem ersten Katalysatorteil (40), welcher als SCR-Katalysator ausgebildet ist; - einem stromab des ersten Katalysatorteils (40) angeordneten zweiten Katalysatorteil (42), welcher als Ammoniak-Schlupfkatalysator ausgebildet ist und eine Edelmetallschicht (44) mit einem ersten Edelmetallgehalt aufweist; - einem stromab des zweiten Katalysatorteils (42) angeordneten dritten Katalysatorteil (46), welcher als Oxidationskatalysator ausgebildet ist und eine Edelmetallschicht (48) mit einem zweiten Edelmetallgehalt aufweist; und - einer SCR-Schicht (50), die auf den Edelmetallschichten (44, 48) des zweiten und dritten Katalysatorteils (42, 46) angeordnet ist und sich über die gesamte Länge (L) des zweiten und dritten Katalysatorteils (42, 46) erstreckt.

Description

Daimler AG
Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Abgasnachbehandlungseinrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Kraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt.
Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen Brennraum, insbesondere in Form eines Zylinders, auf, welchem während eines gefeuerten Betriebs der
Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, und Luft zugeführt werden. Dadurch entsteht in dem Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches auch als Gemisch bezeichnet und verbrannt wird. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abgas aus wenigstens einem Auslass der Verbrennungskraftmaschine und somit aus der Verbrennungskraftmaschine selbst ausströmen kann.
Beispielsweise mittels einer Abgasverrohrung wird das Abgas zu der
Abgasnachbehandlungseinrichtung geführt, sodass das Abgas der
Verbrennungskraftmaschine mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung
nachbehandelt werden kann. Hierzu umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung wenigstens einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren SCR- Katalysator, mittels welchem eine selektive katalytische Reduktion (SCR) bewirkt beziehungsweise unterstützt wird. Dies bedeutet, dass der SCR-Katalysator die SCR- Reaktion katalysiert. Mittels der selektiven katalytischen Reduktion werden im Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) reduziert, das heißt zumindest teilweise aus dem Abgas entfernt. Dieses Entfernen der Stickoxide aus dem Abgas wird auch als Entsticken bezeichnet. Im Rahmen der SCR reagieren im Abgas enthaltene Stickoxide insbesondere mit Bestandteilen eines in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels oder mit
Bestandteilen, die sich aus dem Reduktionsmittel bilden, zu Stickstoff und Wasser. Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich insbesondere um eine wässrige Harnstofflösung. Aus dieser wässrigen Harnstofflösung bildet sich im Rahmen der SCR-Reaktion bei der Reduktion von Stickoxiden wirksames Ammoniak (NH3).
Darüber hinaus umfassen insbesondere Abgasnachbehandlungseinrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen, welche als Dieselmotoren ausgebildet sind, wenigstens einen von dem Abgas durchströmbaren und - in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung - stromauf des SCR-Katalysators angeordneten Partikelfilter zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas. Mittels des Partikelfilters wird das Abgas gefiltert, sodass zumindest ein Teil der im Abgas enthaltenen Rußpartikel mittels des Partikelfilters aus dem Abgas gefiltert wird. Ist die Verbrennungskraftmaschine als Dieselmotor ausgebildet, so wird der Partikelfilter üblicherweise auch als
Dieselpartikelfilter (DPF) bezeichnet.
Weiter weisen heutige Abgasnachbehandlungseinrichtungen, insbesondere solche für Dieselmotoren, in Strömungsrichtung des Abgases durch die
Abgasnachbehandlungseinrichtung stromauf des Partikelfilters in der Regel einen
Oxidationskatalysator (DOC) auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders
emissionsgünstiger Betrieb realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsgünstiger Betrieb realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die
Abgasnachbehandlungseinrichtung einen von dem Abgas durchströmbaren und stromauf des Partikelfilters angeordneten Kombinationskatalysator aufweist. Der
Kombinationskatalysator umfasst dabei einen ersten Katalysatorteil, welcher als SCR- Katalysator beziehungsweise SCR-Katalysatorteil ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass der erste Katalysatorteil eine selektive katalytische Reduktion (SCR) bewirkt beziehungsweise unterstützt, wobei im Rahmen der SCR-Reaktion im Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) reduziert, das heißt zumindest teilweise aus dem Abgas entfernt werden. Im Rahmen der SCR-Reaktion reagieren im Abgas enthaltene Stickoxide insbesondere mit Bestandteilen eines in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels oder mit Bestandteilen, die sich aus dem Reduktionsmittel bilden, zu Stickstoff und Wasser. Dabei katalysiert der erste Katalysatorteil die SCR-Reaktion und weist somit eine SCR-Wirkung auf, sodass mit Hilfe des ersten Katalysatorteils insbesondere Stickstoffmonoxid (NO) und/oder Stickstoffdioxid (N02) zu Stickstoff (N2) umgewandelt werden kann.
Der Kombinationskatalysator umfasst ferner einen zweiten Katalysatorteil, welcher - in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung - stromab des ersten Katalysatorteils angeordnet ist. Dies bedeutet, dass das die
Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmende Abgas zunächst den ersten
Katalysatorteil und daran anschließend den zweiten Katalysatorteil durchströmt. Der zweite Katalysatorteil ist dabei als Ammoniak-Schlupfkatalysator (ASC) ausgebildet und weist eine Edelmetallschicht mit einem ersten Edelmetallgehalt auf. In dem Ammoniak- Schlupfkatalysator wird ein Ammoniakschlupf aus dem Reduktionsmittel in Stickstoff und Wasser oxidiert. Unter einer ASC-Wirkung ist dabei eine katalytische Wirkung des Ammoniak-Schlupfkatalysators auf eine Oxidation von Ammoniak (NH3) zu verstehen.
Der Kombinationskatalysator umfasst ferner einen dritten Katalysatorteil, welcher stromab des zweiten Katalysatorteils angeordnet ist. Somit strömt das die
Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmende Abgas zunächst durch den ersten Katalysatorteil, daran anschließend durch den zweiten Katalysatorteil und daran anschließend durch den dritten Katalysatorteil, sodass der erste, zweite und dritte
Katalysatorteil nacheinander von dem Abgas durchströmt werden. Der dritte
Katalysatorteil ist dabei als Oxidationskatalysator ausgebildet und weist eine
Edelmetallschicht mit einem zweiten Edelmetallgehalt auf. Der Oxidationskatalysator und somit der dritte Katalysatorteil hat die Aufgabe, im Abgas etwaig enthaltenes
Kohlenmonoxid (CO) und im Abgas etwaig enthaltene Kohlenwasserstoffe (HC) zu oxidieren. Somit katalysiert, das heißt bewirkt beziehungsweise unterstützt, der dritte Katalysatorteil die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und
Kohlenmonoxid, sodass der dritte Katalysatorteil eine OC-Wirkung, insbesondere eine DOC-Wirkung, aufweist. Ferner weist der Kombinationskatalysator eine auf den
Edelmetallschichten des zweiten und dritten Katalysatorteils angeordnete, insbesondere obere, SCR-Schicht auf, welche beispielsweise als Kupfer-Zeolith-Schicht (Cu-Z-Schicht) ausgebildet ist und sich über die gesamte Länge L des zweiten und dritten
Katalysatorteils erstreckt.
Die SCR-Schicht ist beispielsweise ein vierter Teil des Kombinationskatalysators, wobei die SCR-Schicht auf den sich bis in tiefere Wandschichten erstreckenden
Edelmetallschichten angeordnet beziehungsweise aufgebracht ist, so dass das Abgas, das aus dem ersten Katalysatorteil austritt und in den zweiten Katalysatorteil einströmt, zunächst auf die SCR-Schicht trifft und dann zu der tiefer liegenden Edelmetallschicht des zweiten Katalysatorteils diffundiert. Unter der SCR-Schicht ist zu verstehen, dass die SCR-Schicht eine SCR-Wirkung aufweist, in deren Rahmen Reduktionsreaktionen von Stickoxiden mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasserdampf katalysiert werden. In dem zweiten und dritten Katalysatorteil des erfindungsgemäßen Kombinationskatalysators ist die SCR-Schicht dazu vorgesehen, einen NH3-Schlupf aus dem ersten Katalysatorteil durch SCR-Reaktionen abzubauen. Dabei ist die SCR-Schicht vorteilhaft direkt auf den Edelmetallschichten angeordnet und berührt somit die jeweiligen Edelmetallschichten. Besonders vorteilhaft ist der Kombinationskatalysator so ausgeführt, dass die
Edelmetallschichten und die SCR-Schicht des zweiten und dritten Katalysatorteils auf gemeinsamen Katalysatorgrundkörperelementen aufgebracht sind und sich der zweite und der dritte Katalysatorteil in Strömungsrichtung des Abgases unmittelbar aneinander anschließen und sich gegebenenfalls sogar kontaktieren, wodurch der zweite und dritte Katalysatorteil vorteilhaft besonders kompakt ausführbar und besonders kostengünstig herstellbar sind.
Mittels der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung können übermäßige Stickoxid-Emissionen (NCvEmissionen), insbesondere nach einem Start, insbesondere Kaltstart, der Verbrennungskraftmaschine sowie nach einem Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine in einem Niedriglastbereich vermieden werden. Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass nach einem Start, insbesondere nach einem Kaltstart, der Verbrennungskraftmaschine sowie nach einem Fahrzeugbetrieb im Niedriglastbereich, insbesondere nach einem Leerlaufbetrieb, das heißt auch nach einem Segelbetrieb, bei welchem die Verbrennungskraftmaschine in ihrem Leerlaufbetrieb ist, sowie nach Ampelwartezeiten, während welcher die
Verbrennungskraftmaschine läuft und sich in ihrem Leerlaufbetrieb befindet,
üblicherweise hohe Stickoxid-Emissionen entstehen können, da in diesen
Fahrzeugbetriebszuständen die Katalysatoren und Filter der
Abgasnachbehandlungseinrichtung auskühlen und nach diesen
Fahrzeugbetriebszuständen so kalt sind, dass in den darauffolgenden Anfahrvorgängen oder Beschleunigungsvorgängen, bei welchen sehr hohe Abgasemissionen entstehen können, die Katalysatoren und Filter erst wieder auf Betriebstemperatur gebracht werden müssen. Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung eignet sich dabei besonders vorteilhaft für Dieselkraftfahrzeuge und insbesondere für Diesel- Lastkraftwagen, deren Emissionen, insbesondere Stickoxid-Emissionen, mittels der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders gering gehalten werden können.
Der Erfindung liegt weiter insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass zukünftige Emissionsanforderungen an Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, zunehmend auf eine Berücksichtigung diverser Sekundäremissionen wie beispielsweise NO2 und N20 sowie die Arbeitsfähigkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung unter realen Fahrbedingungen abzielen. Bei herkömmlichen
Abgasnachbehandlungseinrichtungen, welche einen Oxidationskatalysator, einen stromab des Oxidationskatalysators angeordneten Partikelfilter, einen stromab des Partikelfilters angeordneten SCR-Katalysator und einen stromab des SCR-Katalysators angeordneten ASC (Ammoniak-Schlupfkatalysator) aufweisen, werden ein schnelles Aufheizen des SCR-Katalysators insbesondere nach einem Kaltstart und somit eine hohe Effizienz des SCR-Katalysators verhindert. Vorteilhaft ist der als SCR-Katalysator ausgebildete erste Katalysatorteil des Kombinationskatalysators der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Austritt des Abgases aus der
Verbrennungskraftmaschine die in Strömungsrichtung erste
Abgasnachbehandlungseinrichtung, so dass die Abgastemperaturen in dem ersten Katalysatorteil der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung
vergleichsweise hoch sind. Dadurch heizt sich der als SCR-Katalysator ausgebildete erste Katalysatorteil vergleichsweise schnell nach einem Start oder einem Niedriglastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine auf, so dass auch vergleichsweise rasch nach einem Start oder einem Niedriglastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine eine höhere
Entstickungs-Effizienz in dem als SCR-Katalysator ausgebildeten ersten Katalysatorteil erreichbar ist. Im Folgenden wird der als SCR-Katalysator des ersten Katalysatorteils der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung als erster SCR-Katalysator bezeichnet.
Eine Auskühlung von Katalysatoren und Filtern nach einem Kaltstart oder
Niedriglastbetriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine fällt insbesondere bei Kraftwagen in Form von Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen stärker aus mit der Folge von entsprechend höheren Abgasemissionen als bei Personenkraftwagen, da in Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen bauraumbedingt im Vergleich zu Personenkraftwagen ein vergleichsweise großer Abstand mit einer damit verbundenen großen Wegstrecke zwischen der Verbrennungskraftmaschine und der
Abgasnachbehandlungseinrichtung besteht, wodurch in Nutzkraftwagen und
Lastkraftwagen höhere thermische Verluste entstehen als in Personenkraftwagen. Bei einer herkömmlichen Abgasnachbehandlungseinrichtung wird das Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas bei den oben genannten Betriebsbedingungen, das heißt bei und für eine Aufheizphase nach einem Start, insbesondere Kaltstart, und in sowie für eine Aufheizphase nach einem Niedriglastbetrieb abgeschaltet, da bei diesen
Betriebsbedingungen das Abgas eine nur sehr geringe Temperatur aufweist. Dabei wird das Einbringen des Reduktionsmittels abgeschaltet, damit es nicht zu
Auskristallisierungen des Reduktionsmittels kommt. Das Einbringen des
Reduktionsmittels wird üblicherweise erst eingeschaltet beziehungsweise durchgeführt, wenn ein SCR-Katalysator, in welchem das Reduktionsmittel umgesetzt werden soll, eine Temperatur aufweist, welche größer als 180 Grad Celsius ist. Das Abschalten des Einbringens des Reduktionsmittels hat während der genannten Betriebsbedingungen hohe Stickoxid-Emissionen zur Folge, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind.
Mittels der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung können ein extrem gutes Kaltstartverhalten und ein vorteilhaftes Verhalten unter realen Fahrbedingungen realisiert werden. Insbesondere im Stadtbetrieb können N02-Sekundäremissionen besonders gering gehalten werden, insbesondere durch NC Anteile von kleiner gleich 50 Prozent. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn der erste SCR- Katalysator als Vanadium-basierter SCR-Katalysator ausgebildet ist. Bei Vanadiumbasierten SCR-Katalysatoren ist vorteilhaft für eine gute Entstickungs-Effizienz ein vergleichsweise geringer Ammoniak-Füllstand notwendig.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Edelmetallschichten aus Platin oder aus Gemischen von Platin und Palladium gebildet und der zweite Edelmetallgehalt ist höher als der erste Edelmetallgehalt. Edelmetallschichten aus Platin und Gemischen aus Platin und Palladium weisen eine hohe N02-Bildungsaktivität und eine hohe katalytische Wirkung für eine HC-Oxidation auf. Des Weiteren liegt dieser Ausgestaltung der Erfindung folgende Erkenntnis zugrunde: Je höher der Edelmetallgehalt eines Katalysators ist, desto höher ist die Reaktionsrate von einem aus dem Reduktionsmittel gebildeten NH3 zu Lachgas (N20) im Vergleich zu einer Reaktionsrate von NH3 zu N2. Durch den niedrigeren Edelmetallgehalt der Edelmetallschicht des zweiten Katalysatorteils wird vorteilhaft im zweiten Katalysatorteil ein NH3-Schlupf des ersten SCR-Katalysators im Wesentlichen zu N2 anstelle von N20 oxidiert, sodass zu dem als Oxidationsteil beziehungsweise Oxidationskatalysator ausgebildeten dritten
Katalysatorteil kein Ammoniak oder nur noch eine sehr geringe Menge an Ammoniak gelangt. Im Oxidationskatalysator würde eintretendes Ammoniak wegen des höheren Edelmetallgehalts der dort vorgesehenen Edelmetallschicht vermehrt zu N20 umgesetzt werden, was durch den zweiten Katalysatorteil vermieden wird. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung können damit insbesondere die Emissionen an klimawirksamen N20 gering gehalten werden und trotzdem ein verbrennungskraftmaschinennaher, heißer erster SCR-Katalysator mit einer damit verbundenen notwendigen Zugabe von NH3 über ein Reduktionsmittel stromauf eines Oxidationskatalysators in der
Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Edelmetallschicht des zweiten
Katalysatorteils im Vergleich zu der Edelmetallschicht des dritten Katalysatorteils einen hohen Platinanteil in einem Gemisch aus Platin und Palladium auf, mit einem Platinanteil am Gesamtgemisch von mindestens 80 Prozent. Die Edelmetallschicht des zweiten Katalysatorteils kann auch ausschließlich mit Platin ausgebildet sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Edelmetallschicht des dritten
Katalysatorteils einen Platinanteil in einem Gesamtgemisch aus Platin und Palladium von mindestens 50 Prozent auf.
Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der erste Edelmetallgehalt in einem Bereich von einschließlich in etwa 1/28316,8 Gramm pro Kubikzentimeter bis einschließlich in etwa 5/28316 Gramm pro Kubikzentimeter liegt. Dies bedeutet, dass der erste Edelmetallgehalt vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich in etwa
1 Gramm Edelmetall pro Kubikfuß bis einschließlich in etwa 5 Gramm Edelmetall pro Kubikfuß liegt, wobei ein Kubikfuß zumindest im Wesentlichen 28316,8 Kubikzentimeter entspricht. Mit dem ersten Edelmetallgehalt des zweiten Katalysatorteils nach dieser Ausgestaltung der Erfindung kann ein NH3-Schlupf des ersten SCR-Katalysators vorteilhaft im Wesentlichen zu N2 anstelle zu N20 oxidiert werden, sodass zu dem als Oxidationskatalysator ausgebildeten dritten Katalysatorteil kein Ammoniak oder nur noch eine sehr geringe Menge an Ammoniak gelangt. Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der zweite Edelmetallgehalt in einem Bereich von einschließlich 5/28316,8 Gramm pro
Kubikzentimeter bis einschließlich 20/28316,8 Gramm pro Kubikzentimeter liegt. Mit dem zweiten Edelmetallgehalt des dritten Katalysatorteils nach dieser Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhaft im dritten Katalysatorteil eine hohe Oxidationsrate von HC und eine hohe Oxidationsrate von NO zu NO2 erreicht werden. Ein hoher N02-Gehalt am Austritt aus dem Kombinationskatalysator und damit vor Eintritt des Abgases in den Partikelfilter erhöht vorteilhaft eine passive Regeneration des Partikelfilters mit NO2.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste Dosiereinrichtung in der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher an wenigstens einer stromauf des Kombinationskatalysators, und somit stromauf des ersten SCR- Katalysators, angeordneten ersten Stelle ein Reduktionsmittel, insbesondere eine wässrige Harnstoff lösung, zum Entsticken des Abgases in das Abgas einbringbar ist. Dadurch kann das Abgas besonders effektiv entstickt werden, sodass die Emissionen, insbesondere Stickoxidemissionen, besonders gering gehalten werden können.
Um die Stickoxid-Emissionen besonders gering zu halten, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine zweite Dosiereinrichtung vorgesehen, mittels welcher an wenigstens einer stromab des ersten SCR-Katalysators und stromauf des zweiten Katalysators angeordneten zweiten Stelle ein Reduktionsmittel, insbesondere eine wässrige
Harnstoff lösung, zum Entsticken des Abgases in das Abgas einbringbar ist. Die zweite Dosiereinrichtung kommt vorteilhafterweise zum Einsatz, um dem Abgas Reduktionsmittel vor Eintritt in den zweiten Katalysator, welcher als SCR-Katalysator ausgebildet ist, bereitzustellen, da für die Funktion des als Oxidationskatalysator wirkenden dritten Katalysatorteil im zweiten Katalysatorteil der NH3-Schlupf oxidiert wird, so dass stromab des zweiten Katalysatorteils des Kombinationskatalysators und so auch im zweiten Katalysator, welcher stromab des Kombinationskatalysator angeordnet ist, im
Wesentlichen kein NH3 mehr im Abgas vorhanden ist. Im Folgenden wird der zweite Katalysator der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung, welcher als SCR-Katalysator ausgebildet ist, als zweiter SCR-Katalysator bezeichnet.
Durch den Einsatz des Kombinationskatalysators und die Anordnung der
Dosiereinrichtungen gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die N02-basierte, passive Regeneration des Partikelfilters über besonders lange Zeitspannen oder nahezu immer stattfinden, da während der N02-basierten Regeneration des Partikelfilters, während welcher eine Reduktionsmittel-Dosierung über die erste Dosiereinrichtung abgeschaltet ist, die zweite Dosiereinrichtung angeschaltet beziehungsweise aktiviert werden kann und mit dem zweiten Katalysator eine Stickoxidreduktion mit dem mit der zweiten Dosiereinrichtung eingebrachten Reduktionsmittel erfolgen kann. Vorteilhaft gibt es für diese Ausgestaltung der Erfindung damit kein Zeitlimit für eine Stickoxid-Reduktion während einer N02-basierten Regeneration des Partikelfilters, welches durch eine Speicherfähigkeit für NH3 des zweiten SCR-Katalysators bedingt wäre.
Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner gezeigt, wenn die zweite Stelle, an welcher Reduktionsmittel mittels der zweiten Dosiereinrichtung in das Abgas einbringbar ist, stromab des Partikelfilters angeordnet ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Partikelfilter mit einer schwermetall- und edelmetallfreien und eine Oxidation der im Partikelfilter rückgehaltenen Rußpartikel katalysierenden Beschichtung versehen. Die in der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene schwermetall- und edelmetallfreie Beschichtung des Partikelfilters weist vorteilhaft keine umweltbelastenden Schwermetalle und keine anderen giftigen oder umweltschädlichen Stoffe auf.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die schwermetall- und edelmetallfreie Beschichtung des Partikelfilters Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen auf. Dabei kann die schwermetall- und edelmetallfreie Beschichtung des Partikelfilters besonders vorteilhaft alkalimetallhaltige Silikate aufweisen. Partikelfilter mit einer solchen
Beschichtung, welche insbesondere alkalimetallhaltige Silikate aufweist, können vorteilhaft feste Stoffreaktionen mit Rußpartikeln katalysieren. Die Beschichtung des Partikelfilters weist beispielsweise eine Silikatstruktur auf, in welche feinst verteilt Alkalimetalle, insbesondere Kalium, als aktive Komponente der katalytischen
Beschichtung eingebunden sind. Die Beschichtung des Partikelfilters ist auf
unterschiedliche Substrate wie beispielsweise SIC oder Cordierit aufbringbar.
Die Beschichtung des Partikelfilters ermöglicht die auf Stickstoffdioxid (N02) basierende, passive Regeneration des Partikelfilters schon bei sehr geringen Stickstoffdioxid-Mengen und/oder bereits bei geringeren Temperaturen, da die mittels der Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen katalysierte Reaktion von Ruß beziehungsweise die mittels dieser Beschichtung realisierte Reaktion der im Partikelfilter enthaltenen Rußpartikel mit Stickstoffdioxid im Partikelfilter eine Feststoffreaktion ist, die von dieser Beschichtung katalysiert, das heißt unterstützt beziehungsweise bewirkt wird. Diese Reaktion kann mit einer besonders hohen Reaktionsrate erfolgen. Bei gleichen
Temperaturbedingungen betrachtet, kann in einem Partikelfilter mit einer Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen die Reaktion von Ruß mit Stickstoffdioxid bereits bei kleineren Stickstoffdioxid-Mengen und mit höheren Reaktionsraten erfolgen als in einem Partikelfilter mit einer edelmetallhaltigen Beschichtung. Auch die aktive, Sauerstoff-(02)-basierte Rußoxidation beziehungsweise Regeneration wird durch die Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen vergleichsweise besser katalysiert und erfolgt in Partikelfiltern mit einer solchen Beschichtung bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen als in Partikelfiltern mit Edelmetallbeschichtungen. Daher wird auch unter NC Ausschluss, insbesondere während einer Dosierung von wässriger Harnstofflösung über die erste Dosiereinrichtung, im Partikelfilter bereits über O2 Ruß zu Kohlendioxid (C02) und Wasserdampf (H20) oxidiert.
Unter einer Regeneration des Partikelfilters ist dabei zu verstehen, dass im Rahmen der Regeneration zumindest ein Teil der im Partikelfilter rückgehaltenen Rußpartikel aus dem Partikelfilter entfernt wird. Mit zunehmender Betriebsdauer und somit mit zunehmendem Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas wird der Partikelfilter zunehmend mit Rußpartikeln zugesetzt. Dieses Zusetzen wird auch als Beladen oder Beladung des Partikelfilters bezeichnet. Im Rahmen einer Regeneration wird die Beladung des
Partikelfilters zumindest reduziert, indem die Rußpartikel oxidiert werden. Dies bedeutet, dass der Partikelfilter im Rahmen der Regeneration beispielsweise mit Hilfe von NO2 oxidiert oder mit Hilfe von O2 freigebrannt wird. Beschichtungen des Partikelfilters haben die Funktion, die Oxidation der Rußpartikel zu katalysieren. Die Beschichtung des Partikelfilters mit Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindungen ermöglicht im Vergleich zu Partikelfiltern mit einer edelmetallhaltigen katalytischen Beschichtung eine NC basierte Regeneration des Partikelfilters bei wesentlich kleineren NÜ2-Mengen mit einer höheren Reaktionsrate.
Es wurde überraschend gefunden, dass die Beschichtung des Partikelfilters mit alkalimetallhaltigen Silikaten die Regeneration des Partikelfilters mit Hilfe von N02 besonders gut katalysiert, sodass eine solche Regeneration auf Basis von N02, welche auch als passive Regeneration bezeichnet wird, bereits bei geringen N02- Eingangskonzentrationen, wie die N02-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine, zu einer ausreichenden Rußabbrandrate führt und dass es vorteilhaft nicht notwendig ist, in Partikelfiltern mit einer solchen Beschichtung eine N02-basierte Regeneration kontinuierlich durchzuführen, sondern dass eine zeitweise durchgeführte Regeneration ausreichend ist.
Da in Partikelfiltern mit Beschichtungen mit Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindungen eine C -basierte Regeneration des Partikelfilters bereits bei deutlich niedrigeren
Temperaturen erfolgt als in Partikelfiltern mit Edelmetallbeschichtungen, wird die O2- basierte Regeneration in Partikelfiltern mit Beschichtungen mit Alkali- und/oder
Erdalkalimetallverbindungen bereits bei Temperaturen von in etwa 300 Grad Celsius bis 350 Grad Celsius die NC basierte Regeneration unterstützen. Die C basierte
Rußregeneration kann in einem Temperaturfenster von in etwa 300 Grad Celsius bis 350 Grad Celsius auch die N02-basierte Regeneration teilweise ersetzen, falls die NO2- basierte Regeneration aufgrund geringer NOz-Konzentrationen eingeschränkt ist oder ganz entfällt, wie dies der Fall ist, wenn die im Abgas vorhandene Gesamtmenge an NO2 am vorgeschalteten, durch den ersten Katalysatorteil gebildeten ersten SCR-Katalysator an der SCR-Reaktion verbraucht wird. Dadurch, dass die C basierte Regeneration in Partikelfiltern mit Beschichtungen mit Alkali- und/oder Erdalkalimetallverbindungen bereits in einem Temperaturbereich von in etwa 300 Grad Celsius bis 350 Grad Celsius erfolgen kann, kann die 02-basierte Regeneration des Partikelfilters genutzt werden, ohne dass hierbei der Nachteil von unerwünschten temperaturbedingten Beschädigungen von Abgasnachbehandlungselementen auftritt, zu welchen es bei den hohen Temperaturen von 02-basierten Regenerationen von herkömmlichen edelmetallhaltigen Partikelfiltern kommen kann. Dies ist für die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung von entscheidenden Vorteil, da SCR-Katalysatoren besonders temperaturempfindlich sind und in dem ersten Katalysatorteil der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung damit hohe Temperaturen während einer 02- basierten Regeneration vermieden werden können.
Wie bereits angedeutet, hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der
Kombinationskatalysator, insbesondere der erste Katalysatorteil des
Kombinationskatalysators, das stromab der Verbrennungskraftmaschine erste, von dem Abgas durchströmbare Abgasnachbehandlungselement ist. Mit anderen Worten ist der erste Katalysatorteil, insbesondere der Kombinationskatalysator, als erstes, von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbares Abgasnachbehandlungselement nach Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, sodass bezogen auf eine Strömungsrichtung des Abgases von der Verbrennungskraftmaschine zu dem ersten SCR-Katalysator zwischen dem Kombinationskatalysator, insbesondere dem ersten Katalysatorteil, und der Verbrennungskraftmaschine kein von dem Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement zum Nachbehandeln des Abgases der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Dadurch kann eine übermäßige Abkühlung des Kombinationskatalysators vermieden werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung bilden der zweite Katalysatorteil und der dritte Katalysatorteil einen Hybridkatalysator, wobei das von dem Abgas durchströmbare Volumen des zweiten Katalysatorteils in etwa doppelt so groß ist wie das Volumen des dritten Katalysatorteils. Es hat sich überraschend gezeigt, dass das Volumenverhältnis des zweiten und dritten Katalysatorteils gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung notwendig ist, damit mit der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung insbesondere eine Konzentration von neugebildeten N20 so gering gehalten werden kann, dass zukünftige Emissionsanforderungen an Sekundäremissionen unter realen Fahrbedingungen eingehalten werden können.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit wenigstens einem von Abgas der
Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Kombinationskatalysator, mit wenigstens einem von dem Abgas durchströmbaren und stromab des Kombinationskatalysators angeordneten Partikelfilter zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas, und mit einem von dem Abgas durchströmbaren und stromab des Partikelfilters angeordneten SCR- Katalysator;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des
Kombinationskatalysators; und
Fig. 4 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben der
Abgasnachbehandlungseinrichtung;
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Antriebseinrichtung für einen
Nutzkraftwagen. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 12, welche vorliegend als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildet ist. Dabei ist der Nutzkraftwagen mittels der Verbrennungskraftmaschine 12 antreibbar. Die
Verbrennungskraftmaschine 12 ist als Dieselmotor ausgebildet. Die
Verbrennungskraftmaschine 12 umfasst ein Zylindergehäuse 14, durch welches eine Mehrzahl von Brennräumen in Form von Zylindern 16 der Verbrennungskraftmaschine 12 gebildet ist. Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 12 werden den Zylindern 16 Luft und Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt, sodass im jeweiligen Zylinder 16 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Dieses Kraftstoff- Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Das Abgas aus den Zylindern 16 wird in einem Abgaskrümmer 18 geführt und dann aus der Verbrennungskraftmaschine 12 ausgeleitet.
Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner eine Abgasanlage 20, welche auch als
Abgastrakt bezeichnet wird. Die Abgasanlage 20 ist von dem Abgas aus den Zylindern 16 durchströmbar. Mittels der Abgasanlage 20 wird das Abgas von der
Verbrennungskraftmaschine 12 abgeführt. Die Verbrennungskraftmaschine 12 weist dabei einen sogenannten Austritt 22 auf, über welchen das Abgas aus der
Verbrennungskraftmaschine 12 aus- und in die Abgasanlage 20 einströmt. Der Austritt 22 wird auch als Motoraustritt oder Auslass oder Motorauslass bezeichnet und ist auf einer Auslassseite der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet.
Die Abgasanlage 20 umfasst eine im Ganzen mit 24 bezeichnete
Abgasnachbehandlungseinrichtung, welche in Fig. 1 gemäß einer ersten
Ausführungsform gezeigt ist. Mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 wird das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 nachbehandelt. Dabei sind die Abgasanlage 20 und die Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 von dem Abgas durchströmbar, wobei das Strömen beziehungsweise die Strömung des Abgases durch die Abgasanlage 20 und somit durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 in Fig. 1 durch Pfeile 26 veranschaulicht ist. Bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die
Abgasanlage 20 und somit durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 stromab des Austritts 22 angeordnet. Da das Abgas stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 und stromab des Austritts 22 noch nicht mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 nachbehandelt ist, werden die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 12 in einem Bereich zwischen dem Austritt 22 und vor, das heißt stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 24, als Roh-Emissionen bezeichnet.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 umfasst wenigstens einen von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 durchströmbaren ersten Katalysator 32, welcher als Kombinationskatalysator ausgeführt ist, mit wenigstens einem von dem Abgas
durchströmbaren und stromab des ersten Katalysators 32 angeordneten Partikelfilter 30 zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas, sowie einem mit wenigstens dem Abgas durchströmbaren zweiten Katalysator 28, welcher stromab des Partikelfilters 30 angeordnet und als SCR-Katalysator ausgebildet ist. Der Kombinationskatalysator 32 ist das erste, von dem Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement nach dem Austritt 22 und somit nach dem Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet. Dies bedeutet, dass der Kombinationskatalysator 32 das stromab der Verbrennungskraftmaschine 12 erste, von dem Abgas durchströmbare
Abgasnachbehandlungselement ist, sodass zwischen dem Kombinationskatalysator 32 und der Verbrennungskraftmaschine 12, insbesondere dem Austritt 22, kein von dem Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement, mittels welchem das Abgas nachbehandelt wird, angeordnet ist.
Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner einen in Fig. 1 nicht in Gänze dargestellten Abgasturbolader, welcher auch als Turbolader bezeichnet wird. Ferner umfasst die Antriebseinrichtung 10 beispielsweise einen in Fig. 1 nicht dargestellten Ansaugtrakt, welcher von der zuvor genannten Luft oder einem Gemisch aus rückgeführten Abgas und Luft, die den Zylindern 16 zugeführt wird, durchströmbar ist. Der Abgasturbolader umfasst dabei einen in dem Ansaugtrakt angeordneten Verdichter, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende und den Zylindern 16 zuzuführende Luft oder das Gemisch aus rückgeführten Abgas und Luft zu verdichten ist beziehungsweise verdichtet wird.
Ferner umfasst der Abgasturbolader eine Turbine 34, welche in der Abgasanlage 20 angeordnet und demzufolge von dem die Abgasanlage 20 durchströmenden Abgas durchströmbar ist. Bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die
Abgasanlage 20 ist die Turbine 34 stromauf des Kombinationskatalysators 32
angeordnet. Die Turbine 34 umfasst beispielsweise ein Turbinengehäuse 36 und ein in dem Turbinengehäuse 36 angeordnetes und von dem die Turbine 34 durchströmenden Abgas antreibbares Turbinenrad 38, welches um eine Drehachse relativ zu dem
Turbinengehäuse 36 drehbar ist. Der Verdichter umfasst beispielsweise ein
Verdichterrad, mittels welchem die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet werden kann. Dabei ist das Verdichterrad beispielsweise koaxial zum Turbinenrad 38 angeordnet und somit um die zuvor genannte Drehachse drehbar. Der Abgasturbolader umfasst ferner eine in Fig. 1 nicht dargestellte Welle, welche sowohl drehfest mit dem Turbinenrad 38 als auch drehfest mit dem Verdichterrad verbunden ist. Dadurch ist das Verdichterrad über die Welle von dem Turbinenrad 38 antreibbar. Da das Turbinenrad 38 von dem Abgas antreibbar ist beziehungsweise angetrieben wird, und da durch das Antreiben des Verdichterrads die den Ansaugtrakt durchströmende Luft verdichtet wird, kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Antriebseinrichtung 10 darstellbar ist.
Unter dem mittels des Partikelfilters 30 bewirkbaren Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas ist zu verstehen, dass mittels des Partikelfilters 30 im Abgas enthaltene Rußpartikel aus dem Abgas gefiltert und somit rückgehalten werden. Nach Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine 12 sind in dem Abgas Rußpartikel enthalten, die mittels des Partikelfilters 30 zumindest teilweise aus dem Abgas gefiltert werden. Die Rußpartikel bleiben an dem Partikelfilter 30, insbesondere in dessen Inneren, hängen beziehungsweise setzen sich am Partikelfilter 30, insbesondere an dessen Inneren, ab, sodass sich der Partikelfilter 30 mit zunehmender Betriebsdauer zunehmend mit Rußpartikeln zusetzt. Dieses Zusetzen wird auch als Beladen oder Beladung des Partikelfilters 30 bezeichnet. Ist die Verbrennungskraftmaschine 12 beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet, so wird der Partikelfilter 30 auch als Dieselpartikelfilter (DPF) bezeichnet.
Um nun einen besonders emissionsgünstigen Betrieb zu realisieren, umfasst der
Kombinationskatalysator 32 - wie besonders gut in Zusammenschau mit Fig. 3 erkennbar ist - einen ersten Katalysatorteil 40, welcher als erster SCR-Katalysator ausgebildet ist.
Der erste SCR-Katalysator ist dabei als Vanadium-basierter SCR-Katalysator ausgebildet, wobei Vanadium auch mit Va bezeichnet wird. Daher und aufgrund dessen, dass ein SCR-Katalysator im Allgemeinen einfach auch als SCR bezeichnet wird, ist der erste Katalysatorteil 40 in Fig. 3 auch mit Va-SCR bezeichnet.
Der Kombinationskatalysator 32 umfasst ferner einen - in Strömungsrichtung des
Abgases durch den Kombinationskatalysator 32 - stromab des ersten Katalysatorteils 40 angeordneten zweiten Katalysatorteil 42, welcher als Ammoniak-Schlupfkatalysator (ASC) ausgebildet ist und eine Edelmetallschicht 44 aufweist, welche ausschließlich mit Platin gebildet ist und einen ersten Platingehalt aufweist. Die Edelmetallschicht 44 des zweiten Katalysatorteils 42 kann auch mit einem Edelmetallgemisch aus Platin und Palladium ausgebildet sein, wobei der Platinanteil im Platin-Palladium-Gemisch mindestens 80 Prozent beträgt. Darüber hinaus umfasst der Kombinationskatalysator 32 einen - in Strömungsrichtung des Abgases durch den Kombinationskatalysator 32 - stromab des zweiten Katalysatorteils 42 angeordneten dritten Katalysatorteil 46, welcher als Oxidationskatalysator ausgebildet ist und eine Edelmetallschicht 48 aufweist, welche ebenfalls ausschließlich mit dem Edelmetall Platingebildet ist und einen zweiten
Platingehalt aufweist. Die Edelmetallschicht 48 des dritten Katalysatorteils 42 kann anstelle mit reinem Platin auch mit einem Edelmetallgemisch aus Platin und Palladium ausgebildet sein, wobei der Platinanteil im Platin-Palladium-Gemisch mindestens 50 Prozent beträgt. Da die Verbrennungskraftmaschine 12 vorliegend beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet ist, wird der Oxidationskatalysator auch als
Dieseloxidationskatalysator (DOC) bezeichnet. Ferner umfasst der
Kombinationskatalysator 32 eine auf den jeweiligen Platinschichten 44 und 48
angeordnete SCR-Schicht 50, welche Kupfer (Cu) und Zeolith (Z) umfasst und daher auch als Cu-Z-Schicht bezeichnet wird.
Die jeweilige Platinschicht 44 beziehungsweise 48 ist eine Schicht, welche Platin (Pt) umfasst. Der erste Platingehalt liegt in dem in Fig. 3 gezeigten Kombinationskatalysator 32 in einem Bereich von einschließlich 1 Gramm pro Kubikfuß (g/ft3) bis einschließlich 5 Gramm pro Kubikfuß, wobei der zweite Platingehalt in einem Bereich von einschließlich 5 Gramm pro Kubikfuß bis einschließlich 20 Gramm pro Kubikfuß liegt. Dabei entspricht ein Kubikfuß (ft3) zumindest im Wesentlichen 28316,8 Kubikzentimeter (cm3) und bezeichnet das Volumen der jeweiligen Platinschicht 44 beziehungsweise 48. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der zweite Platingehalt höher als der erste Platingehalt ist.
Aus Fig. 3 ist erkennbar, dass durch den zweiten Katalysatorteil 42 und den dritten Katalysatorteil 46 sowie durch die SCR-Schicht 50 ein im Ganzen mit 52 bezeichneter Hybridkatalysator gebildet ist, welcher sowohl eine Ammoniak-Schlupfwirkung (ASC- Wirkung) als auch eine Oxidations-Wirkung (DOC-Wirkung) aufweist, sodass der Kombinationskatalysator auch als Hybrid-ASC-DOC in Fig. 3 bezeichnet ist. Dabei weist der Hybridkatalysator 52 eine in Strömungsrichtung des Abgases verlaufende
Gesamtlänge L auf. Dabei weist der zweite Katalysatorteil 42 eine in Strömungsrichtung des Abgases verlaufende erste Teillänge 11 auf, wobei der dritte Katalysatorteil 46 eine in Strömungsrichtung des Abgases verlaufende zweite Teillänge 12 aufweist. Die Teillängen 11 und 12 ergeben summiert die Gesamtlänge L. Die SCR-Schicht 50 erstreckt sich über die gesamte Länge L des Hybridkatalysators 52 und damit über die Teillänge 11 des zweiten Katalysatorteils 42 und die Teillänge 12 des dritten Katalysatorteils 46. Vorliegend beträgt die erste Teillänge 11 zwei Drittel der Gesamtlänge L, wobei die Teillänge 12 ein Drittel der Gesamtlänge L beträgt. Der Kombinationskatalysator 32 insgesamt weist eine in Strömungsrichtung des Abgases verlaufende Länge G auf, wobei der erste
Katalysatorteil 40 eine in Strömungsrichtung des Abgases verlaufende Teillänge t aufweist.
Die Teillänge t und die Gesamtlänge L ergeben summiert die Länge G des
Kombinationskatalysators 32. Dabei ist es beispielsweise vorgesehen, dass die Teillänge t in einem Bereich von einschließlich 50 Prozent bis einschließlich 90 Prozent der Länge G liegt, wobei die Gesamtlänge L beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 10 Prozent bis einschließlich 50 Prozent der Länge G liegt.
Mit 50 ist die auf den Platinschichten 44 und 48 angeordnete SCR-Schicht bezeichnet, welche beispielsweise als Kupfer-Zeolith-Schicht (Cu-Z-Schicht) ausgebildet ist. Unter der SCR-Schicht 50 ist zu verstehen, dass die SCR-Schicht 50 eine SCR-Wirkung aufweist. Dies bedeutet, dass die SCR-Schicht 50 eine selektive katalytische Reduktion (SCR), in deren Rahmen im Abgas enthaltene Stickoxide zu Stickstoff und Wasser umgewandelt werden, katalysiert, das heißt bewirkt beziehungsweise unterstützt. Aus Fig. 3 ist erkennbar, dass die SCR-Schicht 50 eine obere Schicht beziehungsweise eine obere Beschichtung ist, welche auf den Platinschichten 44 und 48 angeordnet beziehungsweise auf die Platinschichten 44 und 48 aufgebracht ist. Dabei ist die SCR- Schicht 50 direkt auf die Platinschichten 44 und 48 aufgebracht, sodass die SCR-Schicht 50 die Platinschichten 44 und 48 berührt. Die untere Platinschicht 44 des zweiten Katalysatorteils 42 dient der Oxidation von überschüssigen Ammoniak (NH3), sodass der zweite Katalysatorteil 42 als Ammoniak-Schlupf-Katalysator fungiert. Die hintere
Platinschicht 48 dient der Oxidation von NO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), sodass mittels der Platinschicht 48 beispielsweise NO2 gebildet wird, um einen passiven Rußabbrand, das heißt eine passive Regeneration des Partikelfilters 30 zu realisieren und eine hinreichende Temperatur zur Realisierung einer aktiven
Regeneration des Partikelfilters 30 darzustellen. Die passive Regeneration ist eine NO2- basierte Regeneration, mittels welcher die Beladung des Partikelfilters 30 zumindest reduziert wird. Die genannte aktive Regeneration ist eine Sauerstoff-, das heißt 02- basierte Regeneration, mit deren Hilfe die Beladung des Partikelfilters 30 zumindest reduziert wird. Dabei ist die jeweilige Platinschicht 44 beziehungsweise 48 eine untere Platinschicht, welche unter der SCR-Schicht 50 angeordnet ist. Ziel für beide
Platinschichten 44 und 48 ist eine geringe N20-Selektivität.
Insbesondere ist es denkbar, dass die Teillänge 11 in einem Bereich von einschließlich 0 Prozent bis einschließlich 80 Prozent der Gesamtlänge L liegt. Ferner ist es denkbar, dass die Teillänge 12 in einem Bereich von einschließlich 20 Prozent bis einschließlich 100 Prozent der Gesamtlänge L liegt.
Die Antriebseinrichtung 10, insbesondere die Abgasnachbehandlungseinrichtung 24, umfasst eine erste Dosiereinrichtung 54, mittels welcher an wenigstens einer stromauf des Kombinationskatalysators 32 angeordneten ersten Stelle S1 ein Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases in das Abgas einbringbar ist. Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich beispielsweise um eine wässrige Harnstofflösung, aus welcher Ammoniak produziert wird , das im Rahmen der genannten SCR mit im Abgas enthaltenen
Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff reagieren kann. In Fig. 1 ist dargestellt, dass die erste Stelle S1 beziehungsweise die Dosiereinrichtung 54 stromauf des Turbinenrads 38 beziehungsweise der Turbine 34 angeordnet ist. Bevorzugt ist es jedoch vorgesehen, dass die erste Stelle S1 beziehungsweise die erste Dosiereinrichtung 54 stromauf des Kombinationskatalysators 32 und stromab des Turbinenrads 38 beziehungsweise der Turbine 34 angeordnet ist. Darüber hinaus ist eine zweite Dosiereinrichtung 56 vorgesehen, mittels welcher an wenigstens einer stromab des Kombinationskatalysators 32 und stromauf des SCR- Katalysators 28 angeordneten zweiten Stelle S2 Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases in das Abgas einbringbar ist. Durch das zuvor beschriebene Umwandeln von in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden in Wasser und Stickstoff werden die Stickoxide zumindest zum Teil aus dem Abgas entfernt. Dieses Entfernen der Stickoxide wird auch als Entsticken des Abgases bezeichnet, was - wie beschrieben - mit Hilfe des
Reduktionsmittels erfolgt. Bei der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist die zweite Stelle S2 beziehungsweise die zweite Dosiereinrichtung 56 stromauf des SCR- Katalysators 28 und stromauf des Partikelfilters 30 angeordnet.
Stromab der zweiten Stelle S2 beziehungsweise der zweiten Dosiereinrichtung 56 und stromauf des SCR-Katalysators 28 ist eine Mischeinrichtung 58 angeordnet, mittels welcher das eindosierte Reduktionsmittel mit dem Abgas vermischt beziehungsweise durchgemischt wird. Bei der ersten Ausführungsform ist die Mischeinrichtung 58 stromauf des Partikelfilters 30 angeordnet. Des Weiteren umfasst die
Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 einen Katalysator 60, welcher stromab des SCR- Katalysators 28 angeordnet und als SCR-Katalysator und/oder als Ammoniak- Schlupfkatalysator ausgebildet ist.
Um einen besonders emissionsgünstigen Betrieb zu realisieren, ist der Partikelfilter 30 mit einer schwermetall- und edelmetallfreien und eine Oxidation der im Partikelfilter 30 rückgehaltenen Rußpartikel katalysierenden Beschichtung auf Basis von Alkalimetall- Silikat-Strukturen versehen, sodass die Beschichtung eine Beschichtung mit
alkalimetallhaltigen Silikaten ist. Diese Beschichtung katalysiert eine Rußoxidation, das heißt die Oxidation der Rußpartikel, die durch den Partikelfilter 30 rückgehalten wurden und sich somit im Partikelfilter 30 befinden, besonders effizient und effektiv. Durch diese Oxidation der Rußpartikel werden die Rußpartikel aus dem Partikelfilter 30 entfernt, wodurch die Beladung zumindest reduziert wird. Dieses Reduzieren der Beladung des Partikelfilters 30 wird auch als Regenerieren oder Regeneration des Partikelfilters 30 bezeichnet.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Antriebseinrichtung 10. In Fig. 2 ist der Übersicht wegen die Verbrennungskraftmaschine 12 nicht dargestellt. Die zweite
Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten
Ausführungsform, dass die zweite Stelle S2 beziehungsweise die zweite
Dosiereinrichtung 56 stromauf des SCR-Katalysators 28, jedoch stromab des Partikelfilters 30 angeordnet ist. Dabei ist die Mischeinrichtung 58 stromab der zweiten Stelle S2 beziehungsweise der zweiten Dosiereinrichtung 56 und stromauf des SCR- Katalysators 28 angeordnet.
Ferner kann ein in den Fig. nicht dargestellter HC-Doser vorgesehen sein, mittels welchem an einer Dosierungsstelle D unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgas einbringbar sind. Aus Fig. 1 und 2 ist erkennbar, dass die Dosierungsstelle D
beziehungsweise der HC-Doser stromauf des Kombinationskatalysators 32 und beispielsweise bevorzugt stromab des Turbinenrads 38 beziehungsweise der Turbine 34 angeordnet ist. Alternativ ist es denkbar, dass der HC-Doser beziehungsweise die Dosierungsstelle D, an welcher die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) mittels des HC-Dosers in das Abgas eingebracht beziehungsweise eindosiert werden können, stromauf des Kombinationskatalysators 32 und insbesondere stromauf des Turbinenrads 38 beziehungsweise der Turbine 34 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich zum Einsatz des HC-Dosers sind innermotorische Maßnahmen zum Einbringen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in das Abgas denkbar. Bei einer solchen innermotorischen
Maßnahme handelt es sich beispielsweise um eine insbesondere späte Einspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen der Zylinder 16.
Die Katalysatorvolumina des Kombinationskatalysators 32 sowie die Volumina der Katalysatorteile 40, 42 und 46 und die der Katalysatoren 28 und 60 werden durch das Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine 12 bestimmt. Der erste Katalysatorteil 40 aus Fig. 1 oder Fig. 2 weist ein von dem Abgas durchströmbares Volumen auf, welches für Nutzfahrzeugverbrennungskraftmaschinen in einem Bereich von in etwa 44 bis 105 Prozent des Hubvolumens der Verbrennungskraftmaschine 12 liegt. Die Summe der Volumen des SCR-Katalysators 28 und des Katalysators 60 liegt für
Nutzfahrzeugverbrennungsmotoren in einem Bereich von in etwa 78 bis 179 Prozent des Hubvolumens des Verbrennungskraftmaschine 12. Das Verhältnis des Volumens des ersten Katalysatorteils 40 zu der Summe der Volumen des SCR-Katalysators 28 und des Katalysators 60 liegt beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 0,25 bis einschließlich 1 ,34.
Im Folgenden wird beispielsweise eine Startbedingung für die passive, N02-basierte Regeneration des Partikelfilters 30 erläutert: Weist beispielsweise der SCR-Katalysator 28 eine hinreichende Temperatur beispielsweise in einem Bereich von 200 Grad Celsius bis 250 Grad Celsius auf, so wird die erste Dosiereinrichtung 54 abgeschaltet, sodass innermotorisch gebildetes NO2 am ersten SCR nicht umgesetzt wird, sowie zusätzlich eine N02-Bildung über den Hybridkatalysator 52 erfolgt. Im Folgenden werden
Stoppbedingungen für die passive Regeneration erläutert: Unterschreitet beispielsweise die Temperatur des SCR-Katalysators 28 einen vorgebbaren Schwellenwert von beispielsweise in einem Bereich von 180 Grad Celsius bis 220 Grad Celsius, so wird die erste Dosiereinrichtung 54 aktiviert, sodass über den als SCR-Katalysator fungierenden ersten Katalysatorteil 40 ein Stickoxidumsatz bei niedrigen Abgastemperaturen erfolgt. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Stoppbedingung, dass die Raumgeschwindigkeit des SCR-Katalysators 28 einen vorgebbaren Schwellenwert beispielsweise in einem Bereich von 40.000 bis 60.000 überschreitet und/oder dass eine Einspeicherungsrate einen Schwellenwert überschreitet und/oder dass der Stickoxid-Gehalt einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
Die Regenerationsdauer der aktiven Regeneration liegt beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 15 Minuten bis einschließlich 60 Minuten und wird beispielsweise nach einem Intervall von mehr als 100 Stunden durchgeführt. Der Größenanteil des ersten Katalysatorteils 40 am gesamten SCR-Volumen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 liegt beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 20 Prozent bis einschließlich 50 Prozent. Im Folgenden werden Parameter beschrieben, welche die passive, NO2- basierte Regeneration auslösen. Dabei ist beispielsweise der Zustand der ersten
Dosiereinrichtung 54 die Größe, die die passive Regeneration auslöst.
Im Folgenden werden Parameter beschrieben, welche die aktive, 02-basierte
Regeneration auslösen: modellbasierte Rußbeladungsgrenze (Rußmengentrigger)
maximale Dauer ohne Regeneration circa 100 Stunden (Zeittrigger)
Gegendruck > Faktor 2 gegenüber leerem Filter (Gegendrucktrigger)
günstige Temperaturen > 300 Grad Celsius + Mindestrußmenge (5 Gramm pro Liter) (Temperaturtrigger).
Im Folgenden werden Parameter erläutert, welche eine Regeneration unterbrechen beziehungsweise beenden:
Rußmenge < 1 Gramm pro Liter
Gegendruck < 1 ,1 gegenüber leerem Filter. Fig. 4 zeigt ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben der Antriebseinrichtung 10, insbesondere der Abgasnachbehandlungseinrichtung 24. Das in Fig. 4 gezeigte Diagramm weist eine Abszisse 62 auf, auf welcher die Zeit, insbesondere in Sekunden, aufgetragen ist. Ferner weist das Diagramm eine Ordinate 64 auf, auf welcher die Temperatur, insbesondere in Grad Celsius, aufgetragen ist. In das Diagramm ist ein Verlauf 66 eingetragen, welcher die Temperatur des ersten Katalysatorteils 40 veranschaulicht, wobei der erste Katalysatorteil 40 auch als ccSCR bezeichnet wird. Mit anderen Worten ist der Verlauf 66 ein zeitlicher Verlauf der Temperatur des als SCR- Katalysator fungierenden ersten Katalysatorteils 40. Eine Zeile 68 veranschaulicht einen Zustand der ersten Dosiereinrichtung 54. Bei in der Zeile 68 eingetragenen Blöcken 70 und 72 ist die erste Dosiereinrichtung 54 aktiviert, sodass die Blöcke 70 und 72 jeweilige Zeitspannen veranschaulichen, während welchen das Reduktionsmittel mittels der aktivierten ersten Dosiereinrichtung 54 in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt, wird.
Eine Zeile 74 veranschaulicht einen Zustand der zweiten Dosiereinrichtung 56, wobei bei in der Zeile 74 eingetragenen Blöcken 76 und 78 die zweite Dosiereinrichtung 56 aktiviert ist. Somit veranschaulichen die Blöcke 76 und 78 jeweilige Zeitspannen, während welchen das Reduktionsmittel mittels der aktivierten zweiten Dosiereinrichtung 56 in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt, wird. Eine Zeile 80 veranschaulicht einen Zustand des HC-Dosers oder eine Aktivierung innermotorischer Maßnahmen zur
Erhöhung der Abgastemperatur. Ein in die Zeile 80 eingetragener Block 82
veranschaulicht eine Zeitspanne, während welcher der HC-Doser aktiviert ist, sodass während der durch den Block 82 veranschaulichten Zeitspanne mittels des aktivierten HC-Dosers an der Dosierungsstelle D unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden. Ferner veranschaulicht eine Zeile 84 des Diagramms die Stickoxid-Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine 12. Dabei veranschaulichen in die Zeile 84 eingetragene Blöcke 86, 88 und 90
verbrennungskraftmaschineninteme Maßnahmen zur Stickoxid-Reduktion. Da die Verbrennungskraftmaschine 12 auch als Verbrennungsmotor bezeichnet werden, werden die verbrennungskraftmaschineninternen Maßnahmen auch als
verbrennungsmotorinterne Maßnahmen oder VM-Maßnahmen bezeichnet.
Somit veranschaulichen die Blöcke 86, 88 und 90 jeweilige Zeitspannen, während welchen Verbrennungsmotor-Maßnahmen, das heißt verbrennungsmotorinterne
Maßnahmen, zur Stickoxidreduktion, das heißt zur Entstickung durchgeführt werden. Bei einer solchen VM-Maßnahme handelt es sich beispielsweise um eine Verstellung eines Einspritzzeitpunkts nach spät. Ferner kann es sich bei der Verbrennungsmotor- Maßnahme um eine besonders hohe Abgasrückführrate handeln. Eine weitere VM- Maßnahme ist beispielsweise die Reduzierung des dem jeweiligen Zylinder 16
zuzuführenden Luftmassenstroms, welcher beispielsweise durch Drosselung reduziert wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer in dem von der Luft durchströmbaren Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe. Eine weitere Verbrennungsmotor-Maßnahme kann beispielsweise sein, dass die Verbrennungskraftmaschine bei höheren Lasten gefahren beziehungsweise betrieben wird.
Ein in das Diagramm eingetragener Block 92 veranschaulicht einen Start, insbesondere Kaltstart, der Verbrennungskraftmaschine 12. Während dieses Kaltstarts wird wenigstens eine Verbrennungsmotor-Maßnahme durchgeführt, was durch den Block 86
veranschaulicht wird. Ein in das Diagramm eingetragener Block 94 veranschaulicht eine Heizphase, während welcher - wie am Block 70 erkennbar ist - die erste
Dosiereinrichtung 54 aktiviert ist. Daran schließt sich eine verbrauchsoptimale Phase an, welche durch einen Block 96 veranschaulicht ist. Ein Block 98 veranschaulicht einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 bei niedrigen Lasten, wobei wenigstens eine Verbrennungsmotor-Maßnahme, veranschaulicht durch den Block 88, durchgeführt wird.
Ferner ist die Dosiereinrichtung 54 aktiviert (Block 72), oder innermotorische Maßnahmen werden ausgelöst. Daran schließt sich eine durch einen Block 100 veranschaulichte, verbrauchsoptimale Phase an, während welcher beispielsweise der HC-Doser aktiviert ist (Block 82). Ferner wird - wie durch den Block 90 veranschaulicht ist - wenigstens eine Verbrennungsmotor-Maßnahme durchgeführt. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der HC-Doser erst dann aktiviert wird, wenn die erste Dosiereinrichtung 54 deaktiviert ist, das heißt wenn ein durch die Dosiereinrichtung 54 bewirktes Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas unterbleibt. Ist die jeweilige Dosiereinrichtung 54 beziehungsweise 56 deaktiviert, so unterbleibt ein durch die jeweilige Dosiereinrichtung 54 beziehungsweise 56 bewirktes Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas. Ist der HC-Doser aktiviert, so werden mittels des HC-Dosers unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in das Abgas eingebracht. Ist der HC-Doser deaktiviert, so unterbleibt ein durch den HC-Doser bewirktes Einbringen von HC in das Abgas.
Ferner veranschaulicht in Fig. 4 ein Doppelpfeil 102 die passive Regeneration
beziehungsweise eine Regenerationsdauer der passiven Regeneration, wobei ein Doppelpfeil 104 die aktive Regeneration beziehungsweise die Regenerationsdauer der aktiven Regeneration veranschaulicht.

Claims

Daimler AG Patentansprüche
1. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) für eine Verbrennungskraftmaschine (12) eines Kraftwagens, mit wenigstens einem von Abgas der
Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren ersten Katalysator (32), mit wenigstens einem von dem Abgas durchströmbaren und stromab des ersten Katalysators (32) angeordneten Partikelfilter (30) zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas sowie einem mit wenigstens dem Abgas durchströmbaren zweiten Katalysator (28), welcher stromab des Partikelfilters (30) angeordnet und als SCR- Katalysator ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Katalysator (32) ein Kombinationskatalysator ist, mit
- einem ersten Katalysatorteil (40), welcher als SCR-Katalysator ausgebildet ist;
- einem stromab des ersten Katalysatorteils (40) angeordneten zweiten
Katalysatorteil (42), welcher als Ammoniak-Schlupfkatalysator ausgebildet ist und eine Edelmetallschicht (44) mit einem ersten Edelmetallgehalt aufweist;
- einem stromab des zweiten Katalysatorteils (42) angeordneten dritten
Katalysatorteil (46), welcher als Oxidationskatalysator ausgebildet ist und eine Edelmetallschicht (48) mit einem zweiten Edelmetallgehalt aufweist; und
- einer SCR-Schicht (50), die auf den Edelmetallschichten (44, 48) des zweiten und dritten Katalysatorteils (42, 46) angeordnet ist und sich über die gesamte Länge (L) des zweiten und dritten Katalysatorteils (42, 46) erstreckt.
2. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Edelmetallschichten (44, 48) des zweiten und dritten Katalysatorteils (42, 46) aus Platin oder aus Gemischen von Platin und Palladium gebildet werden und der zweite Edelmetallgehalt höher als der erste Edelmetallgehalt ist.
3. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Edelmetallschicht (48) des dritten Katalysatorteils (46) einen Platinanteil von mindestens 50 Prozent im Gemisch aus Platin und Palladium aufweist.
4. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Edelmetallgehalt in einem Bereich von einschließlich 1/28316,8 Gramm pro Kubikzentimeter bis einschließlich 5/28316,8 Gramm pro Kubikzentimeter liegt.
5. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Edelmetallgehalt in einem Bereich von einschließlich 5/28316,8 Gramm pro Kubikzentimeter bis einschließlich 20/28316,8 Gramm pro Kubikzentimeter liegt.
6. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelfilter (30) mit einer schwermetall- und edelmetallfreien und eine
Oxidation der im Partikelfilter (30) rückgehaltenen Rußpartikel katalysierenden Beschichtung versehen ist,
7. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die schwermetall- und edelmetallfreie Beschichtung des Partikelfilters (30) Allkali- und/oder Erdalkalimetallverbindungen aufweist.
8. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Dosiereinrichtung (54) vorgesehen ist, mittels welcher an wenigstens einer stromauf des Kombinationskatalysators (32) angeordneten ersten Stelle (S1 ) ein Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases in dieses einbringbar ist.
9. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine zweite Dosiereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher an wenigstens einer stromab des Kombinationskatalysators (32) und stromauf des zweiten Katalysators (28) angeordneten zweiten Stelle (S2) ein Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases in dieses einbringbar ist.
10. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kombinationskatalysator (32), insbesondere der erste als SCR-Katalysator ausgebildete Katalysatorteil (40) des Kombinationskatalysators (32), das stromab der Verbrennungskraftmaschine (12) erste, von dem Abgas durchströmbare Abgasnachbehandlungselement ist.
1 1. Abgasnachbehandlungseinrichtung (24) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Katalysatorteil (42) und der dritte Katalysatorteil (46) einen
Hybridkatalysator (52) bilden, wobei das von dem Abgas durchströmbare Volumen des zweiten Katalysatorteils (42) in etwa doppelt so groß ist wie das Volumen des dritten Katalysatorteils (46).
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