DE10323385B4 - Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Abgasreinigungsanlage
für eine Brennkraftmaschine,
die in Strömungsrichtung
des Abgases gesehen einen Partikelfilter (1) und stromab des Partikelfilters
(1) mindestens einen Katalysator (2, 3, 4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Partikelfilter motornah in einem Abgaskrümmer oder vor oder nach einem Abgasturbolader angeordnet ist und
– der stromab des Partikelfilters (1) angeordnete mindestens eine Katalysator (2, 3, 4) einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi aufweist.
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Partikelfilter motornah in einem Abgaskrümmer oder vor oder nach einem Abgasturbolader angeordnet ist und
– der stromab des Partikelfilters (1) angeordnete mindestens eine Katalysator (2, 3, 4) einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Für die Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren sind heute Katalysatoren und Filter im Einsatz, die die Emission der Abgasbestandteile HC, CO, NOx und Partikel mindern. Nach dem Stand der Technik werden niederzellige Katalysatoren für Abgase mit hoher Partikelbeladung gewählt, so dass durch Partikel/Ruß keine Nachteile durch das Anlagern und/oder Verstopfen der Katalysatorwaben zu erwarten sind. Auf der anderen Seite kann die Anwendung von dünnwandigen hochzelligen Katalysatoren vorteilhaft sein, da diese einen geringeren Bauraum beanspruchen, ein besseres Anspringen bei tieferen Temperaturen (light-off temperature) zeigen und eine verbesserte Effektivität durch die Erhöhung ihrer geometrischen Oberfläche zur Folge haben. Bei Wabenkatalysatoren bedeutet dies eine Erhöhung ihrer Zelldichte. Die Verwendung hochzelliger Monolithe für die Reinigung von Dieselabgasen wird jedoch durch Dieselpartikel behindert.
- Aus der
DE 197 18 727 C2 ist ein Verfahren zur Behandlung des Abgases eines Dieselmotors zur Verminderung der Partikelemission durch Leiten des Dieselabgases durch zwei hintereinander geschaltete Dieselabgaskatalysatoren in Form von Wabenkörpern mit parallelen Strömungskanälen bekannt, deren Wandflächen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind. Der stromaufwärts befindliche erste Katalysator besitzt eine Zelldichte von weniger als 40 bis 80 Strömungskanälen pro Quadratzentimeter, während die Zelldichte des stromabwärts angeordneten zweiten Katalysators größer ist als die des ersten Katalysators. Durch diese Anordnung ist es möglich, für den zweiten Katalysator eine hohe Zelldichte zu wählen, die ohne Vorschaltung des niedrigzelligen Katalysators sehr schnell zu einer Verstopfung durch Abreaktion von Kohlenwasserstoffen und Dieselpartikeln führerwürde. - In der
DE 100 10 013 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einem Dieselmotor, und mindestens einer generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine sowie einer Heizvorrichtung zur Aufheizung eines Abgasstroms der Brennkraftmaschine und einem regenerierbaren Partikelfilter und/oder einem Abgaskatalysator offenbart. Die Heizvorrichtung ist stromaufwärts des Partikelfilters und/oder Abgaskatalysators angeordnet und wird von elektrischer Energie gespeist, die von der elektrischen Maschine im generatorischen Betriebszustand geliefert wird. Der Partikelfilter kann eine die Starttemperatur des Regenerationsvorgangs herabsetzende, katalytische Beschichtung aufweisen und mit der Heizvorrichtung sowie gegebenenfalls dem Abgaskatalysator in ein Auspuffelement integriert sein, das ein wärmeisolierendes Gehäuse aufweist. Durch die Heizvorrichtung soll die Temperatur des in den Partikelfilter strömenden Abgases, die ansonsten z.B. nur etwa 170°C beträgt, auf über 330°C oder, bei fehlender katalytischer Beschichtung des Partikelfilters, auf mehr als 600°C gesteigert werden, um den Partikelfilter zu regenerieren. -
DE 101 18 327 A1 offenbart eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Kraftfahrzeug-Dieselmotor, die in Abgasströmungsrichtung hintereinander einen katalytischen Konverter, insbesondere zur Umsetzung von Kohlenmonoxiden und Kohlenwasserstoffen, einen Oxidationskatalysator, insbesondere zur Umsetzung von im Abgas enthaltenem Stickstoffmonoxid, und eine Partikelfalle zum Auffangen von im Abgas enthaltenen Partikeln umfasst. Für den katalytischen Konverter und/oder den Oxidationskatalysator werden Strömungskanaldichten von mindestens 600 cpsi, insbesondere größer als 1000 cpsi, vorgeschlagen, für die Partikelfalle Kanaldichten von größer 200 cpsi, insbesondere von 400 cpsi oder 600 cpsi. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die es gestattet, Wabenkatalysatoren mit sehr hohen Zelldichten für die Reinigung von Dieselabgasen einzusetzen, da eine weitere Verschärfung der Abgasgrenzwerte für Dieselmotoren nicht nur eine Reduktion der Partikelemissionen, sondern auch eine weitere Verbesserung der Abgasgrenzwerte für gasförmige Schadstoffe notwendig macht.
- Erfindungsgemäß ist hierzu eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen motornah einen Partikelfilter und stromab des Partikelfilters mindestens einen Katalysator aufweist, bei der der stromab des Partikelfilters angeordnete mindestens eine Katalysator einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi, vorzugsweise von etwa 900 bis 1600 cpsi, aufweist.
- Eine nach Anspruch 2 weitergebildete Abgasreinigungsanlage ist mit einer katalytischen Beschichtung versehen.
- Ferner ist gemäß Anspruch 3 der stromab des Partikelfilters angeordnete mindestens eine Katalysator ein NOx-Speicherkatalysator und/oder ein SCR-Katalysator.
- In einer vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 4 weist der stromab des Partikelfilters angeordnete mindestens eine Katalysator die Funktionen eines NOx-Speicherkatalysators und eines SCR-Katalysators auf.
- Durch die Anordnung des Partikelfilters an erster Stelle hinter dem Motor ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen erfährt der Filter in der motornahen Einbauposition höhere Betriebstemperaturen, d.h. er profitiert von dem sogenannten CRT-Effekt (Continuous Regeneration Trap), der Reaktion zwischen NOx und Ruß. Dies führt zu einer permanenten Rußregeneration des Partikelfilters, wodurch die Häufigkeit der aktiven Filterregenerationen deutlich abgesenkt werden kann. Zum anderen entfallen alle Einschränkungen bei der Katalysator- und/oder Trägerauswahl, da die Verunreinigungen aus dem Dieselabgas durch den vorgeschalteten Partikelfilter entfallen. Vorteilhafterweise können daher leistungsfähigere hochzellige Katalysatoren zum Einsatz kommen, die durch die vorbeschriebenen Partikelemissionen sonst schnell zugesetzt würden. Der Einsatz hochzelliger Katalysatoren im Anschluß an den Partikelfilter äußert sich in vorteilhafter Weise in einer Volumeneinsparung, einem verbesserten Kaltstartverhalten und einem besseren Umsatz bei der Schadstoffreduktion. Ferner kann aufgrund der höheren geometrischen Oberfläche die Schichtdicke der Katalysatorbeschichtung mit Edelmetallen reduziert werden. Dies vermindert auch die Transporthemmungen der ablaufenden chemischen Prozesse. Zudem werden ferner alle festen (z.B. Zn, P, Ca, Fe) und größtenteils auch Schwefel-haltige Verunreinigungen im Partikelfilter, die zu Vergiftungserscheinigungen der nachfolgenden Komponenten führen können, zurückgehalten. Damit verbessert sich als ein weiterer Vorteil das Alterungsverhalten dieser nachgeschalteten Komponenten wie z.B. Katalysatoren, Sensoren etc., und erhöht damit die Lebensdauer dieser Komponenten nachhaltig. Es können auch Sensoren Einsatz finden, die normalerweise im partikelbeladenen Abgas nicht verwendet werden konnten.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mehrere bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Dabei zeigt in beispielhafter Weise:
-
1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Abgasnachbehandlung aus dem Stand der Technik, -
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, -
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, -
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung. - Die schematische Darstellung der
1 zeigt eine Anordnung zur Abgasnachbehandlung aus dem Stand der Technik. Hierbei werden Partikelfilter und Katalysatoren im Abgas von Verbrennungsmotoren kombiniert eingesetzt. In1 wird der Partikelfilter1 , dessen Aktivität temperaturunabhängig ist, motorfern eingebaut und andere Katalysatoren A, B, C zur Reduktion der gasförmigen Schadstoffe, die höhere Temperaturen für ihre Aktivitäten benötigen, möglichst motornah. Aus dieser Anordnung ergibt sich ein frühes Anspringen der Katalysatoren nach dem Kaltstart. Die Zelldichte der Katalysatoren wird hier durch die Partikel aus dem Abgas limitiert, um ein Verstopfen der Zellen zu vermeiden. - Die erfindungsgemäße Anordnung zur Abgasnachbehandlung in
2 zeigt einen motornah angeordneten Partikelfilter1 . Dies bedeutet, dass der Partikelfilter1 entweder im Abgaskrümmer oder vor oder nach dem Abgasturbolader des Dieselmotors angeordnet sein kann. Der Partikelfilter1 ist regenerierbar, wobei im Falle der Rußabscheidung im Dieselmotor-Abgasstrang die Regeneration durch die Oxidation des Rußes entweder durch Stickstoffdioxid (NO2) bei einer Temperatur oberhalb von etwa 200°C oder mit Luft bzw. Sauerstoff (O2) thermisch bei z.B. Temperaturen oberhalb 500°C oder durch Einspritzung eines Additivs (z.B. eine Cer-Verbindung) erfolgt. Die Rußregeneration mittels NO2 über den Mechanismus der „Continuous Regeneration Trap" nach C + 2 NO2 → CO2 + 2 NO erfordert jedoch entweder einen Oxidationskatalysator vor dem Partikelfilter1 zur Oxidation des NO zu NO2 oder einen Partikelfilter1 mit einer entsprechenden katalytischen Beschichtung. - Stromab des Partikelfilters
1 ist mindestens ein Katalysator2 ,3 ,4 angeordnet, der einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi, vorzugsweise einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 1600 cpsi aufweist. Zur Abgasnachbehandlung finden Metall-, bevorzugt jedoch Keramik-Katalysatoren Einsatz. Die verwendeten Katalysatoren im Ausführungsbeispiel von2 sind vorzugsweise ein NOx-Speicherkatalysator (NSK) (2 ) oder ein SCR-Katalysator (3 ). Bei Verwendung schwefelhaltiger Kraftstoffe der heute üblichen Art werden an den katalytisch wirksamen Oberflächen der zur Abgasreinigung von mager betriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzten Katalysatoreinrichtungen, wie z.B. den NOx-Speicherkatalysatoren stets auch stabile Sulfate gebildet, die zu einer schleichenden Vergiftung und damit zu einer allmählichen Desaktivierung der verwendeten Katalysatoreinrichtung führen. Die Verwendung von hochzelligen Katalysatoren führt daher in vorteilhafter Weise außer den bereits genannten Vorteilen noch zu einer Verbesserung der NOx- und der SOx-Regeneration des NSK. Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Entschwefelung eines der Partikelfalle nachgeschalteten NSK-Katalysators werden auch sulfathaltige Bestandteile im Filter reduziert und führen somit günstigerweise zu einer Verminderung des Asche-induzierten Gegendrucks. -
3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Variante der Anordnung zur Abgasnachbehandlung von1 , wobei der Übersichtlichkeit halber für gleiche oder gleichwirkende Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet werden und insoweit auf die obige Beschreibung zu1 verwiesen werden kann. Im übrigen gelten die in2 und im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Vorteile ebenfalls für die erfindungsgemäße Ausführung in3 und alle nachgenannten Ausführungsformen. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung von3 beinhaltet in Abgasströmungsrichtung hinter einer Brennkraftmaschine, dem motornah angeordneten Partikelfilter1 nachgeschaltet, einen NOx-Speicherkatalysator (NSK) (2 ) und im Anschluß daran einen SCR-Katalysator (3 ). Die Reihenfolge kann auch umgekehrt gewählt werden, so dass der SCR-Katalysator (3 ) vor dem NOx-Speicherkatalysator (NSK) (2 ) angeordnet ist. - Eine weitere erfindungsgemäße Variante ist in
4 dargestellt, in dem hinter dem Partikelfilter1 eine integrierte Abgaskatalysatoreinheit (4 ) mit NOx-Speicherkatalysator- (NSK) und SCR-Katalysator-Funktion angeordnet ist. - Hinter allen genannten Ausführungsbeispielen können noch weitere zur Abgasnachbehandlung hilfreiche Komponenten angeordnet sein.
Claims (4)
- Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen einen Partikelfilter (
1 ) und stromab des Partikelfilters (1 ) mindestens einen Katalysator (2 ,3 ,4 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Partikelfilter motornah in einem Abgaskrümmer oder vor oder nach einem Abgasturbolader angeordnet ist und – der stromab des Partikelfilters (1 ) angeordnete mindestens eine Katalysator (2 ,3 ,4 ) einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi aufweist. - Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (
1 ) mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist. - Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stromab des Partikelfilters (
1 ) angeordnete mindestens eine Katalysator ein NOx-Speicherkatalysator (2 ) und/oder ein SCR-Katalysator (3 ) ist. - Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stromab des Partikelfilters (
1 ) angeordnete mindestens eine Katalysator (4 ) die Funktionen eines NOx-Speicherkatalysators und eines SCR-Katalysators aufweist.
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