DE102014200092B4 - Anordnung zur Reduzierung von Emissionen eines Dieselmotors - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur Reduzierung von Emissionen eines Dieselmotors, miteinem Niederdruck-Abgasrückführungssystem, welches eine Abgasrückführungsschleife (44, 64, 74, 84) aufweist;einer innerhalb der Abgasrückführungsschleife vorgesehenen Einheit (47, 68, 78, 88), welche ein Dieselpartikelfiltersubstrat (45) in Kombination mit einem NOx-Speicherkatalysator (42a) aufweist; undeiner außerhalb der Abgasrückführungsschleife angeordneten Einheit (49, 69, 79, 89) aus einem NOx-Speicherkatalysator (42b) und einem passiven SCR-Katalysator (43).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Reduzierung von Emissionen eines Dieselmotors.
  • Zunehmend strenge Emissionsgrenzwerte für Kraftfahrzeuge mit Dieselmotor führen dazu, dass an die Emissionsreduzierung bzw. die Kombination aus Verbrennungsmotor und Abgasnachbehandlungsvorrichtung immer höhere Anforderungen gestellt werden.
  • Als Maßnahme zur Emissionsreduzierung auf Seiten des Verbrennungsmotors sind sogenannte Niederdruck-Abgasrückführungssysteme (LP-EGR= „Low Pressure-Exhaust Gas Recirculation“) entwickelt worden, welche die Abgasrückführung zu einem Ort innerhalb des Abgassystems verlagern, welcher stromabwärts des Dieselpartikelfilters (DPF) liegt. Das entsprechend saubere, d. h. vom Ruß gereinigte, zurückgeführte Abgas wird dann in den Luftstrom stromaufwärts des Kompressors zurück überführt und zirkuliert von Neuem durch den Verbrennungsmotor.
  • Auf Seiten des Abgases selbst haben die immer strengeren NOx-Grenzwerte vor allem zu zwei unterschiedlichen Abgasnachbehandlungstechnologien geführt, welche mögliche Lösungen für die Kontrolle der NOx-Emissionen (= Stickoxid-Emissionen) im Abgas darstellen. Eine dieser Lösungen ist der sogenannte NOx-Speicherkatalysator (LNT = „Lean NOx Trap“), dessen Funktionsprinzip darauf beruht, zunächst Stickoxide (NOx) unter mageren Abgasbedingungen zu speichern und dann unter Einstellung eines fetten, reduzierenden Abgasgemischs in einer Regenerationsphase umzuwandeln.
  • Die zweite Technologie zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) ist die selektive katalytische Reduktion in einem sogenannten SCR-Katalysator (SCR = „Selective Catalytic Reduction“ = „selektive katalytische Reduktion“), welches z.B. die Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom am SCR-Katalysator beinhaltet (= „Harnstoff-SCR-System“). Dabei wird die Reaktion des Harnstoffs zu Ammoniak (NH3) und Wasser (H2O) genutzt, wobei das am SCR-Katalysator gebildete Ammoniak (NH3) die Stickoxide (NOx) im Abgas zu Stickstoff (N2) reduziert.
  • Was die zuerst genannte Technologie, d. h. den NOx-Speicherkatalysator (LNT), betrifft, so ist es bereits bekannt, dass der NOx-Speicherkatalysator (LNT) bei Betrieb mit fettem Abgasgemisch (d.h. unter „fetten Betriebsbedingungen“) anstelle einer Umwandlung sämtlicher Stickoxide in Stickstoff (N2) auch Ammoniak (NH3) produziert, wobei das Ammoniak (NH3) von dem NOx-Speicherkatalysator (LNT) ausgestoßen wird.
  • In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bekannt, in einem kombinierten System aus einem NOx-Speicherkatalysator (LNT) und einem In-Situ-SCR (auch als passives SCR-System, kurz „pSCR“, bezeichnet) den SCR-Katalysator stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (LNT) anzuordnen, wobei der SCR-Katalysator dazu dient, das vom NOx-Speicherkatalysator (LNT) in fetten Betriebsphasen abgegebene Ammoniak (NH3) zu speichern. Das am SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniak kann zur Umwandlung zusätzlicher Stickoxide (NOx) verwendet werden, welche den NOx-Speicherkatalysator (LNT) bei Betrieb mit magerem Abgasgemisch (d. h. unter „mageren Betriebsbedingungen“) durchbrechen können.
  • Der Einsatz eines SCR-Katalysators besitzt zudem weitere Vorteile, wie z. B. die Möglichkeit zur Speicherung von Schwefelwasserstoff (H2S) und die Möglichkeit zu dessen Umwandlung während sogenannter Entschwefelungsphasen des NOx-Speicherkatalysators (LNT), in denen der NOx-Speicherkatalysator (LNT) hohen Temperaturen sowie fetten Betriebsbedingungen ausgesetzt wird, um Schwefel von dem NOx-Speicherkatalysator (LNT) abzuführen, welcher sich bevorzugt an den NOx-Speicherplätzen des NOx-Speicherkatalysators (LNT) ablagert.
  • Aus der US 2008 / 0 155 972 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsanordnung mit einem Niederdruck-EGR-System bekannt, wobei innerhalb einer Abgasrückführungsleitung ein Filter, ein Oxidationskatalysator sowie ein NOx-Speicher vorgesehen sind, und wobei außerhalb der Abgasrückführungsschleife ein SCR-Katalysator sowie im Abgasstrom stromabwärts hiervon ein weiterer Katalysator, z.B. in Form einer weiteren NOx-Speichervorrichtung, angeordnet sind.
  • Aus der EP 2 530 268 A1 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung bekannt, bei welcher ein Oxidationskatalysator und ein Dieselpartikelfilter in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine bauraumsparende Anordnung zur Reduzierung von Emissionen eines Dieselmotors bereitzustellen, welche eine effektivere Emissionsreduzierung und die Einhaltung strengerer Grenzwerte ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Reduzierung von Emissionen eines Dieselmotors weist auf:
    • - ein Niederdruck-Abgasrückführungssystem, welches eine Abgasrückführungsschleife aufweist;
    • - eine innerhalb der Abgasrückführungsschleife vorgesehene Einheit, welche ein Dieselpartikelfiltersubstrat in Kombination mit einem NOx-Speicherkatalysator aufweist; und
    • - eine außerhalb der Abgasrückführungsschleife angeordnete Einheit aus einem NOx-Speicherkatalysator und einem passiven SCR-Katalysator.
  • Dies erfindungsgemäße Ausgestaltung ist insofern vorteilhaft, als sich die Platzierung von zwei NOx-Speicherkatalysatoren (LNT) in zwei unterschiedlichen Temperaturfenstern sowie in Bereichen unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten für die NOx-Speicherung als günstig erweist. Dabei kann insbesondere für Stickoxide, welche den innerhalb der Abgasrückführungsschleife befindlichen NOx-Speicherkatalysator (LNT) infolge ungünstiger Temperatur- oder Strömungsbedingungen passieren, immer noch eine Aufnahme, Speicherung sowie Umwandlung im außerhalb der Abgasrückführungsschleife befindlichen NOx-Speicherkatalysator (LNT) und/oder im passiven SCR-Katalysator (welche sich u.U. in einem günstigeren Temperatur- bzw. Strömungsgeschwindigkeitsfenster befinden) erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform befindet sich stromaufwärts der innerhalb der Abgasrückführungsschleife vorgesehenen Einheit ein weiterer NOx-Speicherkatalysator, wodurch die NOx-Funktionalität weiter unterstützt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform befindet sich stromaufwärts der innerhalb der Abgasrückführungsschleife vorgesehenen Einheit ein Dieseloxidationskatalysator, was eine Entlastung des auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat vorhandenen NOx-Speicherkatalysators hinsichtlich der HC/CO-Funktionalität sowie auch eine Verbesserung der NO2-Erzeugung für den auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat vorhandenen NOx-Speicherkatalysator zu Folge hat.
  • Die Offenbarung umfasst weiter das Konzept, ein Niederdruck-EGR-System mit einer Abgasrückführungsschleife in Kombination mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung einzusetzen, welche einen NOx-Speicherkatalysator (LNT) und einen passiven SCR-Katalysator umfasst. Aufgrund der Kombination aus der motorseitigen NOx-Reduzierung über das Niederdruck-Abgasrückführungssystem einerseits mit der in der Abgasnachbehandlung wirkenden NOx-Reduzierung über den NOx-Speicherkatalysator und den SCR-Katalysator andererseits kann eine effektivere Emissionsreduzierung unter gleichzeitiger Optimierung unter Kosten-, Kraftstoffverbrauchs- sowie auch Bauraumaspekten erzielt werden. Hierbei wird insbesondere auch eine Realisierung in vergleichsweise kleinen Fahrzeugen bzw. Verbrennungsmotoren ermöglicht. Im Vergleich zum Einsatz aktiver SCR-Systeme wird außerdem der dort mit der Bereitstellung zusätzlicher Flüssigkeits- (z. B. Harnstoff-) Tanks einhergehende Bauraumbedarf sowie Kostenaufwand vermieden.
  • Die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators (LNT) sowie des passiven SCR-Katalysators im Abgassystem kann, wie im Weiteren noch näher erläutert, auf eine Vielzahl unterschiedlicher Arten erfolgen. In Ausführungsformen kann der NOx-Speicherkatalysator bzw. der Washcoat des NOx-Speicherkatalysators (im Folgenden: „LNT-Washcoat“) auf einem üblichen Durchflusssubstrat innerhalb der Schleife des Niederdruck-EGR-Systems (im Folgenden: „Abgasrückführungsschleife“) oder außerhalb der Abgasrückführungsschleife vorgesehen sein. Ferner kann der NOx-Speicherkatalysator bzw. der Washcoat des NOx-Speicherkatalysators innerhalb der Abgasrückführungsschleife auch auf dem Dieselpartikelfilter selbst vorgesehen sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der NOx-Speicherkatalysator (LNT) in motornaher Bauweise (= „close coupled“) in der Abgasrückführungsschleife angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der NOx-Speicherkatalysator (LNT) auch stromabwärts der Abgasrückführungsschleife in Kombination mit dem passiven SCR-Katalysator angeordnet sein.
  • Die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators in motornaher Bauweise innerhalb der Abgasrückführungsschleife kann je nach konkreter Anwendung bzw. je nach Fahrzyklus im Hinblick auf den Temperaturverlauf für das Anspringen des NOx-Speicherkatalysators sowie auch für das Erreichen eines für den Betrieb mit fettem Luft-/Kraftstoffgemisch optimalen Temperaturfensters vorteilhaft sein. Die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators außerhalb der Abgasrückführungsschleife kann je nach konkreter Anwendung bzw. je nach Fahrzyklus insofern vorteilhaft sein, als sich dann der NOx-Speicherkatalysator in einem anderen Temperaturfenster befindet und zudem die Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit der (z. T. über die Abgasrückführungsschleife geleiteten) Abgase geringer ist, was wiederum u. U. günstigere Umwandlungsbedingungen für die im Abgas vorhandenen Partikel zu Folge hat (wobei zudem auch keine Rückführung von NH3 oder H2S vom NOx-Speicherkatalysator in den Verbrennungsmotor stattfindet).
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Washcoat des passiven SCR-Katalysators („pSCR-Washcoat“) innerhalb der Abgasrückführungsschleife auf dem Dieselpartikelfilter angeordnet sein. Dies kann insofern vorteilhaft sein, als die Nachbehandlung im Hinblick auf NH3 und H2S erfolgen kann, bevor das Abgas die Abgasrückführungsschleife erreicht, wodurch negative Einflüsse der NH3- und H2S-Emissionen auf die entsprechenden Komponenten vermieden werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann auch ein erster NOx-Speicherkatalysator in motornaher Bauweise in der Abgasrückführungsschleife angeordnet sein, und eine Kombination aus einem weiteren NOx-Speicherkatalysator und dem passiven SCR-Katalysator ist außerhalb der Abgasrückführungsschleife angeordnet. Diese Ausgestaltung kann insofern vorteilhaft sein, als die Platzierung von NOx-Speicherkatalysatoren in zwei unterschiedlichen Temperaturfenstern sowie in Bereichen unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten für die NOx-Speicherung günstig ist, wobei insbesondere für Stickoxide, welche den ersten NOx-Speicherkatalysator infolge ungünstiger Temperatur- oder Strömungsbedingungen passieren, eine Aufnahme, Speicherung sowie Umwandlung im zweiten NOx-Speicherkatalysator und/oder im passiven SCR-Katalysator, welche sich u.U. in einem günstigeren Temperatur- bzw. Strömungsgeschwindigkeitsfenster befinden, erfolgen kann.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer Anordnung zur Reduzierung von Emissionen eines Dieselmotors; und
    • 2 - 8 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen der Erfindung.
  • Die Offenbarung beinhaltet insbesondere die Kombination eines Niederdruck-EGR-Systems (LP-EGR) mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, welche einen NOx-Speicherkatalysator (LNT) und einen passiven SCR-Katalysator beinhaltet, wie in den 1 bis 8 dargestellt ist. Dabei sind in 2 - 8 weitgehend analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit im Vergleich zur jeweils vorangehenden Figur um „10“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet.
  • Gemäß 1 und 2 kann ein NOx-Speicherkatalysator 12, 22 bzw. der LNT-Washcoat (z. B. auf einem üblichen Durchflusssubstrat) innerhalb der Abgasrückführungsschleife 14, 24 („LP-EGR-Schleife“) angeordnet sein.
  • Die in 1 gewählte Anordnung des NOx-Speicherkatalysators in motornaher Bauweise innerhalb der Abgasrückführungsschleife kann je nach konkreter Anwendung bzw. je nach Fahrzyklus im Hinblick auf den Temperaturverlauf für das Anspringen des NOx-Speicherkatalysators sowie auch für das Erreichen eines für den Betrieb mit fettem Luft-/Kraftstoffgemisch optimalen Temperaturfensters vorteilhaft sein. Zugleich wird über den (in einem anderen Temperaturfenster befindlichen) SCR-Katalysator die Möglichkeit zur passiven NOx-Umwandlung insbesondere auch dann geschaffen, wenn die Effizienz des NOx-Speicherkatalysators z. B. aufgrund zu hoher Betriebstemperaturen abnimmt.
  • Dabei können insbesondere, wie in 2 - 8 der Fall, NOx-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator als gemeinsame Einheit 29, 39, 49, 59, 69, 79, 89 ausgebildet sind, welche sich vollständig innerhalb oder vollständig außerhalb der Abgasrückführungsschleife 24, 34, 44, 54, 64, 74 bzw. 84 befindet.
  • Insbesondere kann gemäß 1 der NOx-Speicherkatalysator 12 bzw. der LNT-Washcoat innerhalb der Abgasrückführungsschleife 14 auch auf dem Dieselpartikelfilter 15 selbst angeordnet sein. Ferner kann gemäß 2 der passive SCR-Katalysator bzw. SCR-Washcoat auch auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat, z. B. in Form einer Beschichtung, aufgebracht sein (wobei diese Anordnung in 2 mit „23 bezeichnet ist). Die gemäß 2 gewählte Anordnung des passiven SCR-Katalysator in motornaher Bauweise auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat kann insofern vorteilhaft sein, als so die Nachbehandlung im Hinblick auf NH3 und H2S erfolgen kann, bevor das Abgas die Abgasrückführungsschleife 24 erreicht, wodurch negative Einflüsse der NH3- und H2S-Emissionen auf die entsprechenden Komponenten vermieden werden.
  • In weiteren Ausführungsformen kann, wie in 3 - 8 gezeigt ist, zumindest ein NOx-Speicherkatalysator bzw. LNT-Washcoat auch außerhalb der Abgasrückführungsschleife angeordnet sein.
  • Gemäß 3 ist ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) 36 vor einem Dieselpartikelfilter 35 bzw. Dieselpartikelfiltersubstrat in motornaher Bauweise (= „close coupled“) in der Abgasrückführungsschleife 34 vorgesehen, wohingegen eine Kombination aus NOx-Speicherkatalysator (LNT) 32 und passivem SCR-Katalysator 33 (Einheit 39) außerhalb der Abgasrückführungsschleife angeordnet ist. Diese Ausgestaltung kann insofern vorteilhaft sein, als die motornahe Anordnung des Dieseloxidationskatalysators (DOC) 36 und des Dieselpartikelfilters 35 bzw. Dieselpartikelfiltersubstrats für die Abgasnachbehandlung im Hinblick auf HC/CO zuständig sind, so dass NOx-Speicherkatalysator (LNT) 32 und passiver SCR-Katalysator 33 nur noch für die NOx-Emissionen zuständig sind (was sowohl hinsichtlich der an HC/CO ärmeren Umgebung des NOx-Speicherkatalysators 32 als auch der verbesserten NOx-Speicherung im NOx-Speicherkatalysator 32 vorteilhaft ist).
  • Gemäß 4 kann auch ein NOx-Speicherkatalysator (LNT) 42a in motornaher Bauweise (= „close coupled“) zusammen mit einem Dieselpartikelfilter 45 in der Abgasrückführungsschleife 44 angeordnet sein, wohingegen eine Kombination aus einem weiteren NOx-Speicherkatalysator (LNT) 42b und einem passiven SCR-Katalysator 43 (Einheit 49) außerhalb der Abgasrückführungsschleife 44 angeordnet ist. Diese Ausgestaltung kann insofern vorteilhaft sein, als die Platzierung von NOx-Speicherkatalysatoren (LNT) 42a, 42b in zwei unterschiedlichen Temperaturfenstern sowie in Bereichen unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten für die NOx-Speicherung günstig ist. Hierbei kann insbesondere für Stickoxide, welche den NOx-Speicherkatalysator (LNT) 42a infolge ungünstiger Temperatur- oder Strömungsbedingungen passieren, immer noch eine Aufnahme, Speicherung sowie Umwandlung im zweiten NOx-Speicherkatalysator (LNT) 42b und/oder im passiven SCR-Katalysator 43 (welche sich u.U. in einem günstigeren Temperatur- bzw. Strömungsgeschwindigkeitsfenster befinden) erfolgen.
  • Ferner können, wie bei den Ausführungen gemäß 5 - 8 der Fall, sowohl ein NOx-Speicherkatalysator (LNT) als auch ein passiver SCR-Katalysator kombiniert bzw. in einer Einheit 53, 63, 73 bzw. 83 außerhalb der Abgasrückführungsschleife 54, 64, 74 bzw. 84 angeordnet sein. 5 zeigt ein „Single Brick System“ 57 („SBS“, entsprechend einem Dieseloxidationskatalysator auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat) in motornaher Bauweise in der Abgasrückführungsschleife 54 sowie eine Einheit 59 aus NOx-Speicherkatalysator und passivem SCR-Katalysator außerhalb der Abgasrückführungsschleife 54. Diese Ausgestaltung weist zunächst vergleichbare Vorteile wie die zuvor unter Bezug auf 3 beschriebene auf, wobei hier eine weitere Bauraumeinsparung erzielt wird.
  • Gemäß 6 - 8 ist ein LNT-Washcoat auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat (in einer in 6 - 8 mit „68“, „78“ bzw. „88“ bezeichneten Anordnung) innerhalb der Abgasrückführungsschleife 64, 74 bzw. 84 vorgesehen.
  • Die Ausgestaltung gemäß 6 weist zunächst die zuvor unter Bezug auf 3 und 5 beschriebenen Vorteile auf, wobei hier ferner das Dieselpartikelfiltersubstrat zusätzlich auch die Funktionalität des NOx-Speicherkatalysators zur HC/CO- und NOx-Kontrolle auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat besitzt. Gemäß 7 befindet sich in einer ansonsten zu 6 analogen Anordnung ein weiterer NOx-Speicherkatalysator (LNT) 72 stromaufwärts der Anordnung 78 bzw. des darin befindlichen NOx-Speicherkatalysators, wodurch die NOx-Funktionalität weiter unterstützt wird. Bei der Ausgestaltung gemäß 8 erfolgt in ähnlicher Weise zu 7 eine Entlastung des in der Anordnung 88 auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat vorhandenen NOx-Speicherkatalysators hinsichtlich der HC/CO-Funktionalität sowie auch eine Verbesserung der NO2-Erzeugung für den auf dem Dieselpartikelfiltersubstrat vorhandenen NOx-Speicherkatalysator in der Anordnung 88.

Claims (3)

  1. Anordnung zur Reduzierung von Emissionen eines Dieselmotors, mit einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem, welches eine Abgasrückführungsschleife (44, 64, 74, 84) aufweist; einer innerhalb der Abgasrückführungsschleife vorgesehenen Einheit (47, 68, 78, 88), welche ein Dieselpartikelfiltersubstrat (45) in Kombination mit einem NOx-Speicherkatalysator (42a) aufweist; und einer außerhalb der Abgasrückführungsschleife angeordneten Einheit (49, 69, 79, 89) aus einem NOx-Speicherkatalysator (42b) und einem passiven SCR-Katalysator (43).
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromaufwärts der innerhalb der Abgasrückführungsschleife (74) vorgesehenen Einheit (78) ein weiterer NOx-Speicherkatalysator (72) befindet.
  3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromaufwärts der innerhalb der Abgasrückführungsschleife (84) vorgesehenen Einheit (88) ein Dieseloxidationskatalysator (86) befindet.
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