DE112006003231T5 - Mehrstufiges System zur selektiven katalytischen Reduktion - Google Patents

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James Joshua Dunlap Driscoll
David M. Dunlap Milam
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Caterpillar Inc
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Abstract

Verfahren zur Steuerung von Stickoxyd-Emissionen, welches Folgendes aufweist:
Erzeugen eines Abgasstroms (11), der NOx enthält;
Liefern des Abgasstroms zu einem Abgasdurchlass (12);
Liefern von Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer Stelle stromaufwärts eines ersten Katalysators (18) zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei die Menge des an der ersten Stelle gelieferten Ammoniaks weniger als ungefähr 90% der effektiven Menge des Ammoniaks ist, die zur Reduktion des gesamten NOx an der ersten Stelle benötigt wird; und
Liefern von Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer zweiten Stelle stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und stromaufwärts eines zweiten Katalysators (22) zur selektiven katalytischen Reduktion.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung bezieht sich allgemein auf Abgasreinigungssysteme und insbesondere auf Systeme zur selektiven katalytischen Reduktion mit mehreren Katalysatoren.
  • Hintergrund
  • Die selektive katalytische Reduktion (SCR) sieht ein Verfahren zur Entfernung von Stickoxydemissionen (NOx) aus mit fossilem Brennstoff angetriebenen Systemen für Motoren, Fabriken und Leistungserzeugungseinrichtungen vor. Während der selektiven katalytischen Reduktion erleichtert ein Katalysator eine Reaktion zwischen ausgestoßenem Ammoniak und NOx, um Wasser und Stickstoffgas zu erzeugen, wodurch NOx aus dem Abgas entfernt wird. Im Allgemeinen wird der Abgasammoniak mit einem Abgasstrom stromaufwärts eines SCR-Katalysators gemischt. Der Ammoniak kann direkt in den Abgasstrom geliefert werden oder kann als Harnstoff geliefert werden, der unter geeigneten Bedingungen in Ammoniak umgewandelt werden kann.
  • Um die NOx-Entfernung aus dem Abgasstrom zu optimieren, während eine Abgabe von potentiell schädlichem Ammoniak oder Harnstoff verhindert wird, werden das NOx und der Ammoniak im Allgemeinen ungefähr mit Verhältnissen von eins zu eins geliefert. Es kann jedoch schwierig sein, die Mengen an Ammoniak und NOx anzupassen, die in das SCR-System fließen. Auch wenn die Verhältnisse perfekt angepasst sind, kann weiterhin ein Teil des NOx aufgrund einer nicht adäquaten Vermischung, kurzen Abgasdurchlaufzeiten oder nicht optimalen Katalysatorbetriebsbedingungen nicht reduziert werden. Daher werden verbesserte SCR-Systeme benötigt, die eine bessere NOx-Entfernung vorsehen.
  • Ein System zur Steuerung von NOx-Emissionen wird in der Patentveröffentlichung WO2004/058642 offenbart, die von Valentine am 17. Dezember 2003 eingereicht wurde (im Folgenden die '642-Veröffentlichung). Die '642-Veröffentlichung sieht ein mehrstufiges NOx-Reduktionssystem vor. Das System kann mehrere Katalysatoren aufweisen, die bei unterschiedlichen Temperaturbereichen wirksam sind und Einspritzvorrichtungen haben, die mit jedem assoziiert sind.
  • Während das System der '642-Veröffentlichung eine geeignete NOx-Emissionssteuerung für manche Anwendungen vorsehen kann, kann das System der '642-Veröffentlichung verschiedene Nachteile haben. Beispielsweise kann das System der '642-Veröffentlichung eine an Bord vorgesehene Speicherung von Reduktionsmitteln erfordern, was beträchtlichen Raum erfordern kann und riskant sein kann. Weiterhin kann das System der '642-Veröffentlichung mehr Reduktionsmittel verwenden als nötig ist, wodurch Chemikalien verschwendet werden und möglicherweise das Reduktionsmittel in die Umgebung ausgelassen wird. Weiterhin kann das System der '642-Veröffentlichung keine optimale NOx-Emissionssteuerung für manche Anwendungen bieten.
  • Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, einen oder mehrere Nachteile der NOx-Emissionssteuersysteme des Standes der Technik zu überwinden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zur Steuerung von Stickoxydemissionen auf. Das Verfahren kann aufweisen, einen Abgasstrom zu erzeugen, der NOx enthält, und den Abgasstrom zu einem Abgasdurchlass zu liefern. Das Verfahren kann weiter aufweisen, Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer Stelle stromaufwärts eines ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion zu liefern, wobei die Menge des an der ersten Stelle gelieferten Ammoniaks weniger als ungefähr 90% der effektiven Menge an Ammoniak ist, die für die Reduktion des gesamten NOx an der ersten Stelle benötigt wird. Weiterhin kann Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer zweiten Stelle stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und stromaufwärts eines zweiten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion geliefert werden.
  • Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein System zur selektiven katalytischen Reduktion auf. Das System kann einen Abgasdurchlass aufweisen, einen ersten Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasdurchlass, und einen zweiten Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion, der stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasdurchlass angeordnet ist. Das System kann weiter ein Ammoniakerzeugungssystem aufweisen, welches konfiguriert ist, um Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer Stelle stromaufwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und/oder des zweiten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion zu liefern.
  • Ein dritter Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein NOx-Emissionssteuersystem auf. Das System kann einen Motor aufweisen, der konfiguriert ist, um einen NOx enthaltenden Abgasstrom zu erzeugen, und einen Abgasdurchlass, der konfiguriert ist, um den NOx enthaltenden Abgasstrom aufzunehmen. Ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion kann in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasdurchlass sein, und ein zweiter Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion kann stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasdurchlass angeordnet sein. Ein Ammoniakerzeugungssystem kann konfiguriert sein, um Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer ersten Stelle stromaufwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion zu liefern. Eine Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die Menge des vom Motor erzeugten NOx und die Menge des von dem Ammoniakerzeugungssystem gelieferten Ammoniaks zu überwachen, und um die Menge des Ammoniaks, die an der ersten Stelle geliefert wird und die Menge des NOx an der ersten Stelle zu steuern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung mit eingeschlossen sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsbeispiele der Offenbarung und dienen zusammen mit der geschriebenen Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien des offenbarten Systems. In den Zeichnungen stellen die Figuren Folgendes dar:
  • 1 veranschaulicht einen Motor und ein Abgassystem, welches ein System zur selektiven katalytischen Reduktion gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel aufweist.
  • 2 veranschaulicht einen Motor und ein Abgassystem, welches ein System zur selektiven katalytischen Reduktion mit einer an Bord liegenden Ammoniakerzeugung gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel aufweist.
  • 3 veranschaulicht einen Motor und ein Abgassystem, welches ein System zur selektiven katalytischen Reduktion mit einer an Bord liegenden Ammoniakerzeugung gemäß einem weiteren beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel aufweist.
  • 4 veranschaulicht einen Motor und ein Abgassystem, welches ein System zur selektiven katalytischen Reduktion mit einer an Bord liegenden Ammoniakerzeugung gemäß einem weiteren beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel aufweist.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 veranschaulicht einen Motor 10 und ein Abgassystem 14, welches ein System 16 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-System) gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel aufweist. Eine Verbrennung im Motor 10 kann einen NOx enthaltenden Abgasstrom 11 erzeugen, der in den Auslass- bzw. Abgasdurchlass 12 des Abgassystems 14 fließen kann. Der Abgasstrom 11 kann stromabwärts zu Katalysatoren 18, 22 des SCR-Systems 16 fließen.
  • Das SCR-System 16 kann mehrere SCR-Katalysatoren 18, 22 und mehrere Ammoniak-Liefersysteme 26, 30 aufweisen. Wie gezeigt, können der erste SCR-Katalysator 18 und der zweite SCR-Katalysator 22 in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasdurchlass 12 sein, und der zweite SCR-Katalysator 22 kann stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 18 angeordnet sein. Weiterhin kann das erste Ammoniak-Liefersystem 26 konfiguriert sein, um Ammoniak zum Abgasdurchlass 12 stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 18 zu liefern, und das zweite Ammoniak-Liefersystem 30 kann konfiguriert sein, um Ammoniak zum Abgasdurchlass 12 stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 18 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 22 zu liefern.
  • Die SCR-Katalysatoren 18, 22 können eine Vielzahl von unterschiedlichen Katalysatorarten aufweisen. Beispielsweise kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Katalysatorsubstratmaterialien, Waschbeschichtungszusammensetzungen und Strukturen ausgewählt werden. Die speziellen Katalysatorarten können basierend auf den Kosten, dem erwünschten Betriebstemperaturbereich, der Menge des während der Anwendung erwartungsgemäß erzeugten NOx und/oder basierend auf irgendeinem anderen geeigneten Faktor ausgewählt werden. Weiterhin können der erste SCR-Katalysator 18 und der zweite SCR-Katalysator 22 unterschiedliche Katalysatorarten aufweisen.
  • Die Ammoniak-Liefersysteme 26, 30 können eine Vielzahl von geeigneten Ammoniak-Liefersystemen aufweisen. Wie in 1 gezeigt, weisen die Ammoniak-Liefersysteme 26, 30 beispielsweise zwei Einspritzvorrichtungen auf. Wie gezeigt, können die Flüssigkeitseinspritzvorrichtungen konfiguriert sein, um flüssigen Harnstoff in den Abgasdurchlass 12 zu liefern, wo er in Ammoniak umgewandelt werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen kann mindestens ein Ammoniak-Liefersystem 26, 30 ein an Bord liegendes Ammoniakerzeugungssystem aufweisen, wie in den 2–4 gezeigt.
  • Die Ammoniak-Liefersysteme 26, 30 können konfiguriert sein, um die Vermischung von Ammoniak und/oder Harnstoff mit dem Abgasstrom 11 zu erleichtern. Beispielsweise können die Ammoniak-Liefersystem 26, 30 Einspritzsysteme aufweisen, die um den Umfang des Abgasdurchlasses 12 verteilt sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Abgasdurchlass 12 andere geeignete Mischsysteme aufweisen. Beispielsweise kann der Abgasdurchlass 12 ein oder mehrere Sitze von Mischventilen 28, 32, Gitter, einen perforierten Raum oder eine andere geeignete Struktur aufweisen, um die Vermischung von Ammoniak mit dem Abgasstrom 11 zu erleichtern.
  • In einigen Ausführungsbeispielen kann das erste Ammoniak-Liefersystem 26 konfiguriert sein, um eine Menge an Ammoniak zu liefern, die geringer ist als die effektive Menge an Ammoniak, die zur Entfernung des gesamten NOx beim ersten SCR-Katalysator 18 benötigt wird. In einigen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise das erste Ammoniak-Liefersystem 26 konfiguriert sein, um weniger als ungefähr 90% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern, um weniger als ungefähr 80% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern, um weniger als ungefähr 70% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern oder um weniger als ungefähr 60% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern. Durch Verwendung von weniger als der effektiven Menge an Ammoniak beim ersten SCR-Katalysator 18, wird der größte Teil oder der gesamte Ammoniak mit dem NOx reagieren, wodurch teure Verschwendung und/oder ein Freiwerden von Ammoniak verhindert wird.
  • Als die effektive Menge an Ammoniak kann die Menge an Ammoniak angesehen werden, die benötigt wird, um den gesamten NOx in dem Abgas zu reduzieren, wenn das Ammoniak nur mit dem NOx reagiert und nicht in andere chemische Stoffe umgewandelt wird und/oder für die Reaktion mit NOx nicht verfügbar gemacht wird. Beispielsweise wird in einigen Ausführungsbeispielen die Menge an Ammoniak die stöchiometrische Menge an Ammoniak sein, die zur Reduktion des gesamten NOx in dem Abgas benötigt wird, und die Ammoniak-Liefersysteme 26, 30 können konfiguriert sein, um weniger als die stöchiometrische Menge des zur Reduktion von dem gesamten NOx benötigten Ammoniaks zu liefern. Dieses Ausführungsbeispiel kann ausgewählt werden, wenn nahezu der gesamte Ammoniak zur Reaktion mit NOx verfügbar ist (d. h. kein NOx reagiert mit anderen Chemikalien und/oder wird deaktiviert oder für die Reaktion nicht verfügbar gemacht).
  • Es sei bemerkt, dass das NOx im Abgasstrom 11 eine Anzahl von NOx-Stoffen aufweisen kann. Typischerweise können die NOx-Stoffe bzw. NOx-Verbindungen Stickoxyd (NO) und Stickstoffdioxyd (NO2) aufweisen. Daher sollte die stöchio metrische Menge an Ammoniak als die Menge angesehen werden, die benötigt wird, um den gesamten NO und NO2 in Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Wenn Harnstoff als die Ammoniakquelle verwendet wird, kann weiterhin die gelieferte Menge an Ammoniak als die Menge an Ammoniak angesehen werden, die aus dem gelieferten Harnstoff erzeugt werden würde. Typischerweise wird der größte Teil des Harnstoffes oder der gesamte Harnstoff in Ammoniak umgewandelt werden. Unter kühleren Betriebsbedingungen kann jedoch eine langsamere Ammoniakbildung aus dem Harnstoff erwartet werden.
  • In einigen Ausführungsbeispielen kann die effektive Menge an Ammoniak größer sein als die stöchiometrische Menge an Ammoniak, die zur Reduktion des gesamten NOx benötigt wird. Beispielsweise kann bei höheren Temperaturen (beispielsweise von mehr als 500°C) eine Teiloxydation des Ammoniaks in den SCR-Katalysatoren 18, 22 auftreten, wodurch der Ammoniak in andere Chemikalien umgewandelt wird und ein Teil des Ammoniaks zur Reduktion von NOx unwirksam gemacht wird. Weiterhin kann, um der Ammoniakoxydation Rechnung zu tragen, die effektive Ammoniakmenge, die stromaufwärts der SCR-Katalysatoren 18, 22 geliefert wird, größer sein als die stöchiometrische Menge an Ammoniak. Wenn beispielsweise eine Oxydation von ungefähr einem Drittel des Ammoniaks auftritt, wird die effektive Menge des Ammoniaks gleich 150% der stöchiometrischen Menge an Ammoniak sein. Dies ist der Fall, weil nur zwei Drittel des Ammoniaks, die stromaufwärts der SCR-Katalysatoren 18, 22 geliefert werden, zur Reaktion mit NOx verfügbar sein werden (d. h. zwei Drittel von 150% ist 100% der stöchiometrischen Menge). Zusätzlich kann die effektive Menge an Ammoniak durch eine Vielzahl von anderen Bedingungen beeinflusst werden, was beispielsweise die Anwesenheit von anderen reaktiven Stoffen bzw. Zusammensetzungen und/oder Abgassystemkomponenten mit einschließt, die Ammoniak temporär oder permanent binden können.
  • In einigen Ausführungsbeispielen kann das zweite Ammoniak-Liefersystem 30 auch konfiguriert sein, um weniger als die effektive Menge an Ammoniak zu liefern, die zur Entfernung des gesamten NOx benötigt wird, das in dem zweiten SCR-Katalysator 22 benötigt wird. Beispielsweise kann in einigen Ausführungs beispielen das zweite Ammoniak-Liefersystem 30 konfiguriert sein, um weniger als ungefähr 90% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern, um weniger als ungefähr 80% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern, um weniger als ungefähr 70% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern oder um weniger als ungefähr 60% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern.
  • Es sei bemerkt, dass die Menge des NOx beim zweiten SCR-Katalysator 22 wesentlich geringer als die Menge des NOx beim ersten SCR-Katalysator 18 sein kann. Wenn beispielsweise 80% der effektiven Menge an Ammoniak beim ersten Ammoniak-Liefersystem 26 geliefert wird, und eine Umwandlung von 90% beim ersten SCR-Katalysator 18 erreicht wird, werden 72% des NOx beim ersten SCR-Katalysator 18 entfernt (d. h. in Stickstoff und Wasser umgewandelt) und 28% werden übrig bleiben. Daher kann eine niedrigere Menge an Ammoniak beim zweiten Katalysator 22 geliefert werden. Wenn beispielsweise 80% der effektiven Menge an Ammoniak wieder hinzugegeben wird, würden nur ungefähr 22% der Menge benötigt werden, die beim ersten Ammoniak-Liefersystem 26 geliefert wird. In manchen Ausführungsbeispielen kann eine weniger als effektive Menge an Ammoniak beim ersten Liefersystem 26 und beim zweiten Liefersystem 30 geliefert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird eine weniger als stöchiometrische Menge an Ammoniak stromaufwärts des ersten Katalysators 18 geliefert werden, und eine ungefähr stöchiometrische Menge an Ammoniak wird stromaufwärts des zweiten Katalysators 22 geliefert.
  • Wie gezeigt, weist das SCR-System 16 zwei Katalysatoren 18, 22 und zwei Ammoniak-Liefersysteme 26, 30 auf. Jedoch kann irgendeine geeignete Anzahl von Katalysatoren und Liefersystemen verwendet werden. Beispielsweise können in einigen Ausführungsbeispielen drei Katalysatoren und drei Ammoniak-Liefersysteme in Reihe vorgesehen sein. Der dritte Katalysator kann stromaufwärts des zweiten Katalysators 22 angeordnet sein, und das dritte Ammoniak-Liefersystem kann stromabwärts des zweiten Katalysators 22 und stromaufwärts des dritten Katalysators angeordnet sein. Da ein Teil des NOx schon durch die katalytische Reduktion bei den ersten und zweiten Katalysatoren 16, 22 entfernt werden kann, wird die Menge des Ammoniaks oder des Harnstoffes, die vom dritten Ammoniak- Liefersystem geliefert wird, geringer als die Menge sein, die von einem der ersten oder zweiten Ammoniak-Liefersysteme 26, 30 geliefert wird. Weiterhin kann in einigen Ausführungsbeispielen das dritte Ammoniak-Liefersystem konfiguriert sein, um weniger als die effektive Menge an Ammoniak oder Harnstoff zu liefern, die zur Entfernung des gesamten restlichen NOx im Abgasstrom beim dritten Katalysator benötigt wird. In anderen Ausführungsbeispielen wird eine weniger als effektive Menge an Ammoniak stromaufwärts des ersten Katalysators 18 und/oder des zweiten Katalysators 22 geliefert werden, und ungefähr eine effektive Menge an Ammoniak wird stromaufwärts des dritten Katalysators geliefert werden.
  • Zusätzlich kann das Abgassystem 14 zusätzliche Katalysatoren, Filter oder andere Abgassystemkomponenten aufweisen, um die Entfernung von NOx zu erleichtern oder um Emissionen von irgendeiner Abgaskomponente zu steuern. Wie gezeigt, weist beispielsweise das Abgassystem 14 einen stromaufwärts liegenden Katalysator 34 auf. Der stromaufwärts liegende Katalysator 34 kann beispielsweise einen Oxydationskatalysator aufweisen, der die Entfernung von gewissen Chemikalien erleichtern kann und/oder dabei helfen kann, eine Abgasstromzusammensetzung zu erzeugen, die die NOx-Entfernung bei den SCR-Katalysatoren 18, 22 erleichtern wird. Weiterhin kann das Abgassystem 14 irgendeine andere geeignete Abgassystemkomponente aufweisen, die beispielsweise Drei-Wege-Katalysatoren, Additiv- bzw. Zuschlagsstoffliefersysteme und/oder Partikelfilter aufweist.
  • Der Motor 10 und das Abgassystem 14 können weiter eine Steuereinheit 38 aufweisen, die den Systembetrieb überwachen und/oder steuern kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuereinheit 38 die Menge an NOx überwachen und/oder steuern, die vom Motor 10 erzeugt wird. Die Steuereinheit 38 kann eine elektronische Steuereinheit aufweisen, wie beispielsweise einen an Bord liegenden Computer. Jedoch kann irgendeine geeignete Steuereinheit ausgewählt werden. Beispielsweise kann die Steuereinheit 38 ein System von mechanisch aktivierten Ventilen und/oder Schaltern aufweisen, die auf Maschinenbetriebsvorgänge ansprechen, um die Menge des Ammoniaks zu steuern, die von den Ammoniak-Liefersystemen 26, 30 geliefert wird.
  • Weiterhin kann die Steuereinheit 38 bestimmen, wie viel Ammoniak von den ersten und/oder zweiten Ammoniak-Liefersystemen 26, 30 geliefert werden soll, und zwar basierend auf der vom Motor 10 erzeugten Menge an NOx. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Steuereinheit 38 abschätzen, wie viel NOx erzeugt wird, und zwar basierend auf bekannten oder gemessenen Motorbetriebsparametern. Basierend auf der abgeschätzten NOx-Erzeugung werden geeignete Mengen an Ammoniak geliefert. Weiterhin kann in einigen Ausführungsbeispielen die Steuereinheit 38 die Menge an NOx steuern, die vom Motor 10 erzeugt wird. Beispielsweise kann die vom Motor 10 erzeugte Menge an NOx durch Veränderung der Luft-Brennstoff-Dampfverhältnisse, der Temperatur, der Verbrennungsstrategie und/oder irgendeines anderen geeigneten Motorbetriebsparameters gesteuert werden.
  • In anderen Ausführungsbeispielen wird die Steuereinheit 38 mit einer oder mehreren Abgasüberwachungsvorrichtungen 42 kommunizieren. Beispielsweise können die Abgasüberwachungsvorrichtungen 42 verschiedene Sensoren aufweisen, wie beispielsweise Sauerstoffsensoren, NOx-Sensoren, Temperatursensoren, Ammoniaksensoren und/oder irgendeinen anderen geeigneten Sensor oder eine Überwachungseinrichtung, die Informationen bezüglich der NOx-Konzentrationen an verschiedenen Stellen in dem Motor 10 und dem Abgassystem 14 liefern können. Die Steuereinheit 38 kann den Betrieb der Ammoniak-Liefersysteme 26, 30 basierend auf Informationen steuern, die von den Sensoren 42 geliefert werden, wodurch gestattet wird, dass geeignete Mengen an Ammoniak zum Abgasdurchlass 12 geliefert werden, um NOx zu entfernen, ohne Ammoniak zu verschwenden.
  • In einigen Ausführungsbeispielen kann es wünschenswert sein, Ammoniak während des Betriebs des Motors 10 zu erzeugen. Während des Betriebs einer mobilen Fahrzeugs, wie beispielsweise eines Lastwagens, kann es beispielsweise schwierig oder teuer sein, ausreichend Mengen von Ammoniak oder Harnstoff für SCR-Betriebsvorgänge zu speichern. Daher kann es wünschenswert sein, den Ammoniak unter Verwendung eines an Bord liegenden Ammoniak-Erzeugungssystems zu erzeugen.
  • 2 veranschaulicht einen Motor 10 und ein Abgassystem 14', welches ein System zur selektiven katalytischen Reduktion mit an Bord gelegener Ammoniakerzeugung aufweist. Wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 kann der Motor 10 einen Strom von NOx enthaltendem Abgas 11 erzeugen, der in einen Auslass bzw. Abgasdurchlass und zu mehreren SCR-Katalysatoren 18, 22 fließt. Weiterhin kann ein Ammoniakerzeugungssystem 44 konfiguriert sein, um Ammoniak zum Abgasdurchlass 12 an einer Stelle stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 18 zu liefern, und ein Ammoniak-Liefersystem 46 kann konfiguriert sein, um Ammoniak zum Abgasstrom an einer Stelle stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 18 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 22 zu liefern. Weiterhin können zusätzliche Ammoniak-Liefersysteme und Katalysatoren vorgesehen sein.
  • Das Ammoniakerzeugungssystem 44 kann irgendein geeignetes Ammoniakerzeugungssystem aufweisen. Beispielsweise kann Ammoniak aus der katalytischen Umwandlung von NOx in Ammoniak erzeugt werden. Wie gezeigt, kann daher das Ammoniakerzeugungssystem 44 eine NOx-Quelle 48 und einen oder mehrere Ammoniakerzeugungskatalysatoren 52 aufweisen. Die NOx-Quelle 48 kann einen NOx enthaltenden Gasstrom liefern, der durch den Ammoniakerzeugungskatalysator 52 fließen wird. Der Ammoniak, der beim Ammoniakerzeugungskatalysator 52 erzeugt wird, wird mit einem NOx enthaltenden Abgasstrom 11 vermischt, der vom Motor 10 erzeugt wird, sodass die katalytische Entfernung von NOx bei den SCR-Katalysatoren 18, 22 auftreten kann. Die NOx-Quelle 48 kann beispielsweise einen Motor aufweisen, wie beispielsweise einen Einzylindermotor, der konfiguriert ist, um Brennstoff zu verbrennen, um NOx zu erzeugen. Die NOx-Quelle 48 kann auch irgendeine andere geeignete NOx-Quelle aufweisen, wie beispielsweise einen Brenner oder eine gespeicherte NOx-Versorgung bzw. NOx-Vorrat.
  • Der Ammoniakerzeugungskatalysator 52 kann aus einer Anzahl von geeigneten Katalysatorbauarten ausgewählt sein. Beispielsweise kann der Ammoniakerzeugungskatalysator 52 aus einer Vielzahl von Materialien gemacht sein. In einem Ausführungsbeispiel kann der Ammoniakerzeugungskatalysator 52 Platin und/oder Paladium und/oder Rhodium und/oder Iridium und/oder Kupfer und/oder Chrom und/oder Vanadium und/oder Titan und/oder Eisen und/oder Caesium auf weisen. Kombinationen dieser Materialien können verwendet werden, und das Katalysatormaterial kann basierend auf den Kosten, der Art des verwendeten Brennstoffes, des erwünschten Luft-Brennstoff-Dampfverhältnisses oder zur Übereinstimmung mit Umweltstandards ausgewählt werden. Die spezielle Art des Katalysators kann auch ausgewählt werden, um den NOx-Ammoniak-Umwandlungswirkungsgrad zu steuern. Weiterhin kann der Katalysator basierend auf der Menge des von der NOx-Quelle 48 erzeugten NOx und/oder basierend auf der Katalysatortemperatur unter ausgewählten Betriebsbedingungen ausgewählt werden.
  • Der Katalysatorbetrieb kann durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Katalysatorbetrieb durch die Anwesenheit von anderen Chemikalien in dem umgebenden Abgas durch die Katalysatortemperatur und/oder durch eine Verunreinigung mit Abgaschemikalien beeinflusst werden. In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann die Temperatur des Ammoniakerzeugungskatalysators 52 durch Abkühlung eines NOx enthaltenden Gasstroms 50 gesteuert werden, der von der NOx-Quelle 48 erzeugt wird, und zwar unter Verwendung eines Kühlsystems 56, wie beispielsweise eine Turboladers, eines Gas-Luft-Kühlers oder eines Gas-Wasser-Kühlers. Zusätzlich kann die Anwesenheit von anderen chemischen Stoffen im Abgasstrom 18 durch Steuerung des Betriebs der NOx-Quelle 48 durch Anwendung einer Additiv- bzw. Zuschlagsstoffliefervorrichtung oder durch Anwendung von einem oder mehreren zusätzlichen Katalysatoren 60 gesteuert werden, die stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators 52 gelegen sind.
  • Wie bemerkt, kann das Abgassystem 14' das Ammoniak-Liefersystem 46 aufweisen, welches stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 18 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 22 positioniert ist. Wie in 2 gezeigt, weist der zweite SCR-Katalysator 22 eine Einspritzvorrichtung auf, um flüssigen Harnstoff oder Ammoniak zum Abgassystem zu liefern. Alternativ kann das zweite Ammoniak-Liefersystem 46 ein an Bord liegendes Ammoniakerzeugungssystem aufweisen. Beispielsweise veranschaulicht 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Motors 10 und ein Abgassystem mit einem an Bord liegenden Ammoniakerzeugungssystem 44'. Wie gezeigt, weist das an Bord liegende Ammoniakerzeugungs system 44' eine NOx-Quelle 48' und einen Ammoniakerzeugungskatalysator 52' auf. Weiterhin weist das System zwei Abgasdurchlässe 100, 104 auf, die konfiguriert sind, um Ammoniak zu Stellen stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 18 und des zweiten SCR-Katalysators 22 zu liefern. Das System weist weiter ein Ventilsystem 96 auf, um den Fluss von Ammoniak durch die Abgasdurchlässe 100, 104 zu steuern. Alternativ kann ein Abgassystem mehrere an Bord liegende Ammoniakerzeugungssysteme aufweisen, die konfiguriert sind, um eine erwünschte Menge an Ammoniak zu ausgewählten Abgassystemstellen zu liefern.
  • In einigen Ausführungsbeispielen kann ein einziger Motor sowohl als eine NOx-Quelle für eine Ammoniakerzeugung als auch als eine primäre Arbeitsmaschinenleistungsquelle dienen. Beispielsweise veranschaulicht 4 einen weiteren Motor 10' und ein Abgassystem 14'', welches ein System zur selektiven katalytischen Reduktion mit einer an Bord liegenden Ammoniakerzeugung gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel aufweist. Der einzelne Motor 10' kann als eine NOx-Quelle für die an Bord liegende Ammoniakerzeugung und als eine Maschinenleistungsquelle dienen. Der Motor 10' kann eine erste Zylindergruppe 64 und eine zweite Zylindergruppe 68 aufweisen. Die erste Zylindergruppe 64 kann einen ersten NOx enthaltenden Abgasstrom 72 erzeugen, der verwendet werden kann, um Ammoniak durch ein Ammoniakerzeugungssystem 44'' zu erzeugen. Die zweite Zylindergruppe 68 wird einen zweiten NOx enthaltenden Abgasstrom 76 erzeugen. Die ersten Zylindergruppe 64 und die zweite Zylindergruppe 68 können beide zur Gesamtmotorleistung für die Arbeitsmaschine beitragen, wie beispielsweise für einen Lastwagen.
  • Wie bemerkt, können die erste Zylindergruppe 64 und die zweite Zylindergruppe 68 in einem einzigen Motor 10' gelegen sein. Wie gezeigt, weist die erste Zylindergruppe 64 einen einzelnen Zylinder auf, und die zweite Zylindergruppe 68 weist drei Zylinder auf. Jedoch können die ersten und zweiten Zylindergruppen 64, 68 irgendeine geeignete Anzahl von Zylindern aufweisen.
  • Die erste Zylindergruppe 64 und die zweite Zylindergruppe 68 können unterschiedliche Betriebscharakteristiken haben. Beispielsweise kann die erste Zylin dergruppe 64 andere Luft-Brennstoff-Verhältnisse haben, kann eine andere Verbrennungsstrategie einsetzen, kann eine Abgaszuschlagsstoffliefervorrichtung aufweisen, kann andere Kompressions- bzw. Verdichtungsverhältnisse haben, kann andere Zylindergrößen haben, kann eine andere Anzahl von Zylindern aufweisen und/oder kann bei anderen Temperaturen arbeiten als die zweite Zylindergruppe 68. In einigen Ausführungsbeispielen kann die erste Zylindergruppe 64 konfiguriert sein, um die NOx-Produktion für eine gegebene Menge von verwendetem Brennstoff zu maximieren, wodurch die Ammoniakerzeugung durch das Ammoniakerzeugungssystem 44'' gesteigert wird.
  • Der NOx enthaltende Abgasstrom 76 von der zweiten Zylindergruppe 68 kann in einen Abgasdurchlass 88 fließen. Wie gezeigt, ist weiterhin das an Bord gelegene Ammoniakerzeugungssystem 44'' konfiguriert, um Ammoniak zum Abgasdurchlass 88 stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 18 zu liefern. Weiterhin kann ein Ammoniak-Liefersystem 92 konfiguriert sein, um Ammoniak zum Abgasdurchlass 88 an einer zweiten Stelle stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 18 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 22 zu liefern. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Ammoniakerzeugungssystem 44'' konfiguriert sein, um Ammoniak zum Abgasdurchlass 88 an mehreren Stellen unter Verwendung eines verzweigten Abgasdurchlasses mit Systemen zur Steuerung des Abgasflusses zu liefern. Alternativ können mehrere Ammoniakerzeugungssysteme an Stellen stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 18 und/oder stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 22 und stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 18 verwendet werden.
  • Es sei bemerkt, dass SCR-Systeme, die an Bord liegende Ammoniakerzeugungssysteme aufweisen, wie in den 2–4 gezeigt, auch durch eine Steuereinheit 38 gesteuert werden können. Wie mit Bezug auf 1 beschrieben, kann die Steuereinheit 38 mit einer Anzahl von Abgasüberwachungseinrichtungen 42 kommunizieren, die konfiguriert sind, um Informationen bezüglich der Abgaszustände bzw. Abgasbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Sauerstoffkonzentration, NOx-Konzentration und/oder Ammoniakerzeugung in Beziehung stehen.
  • Zusätzlich können die an Bord liegenden Ammoniakerzeugungssysteme 44, 44', 44'', wie zuvor erwähnt, als ein Ammoniak-Liefersystem für die SCR-Katalysatoren 18, 22 dienen. In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung können die an Bord gelegenen Ammoniakerzeugungssysteme konfiguriert sein, um weniger als die effektive Menge an Ammoniak zu liefern, die für die NOx-Entfernung an ausgewählten Stellen in den Abgassystemen benötigt werden. Wie mit Bezug auf 1 bemerkt, können beispielsweise die Ammoniakerzeugungssysteme 44, 44', 44'' konfiguriert sein, um weniger als ungefähr 90% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern, um weniger als ungefähr 80% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern, um weniger als ungefähr 70% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern oder um weniger als ungefähr 60% der effektiven Menge an Ammoniak zu liefern.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Offenbarung sieht ein Abgas-Emissionssteuersystem mit mehrstufigen Einspritzvorrichtungen für SCR-Systeme vor. Das System kann bei allen Abgassystemen nützlich sein, die eine selektive katalytische Reduktion erfordern.
  • SCR-Systeme können ein effektives Verfahren zur Steuerung von NOx-Emissionen vorsehen, während eine hohe Brennstoffausnutzung beibehalten wird. Jedoch erfordern SCR-Systeme Ammoniak, welcher durch eine an Bord liegende Produktion von Ammoniak oder durch eine Speicherung von Ammoniak oder Harnstoff geliefert werden kann. Die an Bord liegende Erzeugung von Ammoniak kann eine beträchtliche Menge an Brennstoff und/oder anderen Chemikalien verbrauchen, was Abzüge von dem Gesamtbrennstoffwirkungsgrad des Motors und der Kosteneffektivität mit sich bringen wird. Weiterhin kann eine Speicherung von Ammoniak oder Harnstoff für die spätere Einspritzung teuer oder gefährlich sein. Zusätzlich gibt es gegenwärtig keine adäquate Infrastruktur zum Liefern von Harnstoff oder Ammoniak zur Speicherung und zum Verbrauch durch Straßenfahrzeuge.
  • Das System der vorliegenden Offenbarung kann einen höheren NOx-Umwandlungswirkungsgrad vorsehen als SCR-Systeme mit einem einzigen Kata lysator. Im Allgemeinen wird ein brennstoffeffizienterer Motorbetrieb ein höheres Niveau an NOx erzeugen. Daher werden höhere NOx-Umwandlungswirkungsgrade durch mehrstufige SCR-Systeme gestatten, dass Motoren effizienter betrieben werden, während geeignete NOx-Emissionsniveaus beibehalten werden. Dies wird eine gute Steuerung von NOx-Emissionen vorsehen, während die Kosten des Brennstoffes zum Motorbetrieb verringert werden.
  • Zusätzlich kann das System der vorliegenden Offenbarung NOx-Emissionen unter Verwendung von SCR-Systemen steuern, während auch die Menge des Ammoniaks oder des Harnstoffes verringert wird, die für den SCR-Betrieb benötigt wird. Das System weist ein mehrstufiges Ammoniak-Liefer- und -Katalysatorsystem mit zwei oder mehr Ammoniak-Liefersystemen und SCR-Katalysatoren in Reihe auf. Da die NOx-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion durch die Fähigkeit des Vermischens von Ammoniak mit einem NOx enthaltenden Abgasstrom und/oder durch die Katalysatoreffizienz begrenzt sein kann, kann mindestens eines der Ammoniak-Liefersysteme der vorliegenden Offenbarung konfiguriert sein, um weniger als die effektive Menge an Ammoniak zu liefern, die für die NOx-Entfernung benötigt wird. Darauf folgend werden das eine stromabwärts gelegene Ammoniak-Liefersystem oder die Vielzahl von stromabwärts gelegenen Ammoniak-Liefersystemen und die SCR-Katalysatoren zusätzliches NOx entfernen. Das mehrstufige System wird eine wesentliche Menge an NOx mit wenig Risiko einer Verwendung von übermäßig viel Ammoniak oder Harnstoff entfernen. Dies wird eine gute Steuerung der NOx-Emissionen vorsehen, während die Kosten des SCR-Betriebs minimiert werden.
  • Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an den offenbarten Systemen und Verfahren vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der offenbarten Systeme und Verfahren werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Ausführungsbeispiele offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wäh rend ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
  • Zusammenfassung
  • MEHRSTUFIGES SYSTEM ZUR SELEKTIVEN KATALYTISCHEN REDUKTION
  • Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist ein Verfahren zur Steuerung von Stickoxydemissionen auf. Das Verfahren kann aufweisen, einen Abgasstrom zu erzeugen, der NOx enthält, und den Abgasstrom zu einem Abgasdurchlass zu liefern. Das Verfahren kann weiter aufweisen, Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer Stelle stromaufwärts eines ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion zu liefern, wobei die Menge des an der ersten Stelle gelieferten Ammoniaks weniger als ungefähr 90% der effektiven Menge des Ammoniaks ist, die zur Reduktion des gesamten NOx an der ersten Stelle benötigt wird. Weiterhin kann Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer zweiten Stelle stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und stromaufwärts eines zweiten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion geliefert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2004/058642 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Steuerung von Stickoxyd-Emissionen, welches Folgendes aufweist: Erzeugen eines Abgasstroms (11), der NOx enthält; Liefern des Abgasstroms zu einem Abgasdurchlass (12); Liefern von Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer Stelle stromaufwärts eines ersten Katalysators (18) zur selektiven katalytischen Reduktion, wobei die Menge des an der ersten Stelle gelieferten Ammoniaks weniger als ungefähr 90% der effektiven Menge des Ammoniaks ist, die zur Reduktion des gesamten NOx an der ersten Stelle benötigt wird; und Liefern von Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer zweiten Stelle stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und stromaufwärts eines zweiten Katalysators (22) zur selektiven katalytischen Reduktion.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Menge an Ammoniak, die zur ersten Stelle geliefert wird, weniger als ungefähr 80% der effektiven Menge an Ammoniak ist, die zur Reduktion des gesamten NOx an der ersten Stelle benötigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter aufweist, zumindest einen Teil des Ammoniaks unter Verwendung eines an Bord liegenden Ammoniakerzeugungssystems (44) zu erzeugen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil des Ammoniaks durch Einspritzung von Harnstoff in den Abgasdurchlass geliefert wird.
  5. System (16) zur selektiven katalytischen Reduktion, welches Folgendes aufweist: einen Abgasdurchlass (12); einen ersten Katalysator (18) zur selektiven katalytischen Reduktion in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasdurchlass; einen zweiten Katalysator (22) zur selektiven katalytischen Reduktion, der stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und in Strömungsmittelverbindung mit dem Abgasdurchlass angeordnet ist; und ein Ammoniakerzeugungssystem (44), welches konfiguriert ist, um Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer Stelle stromaufwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und/oder des zweiten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion zu liefern.
  6. System nach Anspruch 5, wobei das Ammoniakerzeugungssystem konfiguriert ist, um Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer ersten Stelle stromaufwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion und an einer zweiten Stelle stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion zu liefern.
  7. System nach Anspruch 6, wobei das Ammoniakerzeugungssystem weiter ein Ventilsystem zur Steuerung des Ammoniakflusses zur ersten Stelle und zur zweiten Stelle aufweist.
  8. System nach Anspruch 5, wobei das Ammoniakerzeugungssystem mindestens einen Zylinder eines Motors aufweist, der konfiguriert ist, um einen NOx enthaltenden Abgasstrom (50) zu erzeugen.
  9. System nach Anspruch 5, wobei das Ammoniakerzeugungssystem konfiguriert ist, um Ammoniak zum Abgasdurchlass an einer Stelle stromaufwärts des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion derart zu liefern, dass die Menge des gelieferten Ammoniaks weniger als ungefähr 90% der effektiven Menge an Ammoniak ist, die zur Reduktion des gesamten NOx im Abgasdurchlass benötigt wird.
  10. NOx-Emissionssteuersystem, welches Folgendes aufweist: ein System zur selektiven katalytischen Reduktion nach einem der Ansprüche 5–9; einen Motor, der konfiguriert ist, um einen NOx enthaltenden Abgasstrom zu erzeugen; und eine Steuereinheit (38), die konfiguriert ist, um die vom Motor erzeugte Menge an NOx und die von dem Ammoniakerzeugungssystem gelieferte Ammoniakmenge zu überwachen, und die an der ersten Stelle gelieferte Ammoniakmenge und die NOx-Menge an der ersten Stelle zu steuern, sodass die Menge des Ammoniaks geringer als ungefähr 90% der effektiven Menge an Ammoniak ist, die zur Reduktion des gesamten NOx an der ersten Stelle benötigt wird.
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