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DE202005008146U1 - Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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DE202005008146U1
DE202005008146U1 DE200520008146 DE202005008146U DE202005008146U1 DE 202005008146 U1 DE202005008146 U1 DE 202005008146U1 DE 200520008146 DE200520008146 DE 200520008146 DE 202005008146 U DE202005008146 U DE 202005008146U DE 202005008146 U1 DE202005008146 U1 DE 202005008146U1
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particle filter
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Abstract

Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug, umfassend
wenigstens einen regenerierbaren Partikelfilter (18) und
einen dem Partikelfilter (18) nachgeschalteten SCR-Katalysator (22) mit Ammoniak-Speicherfähigkeit,
wobei kein eigener NOx Speicherkatalysator vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug.
  • Zur Einhaltung umweltgesetzlicher Vorgaben müssen die Abgase von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen einer Reinigung unterzogen werden. Namentlich werden bei Kraftfahrzeugen mit Dieselmotor oder mager betriebenem Benzinmotor (z.B. Benzin-Direkteinspritzer) zur Reduktion der partikelförmigen Emissionen der Abgase geeignete Partikelfilter eingesetzt. Derartige Partikelfilter müssen von Zeit zu Zeit regeneriert werden, indem die auf der Filteroberfläche angesammelten Partikel abgebrannt werden. Hierzu ist es bekannt, dem Partikelfilter einen Oxidationskatalysator vorzuschalten, der durch Oxidation einer im Abgasstrom befindlichen oxidierbaren Substanz die zum Abbrennen der Rußpartikel benötigte Wärme erzeugt.
  • Folglich ist es zur Regeneration des Partikelfilters von Zeit zu Zeit notwendig, das Abgas mit einer oxidierbaren Substanz, üblicherweise Kraftstoff, anzureichern. Zu diesem Zweck sind neben der Nacheinspritzung in den Brennraum des Motors Systeme bekannt, die ein (zusätzliches) Hochdruck-Kraftstoffeinspritzventil verwenden, das im Krümmerbereich der Abgasanlage angeordnet ist und Kraftstoff direkt in den Abgasstrom einspritzt. Ebenso bekannt sind Systeme mit einer Dosierpumpe, die eine bestimmte Kraftstoffmenge aus dem Tank oder aus einer Niederdruck-Kraftstoffleitung in eine Heizkammer eines Verdampfers leitet, wo der Kraftstoff verdampft und anschließend in den Abgasstrom eingebracht wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Abgasanlage zu schaffen, bei der zu keiner Zeit hohe NOx-Emissionen auftreten und gleichzeitig Ammoniakemissionen vermieden werden, und die sich darüber hinaus durch einen möglichst einfachen Aufbau und geringen Bauraumbedarf auszeichnet.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug erreicht, umfassend wenigstens einen regenerierbaren Partikelfilter und einen dem Partikelfilter nachgeschalteten SCR-Katalysator mit Ammoniak-Speicherfähigkeit, wobei kein eigener NOx-Speicherkatalysator vorgesehen ist. Die Erfindung nutzt also erstmalig einen SCR-Katalysator dazu, speziell die während der Regeneration des Partikelfilters auftretenden NH3-Spitzen im Abgas abzufangen, weshalb der SCR-Katalysator dem Partikelfilter nachgeschaltet wird. Problematisch bei derartig regenerierbaren Partikelfiltern ist, daß es während der Regenerationsphasen des Partikelfilters, bedingt durch den dann herrschenden Sauerstoffmangel, zur Freisetzung von NH3 am Partikelfilter kommt. Dies ist insbesondere der Fall, da der Partikelfilter für gewöhnlich sehr weit vom Motor entfernt angeordnet ist, weshalb das Abgas, das bereits mehrere Abgasreinigungskomponenten passiert hat, beim Durchströmen des Partikelfilters schon sehr stark abgekühlt ist. Dies wiederum hat zur Folge, daß zur Einleitung der Regeneration eine große Menge Kraftstoff eingebracht werden muß, was zu besonders fetten Bedingungen im Bereich des Partikelfilters und damit zu vergleichsweise starken NH3-Abscheidungen führt. Diese erschweren die Einhaltung umweltgesetzlicher Grenzwerte.
  • Üblicherweise werden SCR-Katalysatoren (vollkommen unabhängig von einer Einrichtung zur Partikelminderung) zur selektiven katalytischen Reduktion (kurz SCR) von bei der Verbrennung im Motor erzeugten Stickoxiden eingesetzt. Zu diesem Zweck wird dem Abgas Ammoniak als selektiv wirkendes Reduktionsmittel zugegeben und in einem auch als Denitrierungskatalysator bezeichneten SCR-Katalysator zwischengespeichert. Dieser verwendet das Ammoniak dazu, die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) katalytisch zu reduzieren, wobei Wasser und Stickstoff gebildet werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht folglich darin, daß das während der Regenerationsphasen des Partikelfilters gebildete Ammoniak im nachgeschalteten SCR-Katalysator gespeichert und somit aus dem emittierten Abgas entfernt wird und danach zum Umsatz von NOx zur Verfügung steht. Dadurch wird auch die sonst übliche Ammoniakzufuhr zum SCR-Katalysator überflüssig, da Ammoniak in der Abgasanlage selbst durch den Partikelfilter erzeugt wird. Ein eigener, bislang üblicherweise vorgesehener NOx Speicherkatalysator, der der reinen Speicherung von Stickoxiden dient, ist in der erfindungsgemäßen Anordnung nicht vorgesehen, wodurch sich ein besonders geringer Bauraumbedarf ergibt.
  • Dem Partikelfilter kann eine Oxidationskatalysatoreinheit vorgeschaltet sein, wobei natürlich Partikelfilter und Oxidationskatalysatoreinheit ein kombiniertes Bauteil mit einem gemeinsamen Einsatzkörper (Substrat) bilden können.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Regeneriervorrichtung für den Partikelfilter vorgesehen, mittels der eine oxidierbare Flüssigkeit in den Abgasstrom vor dem Partikelfilter eingebracht werden kann. Diese oxidierbare Flüssigkeit, bei der es sich insbesondere um Kraftstoff handelt, wird in der Oxidationskatalysatoreinheit verbrannt, um die Temperatur des Abgases im Bereich des Partikelfilters zu erhöhen und so die angesammelten Rußpartikel abzubrennen.
  • Vorzugsweise umfaßt die Regeneriervorrichtung eine Verdampfungseinheit, in der die oxidierbare Flüssigkeit vor dem Einbringen in den Abgasstrom verdampft wird. Auf diese Weise wird die eingebrachte Flüssigkeit gleich als Gas-Dampfgemisch ins Abgas eingespeist. Die Verdampfungseinheit als solche ist z.B. aus der EP 1 369 557 A1 bekannt und besteht aus einem kleinen Behälter, in dem die Flüssigkeit verdampft wird, wobei die benötigte Wärme durch ein im Behälter angeordnetes elektrisches Heizelement erzeugt wird. Anders als bei vergleichbaren Konzepten mit Flüssigkeitseindüsung benötigt der Verdampfer keine Druckdifferenz, um die Flüssigkeit zu zerstäuben. Die gasförmigen Moleküle vermischen sich sehr schnell mit dem Abgas, was zu einer gleichmäßigeren Verbrennung im unmittelbar nachgeschalteten Oxidationskatalysator führt. Gleichzeitig wird eine punktuelle Überhitzung des Oxidationskatalysators vermieden.
  • Alternativ kann die Regeneriervorrichtung eine Zerstäubungseinheit für die oxidierbare Flüssigkeit umfassen, wodurch sich insbesondere bei einem Einsatz in Nutzfahrzeugen gegenüber der Verdampfungseinheit Energie sparen läßt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Partikelfilter und der SCR-Katalysator eine gemeinsame, kombinierte Einheit mit einem gemeinsamen Einsatzkörper bilden, der üblicherweise ein monolithisches Keramiksubstrat ist. Dadurch lassen sich insbesondere bauraumbedingte Vorteile erzielen. Der SCR-Katalysator wird hier nur durch eine entsprechende Beschichtung des Keramiksubstrats auf der Abströmseite gebildet.
  • Der Einsatzkörper des Partikelfilters kann eine zusätzliche Beschichtung mit Ammoniakspeicherfähigkeit aufweisen. Der auch als Substrat bezeichnete Einsatzkörper kann alternativ zu einer Beschichtung natürlich auch mit einem ammoniakspeichernden Material getränkt sein. Ebenso denkbar ist es, ein solches Material (beispielsweise Zeolith) direkt als Wandmaterial des Substratkörpers einzusetzen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein weiterer, dem Partikelfilter vorgeschalteter SCR-Katalysator vorgesehen. Dieser dient der primären Reduktion von im Abgas befindlichen Stickoxiden, während der andere, dem Partikelfilter nachgeschaltete SCR-Katalysator dann lediglich die im Partikelfilter während der Regenerationsphase erzeugten Stickoxide reduziert. Auf diese Weise erhält man eine Abgasanlage, die Partikelminderung mit sehr effektiver Stickoxidminderung kombiniert.
  • Die beiden SCR-Katalysatoren können unterschiedliche katalytische Eigenschaften haben. Insbesondere weisen die SCR-Katalysatoren verschiedene thermische Empfindlichkeiten und katalytische Aktivitäten auf, um zu einer optimierten Stickoxidreduktion zu gelangen.
  • So ist der dem Partikelfilter nachgeschaltete SCR-Katalysator vorzugsweise sehr temperaturstabil. Dies ist wichtig, da im Bereich der Abgasanlage nach dem Partikelfilter, bedingt durch die Aufheizung desselben während der Regenerationsphasen, sehr hohe Temperaturen von bis zu 1000°C herrschen. Somit ist es möglich, für diese Position einen SCR-Katalysator zu wählen, der sehr temperaturbeständig, jedoch bezüglich der katalytischen Reduktion von Stickoxiden weniger aktiv ist.
  • Der dem Partikelfilter vorgeschaltete SCR-Katalysator hingegen ist vorzugsweise ein hochaktiver SCR-Katalysator, der große Mengen von Stickoxiden reduzieren kann. Da dieser SCR-Katalysator insbesondere in Motornähe angeordnet ist, in jedem Fall jedoch vor dem Partikelfilter, ist er weniger hohen Temperaturen, typischerweise unter 650°C, ausgesetzt. Daher kann bei diesem vorgeschalteten SCR-Katalysator das Hauptaugenmerk auf der katalytischen Aktivität liegen, wobei er gleichzeitig deutlich empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen sein kann als der andere, dem Partikelfilter nachgeschaltete SCR-Katalysator.
  • Da, wie soeben ausgeführt, der dem Partikelfilter vorgeschaltete SCR-Katalysator weniger hohen Temperaturen ausgesetzt ist, kann er Vanadin als katalytische Substanz enthalten. Dieses zeichnet sich durch seine hohe katalytische Aktivität und einen vergleichsweise geringen Preis aus, es ist jedoch vergleichsweise temperaturempfindlich. Die erfindungsgemäße Anordnung bietet jedoch den weiteren Vorteil, daß, sollte es durch kurzzeitige Temperaturspitzen des Motors zu geringfügigen Vanadiumabscheidungen des motornahen SCR-Katalysators kommen, sich dieses Vanadium auf dem nachgeschalteten Partikelfilter absetzt und daher nicht in die Umgebung abgegeben wird. Auf diese Weise erleichtert die erfindungsgemäße Ausgestaltung also den Einsatz von Vanadin in einem SCR-Katalysator auch bei restriktiven umweltgesetzlichen Vorgaben.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
  • 1 eine schematische Ansicht einer Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
  • 2 einen Ausschnitt aus einem Einsatzkörper einer Partikelfilter-SCR-Katalysator-Kombination, der bei einer Abgasanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zum Einsatz kommt.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt einer Abgasanlage 10 für ein Kraftfahrzeug, die über einen ersten Rohrabschnitt 12 an einen nicht gezeigten Krümmer anschließbar ist. Die Abgasanlage 10 weist in Strömungsrichtung des Abgases gesehen einen ersten SCR-Katalysator 14 auf, der über einen zweiten Rohrabschnitt 16 mit einem Partikelfilter 18 in Verbindung steht. Dem Partikelfilter 18 ist eine Oxidationskatalysatoreinheit 20 vorgeschaltet. Stromabwärts des Partikelfilters 18 schließ sich ein zweiter SCR-Katalysator 22 an, der über einen dritten Rohrabschnitt 24 mit einem nicht gezeigten Endbereich der Abgasanlage 10 verbunden ist.
  • Zur Regeneration des Partikelfilters 18 ist eine Regeneriervorrichtung 26 in Form einer Verdampfungseinheit vorgesehen, die im wesentlichen außerhalb des Abgasstroms stromaufwärts des Partikelfilters 18 (genauer: der vorgeschalteten Oxidationskatalysatoreinheit 20) angeordnet ist. Zur Einleitung der Regeneration des Partikelfilters 18 wird die Regeneriervorrichtung durch eine an sich bekannte Steuerung angesteuert, worauf eine auf den jeweiligen Betriebspunkt des Motors abgestimmte Menge oxidierbarer Flüssigkeit, insbesondere Kraftstoff z. B. aus dem Tank des Fahrzeugs in die Verdampfungseinheit gepumpt, dort verdampft und anschließend in den Abgasstrom im Bereich des zweiten Rohrabschnitts 16 eingebracht wird. Der dampfförmige Kraftstoff wird in der Oxidationskatalysatoreinheit 20 katalytisch verbrannt, wodurch dem Abgas Wärme zugeführt wird, so daß seine Temperatur zum Abbrennen der im nachgeschalteten Partikelfilter 18 angesammelten Rußpartikel ausreicht.
  • Das bei der Regeneration aufgrund Sauerstoffmangels im Partikelfilter 18 entstehende NH3 wird in dem dem Partikelfilter 18 nachgeschalteten SCR-Katalysator 22 unter Zuhilfenahme von vom Motor emittierten Nox zu Stickstoff und Wasser oxidiert, das für die Reduktion benötigte Ammoniak wird, wie bereits erläutert, bei der Regeneration des Partikelfilters 18 erzeugt und im SCR-Katalysator 22 zwischengespeichert. Daher kann beim SCR-Katalysator 22 auf eine Ammoniakzufuhr, beispielsweise in Form von eingebrachtem Harnstoff, aus dem durch Hydro- bzw. Thermolyse Ammoniak entsteht, verzichtet werden.
  • Der erste, dem Partikelfilter 18 vorgeschaltete SCR-Katalysator 14 dient in gewohnter Weise dazu, die Stickoxide zu reduzieren, die bei der Verbrennung im Motorraum entstehen. Im Gegensatz zum SCR-Katalysator 22 benötigt der SCR-Katalysator 14 aufgrund seiner Anordnung jedoch eine Reduktionsmittelzufuhr (Ammoniak wird ja erst stromabwärts des SCR-Katalysators 14 im Partikelfilter 18 erzeugt).
  • Da der SCR-Katalysator 14 in einem motornahen Bereich angeordnet ist, in dem vergleichsweise niedrige Temperaturen von unter 650°C herrschen, ist der SCR-Katalysator 14 ein temperaturempfindlicher, dafür jedoch hochgradig katalytisch aktiver Katalysator, der insbesondere Vanadin als katalytisch aktive Substanz enthält. Der zweite SCR-Katalysator 22, der unmittelbar stromabwärts des Partikelfilters 18 angeordnet ist, ist hingegen ein temperaturbeständiger SCR-Katalysator, da in diesem Bereich der Abgasanlage deutlich höhere Temperaturen von bis zu 1000°C vorherrschen. Da jedoch im Partikelfilter 18 während der Regenerationsphasen vergleichsweise wenig NOx erzeugt wird und das zuvor im Abgas enthaltene NOx ja bereits durch den SCR-Katalysator 14 reduziert wurde, kann der zweite SCR-Katalysator 22 eine deutlich niedrigere katalytische Aktivität aufweisen.
  • Alternativ zu der in 1 gezeigten Ausführung mit zwei SCR-Katalysatoren 14, 22 ist es ebenfalls möglich, nur einen SCR-Katalysator 22 zur Oxidation des bei der Regeneration des Partikelfilters 18 entstehenden NH3 vorzusehen. Der erste, dem Partikelfilter 18 vorgeschaltete SCR-Katalysator ist also rein optional.
  • Ein besonders geringer Bauraumbedarf der Abgasanlage 10 läßt sich erreichen, indem anstelle zweier getrennter Komponenten für Partikelfilter 18 und nachgeschalteten SCR-Katalysator 22 eine gemeinsame, kombinierte Einheit mit einem gemeinsamen Einsatzkörper 28 vorgesehen wird.
  • Ein solcher Einsatzkörper (oder Substratkörper) ist in 2 gezeigt. Der Einsatzkörper 28 weist ein extrudiertes keramisches Substrat mit einer Vielzahl parallel ausgebildeter Strömungskanäle auf. Diese sind abwechselnd als Eintrittskanäle 30 und Austrittskanäle 32 für den Abgasstrom ausgebildet, indem ihr (in Strömungsrichtung gesehen) hinteres bzw. vorderes Ende verschlossen ist. Der Abgasstrom tritt über die Eintrittskanäle 30 in den Einsatzkörper 28 ein, kann diesen jedoch nur wieder verlassen, indem das (poröse) Wandmaterial, das die Kanäle 30, 32 voneinander trennt und mit einer Oxidationsbeschichtung, z.B. in Form von Platin, versehen ist, durchströmt wird. Dabei lagern sich Rußpartikel 36 an den Zwischenwänden 34 zwischen Eintrittskanälen 30 und Austrittskanälen 32 ab. Die Wände 34 sind zusätzlich zu der Oxidationsbeschichtung austrittskanalseitig mit einer Zeolithbeschichtung 38 versehen, die das beim Regenerieren des Partikelfilters 18 durch Abbrennen der Rußpartikel 36 entstehende Ammoniak speichern kann und mit vom Motor emittierten NOx oxidiert. Der Einsatzkörper 28 kombiniert also die Funktionen des Partikelfilters 18 und des SCR-Katalysators 22.

Claims (13)

  1. Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens einen regenerierbaren Partikelfilter (18) und einen dem Partikelfilter (18) nachgeschalteten SCR-Katalysator (22) mit Ammoniak-Speicherfähigkeit, wobei kein eigener NOx Speicherkatalysator vorgesehen ist.
  2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Partikelfilter (18) eine Oxidationskatalysatoreinheit (20) vorgeschaltet ist.
  3. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Regeneriervorrichtung (26) für den Partikelfilter (18) vorgesehen ist, mittels der eine oxidierbare Flüssigkeit in den Abgasstrom vor dem Partikelfilter (18) eingebracht werden kann.
  4. Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneriervorrichtung (26) eine Verdampfungseinheit umfaßt, in der die oxidierbare Flüssigkeit vor dem Einbringen in den Abgasstrom verdampft wird.
  5. Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneriervorrichtung (26) eine Zerstäubungseinheit für die oxidierbare Flüssigkeit umfaßt.
  6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der oxidierbaren Flüssigkeit um Kraftstoff handelt.
  7. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (18) und der SCR-Katalysator (22) eine gemeinsame, kombinierte Einheit mit einem gemeinsamen Einsatzkörper (28) bilden.
  8. Abgasanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper (28) des Partikelfilters (18) eine zusätzliche Beschichtung (38) mit Ammoniak-Speicherfähigkeit aufweist.
  9. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer, dem Partikelfilter (18) vorgeschalteter SCR-Katalysator (14) vorgesehen ist.
  10. Abgasanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden SCR-Katalysatoren (14, 22) unterschiedliche katalytische Eigenschaften haben.
  11. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Partikelfilter (18) nachgeschaltete SCR-Katalysator (22) sehr temperaturstabil ist.
  12. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Partikelfilter (18) vorgeschaltete SCR-Katalysator (14) ein hochaktiver SCR-Katalysator ist.
  13. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Partikelfilter (18) vorgeschaltete SCR-Katalysator (14) Vanadin als katalytische Substanz enthält.
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