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DE102005036712A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors Download PDF

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DE102005036712A1
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Abstract

Eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer ersten Abgasnachbehandlungsstufe (14) zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom und einer zweiten Abgasnachbehandlungsstufe (16) stromab der ersten Abgasnachbehandlungsstufe (14) zur selektiven katalytischen Redunktion von Stickoxiden aus dem Abgasstrom weist zur Funktionsoptimierung der Abgasnachbehandlung weiter eine dritte Abgasnachbehandlungsstufe (18) zum Anheben der Temperatur des Abgasstromes, die stromauf der ersten Abgasnachbehandlungsstufe (14) vorgesehen ist, und eine vierte Abgasnachbehandlungsstufe (20) zum Konvertieren von NO zu NO¶2¶, die stromab der ersten Abgasnachbehandlungsstufe (14) und stromauf der zweiten Abgasnachbehandlungsstufe (16) vorgesehen ist, auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff von Anspruch 7.
  • Ein derartiges Abgasnachbehandlungssystem enthält eine erste Abgasnachbehandlungsstufe zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom, wie beispielsweise einen Partikelfilter, und eine zweite Abgasnachbehandlungsstufe stromab der ersten Abgasnachbehandlungsstufe zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aus dem Abgasstrom, wie beispielsweise einen SCR-Katalysator. Wie zum Beispiel aus der DE 196 18 397 A1 oder der WO-A-99/39809 bekannt, ist üblicherweise zusätzlich stromauf des Partikelfilters ein Oxidationskatalysator vorgesehen, der einerseits die Temperatur des Abgasstroms für den Partikelfilter anheben und andererseits eine Oxidation von NO zu NO2 für den SCR-Katalysator bewirken soll.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, deren Abgasnachbehandlungsfunktionen weiter optimiert sind.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Die Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors der Erfindung weist neben einer ersten Abgasnachbehandlungsstufe zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom und einer zweiten Abgasnachbehandlungsstufe stromab der ersten Abgasnachbehandlungsstufe zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aus dem Abgasstrom ferner eine dritte Abgasnachbehandlungsstufe zum Anheben der Temperatur des Abgasstroms zu Regenerationszwecken der ersten Abgasnachbehandlungsstufe, die stromauf der ersten Abgasnachbehandlungsstufe vorgesehen ist, und eine vierte Abgasnachbehandlungsstufe zum Konvertieren von NO zu NO2, die stromab der ersten Abgasnachbehandlungsstufe und stromauf der zweiten Abgasnachbehandlungsstufe vorgesehen ist, auf.
  • Während in dem einleitend beschriebenen Stand der Technik üblicherweise ein Oxidationskatalysator der ersten und der zweiten Abgasnachbehandlungsstufe vorgeschaltet ist, sind erfindungsgemäß eine dritte Abgasnachbehandlungsstufe der ersten Abgasnachbehandlungsstufe vorgeschaltet und eine vierte Abgasnachbehandlungsstufe der zweiten Abgasnachbehandlungsstufe vorgeschaltet. Hierdurch ist gegenüber den herkömmlichen Systemen mit nur einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator, der beide Funktionalitäten vereint und daher einen Kompromiss darstellt, eine Funktionsoptimierung sowohl bezüglich des Anhabens der Temperatur des Abgasstroms in der dritten Abgasnachbehandlungsstufe als auch bezüglich der Konvertierung von NO zu NO2 in der vierten Abgasnachbehandlungsstufe möglich, was insgesamt zu einer besseren Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors führt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die dritte Abgasnachbehandlungsstufe eine HC-Einleitungsvorrichtung zum Einbringen von Kohlenwasserstoffen in den Abgasstrom und einen Oxidationskatalysator zum Oxidieren der eingebrachten Kohlenwasserstoffe, um die Temperatur des Abgasstroms anzuheben, und die vierte Abgasnachbehandlungsstufe enthält einen Oxidationskatalysator zum Oxidieren von NO zu NO2.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält die erste Abgasnachbehandlungsstufe einen (Ruß-)Partikelfilter.
  • In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält die zweite Abgasnachbehandlungsstufe einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit einer diesem vorgeschalteten Reduktionsmittel-Einleitungsvorrichtung zum Einbringen eines Reduktionsmittels wie zum Beispiel einer Harnstoff-Wasser-Lösung für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden im SCR-Katalysator in den Abgasstrom.
    •
  • Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung besser verständlich. Darin zeigt die einzige 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 ist stark vereinfacht der Aufbau eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines direkteinspritzenden Dieselmotors gemäß der Erfindung veranschaulicht.
  • In 1 ist dem Verbrennungsmotor die Bezugsziffer 10 zugeordnet, und dem Abgaskanal ist die Bezugsziffer 12 zugeordnet. In dem Abgaskanal 12 sind zur Abgasnachbehandlung zur Reduzierung von Schadstoffemissionen eine erste Abgasnachbehandlungsstufe 14 und eine zweite Abgasnachbehandlungsstufe 16 in dieser Reihenfolge im Abgasstrom angeordnet. Die erste Abgasnachbehandlungsstufe 14 enthält zum Beispiel einen Partikelfilter 26 zum Rückhalten von Rußpartikeln im Abgasstrom, und die zweite Abgasnachbehandlungsstufe 16 enthält zum Beispiel einen SCR-Katalysator 32 zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide im Abgasstrom. Dem SCR-Katalysator 32 vorgeschaltet ist eine Reduktionsmittel-Einleitungsvorrichtung 30, wie beispielsweise ein Injektor, zum Einbringen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrom. Das Reduktionsmittel kann entweder mit Unterstützung von Druckluft oder unverdünnt in flüssiger Form eingebracht werden. Als Reduktionsmittel wird bevorzugt eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) verwendet, welche bei Anwesenheit von Wasser verdampft und zu Ammoniak hydrolysiert, welches zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NOx) zu Stickstoff und Wasser im SCR-Katalysator 32 benötigt wird.
  • Als Partikelfilter 26 kann jedes zur Zurückhaltung von Partikeln geeignete Abgasreinigungsbauteil eingesetzt werden. Bevorzugt sind jedoch Sintermetall-Filter oder so genannte wallflow-Filter mit einer Vielzahl von langgestreckten Gaskanälen, welche durch durchlässige Wände aus Kordierit- oder Siliziumkarbid-Keramik. Hinsichtlich der Speicherfähigkeit für Ruß und Asche sind insbesondere Sintermetallfilter mit Sintermetalltaschen oder Sintermetallplatten vorteilhaft. Ebenfalls möglich sind jedoch schaumartig ausgeführte Tiefenfilter oder so genannte offene Filterkörper mit einer Vielzahl von Gasumlenkungsstellen. Besonders bevorzugt sind katalytisch beschichtete Partikelfilter. Dabei kann die katalytische Beschichtung hinsichtlich der Förderung einer Russoxidation und/oder einer Stickoxidoxidation ausgelegt sein.
  • Der SCR-Katalysator 32 ist vorzugsweise als Wabenkörper in Monolithform ausgeführt. Dabei kann es sich um einen so genannten Vollkatalysator oder um einen beschichteten Katalysator handeln. Als Vollkatalysator kommen vorzugsweise aus dem entsprechenden katalytischen Material extrudierte Wabenkörper auf Vanadium- Titan- und Wolframbasis zum Einsatz. Vorteilhafte Ausführungen beschichteter Katalysatoren weisen eine auf einem Keramikträger aufgebrachte Edelmetall-haltige Beschichtung auf Zeolithbasis auf, welche sich durch eine besondere Temperaturstabilität auszeichnen.
  • Stromauf der ersten Abgasnachbehandlungsstufe 14 ist im Abgaskanal 12 ferner eine dritte Abgasnachbehandlungsstufe 18 vorgesehen. Diese dritte Abgasnachbehandlungsstufe 18 enthält zum Beispiel eine HC-Einleitungsvorrichtung 22, wie beispielsweise einen Injektor, zum Einbringen von Kohlenwasserstoffen (HC) in den Abgasstrom sowie einen Oxidationskatalysator 24 zur Oxidation der eingebrachten Kohlenwasserstoffe. Die aus dieser Oxidation resultierende Wärmetönung, d.h. Anhebung der Temperatur des Abgasstroms kann zur aktiven, geregelten Regeneration des nachfolgenden Partikelfilters 26 der ersten Abgasnachbehandlungsstufe 14 genutzt werden. Ohne das invasive Einbringen der Kohlenwasserstoffe durch den Injektor 22 würden durch den Oxidationskatalysator 24 nur die im Abgasstrom enthaltenen Komponenten HC und CO oxidiert werden.
  • Weiter ist in dem Abgaskanal 12 stromab der ersten Abgasnachbehandlungsstufe 14 und stromauf der zweiten Abgasnachbehandlungsstufe 16 eine vierte Abgasnachbehandlungsstufe 20 vorgesehen. Diese vierte Abgasnachbehandlungsstufe 20 dient der Abgaskonditionierung für eine optimale Konvertierung der Stickoxide in der nachfolgenden zweiten Abgasnachbehandlungsstufe 16. Hierzu weist die vierte Abgasnachbehandlungsstufe 20 zum Beispiel einen Oxidationskatalysator 28 auf, der die erforderliche Konzentration an NO2 im Abgasstrom einstellt. Außerdem kann der Oxidationskatalysator 28 zur Oxidation der während eines Betriebs der ersten Abgasnachbehandlungsstufe 18 durch deren Oxidationskatalysator 24 nicht vollständig oxidierten Komponenten genutzt werden.
  • Das oben beschriebene Abgasnachbehandlungssystem unterscheidet sich von den herkömmlichen Systemen insbesondere durch die Verwendung der zwei Oxidationskatalysatoren 24 und 28 in der dritten bzw. der vierten Abgasnachbehandlungsstufe 18, 20. Zwischen den beiden Oxidationskatalysatoren 24, 28 besteht dabei ein funktionaler Unterschied für das Gesamtsystem.
  • Während der Oxidationskatalysator 24 der ersten Abgasnachbehandlungsstufe 18 auf Temperaturbeständigkeit und HC-Oxidation in funktionalem Zusammenhang mit der aktiven Abgastemperaturanhebung optimiert ist, ist der Oxidationskatalysator 28 der vierten Abgasnachbehandlungsstufe 20 auf eine Konvertierung von NO zu NO2 in funktionalem Zusammenhang mit der anschließenden selektiven katalytischen Reduktion (SCR) der Stickoxide optimiert. Obschon jeder der Oxidationskatalysatoren 24, 28 generell sowohl die Oxidation von Kohlenwasserstoffen als auch die Oxidation von Stickoxid katalysieren kann, ist es möglich und bevorzugt, wenn der Oxidationskatalysator 24 insbesondere zur HC-Oxidation und der Oxidationskatalysator 28 insbesondere zur NO-Oxidation ausgelegt ist.
  • Zur Optimierung der HC-Oxidationsfunktion ist es beispielsweise vorteilhaft, für den Oxidationskatalysator 24 eine besonders hohe Edelmetallbeladung vorzusehen. Insbesondere kann dabei ein hoher Platinanteil vorteilhaft sein. Zu Steigerung der Temperaturstabilität kann es vorteilhaft sein, die Beschichtung des Oxidationskatalysators im Wesentlichen frei von Sauerstoff speichernden Bestandteilen wie beispielsweise Ceroxid auszuführen.
  • Zur Optimierung der NO-Oxidationsfunktion ist es beispielsweise vorteilhaft, für den Oxidationskatalysator 28 eine im Vergleich zum Oxidationskatalysator 24 vergrößerte Kontaktfläche vorzusehen. Dies kann beispielsweise bei gleicher Zelldichte durch ein vergrößertes Volumen, vorzugsweise um etwa 20% bis 50%, erreicht werden. Eine vergrößerte Kontaktfläche kann jedoch auch bei etwa gleichem Katalysatorvolumen durch eine höhere Zelldichte erreicht werden. Ebenfalls vorteilhaft ist es mit Blick auf die NO-Oxidationsfähigkeit einen im Vergleich zum Oxidationskatalysator 24 höheren Palladium- und/oder Rhodiumgehalt bei gegebenenfalls gleichzeitig vermindertem Platinanteil vorzusehen. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Oxidationskatalysator 28 eine die NO-Oxidation fördernde Beschichtung mit einem Metalloxid, wie beispielsweise Manganoxid, Ceroxid, Kupferoxid, Chromoxid, Eisenoxid und/oder Kobaltoxid aufweist.
  • Die beiden Oxidationskatalysatoren 24, 28 unterscheiden sich folglich in Art und Menge ihrer Beschichtung sowie ihrer erforderlichen Dimensionierung. Bisher bekannte Abgasnachbehandlungssysteme verwenden nur einen Oxidationskatalysator stromauf des Partikelfilters 26, der die beiden Funktionen der HC-Oxidation und der Konvertierung von NO zu NO2 vereint und daher bezüglich der Funktionsoptimierung immer nur einen Kompromiss darstellen kann.
  • Obwohl in 1 nicht dargestellt, kann auch das Abgasnachbehandlungssystem der Erfindung natürlich mit einem bekannten Abgasrückleitungssystem (AGR) versehen sein.
  • Ebenfalls nicht dargestellt, jedoch insbesondere für Nutzfahrzeuge bevorzugt ist es, wenn die Abgasreinigungsstufen 14, 16, 18, 20 in teilweise gemeinsamen Gehäusen zusammengefasst sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Abgasreinigungsstufen 14, 16 in einem ersten Gehäuse und die Abgasreinigungsstufen 18, 20 in einem zweiten Gehäuse anzuordnen. Eine Unterbringung von Oxidationskatalysator 24, Partikelfilter 26, Oxidationskatalysator 28 und SCR-Katalysator 32 in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse, vorzugsweise mit gleichzeitiger Schalldämpfungsfunktion, kann ebenfalls vorgesehen sein. Generell kann es außerdem vorgesehen sein, wenn eine jeweilige Reinigungsstufe 14, 16, 18, 20 mehr als einen einzigen Katalysatorkörper bzw. Partikelfilterkörper aufweist. Vielmehr ist es vorzugsweise vorgesehen, beispielswiese mehrere SCR-Katalysatoren 32 parallelgeschaltet in einer Kammer eines entsprechenden Gehäuses anzuordnen. Für die jeweiligen Gehäuse können entsprechende rohrförmige Leitungsteile als Verbindung vorgesehen sein. Die Reduktionsmittel-Einleitungsvorrichtung 30 und/oder die HC-Einleitungsvorrichtung 22 können dabei sowohl einem jeweiligen Leitungsteil zugeordnet sein und in dieses Leitungsteil Reduktionsmittel bzw. HC einbringen. Bevorzugt ist jedoch eine Zuordnung von Reduktionsmittel-Einleitungsvorrichtung 30 und/oder HC-Einleitungsvorrichtung 22 zu einem jeweiligen Gehäuse, so dass Reduktionsmittel bzw. HC direkt in das jeweilige Gehäuse eingebracht werden kann.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), mit einer ersten Abgasnachbehandlungsstufe (14) zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom; und einer zweiten Abgasnachbehandlungsstufe (16) stromab der ersten Abgasnachbehandlungsstufe (14) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aus dem Abgasstrom, gekennzeichnet durch eine dritte Abgasnachbehandlungsstufe (18) zum Anheben der Temperatur des Abgasstromes, die stromauf der ersten Abgasnachbehandlungsstufe (14) vorgesehen ist; und eine vierte Abgasnachbehandlungsstufe (20) zum Konvertieren von NO zu NO2, die stromab der ersten Abgasnachbehandlungsstufe (14) und stromauf der zweiten Abgasnachbehandlungsstufe (16) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Abgasnachbehandlungsstufe (18) eine HC-Einleitungsvorrichtung (22) zum Einbringen von Kohlenwasserstoffen in den Abgasstrom und einen Oxidationskatalysator (24) zum Oxidieren der eingebrachten Kohlenwasserstoffe enthält.
  3. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Abgasnachbehandlungsstufe (20) einen Oxidationskatalysator (28) zum Oxidieren von NO zu NO2 enthält.
  4. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungsstufe (14) einen Partikelfilter (26) enthält.
  5. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasnachbehandlungsstufe (16) einen SCR-Katalysator (32) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden enthält.
  6. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasnachbehandlungsstufe (16) ferner stromauf des SCR-Katalysators (32) eine Reduktionsmittel-Einleitungsvorrichtung (30) zum Einbringen eines Reduktionsmittels für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden im SCR-Katalysator (32) in den Abgasstrom enthält.
  7. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), mit einem ersten Schritt (14) des Rückhaltens von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom; und einem zweiten Schritt (16) des selektiven katalytischen Reduzierens von Stickoxiden aus dem Abgasstrom nach dem ersten Schritt (14), gekennzeichnet durch einen dritten Schritt (18) des Anhebens der Temperatur des Abgasstromes vor dem ersten Schritt (14) zu Regenerationszwecken; und einen vierten Schritt (20) des Konvertierens von NO zu NO2 zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt (14, 16).
  8. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Schritt (18) Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrom eingebracht und anschließend oxidiert werden.
  9. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt (16) ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom eingebracht wird und anschließend die Stickoxide im Abgasstrom selektiv katalytisch reduziert werden.
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