DE102022132207A1 - Exhaust aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem (1), das zur Behandlung eines aus der Verbrennung eines Verbrennungsmotors resultierenden Abgasstroms ausgebildet ist.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Dosiereinrichtung (2) umfasst ist, die zur Zugabe eines ersten Additivs in den Abgasstrom eingerichtet ist, wobei eine stromabwärts angeordnete Heizeinrichtung (3) umfasst ist, die zur Einbringung thermischer Energie eingerichtet ist, sowie weiter stromabwärts ein Oxidationskatalysator (4), der zur Oxidation von in den Abgasen enthaltenen Stickstoff-. Kohlenstoff- und Wasserstoffverbindungen eingerichtet ist.The invention relates to an exhaust gas aftertreatment system (1) which is designed to treat an exhaust gas flow resulting from the combustion of an internal combustion engine. The invention is characterized in that it comprises a first metering device (2) which is designed to add a first additive to the exhaust gas flow, a heating device (3) arranged downstream which is designed to introduce thermal energy and, further downstream, an oxidation catalyst (4) which is designed to oxidize nitrogen, carbon and hydrogen compounds contained in the exhaust gases.
Description
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem, das zur Behandlung eines aus der Verbrennung eines Verbrennungsmotors resultierenden Abgasstroms ausgebildet ist.The invention relates to an exhaust gas aftertreatment system which is designed to treat an exhaust gas flow resulting from the combustion of an internal combustion engine.
Die von Verbrennungsmotoren ausgestoßenen Abgase bestehen aus einer heterogenen Mischung, die beispielsweise gasförmige Emissionen aus Kohlenmonoxid (CO), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickoxiden (NOx) sowie Materialien in kondensierter Phase, die Partikelmaterial bilden können, enthalten. In einem Motorauslasssystem, beispielsweise bei einem Dieselmotor, sind daher Katalysatorsysteme vorgesehen, um bestimmte oder auch alle diese Abgasbestandteile in nicht limitierte Abgasbestandteile umzuwandeln und zu filtern.The exhaust gases emitted by internal combustion engines consist of a heterogeneous mixture containing, for example, gaseous emissions of carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NOx) as well as materials in the condensed phase that can form particulate matter. In an engine exhaust system, for example in a diesel engine, catalyst systems are therefore provided to convert some or all of these exhaust gas components into non-limited exhaust gas components and to filter them.
Bekannte Abgasnachbehandlungssysteme bestehen meist aus einem Oxidationskatalysator (DOC), einem Partikelfilter (DPF) und einem selektiven Reduktionskatalysator (SRC), angeordnet in dieser Reihenfolge. Ebenso können die Elemente beispielsweise genau andersrum angeordnet sein.Known exhaust aftertreatment systems usually consist of an oxidation catalyst (DOC), a particulate filter (DPF) and a selective reduction catalyst (SRC), arranged in this order. The elements can also be arranged the other way around, for example.
So zeigt die
Die
Das Abgasnachbehandlungssystem müssen nach heutigen Standards die Euro-VI-Gesetzgebung erfüllen. Für weitere noch kommende Standards, wie beispielsweise Euro-VII und höher, sind noch niedrigere Abgasgrenzwerte im Gespräch. Insbesondere bei einem Kaltstart sind daher bei bekannten Abgasnachbehandlungssystemen deutliche Leistungssteigerungen notwendig. Zukünftige Nachbehandlungssysteme müssen daher die vorgeschriebenen Emissionsparameter gewährleisten, die insbesondere NOx-, NO2-, NH3- und PN-Werte betreffen.According to current standards, the exhaust aftertreatment system must comply with Euro VI legislation. Even lower exhaust emission limits are being discussed for other upcoming standards, such as Euro VII and higher. Significant performance improvements are therefore required for existing exhaust aftertreatment systems, particularly during cold starts. Future aftertreatment systems must therefore guarantee the prescribed emission parameters, which particularly concern NOx, NO2, NH3 and PN values.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, welches die vorgenannten Anforderungen erfüllen kann.The object of the present invention is to provide an exhaust gas aftertreatment system which can meet the aforementioned requirements.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by an exhaust gas aftertreatment system having the features in
Den Kern des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems bildet eine erste Dosiereinrichtung, die zur Zugabe eines ersten Additivs in den Abgasstrom eingerichtet ist, wobei eine stromabwärts angeordnete Heizeinrichtung umfasst ist, die zur Einbringung thermischer Energie eingerichtet ist, sowie weiter stromabwärts ein Oxidationskatalysator, der zur Oxidation von in den Abgasen enthaltenen Stickstoff-. Kohlenstoff- und Wasserstoffverbindungen eingerichtet ist.The core of the exhaust gas aftertreatment system according to the invention is formed by a first metering device which is designed to add a first additive to the exhaust gas flow, comprising a heating device arranged downstream which is designed to introduce thermal energy, and further downstream an oxidation catalyst which is designed to oxidize nitrogen, carbon and hydrogen compounds contained in the exhaust gases.
Das Abgasnachbehandlungssystem dient zur Behandlung eines aus der Verbrennung eines Verbrennungsmotors resultierenden Abgasstroms und kann beispielsweise kommende Abgasgesetzgebungen, wie insbesondere Euro-VII, erfüllen. Insbesondere bei einem Kaltstart kann mit dem erfindungsmäßen Abgasnachbehandlungssystem eine deutliche Leistungssteigerung in Bezug zu bekannten Systemen erreicht werden. Dies kann insbesondere durch die Anordnung der Elemente, das heißt der ersten Dosiereinrichtung, der Heizeinrichtung und des Oxidationskatalysators, und war stromabwärts in dieser Reihenfolge, erzielt werden.The exhaust gas aftertreatment system is used to treat an exhaust gas flow resulting from the combustion of an internal combustion engine and can, for example, meet future exhaust gas legislation, such as Euro VII in particular. Particularly during a cold start, the exhaust gas aftertreatment system according to the invention can achieve a significant increase in performance compared to known systems. This can be achieved in particular by the arrangement of the elements, i.e. the first metering device, the heating device and the oxidation catalyst, and was downstream in this order.
Die Erfindung verbessert die Kaltstart-Emissionsleistung signifikant, während gleichzeitig ein minimaler Bauraum benötigt wird. Der Kern ist daher die Anordnung und Positionierung von Heiz-, Dosier- und Katalysatorvorrichtungen, um die maximale Gesamtsystemleistung zu erhalten. Insgesamt wird daher ein Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, das eine schnelle Erwärmung aller Komponenten bei einem Kaltstart ermöglicht. Dabei kann insbesondere eine NOx-Reduktion erzielt werden. Vorteilhafterweise kann gleichzeitig eine Beibehaltung von niedrigen PN-Werten sowie niedrigen Sekundäremissionen, wie insbesondere NH3 und NO2 gewährleistet werden.The invention significantly improves cold start emission performance while at the same time requiring minimal installation space. The core is therefore the arrangement and positioning of heating, dosing and catalyst devices in order to obtain maximum overall system performance. Overall, an exhaust aftertreatment system is therefore proposed that enables rapid heating of all components during a cold start. In particular, NOx reduction can be achieved. Advantageously, low PN values and low secondary emissions, such as NH3 and NO2 in particular, can be maintained at the same time.
Das erste Additiv kann beispielsweise ein HC- Kohlenwasserstoff sein. Andere Stoffe oder Stoffgemische sind ebenso denkbar.The first additive can be, for example, a HC hydrocarbon. Other substances or mixtures of substances are also conceivable.
Bevorzugt kann die Heizeinrichtung eine elektrische Heizung oder ein elektrisch beheizter Oxidationskatalysator sein. Ist die Heizeinrichtung als elektrische Heizung ausgebildet, kann beispielsweise das NO2/NOx- Verhältnis, das HC-Light-off, das SCR-Light-off und die Harnstoffaufbereitung verbessert werden. Anstelle einer elektrischen Heizung kann ebenso ein elektrisch beheizter Oxidationskatalysator eingesetzt werden. Hierbei kann der bereits erwähnte Oxidationskatalysator verwendet werden. Dieser kann ebenso thermische Energie abgeben. Weiterhin kann der elektrisch beheizte Oxidationskatalysator zur Oxidation von Verbindungen aus Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff im Abgas dienen.The heating device can preferably be an electric heater or an electrically heated oxidation catalyst. If the heating device is designed as an electric heater, the NO2/NOx ratio, the HC light-off, the SCR light-off and the urea preparation can be improved, for example. Instead of an electric heater, an electrically heated oxidation catalyst can also be used. The oxidation catalyst already mentioned can be used here. This can also release thermal energy. The electrically heated oxidation catalyst can also be used to oxidize compounds made of nitrogen, carbon and hydrogen in the exhaust gas.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann der elektrisch beheizte Oxidationskatalysator zusätzlich oder alternativ als Giftfänger dienen, wobei insbesondere chemische Elemente angesammelt werden können, die zu einer Deaktivierung der katalytischen Oberfläche führen können.In an advantageous embodiment, the electrically heated oxidation catalyst can additionally or alternatively serve as a poison scavenger, whereby in particular chemical elements can be accumulated which can lead to a deactivation of the catalytic surface.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass eine zweite Dosiereinrichtung dem Oxidationskatalysator nachgeschaltet ist, die dazu eingerichtet ist, dem Abgasstrom ein zweites Additiv zuzuführen. Bei dem zweiten Additiv kann es sich beispielsweise um eine Harnstofflösung handeln. Andere Lösungen, Stoffe oder Stoffgemische sind ebenso denkbar.According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that a second metering device is connected downstream of the oxidation catalyst, which is designed to supply a second additive to the exhaust gas flow. The second additive can be a urea solution, for example. Other solutions, substances or mixtures of substances are also conceivable.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein erster selektiver Reduktionskatalysator nach der zweiten Dosiereinrichtung angeordnet ist. Der erste selektive Reduktionskatalysator kann für eine Reduktion von Stickoxiden NOx im Abgasstrom, insbesondere unter Verwendung einer Harnstofflösung als zweites Additiv, herangezogen werden.According to an advantageous embodiment, it can be provided that a first selective reduction catalyst is arranged after the second metering device. The first selective reduction catalyst can be used for reducing nitrogen oxides NOx in the exhaust gas flow, in particular using a urea solution as a second additive.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass ein erster Schlupfkatalysator nach dem ersten selektiven Reduktionskatalysator angeordnet ist, der zur Oxidation von Additivrückständen und/oder zur Unterstützung des ersten Reduktionskatalysators dient. Durch den ersten Schlupfkatalysator kann beispielsweise NH3-Schlupf oxidieren. Die Oxidation von Additivrückständen und/oder die Unterstützung des ersten Reduktionskatalysators kann durch zusätzliche Reduktion von Stickoxiden NOx im Abgasstrom erfolgen.According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that a first slip catalyst is arranged after the first selective reduction catalyst, which serves to oxidize additive residues and/or to support the first reduction catalyst. The first slip catalyst can, for example, oxidize NH3 slip. The oxidation of additive residues and/or the support of the first reduction catalyst can take place through additional reduction of nitrogen oxides NOx in the exhaust gas flow.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass eine Zufuhr des zweiten Additivs in Abhängigkeit von einer Diesel-Partikelfilter-Temperatur erfolgt. Dadurch kann ausreichend NO2, insbesondere für eine passive Regeneration, bereitgestellt werden.According to an advantageous embodiment, it can be provided that the second additive is supplied depending on a diesel particle filter temperature. This allows sufficient NO2 to be provided, in particular for passive regeneration.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass dem erster Schlupfkatalysator ein Partikelfilter nachgeschaltet ist, der dazu eingerichtet ist, Rußpartikel zurückzuhalten und/oder zu oxidieren. Beispielsweise kann eine Oxidationsschicht, die auf den Partikelfilter aufgetragen werden kann, eine exotherme Reaktion zu einer Rußregeneration und/oder zu einer Entschwefelung der folgenden Katalysatoren führen. Vorteilhafterweise ist ein ausreichendes NO2/NOx-Verhältnis für eine N02-basierte Rußregeneration und/oder NOx-Reduktion an eventuell folgenden SCR-Katalysatoren vorgesehen.According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that a particle filter is connected downstream of the first slip catalyst, which is designed to retain and/or oxidize soot particles. For example, an oxidation layer that can be applied to the particle filter can lead to an exothermic reaction for soot regeneration and/or desulfurization of the following catalysts. Advantageously, a sufficient NO2/NOx ratio is provided for N02-based soot regeneration and/or NOx reduction on any subsequent SCR catalysts.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass eine dritte Dosiereinrichtung dem Partikelfilter nachgeschaltet ist, die dazu eingerichtet ist, dem Abgasstrom ein drittes Additiv zuzuführen. Bei dem dritten Additiv kann es sich um eine Harnstofflösung handeln. Andere Lösungen, Stoffe oder Stoffgemische sind ebenso denkbar.According to an advantageous embodiment, it can be provided that a third metering device is connected downstream of the particle filter, which is designed to supply a third additive to the exhaust gas flow. The third additive can be a urea solution. Other solutions, substances or mixtures of substances are also conceivable.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass ein zweiter selektiver Reduktionskatalysator nach der dritten Dosiereinrichtung angeordnet ist. Dadurch kann eine Reduktion von Stickoxiden NOx im Abgasstrom, insbesondere unter Verwendung des zweiten und/oder dritten Additivs, erreicht werden.According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that a second selective reduction catalyst is arranged after the third metering device. This makes it possible to achieve a reduction of nitrogen oxides NOx in the exhaust gas flow, in particular by using the second and/or third additive.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass ein zweiter Schlupfkatalysator nach dem zweiten selektiven Reduktionskatalysator angeordnet ist, der zur Oxidation von Additivrückständen und/oder zur Unterstützung des ersten Reduktionskatalysators dient. Dadurch kann vorteilhafterweise NH3-Schlupf oxidieren.According to an advantageous embodiment, it can be provided that a second slip catalyst is arranged after the second selective reduction catalyst, which serves to oxidize additive residues and/or to support the first reduction catalyst. This advantageously allows NH3 slip to oxidize.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.Further advantageous embodiments of the exhaust gas aftertreatment system according to the invention also emerge from the exemplary embodiment which is described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystem; -
2 eine weitere schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems.
-
1 a schematic representation of a possible embodiment of the exhaust gas aftertreatment system; -
2 another schematic representation of a possible embodiment of the exhaust gas aftertreatment system.
In der Darstellung der
Weiter stromabwärts ist ein Oxidationskatalysator 4 vorgesehen, der zur Oxidation von Stickstoff-, Kohlenstoff- und Wasserstoffverbindungen im Abgas dient. Der Oxidationskatalysator 4 kann zusätzlich als Giftfalle verwendet werden, um chemische Elemente zu sammeln, was zu einer Deaktivierung der katalytischen Oberfläche führen kann.Further downstream, an
Eine zweite Dosiereinrichtung 5 kann weiter stromabwärts angeordnet sein, und zwar nach dem ersten Oxidationskatalysator 4. Die zweite Dosiereinrichtung 5 wird insbesondere dazu verwendet, dem Abgasstrom ein zweites Additiv zuzuführen. Das zweite Additiv kann beispielsweise eine Harnstofflösung sein. Andere Stoffe, Lösungen oder Zusammensetzungen sind ebenso als zweites Additiv denkbar.A
Weiter stromabwärts kann ein erster selektiver Reduktionskatalysator 6 angeordnet sein, und zwar nach der zweiten Dosiereinrichtung 5. Der erste selektive Reduktionskatalysator 6 dient zur Reduktion von Stickoxiden NOx im Abgasstrom, und zwar unter Verwendung eines zweiten Additivs. Das zweite Additiv kann ebenso eine Harnstofflösung, oder eine andere Lösung enthalten.A first
Ein erster Schlupfkatalysator 7 kann weiter stromabwärts angeordnet sein, insbesondere um NH3 Schlupf zu oxidieren. Der Schlupfkatalysator 7 dient insbesondere dazu, einen Additivrückstand zu oxidieren und/oder den ersten Reduktionskatalysator 6 durch eine zusätzliche Reduktion von Stickoxiden in dem Abgasstrom zu unterstützen. Weiterhin kann eine Regelung der Zugabe des zweiten Additivs in Abhängigkeit von einer Dieselpartikelfilter-Temperatur (DPF-Temperatur) vorgesehen sein, um genügend NO2 für eine passive Regeneration bereitzustellen.A
Gemäß der dargestellten Ausführung kann weiterhin ein Partikelfilter 8 stromabwärts des ersten Schlupfkatalysators 7 angeordnet sein. Dieser ist insbesondere dazu ausgelegt, Rußpartikel zurückzuhalten und/oder zu oxidieren. Weiterhin kann eine oxidierende Beschichtung auf dem Partikelfilter 8 angebracht sein, um eine exotherme Reaktion zur Rußregeneration und Entschwefelung der folgenden Katalysatoren zu erzeugen. Vorteilhafterweise kann dadurch ebenso ein ausreichendes NO2/NOx-Verhältnis für eine NO2 basierte Rußregeneration und/oder NOx-Reduktion an den folgenden SCR-Katalysatoren bereitgestellt werden.According to the embodiment shown, a
Weiter stromabwärts kann eine dritte Dosiereinrichtung 9 vorgesehen sein, um ein drittes Additiv in den Abgasstrom abzugeben. Bei dem dritten Additiv kann es sich ebenso um eine Harnstofflösung, oder auch um eine andere Lösung oder Zusammensetzung handeln.Further downstream, a
Ein zweiter selektiver Reduktionskatalysator 10 kann stromabwärts der dritten Dosiereinrichtung 9 angeordnet sein. Dieser dient insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden im Abgasstrom unter Verwendung des zweiten und/oder des dritten Additivs.A second
Weiter stromabwärts kann ein zweiter Schlupfkatalysator 11 vorgesehen sein, um NH3-Schlupf zu oxidieren. Der zweite Schlupfkatalysator 11 ist insbesondere vorgesehen, um Additivrückstände zu oxidieren und/oder den zweiten Reduktionskatalysator 10 durch eine zusätzliche Reduktion von Stickoxiden NOx in dem Abgasstrom zu unterstützen.Further downstream, a
Eine weitere Ausführungsvariante des Abgasnachbehandlungssystems 1 ist in
Selbstverständlich lassen sich die beschriebenen Ausführungsvarianten des Abgasnachbehandlungssystems 1 in den
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102012209197 B4 [0004]DE 102012209197 B4 [0004]
- EP 3111067 B1 [0005]EP 3111067 B1 [0005]
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