DE102020207311B4 - Ammonia slip catalyst, exhaust aftertreatment system and exhaust aftertreatment method - Google Patents
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Abstract
Ammoniak-Sperrkatalysator (40) zur Anordnung in einer Abgasanlage (22) eines Verbrennungsmotors (10), umfassend eine Oxidationszone (42) zur Oxidation von Ammoniak, einen Mischraum (86) zur Vermischung von Ammoniak und einem Oxidationsprodukt des Ammoniaks sowie einen in Strömungsrichtung der Oxidationszone (42) und dem Mischraum (86) nachgeschalteten SCR-Katalysator (44).Ammonia blocking catalytic converter (40) for arrangement in an exhaust system (22) of an internal combustion engine (10), comprising an oxidation zone (42) for oxidizing ammonia, a mixing space (86) for mixing ammonia and an oxidation product of the ammonia and, in the direction of flow of the Oxidation zone (42) and the mixing space (86) downstream SCR catalyst (44).
Description
Die Erfindung betrifft einen Ammoniak-Sperrkatalysator, ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem solchen Ammoniak-Sperrkatalysator sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an ammonia blocking catalyst, an exhaust aftertreatment system with such an ammonia blocking catalyst and a method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine with such an exhaust aftertreatment system according to the preamble of the independent patent claims.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.The current exhaust gas legislation and one that will become increasingly strict in the future place high demands on engine raw emissions and the exhaust gas aftertreatment of combustion engines. The demands for a further reduction in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permitted nitrogen oxide emissions represent a challenge for the engine developers. Catalyst upstream and downstream further catalysts. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines, which have an oxidation catalytic converter, a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for separating soot particles and optionally further catalytic converters. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because handling pure ammonia is complicated, vehicles usually use a synthetic, aqueous urea solution, which is mixed with the hot exhaust gas flow in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. This mixing heats up the aqueous urea solution, with the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust gas duct. A commercially available, aqueous urea solution is generally made up of 32.5% urea and 67.5% water.
Ferner sind Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens zwei Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden bekannt, welche sequenziell von einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors durchströmt werden, wobei die erste Abgasnachbehandlungskomponente motornah und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, wobei jeder Abgasnachbehandlungskomponente ein Dosierelement zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung zugeordnet ist, um je nach Betriebssituation des Verbrennungsmotors mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente in einem Temperaturbereich betreiben zu können, um in dem eine effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen zu ermöglichen.Furthermore, exhaust gas aftertreatment systems are known with at least two exhaust gas aftertreatment components for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, through which an exhaust gas stream of the internal combustion engine flows sequentially, the first exhaust gas aftertreatment component being arranged close to the engine and the second exhaust gas aftertreatment component being arranged under the floor of a motor vehicle, with each exhaust gas aftertreatment component having a metering element for metering in is assigned aqueous urea solution in order to be able to operate at least one exhaust gas aftertreatment component in a temperature range, depending on the operating situation of the internal combustion engine, in order to enable efficient conversion of the nitrogen oxide emissions.
Jede Vorrichtung zur katalytischen Abgasreinigung benötigt zum Erreichen einer Wirksamkeit das Überschreiten einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-off-Temperatur. Bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs liegen der Verbrennungsmotor und die Komponenten zur Abgasnachbehandlung im Temperaturniveau etwa auf Umgebungstemperatur. Auch mit einem hohen Energieeintrag in die Abgasanlage müssen zunächst die thermisch träge Masse der Abgasanlage überwunden und die Strahlungs- beziehungsweise Konvektionsverluste kompensiert werden, um zumindest eine Teilwirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten zu erreichen. In dieser Zeit werden die Rohemissionen des Verbrennungsmotors weitgehend ungereinigt emittiert. Abhängig vom Energieeintrag in die Abgasanlage kann dieser Zeitraum verkürzt werden, jedoch niemals auf Null abgesenkt werden.Every device for catalytic exhaust gas purification requires a minimum temperature, the so-called light-off temperature, to be exceeded in order to be effective. During a cold start of a motor vehicle, the temperature level of the internal combustion engine and the components for exhaust gas aftertreatment is approximately at ambient temperature. Even with a high energy input into the exhaust system, the thermally inertial mass of the exhaust system must first be overcome and the radiation or convection losses compensated in order to achieve at least partial effectiveness of the exhaust gas aftertreatment components. During this time, the raw emissions from the internal combustion engine are emitted largely untreated. Depending on the energy input into the exhaust system, this period can be shortened, but never reduced to zero.
Beim Dieselmotor ist bekannt, einem SCR-Abgasreinigungssystem einen NOx-Speicherkatalysator vorzuschalten, der bereits im Bereich 120 - 200°C eine gute Konvertierungsleistung erbringt, während der SCR-Katalysator erst ab ca. 180°C eine Konvertierung von Stickoxid-Emissionen ermöglicht. Die Abgasnachbehandlungskomponenten können einzeln oder insgesamt während ihrer Aufheizphase, insbesondere bis zur jeweiligen Light-off-Temperatur durch elektrische Heizelemente oder thermische Abgasbrenner unterstützt werden. Wird mehr Reduktionsmittel dosiert, als bei der Reduktion mit den Stickoxiden (NOx) umgesetzt wird, kann es zu einem unerwünschten Ammoniakschlupf kommen. Die Entfernung des Ammoniaks wird im Stand der Technik durch einen zusätzlichen Oxidationskatalysator hinter dem SCR-Katalysator erzielt. Dieser Sperrkatalysator oxidiert das gegebenenfalls auftretende Ammoniak zu molekularem Stickstoff (N2) und Wasserdampf (H2O). Darüber hinaus ist eine sorgfältige Applikation der Harnstoffdosierung unerlässlich.In diesel engines, it is known to place a NOx storage catalytic converter upstream of an SCR exhaust gas cleaning system, which already achieves good conversion performance in the range of 120 - 200°C, while the SCR catalytic converter only enables nitrogen oxide emissions to be converted from around 180°C. The exhaust gas aftertreatment components can be supported individually or as a whole during their heating phase, in particular up to the respective light-off temperature, by electrical heating elements or thermal exhaust gas burners. If more reducing agent is metered in than is reacted with the nitrogen oxides (NOx) during the reduction, undesirable ammonia slip may occur. In the prior art, the removal of the ammonia is achieved by an additional oxidation catalytic converter behind the SCR catalytic converter. This blocking catalyst oxidizes any ammonia that may occur to form molecular nitrogen (N2) and water vapor (H2O). In addition, careful application of the urea dosage is essential.
Die
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Nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist jedoch, dass es bei hohen Abgastemperaturen oberhalb von etwa 380°C dazu kommen kann, dass im SCR-Katalysator eingespeicherter Ammoniak freigesetzt wird. Bei dieser Temperatur ist es nicht oder nicht ausreichend möglich, den freigesetzten Ammoniak in molekularen Stickstoff und Wasserdampf zu konvertieren, sodass bei einer chemischen Reaktion auf dem Sperrkatalysator aus dem Ammoniak Stickoxide und/oder Lachgas gebildet werden. Dadurch können die Endrohremissionen an limitierten Abgaskomponenten ansteigen, sodass die immer strenger werdenden Abgasgesetzgebungen nicht mehr eingehalten werden können.A disadvantage of the solutions known from the prior art, however, is that at high exhaust gas temperatures above approximately 380° C., ammonia stored in the SCR catalytic converter can be released. At this temperature it is not or not sufficiently possible to stick the released ammonia into molecular to convert substance and water vapor so that nitrogen oxides and/or nitrous oxide are formed from the ammonia during a chemical reaction on the blocking catalyst. As a result, the tailpipe emissions from limited exhaust gas components can increase, meaning that the increasingly strict exhaust gas legislation can no longer be complied with.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Bildung von Sekundäremissionen durch den Ammoniak-Sperrkatalysator zu verringern und somit die Endrohremissionen eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotors zu minimieren.The object of the invention is now to reduce the formation of secondary emissions by the ammonia blocking catalytic converter and thus to minimize the tailpipe emissions of a motor vehicle with an internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird durch einen Ammoniak-Sperrkatalysator zur Anordnung in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors gelöst, welche eine Oxidationszone zur Oxidation von Ammoniak, einen Mischraum zur Vermischung von Ammoniak und einem Oxidationsprodukt des Ammoniaks sowie einem in Strömungsrichtung der Oxidationszone und dem Mischraum nachgeschalteten SCR-Katalysator umfasst. Dadurch kann in der Abgasnachbehandlung freigesetztes Ammoniak, insbesondere thermisch aus einem SCR-Katalysator ausgetragenes Ammoniak teilweise oxidiert und mit dem restlichen Ammoniak durch einen nachgeschalteten SCR-Katalysator in molekularen Stickstoff und Wasserdampf konvertiert werden. Dabei führt aus einem SCR-Katalysator ausgetragenes Ammoniak nicht dazu, dass dieses Ammoniak bei hohen Temperaturen durch den Ammoniak-Sperrkatalysator zu Stickoxiden konvertiert wird, welche zu einem Anstieg des Stickoxid-Endrohremissionen führt. Somit kann auch bei hohen Lasten und damit verbundenen hohen Abgastemperaturen sichergestellt werden, dass der Ammoniak-Sperrkatalysator sowohl die Ammoniak als auch die Stickoxid-Endrohremissionen unter dem jeweils gültigen Grenzwert hält.This object is achieved by an ammonia slip catalyst for arrangement in an exhaust system of an internal combustion engine, which comprises an oxidation zone for oxidizing ammonia, a mixing chamber for mixing ammonia and an oxidation product of the ammonia, and an SCR catalyst downstream of the oxidation zone and the mixing chamber in the direction of flow . As a result, ammonia released in the exhaust aftertreatment, in particular ammonia thermally discharged from an SCR catalytic converter, can be partially oxidized and converted into molecular nitrogen and water vapor with the remaining ammonia by a downstream SCR catalytic converter. In this case, ammonia discharged from an SCR catalytic converter does not result in this ammonia being converted into nitrogen oxides by the ammonia barrier catalytic converter at high temperatures, which leads to an increase in nitrogen oxide tailpipe emissions. Thus, even at high loads and the associated high exhaust gas temperatures, it can be ensured that the ammonia blocking catalytic converter keeps both the ammonia and the nitrogen oxide tailpipe emissions below the applicable limit values.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Ammoniak-Sperrkatalysators möglich.The features listed in the dependent claims allow advantageous further developments and improvements of the ammonia blocking catalyst listed in the independent claim.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oxidationszone, der Mischraum und der nachgeschaltete SCR-Katalysator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Durch eine Anordnung der Oxidationsstufe, des Mischraums und des SCR-Katalysators in einem gemeinsamen Gehäuse kann die Montage der Abgasanlage vereinfacht werden.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the oxidation zone, the mixing space and the downstream SCR catalytic converter are arranged in a common housing. The installation of the exhaust system can be simplified by arranging the oxidation stage, the mixing chamber and the SCR catalytic converter in a common housing.
In einer vorteilhaften Ausführung des Ammoniak-Sperrkatalysators ist vorgesehen, dass der SCR-Katalysator als eine SCR-Scheibe ausgebildet ist. Eine SCR-Scheibe kann einfach und kostengünstig hergestellt und in einen Ammoniak-Sperrkatalysator integriert werden.In an advantageous embodiment of the ammonia barrier catalytic converter, it is provided that the SCR catalytic converter is designed as an SCR disk. An SCR disc can be easily and inexpensively manufactured and integrated into an ammonia slip catalyst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Ammoniak-Sperrkatalysators ist vorgesehen, dass die Oxidationszone eine Mehrzahl von ersten Kanälen und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen aufweist, wobei die ersten Kanäle mit einer Edelmetallbeschichtung versehen sind und die zweiten Kanäle unbeschichtet ausgeführt sind oder die zweiten Kanäle mit einer Edelmetallbeschichtung versehen sind und die ersten Kanäle unbeschichtet ausgeführt sind. Dadurch wird eine Teilmenge des stromaufwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators freigesetzten Ammoniaks in Stickoxide umgewandelt, welche mit dem im Abgasstrom verbleibenden Ammoniak in dem nachgeschalteten SCR-Katalysator in Wasserdampf und molekularen Stickstoff konvertiert werden können. Somit können die Abgasemissionen eines Kraftfahrzeuges auch bei ungünstigen Lastzuständen minimiert werden.In a preferred embodiment of the ammonia slip catalyst, it is provided that the oxidation zone has a plurality of first channels and a plurality of second channels, the first channels being provided with a precious metal coating and the second channels being uncoated or the second channels having a precious metal coating are provided and the first channels are uncoated. As a result, a portion of the ammonia released upstream of the ammonia slip catalyst is converted into nitrogen oxides, which can be converted into water vapor and molecular nitrogen in the downstream SCR catalyst with the ammonia remaining in the exhaust gas flow. Thus, the exhaust emissions of a motor vehicle can be minimized even under unfavorable load conditions.
Bevorzugt ist dabei, wenn die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dadurch kann erreicht werden, dass die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle etwa mit einem gleichen Abgasvolumen durchströmt werden, sodass sich stromaufwärts ein günstiges Verhältnis von Stickoxiden und Ammoniak einstellt, um die Stickoxide und das Ammoniak im Rahmen einer selektiven, katalytischen Reduktion in unlimitierte Abgaskomponenten zu konvertieren.It is preferred if the first channels and the second channels run essentially parallel to one another. As a result, approximately the same volume of exhaust gas flows through the first channels and the second channels, so that a favorable ratio of nitrogen oxides and ammonia is established upstream, in order to convert the nitrogen oxides and ammonia into unlimited exhaust gas components as part of a selective, catalytic reduction convert.
In einer vorteilhaften Verbesserung des Ammoniak-Sperrkatalysators ist vorgesehen, dass der Ammoniak-Sperrkatalysator zumindest im Bereich der Oxidationszone als doppelte Wickelfolie ausgebildet ist, wobei die beiden Wickelfolien die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle ausbilden. Durch einen doppelte Wickelfolie ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung eines Ammoniak-Sperrkatalysators möglich. Dabei kann durch einen einseitige Beschichtung der Folien sichergestellt werden, dass in etwa das halbe Abgasvolumen durch einen mit einer Edelmetallbeschichtung beschichteten Kanal in der Oxidationszone und die andere Hälfte des Abgasvolumens durch einen unbeschichteten Kanal strömt. Das Verhältnis der unbeschichteten und beschichteten Kanäle kann entsprechend angepasst werden, um eine möglichst effiziente selektive, katalytische Reduktion der Stickoxide durch das verbleibende Ammoniak zu erreichen.In an advantageous improvement of the ammonia blocking catalytic converter, it is provided that the ammonia blocking catalytic converter is designed as a double wrapped film at least in the region of the oxidation zone, with the two wrapped films forming the first channels and the second channels. A particularly simple and cost-effective production of an ammonia blocking catalytic converter is possible by means of a double wrapping film. Coating the foils on one side can ensure that approximately half the exhaust gas volume flows through a duct in the oxidation zone coated with a precious metal coating and the other half of the exhaust gas volume flows through an uncoated duct. The ratio of the uncoated and coated channels can be adjusted accordingly in order to achieve the most efficient possible selective, catalytic reduction of the nitrogen oxides by the remaining ammonia.
In einer vorteilhaften Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die doppelte Wickelfolie als gelochte Wickelfolie ausgebildet ist, welche einen Gasaustausch zwischen den ersten Kanälen und den zweiten Kanälen ermöglicht. Eine gelochte Wickelfolie ermöglicht einen Gasaustausch zwischen den Kanälen, sodass auf einfache Art und Weise ein Mischraum ausgebildet werden kann. Dadurch ist eine besonders kompakte Ausführung des Ammoniak-Sperrkatalysators möglich.In an advantageous improvement of the invention, it is provided that the double wrapping film is designed as a perforated wrapping film, which enables gas exchange between the first channels and the second channels. A perforated wrapping film enables gas exchange between tween the channels, so that a mixing space can be formed in a simple manner. As a result, a particularly compact design of the ammonia blocking catalyst is possible.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Ammoniak-Sperrkatalysators ist vorgesehen, dass der in Strömungsrichtung stromabwärts der Oxidationszone liegende Bereich der doppelten Wickelfolie mit einer SCR-Beschichtung versehen ist und den SCR-Katalysator ausbildet. Dadurch kann der Ammoniak-Sperrkatalysator mit nur einem Monolithen ausgeführt werden, wodurch sich die Herstellkosten reduzieren lassen.In an advantageous embodiment of the ammonia barrier catalytic converter, it is provided that the region of the double wrapping foil lying downstream of the oxidation zone in the direction of flow is provided with an SCR coating and forms the SCR catalytic converter. As a result, the ammonia barrier catalyst can be designed with only one monolith, which means that the production costs can be reduced.
In einer alternativen Ausgestaltung des Ammoniak-Sperrkatalysator ist mit Vorteil vorgesehen, dass die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle in den Mischraum münden, wobei der Mischraum eine Vermischung des Oxidationsproduktes mit dem Ammoniak fördert. Dadurch ist eine besonders effiziente Vermischung von Ammoniak und Stickoxiden vor dem Eintritt in den SCR-Katalysator des Ammoniak-Sperrkatalysators möglich, wodurch eine besonders hohe Effizienz bei der selektiven, katalytischen Reduktion und somit minimale Endrohremissionen erreicht werden.In an alternative embodiment of the ammonia barrier catalytic converter, it is advantageously provided that the first channels and the second channels open into the mixing chamber, with the mixing chamber promoting mixing of the oxidation product with the ammonia. This enables particularly efficient mixing of ammonia and nitrogen oxides before they enter the SCR catalytic converter of the ammonia blocking catalytic converter, as a result of which particularly high efficiency in the selective, catalytic reduction and thus minimal tailpipe emissions are achieved.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in dem Mischraum ein Abgasmischer angeordnet ist. Durch einen Abgasmischer in dem Mischraum kann die Vermischung von Ammoniak und Stickoxiden in dem Mischraum weiter verbessert werden, was die Effizienz des Ammoniak-Sperrkatalysators erhöht.It is particularly preferred if an exhaust gas mixer is arranged in the mixing space. The mixing of ammonia and nitrogen oxides in the mixing space can be further improved by an exhaust gas mixer in the mixing space, which increases the efficiency of the ammonia blocking catalytic converter.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Ammoniak-Sperrkatalysators ist vorgesehen, dass an dem Gehäuse ein Kühlmittelanschluss für einen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors ausgebildet ist und das Gehäuse von dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors durchströmt wird. Durch einen Kühlmittelanschluss kann die Abgastemperatur beim Durchströmen der Oxidationszone des Ammoniak-Sperrkatalysators verringert werden, sodass die Neigung zur Bildung von Stickoxiden aus dem stromaufwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators freigesetzten Ammoniaks verringert wird.In an advantageous embodiment of the ammonia barrier catalytic converter, it is provided that a coolant connection for a cooling circuit of the internal combustion engine is formed on the housing and the coolant of the internal combustion engine flows through the housing. A coolant connection can reduce the exhaust gas temperature when flowing through the oxidation zone of the ammonia blocking catalytic converter, so that the tendency to form nitrogen oxides from the ammonia released upstream of the ammonia blocking catalytic converter is reduced.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasanlage mit einem Abgaskanal, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal ein motornaher erster Katalysator, ein Partikelfilter und mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind. Dabei ist stromabwärts der letzten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden SCR-Katalysators ein solcher Ammoniak-Sperrkatalysator angeordnet. Bei einem solchen Abgasnachbehandlungssystem wird die Gefahr eines Anstiegs der Stickoxid-Endrohremissionen durch in der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufgrund eines Hochlastbetriebs oder einer Regeneration des Partikelfilters freigesetztem Ammoniak und einer Neubildung von Stickoxiden durch den Ammoniak-Sperrkatalysator verringert.A further aspect of the invention relates to an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine, comprising an exhaust system with an exhaust gas duct, in which a first catalytic converter close to the engine, a particle filter and at least one exhaust gas aftertreatment component for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides are arranged in the flow direction of an exhaust gas stream of the internal combustion engine through the exhaust gas duct . In this case, such an ammonia blocking catalytic converter is arranged downstream of the last exhaust gas aftertreatment component for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides SCR catalytic converter. With such an exhaust gas aftertreatment system, the risk of an increase in nitrogen oxide tailpipe emissions is reduced by ammonia released in the exhaust gas aftertreatment component for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides due to high-load operation or regeneration of the particle filter and a new formation of nitrogen oxides by the ammonia slip catalyst.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ammoniak-Sperrkatalysator von der in Strömungsrichtung durch die Abgasanlage letzten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion mindestens 20 cm, vorzugsweise mindestens 30 cm, besonders bevorzugt mindestens 40 cm, beabstandet ist. Durch einen Anordnung des Ammoniak-Sperrkatalysators stromabwärts der letzten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden kann die Abgastemperatur in dem Ammoniak-Sperrkatalysator gegenüber der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden abgesenkt werden, sodass die Tendenz zur Neubildung von Stickoxiden durch den Ammoniak-Sperrkatalysator herabgesetzt wird.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the ammonia barrier catalyst is at least 20 cm, preferably at least 30 cm, particularly preferably at least 40 cm, away from the last exhaust gas aftertreatment component in the direction of flow through the exhaust system for selective, catalytic reduction. By arranging the ammonia blocking catalyst downstream of the last exhaust gas aftertreatment component for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, the exhaust gas temperature in the ammonia blocking catalyst can be lowered compared to the exhaust gas aftertreatment component for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, so that the tendency for the formation of new nitrogen oxides by the ammonia Slip catalyst is reduced.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts des ersten Katalysators ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters ein SCR-Katalysator angeordnet sind, wobei stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters ein erstes Dosierelement zur Eindosierung von Reduktionsmittel und stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators ein zweites Dosierelement zur Eindosierung von Reduktionsmittel angeordnet sind, wobei stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten Dosierelements eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt. Durch ein derartiges Abgasnachbehandlungssystem ist eine besonders effiziente Abgasnachbehandlung des Abgasstroms des Verbrennungsmotors möglich. Dabei können die Stickoxidemissionen durch die beiden Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion in allen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors minimiert werden. Ferner kann die Gefahr eines thermischen Austreibens von Ammoniak aus einer der Abgasnachbehandlungskomponenten durch einen entsprechende Beladungsstrategie minimiert werden, wodurch die Gefahr einer Stickoxid-Neubildung aus dem Ammoniak durch den Ammoniak-Sperrkatalysator verringert wird.In a preferred embodiment of the exhaust aftertreatment system, it is provided that in the exhaust system, downstream of the first catalytic converter, a particulate filter with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides and downstream of the particulate filter an SCR catalytic converter are arranged, with downstream of the first catalytic converter and upstream of the particulate filter being a first metering element for metering in reducing agent and downstream of the particle filter and upstream of the SCR catalytic converter a second metering element for metering in reducing agent is arranged, with downstream of the particle filter and upstream of the second metering element an exhaust gas recirculation line of a low-pressure exhaust gas recirculation branching off from the exhaust gas duct of the exhaust system. Such an exhaust gas aftertreatment system enables a particularly efficient exhaust gas aftertreatment of the exhaust gas stream of the internal combustion engine. The nitrogen oxide emissions can be minimized by the two exhaust gas aftertreatment components for selective, catalytic reduction at all operating points of the internal combustion engine. Furthermore, the risk of ammonia being expelled thermally from one of the exhaust gas aftertreatment components can be minimized by a corresponding loading strategy, as a result of which the risk of nitrogen oxide formation from the ammonia is reduced by the ammonia blocking catalytic converter.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, wobei in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch einen Abgaskanal der Abgasanlage ein motornaher erster Katalysator, ein Partikelfilter und mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind, wobei stromabwärts der letzten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein erfindungsgemäßer Ammoniak-Sperrkatalysator angeordnet ist, umfassend folgende Schritte:
- - Durchleiten eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch den Ammoniak-Sperrkatalysator, wobei
- - das in einem ersten Abgasteilstrom enthaltene Ammoniak (NH3) in einer Oxidationszone des Ammoniak-Sperrkatalysators zu Stickoxiden (NOx) oxidiert wird, wobei
- - das in einem zweiten Abgasteilstrom enthaltene Ammoniak (NH3) die Oxidationszone unverändert durchdringt, wobei
- - sich der erste Abgasteilstrom und der zweite Abgasteilstrom in einem Mischraum miteinander vermischen, und wobei
- - die im Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden (NOx) mit dem Ammoniak (NH3) auf dem SCR-Katalysator des Ammoniak-Sperrkatalysators konvertiert werden.
- - Passing an exhaust gas flow of the internal combustion engine through the ammonia slip catalyst, wherein
- - The ammonia (NH3) contained in a first partial exhaust gas stream is oxidized in an oxidation zone of the ammonia blocking catalyst to nitrogen oxides (NOx), wherein
- - The ammonia (NH3) contained in a second partial flow of exhaust gas penetrates the oxidation zone unchanged, wherein
- - The first partial flow of exhaust gas and the second partial flow of exhaust gas mix together in a mixing space, and wherein
- - the nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas flow are converted with the ammonia (NH3) on the SCR catalytic converter of the ammonia slip catalytic converter.
Zur Abgasnachbehandlung wird ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal des Verbrennungsmotors eindosiert und aus diesem Reduktionsmittel Ammoniak gebildet. Dieses Ammoniak wird in einer Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden eingespeichert, um die Stickoxide in molekularen Stickstoff und Wassersdampf zu konvertieren. Übersteigt die Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente eine Schwellentemperatur von etwa 380°C, so nimmt die Speicherkapazität für Ammoniak stark ab und das Ammoniak wird wieder freigesetzt, sodass es in den stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente befindlichen Teil des Abgasnachbehandlungssystems eingetragen wird. Um bei einem Hochlastbetrieb oder einer Regeneration eines Partikelfilters die Auswirkungen eines solchen Austrags von Ammoniak aus einer Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu verringern, ist stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente ein Ammoniak-Sperrkatalysator vorgesehen. Bei niedrigen Temperatur kann das auf den Ammoniak-Sperrkatalysator treffende Ammoniak in molekularen Stickstoff und Wasserdampf konvertiert werden. Dies geschieht beispielsweise bei einer Überdosierung von Reduktionsmittel, wenn also mehr Reduktionsmittel in den Abgaskanal eindosiert wird, als in der nachfolgenden Abgasnachbehandlungskomponenten eingespeichert werden kann. Hohe Temperaturen im Ammoniak-Sperrkatalysator führen jedoch dazu, dass dieses Ammoniak zu Stickoxiden oxidiert wird, sodass es zur Stickoxid-Neubildung auf dem Ammoniak-Sperrkatalysator kommt. Um einen Anstieg der Stickoxid-Endrohremissionen zu vermeiden ist vorgesehen, dass in diesem Falle nur ein Teil des Ammoniaks zu Stickoxiden aufoxidiert wird, sodass diese Stickoxide mit dem im Abgasstrom verbliebenen Ammoniak in einem weiteren SCR-Katalysator zu molekularen Stickstoff und Wasserdampf oxidiert werden können, sodass dieser Betriebszustand zu keinem signifikanten Anstieg der Endrohremissionen führt.For exhaust gas aftertreatment, a reducing agent, in particular an aqueous urea solution, is metered into the exhaust gas duct of the internal combustion engine and ammonia is formed from this reducing agent. This ammonia is stored in an exhaust aftertreatment component for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides in order to convert the nitrogen oxides into molecular nitrogen and water vapour. If the temperature of the exhaust aftertreatment component exceeds a threshold temperature of approximately 380°C, the storage capacity for ammonia decreases sharply and the ammonia is released again so that it is introduced into the part of the exhaust aftertreatment system located downstream of the exhaust aftertreatment component. In order to reduce the effects of such a discharge of ammonia from an exhaust gas aftertreatment component for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides during high-load operation or regeneration of a particle filter, an ammonia blocking catalyst is provided downstream of the exhaust gas aftertreatment component. At low temperatures, the ammonia that hits the ammonia slip catalyst can be converted into molecular nitrogen and water vapor. This happens, for example, when there is an overdose of reducing agent, ie when more reducing agent is metered into the exhaust gas duct than can be stored in the subsequent exhaust gas aftertreatment components. However, high temperatures in the ammonia blocking catalytic converter cause this ammonia to be oxidized to form nitrogen oxides, so that nitrogen oxides are newly formed on the ammonia blocking catalytic converter. In order to avoid an increase in nitrogen oxide tailpipe emissions, it is provided that in this case only part of the ammonia is oxidized to form nitrogen oxides, so that these nitrogen oxides can be oxidized with the ammonia remaining in the exhaust gas flow in a further SCR catalytic converter to form molecular nitrogen and water vapor. so that this operating condition does not lead to a significant increase in tailpipe emissions.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless stated otherwise in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Verbrennungsmotor mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem; -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; -
3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Ammoniak-Sperrkatalysator; -
4 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Ammoniak-Sperrkatalysator; -
5 ein weiteres bevorzugte Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Ammoniak-Sperrkatalysator; -
6 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors; -
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Ammoniak-Sperrkatalysator; -
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Ammoniak-Sperrkatalysator; -
9 einen Blick auf eine einlassseitige Stirnfläche eines erfindungsgemäßen Ammoniak-Sperrkatalysators; -
10 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ammoniak-Sperrkatalysators, wobei der Ammoniak-Sperrkatalysator als Wickelkatalysator aus zwei metallischen Folien ausgeführt ist; und -
11 einen Blick auf eine einlassseitige Stirnfläche eines als Wickelkatalysator ausgeführten Ammoniak-Sperrkatalysators.
-
1 an internal combustion engine with a preferred embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention; -
2 a further exemplary embodiment of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system according to the invention; -
3 a preferred embodiment of an ammonia slip catalyst according to the invention; -
4 a further preferred exemplary embodiment of an ammonia slip catalyst according to the invention; -
5 a further preferred exemplary embodiment of an ammonia barrier catalyst according to the invention; -
6 a flowchart for carrying out a method according to the invention for the exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine; -
7 a further exemplary embodiment of an ammonia slip catalyst according to the invention; -
8th a further exemplary embodiment of an ammonia slip catalyst according to the invention; -
9 a view of an inlet-side end face of an ammonia slip catalyst according to the invention; -
10 a preferred embodiment of an ammonia barrier catalyst according to the invention, wherein the ammonia barrier catalyst is designed as a wound catalyst made of two metallic foils; and -
11 a view of an inlet-side end face of an ammonia barrier catalyst designed as a wound catalyst.
Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als mittels eines Abgasturboladers 18 aufgeladener Verbrennungsmotor 10 ausgeführt, wobei eine Turbine 26 des Abgasturboladers 18 stromabwärts des Auslasses 16 und stromaufwärts der ersten emissionsmindernden Abgasnachbehandlungskomponente 28 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 100 verbunden, über welches u.a. die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes in die Brennräume 12 gesteuert werden.The
Die Abgasanlage 22 umfasst einen Abgaskanal 24, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 24 stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 18 als erste Abgasnachbehandlungskomponente ein motornaher erster Katalysator 28 angeordnet ist. Der ersten Katalysator 28 ist vorzugsweise als Oxidationskatalysator 30 oder als NOx-Speicherkatalysator 32 ausgeführt ist. Stromabwärts des motornahen ersten Katalysators 28 sind ein Partikelfilter 34 mit einer Beschichtung 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters 34, 36 ein SCR-Katalysator 38 angeordnet.The
Stromabwärts des SCR-Katalysators 38 ist ein Ammoniak-Sperrkatalysator 40 angeordnet, um den Austritt von Ammoniak aus einem Endrohr der Abgasanlage 22 zu verhindern. Der Ammoniak-Sperrkatalysator 40 ist von dem SCR-Katalysator um mindestens 20 cm beabstandet, sodass der Abgasstrom bei Eintreten in den Ammoniak-Sperrkatalysator 40 kühler als beim Verlassen des SCR-Katalysators 38 ist. Stromabwärts des motornahen ersten Katalysators 28 und stromaufwärts des Partikelfilters 34 ist ein erstes Dosierelement 50 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in den Abgaskanal 24 der Abgasanlage 22 vorgesehen. Dem ersten Dosierelement 50 ist ein erster Abgasmischer 52 nachgeschaltet, um eine verbesserte Gleichverteilung zwischen dem Abgasstrom und dem eindosiertem Reduktionsmittel vor dem Eintritt in den Partikelfilter 34 mit der SCR-Beschichtung 36 zu erreichen. Stromabwärts des Partikelfilters 34 zweigt an einer Verzweigung 66 eine Abgasrückführungsleitung 76 einer Niederdruck-Abgasrückführung 70 aus dem Abgaskanal 24 der Abgasanlage 22 ab, welche die Abgasanlage 22 mit einem nicht dargestellten Ansaugkanal stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers 18 verbindet. In der Abgasrückführungsleitung 76 sind ein Abgasrückführungsventil 74 und ein Abgasrückführungskühler 72 angeordnet.An ammonia slip
Stromabwärts der Verzeigung 66 ist in dem Abgaskanal 24 eine Abgasklappe 68 angeordnet, mit welcher der Abgaskanal 24 zumindest teilweise versperrt werden kann und somit der Abgasgegendruck in dem Abgaskanal 24 erhöht wird, um die Menge des über die Niederdruck-Abgasrückführung 70 zurückgeführten Abgases zu steuern.An
Stromabwärts der Verzweigung 66 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 38 ist ein zweites Dosierelement 54 vorgesehen, welchem ein zweiter Abgasmischer 56 nachgeschaltet ist, um eine verbesserte Gleichverteilung zwischen dem Abgasstrom und dem eindosiertem Reduktionsmittel vor dem Eintritt in den SCR-Katalysator 38 zu erreichen.A
Stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters 34 ist ein Differenzdrucksensor 62 angeordnet, um die Druckdifferenz über den Partikelfilter 34 zu ermitteln und somit die Beladung des Partikelfilters 34 abzuschätzen. Ferner ist in der Abgasanlage 22 mindestens ein Temperatursensor 60 vorgesehen, um die Abgastemperatur des Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 zu erfassen. Stromabwärts des Partikelfilters 34 mit der SCR-Beschichtung 36 ist ein NOx-Sensor 64 vorgesehen, um die Wirkung der Abgasnachbehandlungskomponente in Bezug auf die Reduktion von Stickoxiden zu kontrollieren. Stromabwärts des SCR-Katalysators 38 und stromaufwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators 40 kann ein weiteren NOx-Sensor 64 angeordnet sein, um die Stickoxidkonzentration stromabwärts des SCR-Katalysators 38 zu ermitteln und somit die Wirkung des Abgasnachbehandlungssystems 20 zu überprüfen.A
Der Ammoniak-Sperrkatalysator 40 kann einen Kühlmittelanschluss 92 und einen Kühlmittelrücklauf 94 zum Anschluss an einen Kühlmittelkreislauf 90 des Verbrennungsmotors 10 aufweisen. Der Kühlmittelkreislauf 90 weist zumindest eine Kühlmittelpumpe 98 auf, mit welcher das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf 90 gefördert wird. Der Kühlmittelkreislauf 90 weist ferner mindestens einen Kühler 96 auf, mit welchem die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf 90 reduziert werden kann.The
In
In
In
In
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In
In
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1414
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 1616
- Auslassoutlet
- 1818
- Abgasturbolader exhaust gas turbocharger
- 2020
- Abgasnachbehandlungssystemexhaust aftertreatment system
- 2222
- Abgasanlageexhaust system
- 2424
- Abgaskanalexhaust duct
- 2626
- Turbineturbine
- 2828
- erster Katalysator first catalyst
- 3030
- Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
- 3232
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalyst
- 3434
- Partikelfilterparticle filter
- 3636
- SCR-BeschichtungSCR coating
- 3838
- SCR-Katalysator SCR catalytic converter
- 4040
- Ammoniak-SperrkatalysatorAmmonia Slip Catalyst
- 4242
- Oxidationszoneoxidation zone
- 4444
- SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
- 4646
- SCR-ScheibeSCR disk
- 4848
- Gehäuse Housing
- 5050
- erstes Dosierelementfirst dosing element
- 5252
- erster Abgasmischerfirst exhaust mixer
- 5454
- zweites Dosierelementsecond dosing element
- 5656
- zweiter Abgasmischersecond exhaust mixer
- 5858
- dritter Abgasmischerthird exhaust mixer
- 6060
- Temperatursensortemperature sensor
- 6262
- Differenzdrucksensorendifferential pressure sensors
- 6464
- NOx-SensorNOx sensor
- 6666
- Verzweigungbranch
- 6868
- Abgasklappe exhaust flap
- 7070
- Niederdruck-AbgasrückführungLow-pressure exhaust gas recirculation
- 7272
- Abgasrückführungskühlerexhaust gas recirculation cooler
- 7474
- Abgasrückführungsventilexhaust gas recirculation valve
- 7676
- Abgasrückführungsleitungexhaust gas recirculation line
- 7878
- erste Wickelfolie first wrapping film
- 8080
- erster Kanalfirst channel
- 8282
- zweiter Kanalsecond channel
- 8484
- Edelmetallbeschichtungprecious metal coating
- 8686
- Mischraummixing room
- 8888
- zweite Wickelfolie second wrapping film
- 9090
- Kühlmittelkreislaufcoolant circuit
- 9292
- Kühlmittelanschlusscoolant connection
- 9494
- Kühlmittelrücklaufcoolant return
- 9696
- Kühlercooler
- 9898
- Kühlmittelpumpe coolant pump
- 100100
- Steuergerätcontrol unit
- 102102
- gelochte Wickelfolieperforated wrapping film
- 104104
- SCR-BeschichtungSCR coating
- 106106
- erster Monolithfirst monolith
- 108108
- zweiter Monolith second monolith
- 110110
- Wärmetauscherheat exchanger
- 112112
- Einschnürungconstriction
- 114114
- Stirnflächeface
- 116116
- keramischer Katalysatorceramic catalyst
- 118118
- Metallkatalysator metal catalyst
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-
2020
- 2020-06-11 DE DE102020207311.2A patent/DE102020207311B4/en active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified | ||
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |