WO2015074697A1

WO2015074697A1 - Einrichtung zum reinigen der abgase einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2015074697A1
Application number: PCT/EP2013/074344
Authority: WO
Inventors: Klaus Schrewe; Simon Steigert
Original assignee: Hjs Emission Technology Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-05-28
Also published as: CN105765187A

Abstract

Eine Einrichtung zum Reinigen der Abgase einer Brennkraftmaschine umfasst eine erste und eine zweite Reinigungsstufe (2, 3). Die erste Reinigungsstufe (2) verfügt über einen Partikelfilter zum Entfernen von im Abgas mitgeführten Rußpartikeln. Die zweite Reinigungsstufe (3) umfasst einen Entstickungskatalysator zum Entfernen von im Abgas vorhandenen Stickoxiden. Der Partikelfilter der ersten Reinigungsstufe ist ein als Wandstromfilter ausgelegter und mit einer katalytischen Beschichtung ausgestatteter Teilfilter.

Description

Einrichtung zum Reinigen der Abgase

einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Reinigen der Abgase einer Brennkraftmaschine, etwa einer Dieselbrennkraftmaschine mit einer ersten, einen Partikelfilter umfassenden Reinigungsstufe zum Entfernen von im Abgas mitgeführten Rußpartikeln und mit einer zweiten, einen Entsti- ckungskatalysator umfassenden Reinigungsstufe zum Entfernen von im Abgas vorhandenen Stickoxiden.

Zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen, etwa von Dieselmotoren werden Abgasreinigungseinrichtungen eingesetzt, die im Abgas mitgeführte Partikel, insbesondere Rußpartikel herausfiltern sowie das Abgas entsticken, mithin mitgeführte Stickoxide reduzieren. Für die Entstickung wird in vielen Fällen eine selektive katalytische Reduktion der Stickoxide durchgeführt. Hierzu ist das Vorhandensein eines Reduktionsmittels erforderlich. Typischerweise wird als Reduktionsmittel Ammoniak verwendet. Das Reduktionsmittel bzw. ein Precursor hiervon, typischerweise in Wasser gelöstem Urea, wird typischerweise in Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgasstrom eingespritzt. Das in den Abgasstrom eingespritzte Urea wird hydro- und/oder thermoly- tisch im Abgas zum Freisetzen des als Reduktionsmittel dienenden Ammoniaks aufgeschlossen, damit dieses für die gewünschte SCR-Katalyse der Stickoxide genutzt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Anordnung dieser beiden Reinigungsstufen - Partikelfilterung und SCR-Katalyse - befindet sich der SCR-Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts bezüglich der einen Partikelfilter umfassenden ersten Reinigungsstufe. Zwischen den beiden Reinigungsstufen befindet sich die Einspritzeinrichtung zum Zuführen des Reduktionsmittels bzw. seines Precur- sors.

Der im Laufe des Betriebs der Brennkraftmaschine auf bzw. in dem Partikelfilter akkumulierte Ruß ist in zeitlichen Abständen zu entfernen. Hierfür wird eine Rußoxidation entweder aktiv ausgelöst oder diese läuft passiv ab. Für eine passive Filterregeneration wird NO₂ benötigt, um die Rußoxi- dationstemperatur hinreichend herabzusetzen. Für die Generierung des für diese Zwecke benötigten NO₂ wird stromaufwärts des Partikelfilters ein Oxidationskatalysator in den Abgasstrang eingeschaltet. Dieser dient zugleich dem Zweck einer Reduzierung von im Abgasstrom mitgeführten Kohlenwasserstoffen und von mitgeführtem Kohlenmonoxid. Besonders bevorzugt bei einer solchen Ausgestaltung ist die Auslegung des Oxidati- onskatalysators, damit von diesem genügend NO₂ bereitgestellt wird, damit das Verhältnis NO:NO₂ im Abgasstrom am Eingang des SCR- Katalysators ein Verhältnis zwischen 1 :2 und 2:1 aufweist. Ein solches NO:NO₂-Verhältnis begünstigt die SCR-Katalyse und lässt diese mit einer hinreichenden Konvertierungsrate auch bereits bei geringeren Temperaturen stattfinden.

In einer solchen Abgasreinigungseinrichtung werden, um strengen Abgasvorschriften zu genügen, regelmäßig als Vollfilter ausgelegte Wandstromfilter eingesetzt. Derartige Partikelfilter können mit einer oxidationskatalyti- schen Beschichtung ausgerüstet sein. Um jedoch den Anforderungen an ein bestimmtes NO:NO₂-Verhältnis im Abgasstrom auch noch in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter mit den darauf akkumulierten NO₂ resorbierenden Rußpartikeln für die gewünschte verbesserte SCR-Katalyse zu erhalten, ist es erforderlich, dem Partikelfilter einen separaten bzw. zusätzlichen Oxidationskatalysator vorzuschalten. Zur Realisierung einer Abgasreinigungsanlage, wie vorbeschrieben, werden daher in Strömungsrichtung drei hintereinander geschaltete Aggregate benötigt: ein Oxidationskatalysator, ein Partikelfilter und ein SCR-Katalysator. Dem Partikelfilter nachgeschaltet und dem SCR-Katalysator vorgeschaltet befindet sich eine Reduktionsmitteleinspritzung. Es versteht sich, dass zum Realisieren einer solchen Abgasreinigungsanlage ein entsprechender Bauraum zur Verfügung stehen muss. Gerade bei einem Einsatz einer solchen Abgasreinigungseinrichtung zum Reinigen der Abgase eines Dieselmotors einer nicht-stationären Anwendung bereitet dieses mitunter Schwierigkeiten. Überdies werden Abgasreinigungseinrichtungen der genannten Art auch für Anwendungen benötigt, zu denen Abgasreinigungsnormen weniger streng sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigungseinrichtung vorzuschlagen, mit der eine Reduktion mitgeführter Rußpartikel ebenso möglich ist, wie eine wirksame Entstickung, die, wenn gewünscht, grundsätzlich auch mit einer geringeren Anzahl von Einzel-Aggregaten realisiert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte, gattungsgemäße Abgasreinigungseinrichtung, bei der der Partikelfilter der ersten Reinigungsstufe ein als Wandstromfilter ausgelegter und mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung ausgestatteter Teilfilter ist.

Bei dieser Abgasreinigungseinrichtung ist das Substrat des Oxidationska- talysators ein als Wandstromfilter ausgelegter Teilfilter. Dieser trägt eine oxidationskatalytische Beschichtung. Typischerweise ist der gesamte Partikelteilfilter mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung ausgerüstet. Bei diesem der ersten Reinigungsstufe zugehörigen Aggregat sind die Vorzüge eines herkömmlichen Oxidationskatalysators und eines Partikelfilters vereint. Interessanterweise hat sich gezeigt, dass ein als Wandstromfilter ausgelegter Partikelteilfilter, wenn mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung ausgestattet, bei gleichem Substratvolumen, verglichen mit einem Partikelvollfilter, bei einer Rußbeladung mehr NO₂ zu generieren vermag als ein oxidationskatalytisch beschichteter Partikelvollfilter. Somit kann durch ein einziges Aggregat, namentlich den vorbeschriebenen, als Partikelteilfilter ausgelegten Oxidationskatalysator für eine nachgeschaltete SCR-Katalyse zur Entstickung des Abgases ein NO:NO2-Verhältnis im Abgasstrom bereitgestellt werden, damit die ΝΟχ-Reduktion an dem SCR- Katalysator begünstigt und damit mit der gewünschten höheren Umsetzrate vor allem auch bei geringeren Temperaturen durchgeführt werden kann. Folglich werden bei einer solchen Ausbildung eines Abgasreinigungssystems nur noch zwei Aggregate und die zwischen diesen Aggregaten befindliche Reduktionsmitteleinspritzung benötigt.

Zudem macht man sich bei diesem Konzept zu nutze, dass für zahlreiche Anwendungen die Partikelemission mitunter weniger streng geregelt ist als die ΝΟχ-Emissionsgrenzwerte.

Das an dem Partikelfilter der ersten Reinigungsstufe beschriebene Konzept lässt sich gleichermaßen auch auf den Katalysator der zweiten Reinigungsstufe anwenden. Daher ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass auch das Substrat des Entstickungskatalysators ein als Wandstromfilter ausgelegter Partikelteilfilter ist. Die Funktionalität dieses Systems entspricht der vorbeschriebenen, wobei die Partikelemission durch das Hintereinanderschalten von zwei Partikelteilfiltern naturgemäß gegenüber einem System mit nur einem Partikelteilfilter bei gleicher nominaler Abscheiderate reduziert ist.

Die beanspruchte Ausgestaltung des Oxidationskatalysators als Partikelteilfilter kann auch in einem Abgasreinigungssystem zusammen mit einem als Vollfilter ausgelegten SCR-Katalysator eingesetzt werden. Auch bei einer solchen Ausgestaltung ist der Einsatz eines oxidationskatalysatori- schen Partikelteilfilters sinnvoll, da hierdurch der nachgeschaltete, als SCR-Katalysator dienende Partikelvollfilter hinsichtlich seiner Filterwirkung entlastet und somit bezüglich seiner SCR-katalytischen Wirkung unterstützt wird. Entsprechend der Entlastung der Rußakkumulation durch den vorgeschalteten Partikelteilfilter braucht der als Vollfilter ausgelegte SCR- Katalysator weniger häufig regeneriert zu werden. Infolgedessen kann ein solches Entstickungsaggregat bei Vorschalten eines auf der Basis eines Partikelteilfilters konzipierten Oxidationskatalysators hinsichtlich des Substratvolumens kleiner und somit insbesondere kürzer bauend ausgelegt werden.

Ist der zum Einbau einer Abgasreinigungseinrichtung vorhandene Bauraum nicht beschränkt, besteht die Möglichkeit, auch mehrere, als Oxidati- onskatalysator ausgelegte Partikelteilfilter und/oder mehrere als Partikelteilfilter ausgelegte SCR-Katalysatoren in Strömungsrichtung des Abgases jeweils hintereinander zu schalten. Werden mehrere SCR-Katalysatoren hintereinander geschaltet, kann sich grundsätzlich vor jedem SCR- Katalysator eine Einspritzung zum Zuführen des Reduktionsmittels bzw. seines Precursors befinden. Bevorzugt ist allerdings eine Ausgestaltung, bei der sich die Einspritzung zum Zuführen des Reduktionsmittels in das Abgas für sämtliche SCR-Katalysatoren stromaufwärts des ersten SCR- Katalysators befindet. Bei einer solchen Ausgestaltung wird in Abhängigkeit von dem zur Verfügung stehenden Gesamt-SCR-Katalysatorvolumen das Reduktionsmittel bzw. ein Precursor hiervon in den Abgasstrom eingespritzt, damit auch hinreichend Reduktionsmittel für den zweiten und gegebenenfalls jeden weiteren, dem ersten SCR-Katalysator nachgeschalteten SCR-Katalysator zur Verfügung steht. Dies bedeutet, dass vor dem ersten SCR-Katalysator soviel Reduktionsmittel eingespritzt wird, dass der oder die ersten SCR-Katalysatoren überspritzt sind.

Ist als Entstickungskatalysator ein auf dem Substrat eines Partikelteilfilters aufgebauter SCR-Katalysator in der zweiten Reinigungsstufe vorgesehen, bietet es sich an, das Substrat zoniert katalytisch zu beschichten. Bei einer solchen Ausgestaltung ist in einem Ausführungsbeispiel eine einströmsei- tig angeordnete Eingangszone mit einer hydrolytischen Beschichtung vorgesehen, während eine oder mehrere nachgeschaltete Zonen die SCR- katalytische Beschichtung tragen. Eine solche hydrolytische Beschichtung dient dem Zweck, das typischerweise als Reduktionsmittel-Precursor in den Abgasstrom eingespritzte Urea zum Freisetzen des als Reduktionsmittel benötigten NH₃ auf kurzer Strömungsstrecke freizusetzen. Dieses spart durch eine geringere benötigte Strömungsstrecke des Abgases Bauraum in Bezug auf die Länge einer solchen Abgasreinigungsanlage. Zugleich wird vor dem Hintergrund, dass der Hydrolysekatalysator auf einem Partikelteilfilter als Substrat aufgebaut ist, Ruß aus dem Abgas entfernt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Substrat für den oder die Partikelteilfilter ein solches mit einer hohen Porosität, insbesondere einer Porosität von mehr als 50 % eingesetzt. Diese hohe Porosität, die bevorzugt zwischen etwa 60 und 70 % liegt, geht vorteilhafterweise einher mit einer relativ großen mittleren Porengröße, und zwar zwischen 15 μιτι und 30 μιτι. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Porengröße von nicht mehr als 25 μιτι angestrebt. Ein solches Substrat, welches aus einem Siliziumkarbidwerkstoff hergestellt sein kann, eignet sich aufgrund dieser hohen Porosität besonders gut, um, ausgehend von einem Substrat einheitlicher Porosität, auch eine Porositätszonierung des Substrates durch Aufbringen einer oder mehrerer oberflächenvergrößernder Beschichtungen, insbesondere nach Art eines Washcoats einzustellen. Dabei bietet es sich an, den Washcoat so einzustellen, dass die Porosität des Substrates bei einem Beschichtungsvorgang um etwa 5 % bis 10 % herabgesetzt wird. Dabei kann durchaus vorgesehen sein, dass in einem ersten Schritt das Substrat insgesamt mit einem Washcoat beschichtet wird, um dann in nachfolgenden Schritten die gegenüber der dann erstellten einheitlichen Porosität Porositätszonen mit reduzierter Porosität aus- zubilden.

Bei diesem Partikelteilfilter verfügt das Substrat und damit die die Filterkanäle einfassenden Filterwände in Strömungsrichtung des Abgases durch das Substrat vorzugsweise zumindest über zwei hintereinander angeordnete Zonen unterschiedlicher Porosität. Die Konzeption eines Substrates mit Zonen unterschiedlicher Porosität bedingt, dass in diesen Zonen ein unterschiedliches Durchströmungsverhalten des Abgases durch die Filterwände hindurch eingestellt werden kann. Erreicht wird damit, dass in einer abstromseitig angeordneten Endzone des Substrats dieses mit einer geringeren Porosität ausgestattet ist als in der stromauf zu dieser angeordneten Hauptrußakkumulationszone. Die geringere Porosität in einer solchen Endzone bedingt, dass das Rußpartikel mitführende Abgas vermehrt aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes durch die eine oder die mehreren stromauf angeordneten Zonen höherer Porosität durchströmt und somit die mitgeführten Rußpartikel entsprechend dem begünstigten Strömungspfad in dieser oder in diesen Zonen auf der an- strömseitigen Filterwand abgelagert wird. Auf diese Weise kann wirksam eine Partikelfilterbeschädigung durch unerwünschtes Überhitzen der aus- gangsseitigen Endzone bei einer Regeneration vermieden werden.

Bei einem als Teilfilter ausgelegten Partikelwandstromfilter mit der vorstehend genannten Porosität und der bevorzugten Porengröße werden in die Auslegung des Substrates bereits Eigenschaften des aus dem Substrat herzustellenden Partikelteilfilters eingebracht. Die Folge ist eine verglichen mit Substraten geringerer Porosität widerstandsärmere Durchströmbarkeit der Filterwände. Infolgedessen bleibt der bei einem als Wandstromfilter mit Kanalstruktur ausgelegten Teilfilter dieser Art der Tiefenfiltrationseffekt deutlich länger erhalten.

Die freie Querschnittsfläche der Bypass-Strömungswegsamkeit kann somit gegenüber vorbekannten, als Wandstromfilter ausgelegten Partikelteilfiltern kleiner bemessen sein. Im Ergebnis führt dieses bei gleichem Substratvolumen zu einer Effizienzverbesserung des Abscheidegrades. Zugleich ist durch die signifikant höhere Porosität des Substrates dessen Gewicht gegenüber vorbekannten Substraten nicht unerheblich reduziert. Der Abscheidegrad eines solchen Partikelteilfilters wird auch durch die Filterkanaldichte bestimmt. Dieses auch als Zellendichte angesprochene Merkmal liegt bevorzugt zwischen etwa 100 cpsi und etwa 350 cpsi, insbesondere zwischen etwa 180 cpsi und etwa 225 cpsi (cpsi: cells per Square inch). Besonders effektive Partikelteilfilter verfügen unter Berücksichtigung der bereits vorstehenden Auslegungskriterien über etwa 200 cpsi.

Somit kann die Filterkanaldichte zur Zweckbestimmung des Substrates berücksichtigt werden. Ist die Filterkanaldichte geringer, hat sich gezeigt, dass die Strömungsgeschwindigkeit durch die Filterwände relativ hoch ist und somit die bei der Auslegung eines solchen Partikelteilfilters gewünschte Tiefenfiltration reduziert und somit der Abscheidegrad sinkt. Zudem ist dann die Querschnittsfläche der Bypass-Strömungswegsamkeit relativ groß. Bei höherer Zellendichte ist die Querschnittsfläche der Bypass- Wegsamkeit relativ klein. Zudem hat sich gezeigt, dass eine Tiefenfiltration in den Filterwänden dann nur mehr untergeordnet stattfindet, was zu einer zu raschen Rußakkumulation allein auf der Oberfläche führt.

Bei einem solchermaßen ausgelegten Partikelteilfilter wird aufgrund des gewünschten Tiefenfiltrationseffektes vor allem auch die Filterwand als solche für das Herausfiltern von im Abgasstrom mitgeführter Partikel genutzt. Als besonders zweckmäßig haben sich Wandstärken zwischen 0,3 mm und 0,7 mm, insbesondere von etwa 0,4 mm erwiesen, um den an einen solchen Teilfilter gestellten Anforderungen zu genügen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 : ein aus zwei katalytisch beschichteten, als Wandstromfilter ausgelegten Partikelteilfiltern bereitgestelltes Abgasreinigungsaggregat und

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines weiteren Abgasreinigungsaggregates.

Figur 1 zeigt ein Abgasreinigungsaggregat 1 , welches zwei Reinigungsstu- fen 2, 3 umfasst. Die Reinigungsstufen 2, 3 sind in Strömungsrichtung des Abgases, wie durch die Blockpfeile kenntlich gemacht, hintereinander geschaltet. Die Reinigungsstufen 2, 3 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 4 untergebracht. Die Reinigungsstufe 3 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Substrat 5, gefertigt aus einem hoch porösen Siliziumkarbidwerkstoff. Das Substrat 5 verfügt über eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender, durch Filterwände eingefasste Filterkanäle. Der Partikelfilter ist als Teilfilter ausgelegt, weshalb eine erste Vielzahl von Filterkanälen bei diesem Ausführungsbeispiel abströmseitig verschlossen sind, während eine zweite Vielzahl von Kanälen unverschlossen ist und somit Bypass-Durchströmwegsamkeiten bereitstellen. Die Porosität des Siliziumkarbidmaterials, aus dem das Substrat 5 gefertigt ist, beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 65 %. Figur 1 zeigt in einem Längsschnitt einen durch Filterwände eingefassten Filterkanal 6. Der Filterkanal 6 ist abströmseitig durch einen Verschlusskörper 7, der bezüglich des Filterkanals 6 einen Stopfen bildet, verschlossen. Die zu diesem Filterkanal 6 benachbarten Filterkanäle sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel unverschlossen. Somit handelt es sich bei dem aus dem Substrat 5 gebildeten Partikelfilter um einen Partikelteilfilter.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verschlussstopfen 7 und mit diesem auch alle anderen, jeweils einen Filterkanal abströmseitig verschließende Stopfen erst eingesetzt worden, nachdem über die Längserstreckung des Substrates mehrere Porositätszonen eingerichtet worden sind. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Porositätszonen PL P₂, P3 vorgesehen. Diese sind in Durchströmungsrichtung des Abgases durch das Substrat 5, wie durch die Blockpfeile dargestellt, hintereinander liegend angeordnet. Eingestellt werden die drei Porositätszonen Pi, P₂, P3 durch entsprechendes Reduzieren der Ursprungsporosität des Substrates 5 nach seiner Herstellung. Zu diesem Zweck ist das Substrat 5 in einem ersten Schritt insgesamt mit einem Washcoat beschichtet worden. Bei diesem und auch bei den nachfolgenden Beschich- tungsprozessen wirkt sich positiv aus, dass die Verschlussstopfen 4 noch nicht eingebaut sind. Somit kann der Washcoat nach Eintauchen und Herausnehmen des Substrates 5 in eine Washcoatlösung besonders gut ablaufen. Gleichfalls ist ein anschließendes Ausblasen zum Trocknen des aufgebrachten Washcoats begünstigt. Bei dem eingesetzten Washcoat handelt es sich um einen an sich bekannten, der herkömmlich als Träger für eine katalytische Beschichtung dient. Bei dem Substrat 5 macht man sich jedoch primär die oberflächenvergrößernden Eigenschaften des aufgetragenen Washcoats zur Reduzierung der Porosität nutze. Durch diesen ersten Washcoat-Beschichtungsvorgang ist die Porosität in der mittleren Porositätszone P2 eingestellt worden. Gegenüber der Ursprungsporosität ist diese um etwa 7 % herabgesetzt. In einem nachfolgenden Schritt wird in einer Endzone - der Porositätszone P3 - die Porosität durch einen zweiten Washcoat-Beschichtungsprozess nochmals um etwa 7 % herabgesetzt. Ebenso ist in der durch die Porositätszone P1 in Figur 1 gezeigten Eingangszonen ebenfalls die Porosität durch einen zweiten Washcoat- Beschichtungsprozess gegenüber der Porosität in der Porositätszone P₂ herabgesetzt. Eingesetzt worden ist hierzu wiederum derselbe Washcoat, so dass das Substrat 5 in den Porositätszonen P1 , P₃ eine Porosität von etwa 51 % und in der Porositätszone P2 von etwa 58 % aufweist. Dieses bedeutet für die Durchstrombarkeit des Substrates 5, dass aufgrund der unterschiedlichen Porositäten das Abgas bevorzugt die Porositätszone P₂ durchströmt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der in den Porositätszonen P2 und P3 vorhandene Washcoat mit einer ΝΟχ selektiv reduzierenden ka- talytischen Beschichtung ausgerüstet. Dieses bedeutet, dass das Substrat 5 des Partikelfilters in den Zonen P₂ und P3 nach Art eines SCR-Katalysators bei Vorhandensein von Ammoniak als Reduktionsmittel neben seiner Filterfunktion arbeitet. Der in der Porositätszone P1 befindliche Washcoat ist mit einer eine Hydrolyse bewirkenden Beschichtung ausgestattet. Dieses dient zum Beschleunigen einer Hydrolyse von im Abgas mitgeführten feinen Urea-Tröpfchen, um aus diesen das für die SCR-Katalyse als Reduktionsmittel benötigte NH₃ freizusetzen. Somit kommt dem Substrat 5 des Partikelteilfilters neben seiner eigentlichen Filterfunktion auch die Funktion eines SCR-Katalysators zuteil. Es versteht sich, dass für eine SCR-Katalyse stromauf des Substrates Urea in den Abgasstrom eingedüst wird.

Die vorbeschriebene Porositätszonierung des Substrates 5 hat zur Folge, dass im Abgas mitgeführter Ruß in den endseitig durch Verschlussstopfen 7 verschlossenen Filterkanälen 6 zu einem Maximum in der Porositätszone P2 akkumuliert wird. Grund hierfür ist die verglichen mit den Porositäts- zonen P-t und P₃ der durch die größere Porosität bedingte geringere Durchströmungswiderstand. In Figur 1 ist ein typisches Rußbeladungsbild des Filterkanals 6 schematisiert eingetragen. Deutlich erkennbar ist, dass in der Endzone mit der Porosität P₃ die Rußbeladung in Richtung zum Verschlusskörper 7 hin abnimmt. Zugleich ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die zusätzliche Washcoat-Beschichtung in der Porositätszone P3 zur Reduzierung der Porosität dieser Zone P3 gegenüber derjenigen in der Zone P2 zusätzliche Masse in die Porositätszone P3 eingebracht. Die geringere Rußbeladung in der Porositätszone P₃ und die durch die Washcoat-Beschichtung eingebrachte zusätzliche Masse schützt die Porositätszone P₃ - die Endzone des Substrates 5 - vor einem unerwünschten Überhitzen bei einer Regeneration des Substrates 5, bei der der akkumulierte Ruß oxidiert wird. Tritt das mit Urea angereicherte Abgas in das Substrat 5 ein, reagiert das Urea als Reduktionsmittel- Precursor hydrolytisch an der Oberfläche in der Porositätszone P1 zum Freisetzen des mitgeführten NH₃. Gleichzeitig lagert sich durch den eintretenden Filtereffekt auch Ruß in der Porositätszone P1 ab. Aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes in der Porositätszone P₂ wird die meiste Rußmenge in der Porositätszone P₂ akkumuliert. Dieses gilt vor allem in Bezug auf die Dicke des akkumulierten Rußes. Da die Porositätszone P2 bezogen auf die Längserstreckung des Substrates 5 die längste Zone ist und etwa 70 % der Länge des Substrates 5 einnimmt, trägt dieses im Übrigen dazu bei, dass die meiste Rußmenge in dieser Porositätszone P₂ akkumuliert wird. Zugleich mit der Rußakkumulation wird das mitgeführte ΝΟχ an der katalytischen Oberfläche in den Porositätszonen P₂ und P₃ infolge des spätestens an dem Hydrolysekatalysator der Porositätszone P1 freigesetzten NH₃ reduziert.

Auch die Reinigungsstufe 2 ist auf einem als Partikelteilfilter ausgelegten Substrat 8 aufgebaut. Bei dem Substrat 8 handelt es sich um ein solches, wie dieses zu dem Substrat 5 beschrieben ist. Im Unterschied zu dem Substrat 5 verfügt das Substrat 8 nur über zwei Porositätszonen P₄, P₅. Die Porositätszonen P₄, P₅ entsprechen den Porositätszonen P₂, P₃ des Substrates 5. Somit ist bei dem Substrat 8 die Porosität in der Porositätszone P₅ gegenüber derjenigen in der Porositätszone P₄ herabgesetzt. Insgesamt ist die Washcoat-Beschichtung des Substrates 8 mit einer oxidati- onskatalytischen Beschichtung ausgerüstet. Diese dient zum Entfernen von Kohlenwasserstoffen sowie von Kohlenmonoxid aus dem Abgasstrom und zum Generieren von NO₂ aus dem mitgeführten NO. Ausgangsseitig bezüglich des Substrates 8 wünscht man einen Abgasstrom mit einem NO:NO₂-Verhältnis von 1 :2 bis 2:1 . Ein solches NO:NO₂-Verhältnis unterstützt die SCR-Katalyse in dem Substrat 5. Ebenso wie bei dem Substrat 5 dient die reduzierte Porositätszone P5 bei dem Substrat 8 dem Zweck, dieses vor einer Überhitzung bei einer Regeneration zu bewahren.

Zwischen den beiden Substraten 8, 5 der beiden Reinigungsstufen 2, 3 befindet sich eine Einspritzeinrichtung 9 zum Zuführen von Urea als Re- duktionsmittel-Precursor in Wasser gelöster Form. Durch die Einspritzeinrichtung 9 wird das in flüssiger Form zugeführte Urea zerstäubt, welches spätestens bei Auftreffen auf der Hydrolyse-katalytischen Beschichtung in der Porositätszone P1 des Substrates 5 der Reinigungsstufe 3 aufgeschlossen wird.

Mit dem Abgasreinigungsaggregat, das in den Abgasstrang einer Dieselbrennkraftmaschine, insbesondere einer solchen einer mobilen Anwendung, wie beispielsweise eines Fahrzeuges, eingeschaltet ist, ist eine effektive Rußemissionsminderung sowie eine selbst strengen Anforderungen genügende Entstickung möglich. Von besonderem Vorteil ist bei dem Abgasreinigungsaggregat in der beschriebenen Zusammenstellung, dass diese nur relativ wenig Bauraum in Durchströmungsrichtung des Abgases benötigt.

Es versteht sich, dass sich die Erfindung auch ohne eine zonierte Ausbildung der als Teilfilter ausgelegten Reinigungsstufen realisieren lässt. Gleichwohl ist eine Ausbildung derselben mit zumindest einer hinsichtlich ihrer Porosität reduzierten Endzone aus den beschriebenen Gründen bevorzugt.

Figur 2 zeigt ein weiteres Abgasreinigungsaggregat 1 .1 , welches hinsichtlich der verwendeten Reinigungsstufen dem zu Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht. Das Ausführungsbeispiel der Figur 2 unterscheidet sich von demjenigen der Figur 1 dadurch, dass die für die Entstickung vorgesehene Reinigungsstufe 3.1 zum besseren Ausnutzen von zur Verfügung stehendem Bauraum in zwei in Strömungsrichtung des Ab- gases hintereinander geschalteten Substraten 5.1 , 5.2 erfolgt. Während das Substrat 5.1 aufgebaut ist wie das Substrat 5 der Abgasreinigungseinrichtung 1 der Figur 1 , ist das Substrat 5.2 ohne eine Hydrolyse unterstützende Beschichtung ausgeführt. Weiterhin umfasst das Substrat 5.2 die Porositätszonen P₂ und P3 des Substrates 5. Hinsichtlich ihrer Längserstreckung sind die Substrate 5.1 , 5.2 kürzer gehalten als das Substrat 5. Durch die Aufteilung des für die Entstickung benötigten Substratvolumens auf zwei Substrate 5.1 , 5.2 können diese winklig oder auch parallel zueinander angeordnet sein.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Einspritzeinrichtung 9.1 in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Eingang des Substrates 5.1 . Die Zuführung von Urea als Reduktionsmittel- Precursor wird so gesteuert, dass für die durchzuführende ΝΟχ-Reduktion an den beiden nachgeschalteten SCR-Katalysatoren eine hinreichende Reduktionsmittel-Precursormenge eingespritzt wird. Bezüglich des durch das Substrat 5.1 gebildeten SCR-Katalysators bedeutet dieses, dass bei einem gewünschten Betrieb beider Substrate 5.1 , 5.2 als SCR-Katalysatoren über die Einspritzeinrichtung 9.1 mehr Urea eingespritzt wird, als an dem Substrat 5.1 für die NO_x-Reduktion umgesetzt werden kann. Somit wird der SCR-Katalysator des Substrates 5.1 bezüglich der Zuführung des Reduktionsmittels überspritzt. Das Hintereinanderschalten einzelner Substrate, die wie bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 der Substrate 5.1 , 5.2 dieselbe Funktionalität aufweisen, kann auch genutzt werden, um über die Reduktionsmittelzufuhr einen Betrieb des zweiten (oder auch jedes weiteren) nachgeschalteten SCR-Katalysators zu steuern. Ist die umzusetzende ΝΟχ-Menge gering, beispielsweise bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine ohne oder nur mit geringer Last, ist es mitunter ausreichend, lediglich das erste Substrat 5.1 für die gewünschte SCR-Katalyse zu benutzen. In einem solchen Fall wird nur soviel Reduktionsmittel in den Abgasstrang eingebracht, der für die Entstickung an dem Substrat 5.1 genügt. Insofern bildet bei einer solchen Verfahrensführung des Abgasreinigungsaggregates 1 .1 das zweite Substrat 5.2 eine Entstickungsreserve, die durch Zuführen einer entsprechend höheren Dosis von Reduktionsmittel in Betrieb genommen wird, wenn die im Abgas mitgeführte NO_x-Menge entsprechend höher oder entsprechend hoch ist. Die Aufteilung der SCR-Funktionalität des Abgasreinigungsaggregates 1 .1 auf die beiden Substrate 5.1 , 5.2 hat des Weiteren zum Vorteil, dass aufgrund der geringeren Masse des Substrates 5.1 dieses rascher seine Betriebstemperatur erreicht, verglichen mit einem Substrat größeren Volumens. Infolgedessen kann eine Entstickung mit einer nennenswerten Umsetzrate bereits nach kürzerer Zeit nach einem Motorstart stattfinden.

In einer alternativen Ausgestaltung des zu Figur 2 beschriebenen Ausführungsbeispiels ist das Substrat 5.2 nicht als Partikelteilfilter ausgelegt. Vielmehr handelt es sich bei diesem Substrat sodann um einen SCR- Katalysator ohne Filterfunktion oder auch um einen SCR-Katalysator mit der Funktion eines Vollfilters.

Wenn im Rahmen dieser Ausführungen Porengrößen angegeben sind, ist hiermit regelmäßig die mittlere Porengröße gemeint. Dabei entspricht bevorzugt die Bandbreite der Porengröße einer Standardabweichung von maximal 70 %.

Beide Reinigungsstufen der beschriebenen Abgasreinigungsaggregate können aus ein oder mehreren, hintereinander geschalteten Filtersubstraten aufgebaut sein. Ein Aufbau aus mehreren Einzelsubstraten, wie diese beispielsweise anhand des Ausführungsbeispiels der Figur 2 beschrieben ist und wobei die Substrate 5.1 und 5.2 selbst durch mehrere Einzelsubstrate bereitgestellt sein können, ist für eine Regeneration aufgrund der dann nur relativ kurzen Länge eines solchen Substrates in Strömungsrichtung des Abgases sinnvoll, da thermisch bedingte Beschädigungen wirksam vermieden sind. Gleiches gilt entsprechend für die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Substrate 8 bzw. 8.1 . In einer solchen Ausgestaltung, bei der mehr als ein Substrat eine Reinigungsstufe ausmacht, sind die Einzelsubstrate kaskadenartig zueinander angeordnet. Im Falle einer solchen kaskadenartigen Ausgestaltung ist es zweckmäßig, dass jedes Einzelsubstrat eine Zone verringerter Porosität in einem Endbereich aufweist, wie dieses in den Ausführungsbeispielen beschrieben ist.

Zwischen einzelnen Filtersubstraten können turbulenzerzeugende Einbauten vorgesehen sein, beispielsweise ausgeführt als Turbulenzgitter. Von Vorteil bei dem vorbeschriebenen Konzept ist zudem, dass die als Wandstromfilter ausgelegten Partikelteilfilter als Substrat für eine darauf aufzubringende katalytische Beschichtung aufgrund der relativ hohen Porosität und der relativ großen Porengröße verglichen mit Vollfiltern eine für das Aufbringen des Washcoats und somit für die katalytische Beschichtung sehr große erreichbare Oberfläche aufweisen. Schließlich ist aufgrund dieser Auslegung der Teilfilter gewährleistet, dass auch das Porenvolumen katalytisch beschichtet wird. Somit wird durch ein solches Substrat auf kompaktem Raum eine besonders große Katalysatorfläche, verglichen mit reinen Katalysatoren ausgelegte Oberfläche zur Verfügung gestellt.

Das Abgasreinigungskonzept ist in den Ausführungsbeispielen anhand der Reinigung der Abgase einer Dieselbrennkraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors beschrieben worden. Gleichermaßen lässt sich dieses Konzept auch für die Reinigung der Abgase von Otto-Motoren einsetzen.

Die beschriebenen Abgasreinigungsaggregate können auch als Vier- Wege-Abgasreinigungsaggregate oder Vier-Wege-Katalysatoren angesprochen werden.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten, die Erfindung zu verwirklichen.

Bezugszeichenliste

1, 1.1 Abgasreinigungsaggregat

2, 2.1 Reinigungsstufe

3, 3.1 Reinigungsstufe

4 Gehäuse

,5.1,5.2 Substrat

6 Filterkanal

7 Verschlusskörper

8, 8.1 Substrat

9, 9.1 Einspritzeinrichtung

P_! - P₅ Porositätszone

Claims

Patentansprüche

Einrichtung zum Reinigen der Abgase einer Brennkraftmaschine, etwa einer Dieselbrennkraftmaschine mit einer ersten, einen Partikelfilter umfassenden Reinigungsstufe (2) zum Entfernen von im Abgas mitgeführten Rußpartikeln und mit einer zweiten, einen Ent- stickungskatalysator umfassenden Reinigungsstufe (3, 3.1 ) zum Entfernen von im Abgas vorhandenen Stickoxiden, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter der ersten Reinigungsstufe (2) ein als Wandstromfilter ausgelegter und mit einer katalytischen Beschichtung ausgestatteter Teilfilter ist.

Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reinigungsstufe (2) zumindest zwei in Richtung des Abgases hintereinander geschaltete, als Wandstromfilter ausgelegte und mit einer katalytischen Beschichtung ausgestattete Teilfilter umfasst.

Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung des oder der Teilfilter der ersten Reinigungsstufe (2) als oxidationskatalytische Beschichtung ausgeführt ist.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Entstickungskatalysator der zweiten Reinigungsstufe (3, 3.1 ) ein als Wandstromfilter ausgelegter und mit einer ΝΟχ-reduzierenden katalytischen Beschichtung ausgestatteter Teilfilter ist.

Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reinigungsstufe (3, 3.1 ) zumindest zwei in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander geschaltete, als Wandstromfilter ausgelegte und mit einer ΝΟχ-reduzierenden katalytischen Beschichtung ausgestattete Teilfilter umfasst.

Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ΝΟχ-reduzierende Beschichtung als SCR-Beschichtung ausgeführt ist und dass in Strömungsrichtung des Abgases stromaufwärts der zweiten Reinigungsstufe (3, 3.1 ) eine Einspritzeinrichtung (9, 9.1 ) zum Zuführen eines für die SCR-Katalyse benötigten Reduktionsmittels oder eines Precursors davon, etwa Urea, in den Abgasstrom vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts der Einspritzeinrichtung (9, 9.1 ) und stromaufwärts der zweiten Reinigungsstufe (3, 3.1 ) ein Hydrolysekatalysator angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5, 5.1 , 5.2, 8) des Hydrolysekatalysators ein als Wandstromfilter ausgelegter Teilfilter ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5, 5.1 , 5.2, 8) des Hydrolysekatalysators eine Zone des zur Ausbildung des Entstickungskatalysators verwendeten Substrates (5, 5.1 , 5.2, 8) ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5, 5.1 , 5.2, 8) zur Ausbildung der Teilfilter eine Vielzahl von in Strömungsrichtung des Abgases verlaufenden Filterwänden eingefasste Filterkanäle (6) aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5, 5.1 , 5.2, 8) zur Ausbildung des oder der Teilfilter aus einem Keramikwerkstoff, etwa einem Siliziumkarbidwerkstoff, einem Cordierit-Werkstoff oder einem Aluminiumtitanat-Werkstoff gefertigt ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (5, 5.1 , 5.2, 8) unbeschichtet eine Porosität von mehr als 50 % sowie eine Porengröße zwischen etwa 15 μιτι und 30 μιτι aufweist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1 , 8) bzw. zumindest eines der mehreren Substrate katalytisch beschichtet ist, etwa mit einer oxi- dationskatalytischen Beschichtung ausgerüstet ist.

Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Filterwände (2, 2.1 , 2.2) zwischen 0,3 mm und 0,7 mm, insbesondere etwa 0,4 mm beträgt.