DE112010003613T5

DE112010003613T5 - Niedertemperatur-Katalysator für die selektive katalytische Reduktion sowie dazugehörige Systeme und Verfahren

Info

Publication number: DE112010003613T5
Application number: DE112010003613T
Authority: DE
Inventors: Redy Ettireddy Padmanabha; Matthew Henrichsen
Original assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Current assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-11-08
Also published as: US8491845B2; WO2011032020A2; WO2011032020A3; US20110058999A1

Abstract

Gemäß einer Ausführungsform ist im vorliegenden Schriftstück ein Abgasnachbehandlungssystem (120) beschrieben, das derart an einen Verbrennungsmotor (110) gekoppelt werden kann, dass es einen Abgasstrom empfängt. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator (165), der dafür ausgelegt ist, NOx in einem Abgas zu reduzieren, welches eine Temperatur unterhalb eines Temperaturschwellenwerts hat. Das System umfasst weiterhin einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen (170), der dafür ausgelegt ist, NOx in einem Abgas zu reduzieren, das eine Temperatur oberhalb des Temperaturschwellenwerts hat.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die Anwendung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanwendung Nr. 61/241312 , eingereicht am 10. September 2009, die durch Querverweis in das vorliegende Schriftstück eingefügt wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Offenlegung betrifft Abgasnachbehandlungssysteme und insbesondere Systeme zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) mit mehreren SCR-Katalysatoren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Herkömmliche SCR-Systeme umfassen SCR-Katalysatoren, die dafür ausgelegt sind, NO_x aus Abgasströmen während des Betriebs in normalen bis hohen Temperaturbereichen (z. B. zwischen ungefähr 250°C und ungefähr 450°C) wirkungsvoll zu reduzieren. Beim Kaltstart eines Motors, wenn die Abgastemperaturen in niedrige Temperaturbereiche (z. B. zwischen ungefähr 60°C und ungefähr 250°C) fallen können, gelingt es herkömmlichen SCR-Katalysatoren nicht, NO_x aus Abgasströmen wirkungsvoll zu reduzieren. Das liegt daran, dass der Motor in niedrigen Temperaturbereichen typischerweise nicht genug NO₂ erzeugt (und Oxidationskatalysatoren nicht genug NO in NO₂ umwandeln), damit die NO_x-Reduktion wirksam wird, und es schwierig ist, genug Ammoniak für eine wirkungsvolle NO_x-Reduktion bereitzustellen. Um in Betriebsbereichen mit niedriger Abgastemperatur mehr NO in NO₂ umzuwandeln, kann ein Oxidationskatalysator mit großen Mengen an Platin durchgesetzt werden. Derartige Oxidationskatalysatoren können kostenaufwändig sein und zusätzliche Nachteile mit sich bringen.
Hinzu kommt, dass es herkömmliche SCR-Systeme zur wirkungsvollen NO_x-Reduktion im Niedertemperaturbetrieb eines Motors erforderlich machen, die Motorbetriebsbedingungen anzupassen oder neu abzustimmen, um die Abgastemperatur und die NO₂-Menge zu erhöhen. Die Neuregelung des Motorbetriebs zur Erhöhung der Abgastemperatur und der NO₂-Erzeugung kann zu einem Übermaß an Abgasschadstoffen (z. B. NO_x und Partikel) und an Kraftstoffverbrauch sowie zu einer geringeren Lebensdauer des Motors führen.
Bei anderen Ansätzen zur Reduktion von NO_x in niedrigen Abgastemperaturbereichen können in den SCR-Katalysatoren verschiedenartige Materialien verwendet werden. Derartige Ansätze sorgen indes nicht für eine ausreichende NO_x-Reduktion bei niedrigen Temperaturen (z. B. zwischen ungefähr 60°C und ungefähr 250°C). Hinzu kommt, dass bekannte SCR-Katalysatoren, bei denen verschiedenartige Materialien verwendet werden, dazu neigen, NO_x lediglich als Ammoniaknitrat abzufangen, welches den SCR-Katalysator verstopfen kann, anstatt das NO_x zu Stickstoff und Wasser zu reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist mit Hinblick auf den gegenwärtigen Stand der Technik entwickelt worden und insbesondere mit Hinblick auf die Aufgaben und Bedürfnisse innerhalb dieses Fachgebietes, die mit den derzeit erhältlichen Systemen zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) bisher noch nicht vollständig gelöst werden konnten. Dementsprechend ist der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung entwickelt worden, um einen SCR-Katalysator sowie dazugehörige Systeme und Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen während des Niederabgastemperaturbetriebs eines Motors bereitzustellen, wobei er mindestens einige der Unzulänglichkeiten des Standes der Technik behebt.
Im vorliegenden Schriftstück sind verschiedenartige Ausführungsformen eines Niedertemperatur-SCR-Katalysators sowie dazugehörige Systeme und Verfahren beschrieben. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der Niedertemperatur-SCR-Katalysator Bestandteil eines Verbrennungsmotorsystems, das ein Abgasnachbehandlungssystem umfasst, welches mit einem Verbrennungsmotor gekoppelt ist. Das Nachbehandlungssystem umfasst verschiedenartige Bauteile, wie etwa einen Oxidationskatalysator (z. B. einen Diesel-Oxidationskatalysator (DOC)), einen Diesel-Partikelfilter (DPF) und ein SCR-System. Das SCR-System umfasst einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator, einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen sowie ein Reduktionsmittel-Zufuhrsystem. In einer Umsetzung umfasst das SCR-System ein Bypass-Ventil, das stromaufwärts des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen gelegen ist, um mindestens eine Teilmenge des Abgases durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator zu leiten, bevor es durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen fließt.
Der Niedertemperatur-SCR-Katalysator besteht aus einer einzigartigen Kombination aus einzelnen oder in Mischung vorliegenden Übergangsmetallen, die auf eine bestimmte Kombination aus mehreren Oxiden aufgebracht sind. Die Übergangsmetall- und Oxid-Kombinationen der vorliegenden Offenlegung sorgen für eine wirkungsvolle Reduktion von NO_x in einem Abgasstrom bei niedrigen Temperaturen (z. B. zwischen ungefähr 60°C und ungefähr 250°C in einigen Umsetzungen sowie ungefähr 60°C und 150°C an anderen Umsetzungen). Hinzu kommt, dass in bestimmten Umsetzungen die Übergangsmetall- und Oxidkombinationen eine verhältnismäßig geringe Affinität für verschiedenartige Substanzen haben, welche die NO_x-Reduktion an einem SCR-Katalysator hemmen, wie etwa Schwefeldioxid (SO₂) und Wasser. Weiterhin ist in einigen Umsetzungen der SCR-Katalysator für niedrigere Temperaturen der vorliegenden Offenlegung bei hohen Abgastemperaturen mechanisch stabil (z. B. bis zu ungefähr 450°C). Auch ist bei einem Niedertemperatur-SCR-Katalysator der vorliegenden Offenlegung nicht erforderlich, dass ein DOC des Nachbehandlungssystems zusätzliche Mengen an Platin für die Umwandlung von NO zu NO₂ umfasst, da der Niedertemperatur-SCR-Katalysator für die NO_x-Reduktion nicht so viel NO₂ wie herkömmliche Katalysatoren benötigt.
Gemäß einer spezifischen Ausführungsform umfasst ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) eine Trägerschicht und eine katalytische Schicht, welche an die Trägerschicht gekoppelt ist. Die Trägerschicht ist aus mindestens einem von TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, GaO₂, TiO₂-Al₂O₃, TiO₂-SiO₂, TiO₂-GaO₂, TiO₂-ZrO₂, CeO₂, CeO₂-ZrO₂, Al₂O₃-SiO₂, Al₂O₃-ZrO₂, TiO₂-SiO₂-ZrO₂, und TiO₂-Al₂O₃-SiO₂ hergestellt. Die katalytische Schicht ist aus mindestens einem von V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Ge und Nb hergestellt. Die Kombination aus Trägerschicht und katalytischer Schicht ist dafür ausgelegt, NO_x in einen Abgasstrom bei einer Abgastemperatur zwischen ungefähr 60°C und ungefähr 250°C zu reduzieren.
In einer Umsetzung des SCR-Katalysators ist die Trägerschicht aus TiO₂ hergestellt, und die katalytische Schicht ist aus einem von Mn, Cr, Cu, Co, Fe, V und Ni hergestellt. In einer anderen Umsetzung des SCR-Katalysators ist die Trägerschicht aus TiO₂ hergestellt, und die katalytische Schicht ist aus Mn hergestellt. In einer wiederum anderen Umsetzung des SCR-Katalysators ist die Trägerschicht aus TiO₂ hergestellt, und die katalytische Schicht ist aus Cr hergestellt. In bestimmten Umsetzungen ist die Trägerschicht aus TiO₂ hergestellt, und die katalytische Schicht ist aus Cu hergestellt. Die Kombination aus Trägerschicht und katalytischer Schicht kann dafür ausgelegt werden, 100% des NO_x in einem Abgasstrom bei einer Abgastemperatur von weniger als ungefähr 175°C zu reduzieren.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform ist im vorliegenden Schriftstück ein Abgasnachbehandlungssystem beschrieben, das derart an einen Verbrennungsmotor gekoppelt werden kann, dass es einen Abgasstrom empfängt. Das System umfasst einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator, der dafür ausgelegt ist, NO_x in einem Abgas zu reduzieren, das eine Temperatur unterhalb eines Temperaturschwellenwerts hat. Das System umfasst weiterhin einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen, der dafür ausgelegt ist, NO_x in einem Abgas zu reduzieren, das eine Temperatur oberhalb des Temperaturschwellenwerts hat. Der Temperaturschwellenwert kann zwischen ungefähr 150°C und ungefähr 250°C liegen. In einigen Fällen kann es sich bei dem Temperaturschwellenwert um eine Temperatur handeln, bei welcher sich der Niedertemperatur-SCR-Katalysator zersetzt.
In einigen Umsetzungen umfasst das System weiterhin ein Abgas-Bypass-Ventil, das dafür ausgelegt ist, mindestens eine Teilmenge eines Abgasstroms durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator zu leiten, wenn eine Temperatur des Abgasstroms unterhalb des Temperaturschwellenwerts liegt. Das Bypass-Ventil ist weiterhin dafür ausgelegt, den gesamten Abgasstrom durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen zu leiten, wenn die Temperatur des Abgasstroms oberhalb des Temperaturschwellenwerts liegt. Das Bypass-Ventil kann stromaufwärts der SCR-Katalysatoren für niedrige und für normale bis hohe Temperaturen angeordnet sein, und der Niedertemperatur-SCR-Katalysator kann stromaufwärts des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen angeordnet sein.
Entsprechend einiger Umsetzungen des Systems ist das Bypass-Ventil dafür ausgelegt, den gesamten Abgasstrom durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator zu leiten, wenn eine Temperatur des Abgasstroms unterhalb der Mindestbetriebstemperatur des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen liegt. Die Mindestbetriebstemperatur kann niedriger als der Temperaturschwellenwert sein. Das Bypass-Ventil kann die Menge des Abgasstroms, welche durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator fließt, schrittweise von 100% bis 0% des Abgasstroms senken, wenn die Temperatur des Abgasstroms in entsprechendem Maße von der Mindestbetriebstemperatur auf den Temperaturschwellenwert ansteigt. In ähnlicher Weise kann das Bypass-Ventil die Menge des Abgasstroms, welche durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator fließt, schrittweise von 0% auf 100% des Abgasstroms erhöhen, wenn die Temperatur des Abgasstroms in entsprechendem Maße vom Temperaturschwellenwert auf die Mindestbetriebstemperatur sinkt.
In bestimmten Umsetzungen ist der SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen stromabwärts des Niedertemperatur-SCR-Katalysators angeordnet und empfängt sämtliches Abgas, das durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator fließt. In bestimmten anderen Umsetzungen ist der Niedertemperatur-SCR-Katalysator stromabwärts des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen angeordnet und empfängt sämtliches Abgas, das durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen fließt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms das Bereitstellen eines Abgasnachbehandlungssystems, welches einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator und einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin die Reduktion von NO_x in einem Abgasstrom mit dem Niedertemperatur-SCR-Katalysator, wenn eine Temperatur des Abgasstroms innerhalb eines niedrigen Temperaturbereichs liegt. Zusätzlich umfasst das Verfahren die Reduktion von NO_x in einem Abgasstrom mit dem SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen, wenn die Temperatur des Abgasstroms innerhalb eines normalen bis hohen Temperaturbereichs liegt. Das Verfahren kann es beinhalten, den gesamten Abgasstrom durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen zu leiten. Zusätzlich kann es das Verfahren beinhalten, mindestens eine Teilmenge des Abgasstroms durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator zu leiten, bevor diese Teilmenge durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen fließt, wenn die Temperatur des Abgasstroms innerhalb des niedrigen Temperaturbereichs liegt. Gemäß einigen Umsetzungen wird der gesamte Abgasstrom durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen geleitet, bevor der gesamte Abgasstrom durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator fließt.
In der gesamten vorliegenden Beschreibung sind Bezugnahmen auf Merkmale, Vorteile, oder ähnliche Aussagen keinesfalls derart aufzufassen, dass sämtliche dieser Merkmale oder Vorteile, die mit der vorliegenden Offenlegung umgesetzt werden können, in einer beliebigen einzelnen Ausführungsform oder Umsetzung der Offenlegung vorhanden sind oder sein müssten. Vielmehr sind Aussagen, die sich auf Merkmale und Vorteile beziehen, derart aufzufassen, dass spezifische Merkmale, Vorteile oder kennzeichnende Eigenschaften, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, bei mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung vorhanden sind. In der gesamten vorliegenden Beschreibung können sich Erörterungen von Merkmalen und Vorteilen und ähnliche Aussagen, auf ein und dieselbe Ausführungsform oder Umsetzung beziehen, missen dies jedoch nicht notwendigerweise.
Die beschriebenen Merkmale, Vorteile und kennzeichnenden Eigenschaften der vorliegenden Offenlegung können auf eine beliebige geeignete Art und Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen und/oder Umsetzungen kombiniert werden. Der Fachmann wird erkennen, dass der Gegenstand der vorliegenden Offenlegung auch dann in die Praxis umgesetzt werden kann, wenn ein oder mehrere der spezifischen Merkmale oder Vorteile einer bestimmten Ausführungsform oder Umsetzung nicht gegeben sind. In anderen Fällen lassen sich bei bestimmten Ausführungsformen und/oder Umsetzungen möglicherweise zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen, die nicht bei sämtlichen Ausführungsformen oder Umsetzungen gegeben sein müssen. Diese Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenlegung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen noch besser sichtbar oder lassen sich aus der praktischen Umsetzung der Offenlegung erkennen, die nachstehend angeführt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Vorteile des Gegenstands erfolgt eine ausführlichere Beschreibung des oben in Kürze beschriebenen Gegenstands unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Mit dem Hinweis, dass in diesen Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen des Gegenstands dargestellt und diese daher nicht als Einschränkung des diesbezüglichen Geltungsbereichs aufzufassen sind, wird der Gegenstand anhand dieser Zeichnungen auf spezifischere und ausführlichere Weise beschrieben und erläutert, wobei:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Verbrennungsmotorsystems ist, das ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Niedertemperatur-SCR-Katalysator, einem Bypass-Ventil und einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen gemäß einer repräsentativen Ausführungsform aufweist;
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Verbrennungsmotorsystems ist, das ein Abgasnachbehandlungssystem mit einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator, der sich stromabwärts eines SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen befindet, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform aufweist;
3 eine Seitenansicht der Wand eines Niedertemperatur-SCR-Katalysators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform ist;
4 ein Diagramm ist, in welchem ein Vergleich zwischen dem prozentualen NO-Umwandlungsgrad und verschiedenartigen Übergangsmetallen für Niedertemperatur-SCR-Katalysatoren bei verschiedenen Abgastemperaturen dargestellt ist; und
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Abgasbehandlung in einem SCR-System eines Abgasnachbehandlungssystems gemäß einer repräsentativen Ausführungsform ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der gesamten vorliegenden Beschreibung ist eine Bezugnahme auf „die Ausführungsform”, „eine Ausführungsform” oder ähnliche Aussagen derart aufzufassen, dass bestimmte Merkmale, Strukturen oder kennzeichnende Eigenschaften, die in Verbindung mit dieser Ausführungsform beschrieben werden, bei mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben sind. In der gesamten vorliegenden Beschreibung können sich die Formulierungen „in dieser Ausführungsform”, „in einer Ausführungsform” oder ähnliche Aussagen stets auf ein und dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen dies jedoch nicht notwendigerweise. In ähnlicher Weise bedeutet die Verwendung des Begriffs „Umsetzung”, dass eine Umsetzung mit bestimmten Merkmalen, Strukturen oder kennzeichnenden Eigenschaften vorliegt, die in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung beschrieben werden, wobei eine Umsetzung stets mit einer oder mehreren Ausführungsformen in Verbindung stehen kann, es sei denn, es wird ausdrücklich eine andersartige Verbindung hergestellt.
Darüber hinaus können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder kennzeichnenden Eigenschaften des hier beschriebenen Gegenstands in einer beliebigen geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details angegeben, die dem gründlichen Verständnis von Ausführungsformen der Offenlegung dienen sollen. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Gegenstand der vorliegenden Offenlegung auch bei fehlendem Vorliegen einer oder mehrerer der spezifischen Einzelheiten oder aber mit anderen Verfahren, Bauteilen, Materialien und so weiter in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen, Materialien oder Vorgänge nicht im Detail abgebildet oder beschrieben, um eine Verdeckung anderer Aspekte der Offenlegung zu vermeiden.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotorsystems 100. Zu den Hauptbestandteilen des Motorsystems 100 gehören ein Verbrennungsmotor 110, ein Abgasnachbehandlungssystem 120, das mit dem Motor gekoppelt ist, und ein Steuergerät 130, das in elektronischer Verbindung mit dem Motor 110 und dem Nachbehandlungssystem 120 steht.
Bei dem Verbrennungsmotor 110 kann es sich um einen Verbrennungsmotor handeln, der durch Verdichtung gezündet wird, wie etwa um einen Motor, der mit Dieselkraftstoff betrieben wird, oder um einen Verbrennungsmotor, der mittels eines Zündfunkens gezündet wird, wie etwa um einen Ottomotor, der mager betrieben wird. Innerhalb des Verbrennungsmotors 110 wird Luft aus der Atmosphäre mit Kraftstoff kombiniert, um den Motor anzutreiben. Die Verbrennung des Kraftstoffs mit der Luft erzeugt ein Abgas, das beim Betrieb zu einem Abgaskrümmer abgeführt wird. Vom Abgaskrümmer fließt mindestens eine Teilmenge des erzeugten Abgases über Abgasleitungen in und durch das Abgasnachbehandlungssystem 120, wie durch die Richtungspfeile zwischen den verschiedenen Bauteilen des Systems 100 angezeigt ist. Obgleich ein solcher nicht dargestellt ist, kann das Motorsystem 100 weiterhin einen Turbolader umfassen, der im Betrieb an die Abgasleitung zwischen dem Motor 110 und dem Oxidationskatalysator 140 gekoppelt ist. Abgas, das durch den Turbolader fließt, kann eine Turbine des Turboladers antreiben, welche einen Kompressor des Turboladers antreibt, um die Einlassluft des Motors zu verdichten.
Im Allgemeinen ist das Abgasnachbehandlungssystem 120 dafür ausgelegt, die Anzahl an Schadstoffen zu verringern, die im Abgas enthalten sind, welches vom Motor 110 erzeugt wird, und zwar bevor das Abgas in die Atmosphäre abgeleitet wird. Als Beispiel für eine besondere Ausführungsform umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 120 einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) 140, einen Diesel-Partikelfilter (DPF) 150 und ein SCR-System 160. In der erläuterten Ausführungsform ist der DOC 140 stromaufwärts des DPF 150 angeordnet und der DPF 150 ist stromaufwärts des SCR-Systems 160 angeordnet. Das Nachbehandlungssystem 120 kann zusätzliche Bauteile, wie etwa zusätzliche DOCs, DPFs und SCR-Systeme, oder weitere Bauteile wie etwa Ammoniak-Oxidationskatalysatoren (AMOX) umfassen.
Bei dem DOC 140 kann es sich um einen beliebigen der verschiedenartigen Durchfluss-, Dieseloxidationskatalysatoren oder sonstigen Oxidationskatalysatoren handeln, die innerhalb des Fachgebietes bekannt sind. Im Allgemeinen ist der DOC 140 dafür ausgelegt, zumindest einige Partikel, z. B. die lösliche organische Rußfraktion, sowie NO im Abgas zu oxidieren und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe sowie CO im Abgas zu weniger umweltschädlichen Verbindungen zu reduzieren. So kann der DOC 140 beispielsweise die Kohlenwasserstoff- und CO-Konzentrationen im Abgas hinreichend stark verringern, um die geltenden Emissionsnormen zu erfüllen. Das Abgasnachbehandlungssystem 120 kann weiterhin ein Reagenzien Zufuhrsystem (nicht dargestellt) umfassen, um ein Kohlenwasserstoffreagenz, wie etwa Kraftstoff, in das Abgas einzuleiten, bevor dieses durch den DOC 140 fließt. Im Allgemeinen kann das Reagenz die Oxidation verschiedener chemischer Verbindungen erleichtern, welche innerhalb des DOC 140 adsorbiert werden, die Regenerierung des DPF 150 erleichtern und die Abgastemperatur wirkungsvoll erhöhen. Alternativ oder zusätzlich zu einem Reagenzien-Zufuhrsystem kann das Steuergerät 130 dafür ausgelegt sein, die Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungskammern des Motors 110 zeitlich derart zu steuern, dass im Abgas, das dem Motor 110 entströmt, ein Überschuss an umverbrannten Kraftstoff vorliegt. Der unverbrannte Kraftstoff hat weitgehend dieselbe Wirkung wie Kraftstoff, der über das Reduktionsmittel-Zufuhrsystem in das Abgas eingespritzt wird, um Bedingungen zu schaffen, die zu einer Oxidation und Regenerierung führen.
Bei dem DPF 150 kann es sich um einen beliebigen der verschiedenartigen Partikelfilter handeln, die innerhalb des Fachgebietes bekannt sind, wobei er dafür ausgelegt ist, die Konzentrationen an Partikeln, z. B. an Ruß und Asche, im Abgas zu vermindern, um die geltenden Emissionsnormen zu erfüllen. Der DPF 150 kann elektrisch mit einem Steuergerät, wie etwa dem Steuergerät 130, verbunden sein, welches die verschiedenartigen Kennwerte des Partikelfilters, wie beispielsweise den Zeitpunkt und die Dauer von Filterregenerierungsvorgängen, steuert.
Das SCR-System 160 umfasst einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 und einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 170. Wie in dargestellt ist, ist der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 stromaufwärts des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen 170 angeordnet. Die Einzelheiten des Niedertemperatur-SCR-Katalysators 165 sind unten ausführlicher beschrieben. In bestimmten Umsetzungen kann es sich bei dem SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 170 um einen herkömmlichen SCR-Katalysator handeln, der innerhalb des Fachgebietes bekannt ist. In einigen Umsetzungen handelt es sich beispielsweise bei dem SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 170 um einen Katalysator auf Vanadiumbasis, und in anderen Umsetzungen handelt es sich bei dem SCR-Katalysator 170 um einen Katalysator auf Zeolithbasis, wie etwa einen Cu-Zeolith- oder einen Fe-Zeolith-Katalysator.
Das SCR-System 160 umfasst weiterhin ein Bypass- oder Flussregulierungsventil 175, das derart mit den DPF 150 in Verbindung steht, dass es Abgas empfängt. Das Bypass-Ventil 175 ist elektronisch mit dem Steuergerät 130 verbunden, welches die Schaltung des Ventils auf selektive Weise steuert. Das Bypass-Ventil 175 kann zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung geschaltet werden. In der offenen Stellung leitet das Bypass-Ventil 175 sämtliches Abgas vom DPF 150 in den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165. In der geschlossenen Stellung hingegen leitet das Bypass-Ventil 175 keinerlei Teilmengen des Abgases in den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165. Anders ausgedrückt, führt das Bypass-Ventil 175 in der geschlossenen Stellung dazu, dass der Niedertemperatur-SCR-Katalysator umgangen wird. In bestimmten Umsetzungen kann das Bypass-Ventil 175 auf beliebige Stellungen zwischen der offenen und der geschlossenen Stellung eingestellt werden, um die Flussrate zum Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 selektiv zu regulieren. Anders ausgedrückt, kann das Bypass-Ventil 175 derart gesteuert werden, dass beliebige Teilmengen an Abgas vom DPF 150 in den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 hießen.
Wenn mindestens eine Teilmenge des Abgases durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 geleitet wird, kann in einigen Umsetzungen des Motorsystems 100 der SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 170 dazu dienen, Ammoniak zu absorbieren, das aus dein Niedertemperatur-SCR-Katalysator entwichen ist. Wenn die Temperatur des Katalysatorbetts des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen 170 oberhalb eines Schwellenwerts liegt (z. B. zwischen ungefähr 150°C und ungefähr 175°C). kann der SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 170 zusätzlich NO_x umwandeln, das aus dem Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 entwichen ist.
Im Allgemeinen ist das System 100 in einigen Ausführungsformen erstrebenswert, wenn der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 für einen Zerfall oder eine Beschädigung bei hohen Abgastemperaturen sehr anfällig ist. Wenn die Temperatur des Abgases im Nachbehandlungssystem derartig hohe Abgastemperaturen erreicht, ist das Bypass-Ventil dafür ausgelegt, das Abgas um den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 herumzuführen, so dass der Niedertemperatur-SCR-Katalysator nicht dem Abgas mit hoher Temperatur ausgesetzt ist. Auf diese Weise kann der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 dazu verwendet werden, in einem Motorsystem, in welchem Temperaturen erreicht werden können, die hoch genug sind, um den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 zu zersetzen, bei niedrigen Abgastemperaturen NO_x zu reduzieren.
Das SCR-System 160 umfasst weiterhin ein Reduktionsmittel-Zufuhrsystem 180, das eine Reduktionsmittelquelle, -pumpe und -abgabevorrichtung oder -einspritzvorrichtung (nicht dargestellt) umfasst. Bei der Reduktionsmittelquelle kann es sich um einen Behälter oder Tank handeln, der ein Reduktionsmittel, wie beispielsweise Ammoniak (NH₃) und Harnstoff, welcher sich unter Ammoniakbildung zersetzt, aufnehmen kann. Die Reduktionsmittelquelle ist derart mit der Pumpe verbunden, dass sie Reduktionsmittel liefert, wobei die Pumpe dafür ausgelegt ist, Reduktionsmittel von der Reduktionsmittelquelle zur Abgabevorrichtung zu pumpen. Die Abgabevorrichtung kann eine Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung oder -dosiervorrichtung umfassen, die stromabwärts des DPF 150 und stromaufwärts des Bypass-Ventils 175 und des SCR-Katalysators 165, 170 angeordnet ist. In alternativen Ausführungsformen kann die Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung an anderen Stellen des Nachbehandlungssystems 160 angeordnet sein, wie etwa stromaufwärts des DOC 140, und/oder das Reduktionsmittel-Zufuhrsystem kann mehr als eine Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung umfassen. In der erläuterten Ausführungsform kann die Einspritzvorrichtung selektiv gesteuert werden, um Reduktionsmittel direkt in den Abgasstrom einzuspritzen, bevor dieser durch das Bypass-Ventil 175 gelangt. Beim Betrieb reagiert das Ammoniak mit NO_x in Gegenwart der SCR-Katalysatoren 165, 170, um NO_x zu weniger schädlichen Emissionen wie etwa N₂ und H₂O zu reduzieren.
Das Motorsystem 100 umfasst weiterhin verschiedenartige physikalische und/oder virtuelle Sensoren wie etwa Abgastemperatursensoren 190, 195. Der Abgastemperatursensor 190 ist stromabwärts des Motors 110 und stromaufwärts des DOC 140 angeordnet und der Abgastemperatursensor 195 ist stromabwärts des DPF 150 und stromaufwärts des Bypass-Ventils 175 angeordnet. Bei den Abgastemperatursensoren 190, 195 kann es sich um physikalische Sensoren und/oder virtuelle Sensoren handeln, die dafür ausgelegt sind, eine Temperatur von Abgas, das den Motor 110 verlässt, beziehungsweise eine Temperatur von Abgas, das den DPF 150 verlässt, zu bestimmen (z. B. zu detektieren oder zu schätzen). Obgleich sie nicht dargestellt sind, kann das Motorsystem 100 verschiedenartige weitere Sensoren enthalten, wie etwa einen Differentialdrucksensor zur Bestimmung eines Druckunterschiedes beiderseits des DPF 150, Massenfluss-Sensoren zur Bestimmung der massenbezogenen Abgasflussrate und Abgaseigenschaftssensoren zur Bestimmung der massenbezogenen Konzentrationen verschiedenartiger Verbindungen im Abgas, wie etwa NO_x, Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak und Ähnlichem. Die verschiedenartigen Sensoren können zweckmäßig im gesamten Motorsystem 100 angeordnet sein und können mit dem Steuergerät 130 in Verbindung stehen, um die Betriebsbedingungen des Systems zu überwachen.
In 2 ist eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotorsystems 200 dargestellt, das dem Motorsystem 100 der ähnlich ist. Wie bei dem Verbrennungsmotorsystem 100 umfasst das Motorsystem 200 ein Abgasnachbehandlungssystem 220 mit einem SCR-System 260. Das SCR-System 260 umfasst einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265 und einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 270. Weitere Merkmale des Motorsystems 200, die den Merkmalen des Motorsystems 100 entsprechen, haben ähnliche Nummern. Auf spezifischere Weise werden die Merkmale des Motorsystems 200, die den Merkmalen des Motorsystems 100 ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch in einer 200-er Reihe anstelle einer 100-er Reihe wie sie beim Motorsystem 100 verwendet wird.
Im Gegensatz zum SCR-System 160 umfasst das SCR-System 260 kein Bypass-Ventil. Dementsprechend fließt sämtliches Abgas, das den DPF 250 verlässt, durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265. Hinzu kommt, dass der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265 stromabwärts des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen 270 liegt und sämtliches Abgas empfängt, das durch den SCR-Katalysator 270 fließt. Bei Vorliegen einiger Betriebsbereiche mit niedriger Abgastemperatur (z. B. unterhalb der Mindestbetriebstemperatur des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen 270) fließt das Abgas durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen, wobei das NO_x keinerlei Reduktion erfährt. Dementsprechend erfolgt bei Vorliegen derartiger Betriebsbereiche mit niedriger Abgastemperatur die NO_x-Reduktion vollständig im Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265, nachdem das Abgas durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 270 geflossen ist. Bei Vorliegen bestimmter mittlerer Abgastemperaturen erfolgt ein Teil der NO_x-Reduktion innerhalb des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen 270 und der andere Teil der NO_x-Reduktion erfolgt innerhalb des Niedertemperatur-SCR-Katalysators 265. Bei Vorliegen bestimmter hoher Abgastemperaturen wiederum erfolgt die NO_x-Reduktion vollständig innerhalb des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen 270 und innerhalb des Niedertemperatur-SCR-Katalysators 265 erfolgt keinerlei NO_x-Reduktion.
Im Allgemeinen, in einigen Ausführungsformen, ist das System 200 erstrebenswert, wenn die höchsten Abgastemperaturen, die während des Betriebs des Motors 210 und der Nachbehandlungsbauteile (d. h. DOC 240 und DPF 250) erreicht werden, keine Zersetzung oder Beschädigung des Niedertemperatur-SCR-Katalysators 265 verursachen. In bestimmten Umsetzungen ist der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265 bei Abgastemperaturen unterhalb von 450°C mechanisch stabil (d. h. zersetzt sich nicht). Bei diesen Umsetzungen kann das System 200 verwendet werden, wenn die höchste Abgastemperatur, die während des Betriebs des Motors 200 erreicht wird, 450°C nicht überschreitet. Wenn indes die Abgastemperaturen während des Betriebs des Motorsystems 200 eine Beschädigung des Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265 verursachen können, kann das System 200 derart neu konfiguriert werden, dass es ein Abgas-Bypass-Ventil und die dazugehörige Leitung umfasst, wie oben unter Bezugnahme auf das Motorsystem 100 beschrieben ist.
Die Niedertemperatur-SCR-Katalysatoren 165, 265 der Motorsysteme 100 beziehungsweise 200 sind in ähnlicher Weise ausgestaltet. Im Allgemeinen umfasst jeder Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165, 265 ein Katalysatorbett, das dem Abgasstrom ausgesetzt ist, welcher durch den Katalysator fließt. Das Katalysatorbett kann in einen wabenförmigen oder beschichteten SCR-Katalysator eingefügt werden, wie es innerhalb des Fachgebietes bekannt ist. Unter Bezugnahme auf können die Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165, 265 ein Bett umfassen, wie etwa das Katalysatorbett 300 der . Das Katalysatorbett 300 umfasst eine Trägerschicht 320 und eine katalytische Schicht 330. Die katalytische Schicht 330 ist Schadstoffen (z. B. NO_x) ausgesetzt, die in dem Abgasstrom enthalten sind, welcher über die Schicht fließt, wie der Richtungspfeil 310 anzeigt. Die Schadstoffe reagieren mit der katalytischen Schicht 330 in Gegenwart eines Reduktionsmittels wie etwa Ammoniak, um das NO_x zu weniger schädlichen Schadstoffen zu reduzieren.
Die Trägerschicht 320 und die katalytische Schicht 330 sind jeweils aus spezifisch ausgewählten Materialienn hergestellt, um die Schadstoffe im Abgasstrom wirkungsvoll zu reduzieren. Wie oben erörtert, reduzieren viele herkömmliche Materialien das NO_x aus dein Abgasstrom jedoch nur unzureichend, wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist (z. B. zwischen ungefähr 60°C und ungefähr 250°C), wie etwa unmittelbar nach einem Kaltstart des Motors 110, solange bis der Motor ausreichend „warmgelaufen” ist.
Gemäß der vorliegenden Offenlegung ist die Kombination aus Materialienn für die Trägerschicht 320 und die katalytische Schicht 330 einzig dafür ausgewählt worden, ein Katalysatorbett 300 bereitzustellen, das dazu befähigt ist, das NO_x unter Bedingungen mit niedriger Abgastemperatur in ausreichendem Maße zu reduzieren. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Trägerschicht 320 aus einem oder mehreren der folgenden Oxide hergestellt: TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, GaO₂, TiO₂-Al₂O₃, TiO₂-SiO₂, TiO₂-GaO₂, TiO₂-ZrO₂, CeO₂, CeO₂-ZrO₂, Al₂O₃-SiO₂, Al₂O₃-ZrO₂, TiO₂-SiO₂-ZrO₂ und TiO₂-Al₂O₃-SiO₂, sowie anderen, ähnlichen Oxiden. In ähnlicher Weise ist die katalytische Schicht 330, gemäß einigen Ausführungsformen, aus einem oder mehreren der folgenden Übergangsmetalle hergestellt: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Ge, Nb und anderen ähnlichen Materialienn. In einer besonderen Ausführungsform umfasst das Bett 300 eine Trägerschicht 320 und eine katalytische Schicht 330, die aus einer einzigartigen Kombination aus je einem der oben aufgelisteten Oxide beziehungsweise Übergangsmetalle hergestellt ist. Die einzigartige Kombination kann auf Grundlage der Bedingungen, unter denen der SCR-Katalysator betrieben werden soll, und der angestrebten Wirksamkeit hinsichtlich der NO_x-Umwandlung bei niedrigen Abgastemperaturen ausgewählt oder angepasst werden. In einigen Umsetzungen umfasst das Bett 300 beispielsweise eine Trägerschicht 320, die aus TiO₂ hergestellt ist, und eine katalytische Schicht 330, die aus einem von Mn, Cr, Cu, Co, Fe, V und Ni hergestellt ist. In einer spezifischen Umsetzung ist die Trägerschicht 320 aus TiO₂ hergestellt, und die katalytische Schicht 330 ist aus Mn hergestellt.
Unter Bezugnahme auf 4 wurden Katalysatorbetten 300, jeweils mit einer Trägerschicht 320, die aus TiO₂ hergestellt ist, und einer katalytischen Schicht 330, die aus einem von Mn, Cr, Cu, Co, Fe, V und Ni hergestellt ist, unter derselben Prüfbedingungen untersucht, um die Wirksamkeit der Umwandlung von NO_x zu N₂ bei drei niedrigen Abgastemperaturen (nämlich 100°C, 120°C und 175°C) zu bestimmen. Wie in dargestellt ist, zeigte das Katalysatorbett 300 mit einer katalytischen Schicht 330, die aus Mn hergestellt ist, den höchsten Wirkungsgrad der NO_x-Umwandlung bei allen drei niedrigen Abgastemperaturen. So sorgte das Bett 300 mit einer Katalysatorschicht 330, die aus Mn hergestellt ist, beispielsweise sogar bei einer Abgastemperatur von 100°C für einen Wirkungsgrad der NO_x-Umwandlung von mehr als 80%. Wie die Darstellung zeigt, wird mit dem Bett 300, das eine Katalysatorschicht 330 hat, welche aus Mn hergestellt ist, bereits bei niedrigen Abgastemperaturen wie etwa 120°C ein Wirkungsgrad der NO_x-Umwandlung von 100% erzielt. Die Abgasbedingungen während der Prüfung der Katalysatorbetten 300 umfassten: Stundenbezogene Raumgeschwindigkeit des Gases = 8000 h^–1, NO = NH₃ = 2000 ppm, 2% O₂, und Rest He.
Zusätzlich zum hohen Wirkungsgrad der NO_x-Umwandlung bei niedrigen Abgastemperaturen sorgen die Katalysatorbetten 300 mit Trägerschichten 320 und katalytischen Schichten 330, die aus einer einzigartigen Kombination von je einem der oben aufgelisteten Oxide beziehungsweise Übergangsmetalle hergestellt sind, für eine niedrige Affinität oder hohe Verträglichkeit gegenüber SO₂ und Wasser. Dementsprechend behielten die Katalysatorbetten 300 einen hohen Wirkungsgrad der NO_x-Umwandlung bei niedrigen Abgastemperaturen sogar, wenn in dem Abgas hohe Gehalte an SO₂ und Wasser vorlagen.
Weiterhin können SCR-Katalysatoren für niedrige Abgastemperaturen mit den Katalysatorbetten 300, wie sie oben beschrieben sind, kostengünstig hergestellt werden und bleiben bei Abgastemperaturen, die bis zu 450°C betragen und in einigen Fällen darüber liegen, mechanisch stabil.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 1 steuert das Steuergerät 130 den Betrieb des Motorsystems 100 und der dazugehörigen Untersysteme, wie etwa des Motors 110 und des Abgasnachbehandlungssystems 120. Das Steuergerät 130 ist in als eine physikalische Einheit dargestellt, kann in einigen Ausführungsformen jedoch, wenn dies gewünscht wird, zwei oder mehr physikalisch getrennte Einheiten oder Bauteile umfassen. Im Allgemeinen empfängt das Steuergerät 130 mehrere Eingangswerte, verarbeitet die Eingangswerte und überträgt mehrere Ausgangswerte. Die mehreren Eingangswerte können Sensormesswerte von den Sensoren und verschiedenartige benutzerseitige Eingangswerte umfassen. Die Eingangswerte werden vom Steuergerät 130 unter Verwendung verschiedenartiger Algorithmen, gespeicherter Daten und anderer Eingangswerte verarbeitet, um die gespeicherten Daten zu aktualisieren und/oder Ausgabewerte zu erzeugen. Die erzeugten Ausgabewerte und/oder Befehle werden an andere Bauteile des Steuergeräts und/oder an ein oder mehrere Elemente des Motorsystems 100 übermittelt, um das System derart zu steuern, dass die angestrebten Ergebnisse erzielt werden und, auf spezifischere Weise, angestrebte Abgasemissionen erzielt werden.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Steuergerät 130 ein oder mehrere Module, die dafür ausgelegt sind, den Betrieb des SCR-Systems 260 zu steuern. Auf spezifischere Weise steuert das Steuergerät 130 das Reduktionsmittel-Zufuhrsystem 180 an. um das Reduktionsmittel in den Abgasstrom zu dosieren, und das Bypass-Ventil 175, um den Fluss des Abgases in den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 zu steuern. In bestimmten Umsetzungen empfängt das Steuergerät 130 Eingangswerte von Temperatursensoren 190, 195, um die Temperatur des Abgases zu bestimmen, das den Motor 110 beziehungsweise den DPF 150 verlässt. Zumindest teilweise auf der Grundlage einer der bestimmten Abgastemperaturen kann das Steuergerät 130 einen Befehl an das Bypass-Ventil 175 ausgeben, sich zumindest teilweise zu öffnen und mindestens eine Teilmenge des Abgases durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 fließen zu lassen. Das Steuergerät 130 gibt den Befehl an das Bypass-Ventil 175 aus, wenn eine der bestimmten Abgastemperaturen unterhalb eines zuvor festgelegten Schwellenwerts liegt, wie etwa der Obergrenze eines zuvor festgelegten Bereichs kalter Abgastemperaturen. Der Bereich kann auf der Ausgestaltung des Motorsystems 100 beruhen sowie auf beliebiger verschiedenartiger externer Faktoren, wie etwa der Umgebungstemperatur, das Auftreten von Regenerierungsvorgängen und Ähnlichem. In einer Umsetzung beispielsweise, wenn die Temperatur des Abgases, das den DPF 150 verlässt, unterhalb eines Schwellenwerts kalter Abgastemperaturen liegt, befiehlt das Steuergerät 130 dem Bypass-Ventil 175, sich zu öffnen.
In einer Ausführungsform beruht der geöffnete Zustand des Bypass-Ventils 175 zumindest teilweise darauf, wie nahe die bestimmte Abgastemperatur an dem zuvor festgelegten Schwellenwert liegt. Wenn beispielsweise die bestimmte Abgastemperatur deutlich unterhalb des zuvor festgelegten Schwellenwerts liegt, wird das Steuergerät 130 einen Befehl ausgeben, um das Bypass-Ventil 175 vollständig zu öffnen, so dass sämtliches Abgas (d. h. 100%), das den DPF 150 verlässt, zunächst durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 fließt, bevor es durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 170 fließt. In bestimmten Umsetzungen liegt die Abgastemperatur deutlich unter dem zuvor festgelegten Schwellenwert, wenn die Temperatur unter eine Mindestbetriebstemperatur des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen fällt. Die Mindestbetriebstemperatur des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen kann mit der Temperatur in Verbindung gebracht werden, bei welcher der SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen nicht mehr in der Lage ist, eine nennenswerte Menge an NO_x zu reduzieren (z. B. 0% NO_x-Reduktion). Wenn die bestimmte Temperatur des Abgases, das den DPF 150 verlässt, ansteigt (z. B. über von einer Mindestbetriebstemperatur des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen in Richtung des zuvor festgelegten Schwellenwert ansteigt), wird das Steuergerät 130 solange Befehle zum schrittweisen und anteiligen Schließen des Ventils 175 ausgeben, bis das Ventil vollständig geschlossen ist, wenn die bestimmte Abgastemperatur den Schwellenwert erreicht.
Obgleich die Temperatur des Abgases in dem System 100 in den oben beschriebenen Ausführungsformen auf Grundlage von Messwerten eines oder mehrerer physikalischer Temperatursensoren bestimmt wird, kann in anderen Ausführungsformen die Abgastemperatur in dem System unter Verwendung von virtuellen Sensoren und Vorsteuerungsmodellen bestimmt werden. Die Verwendung von virtuellen Sensoren und Vorsteuerungsmodellen kann anstelle von physikalischen Sensoren oder in Verbindung mit solchen erfolgen.
In 5 ist ein Verfahren 500 zur Behandlung von Abgas in einem SCR-System eines Abgasnachbehandlungssystems wie den oben beschriebenen erläutert. Das Verfahren 500 umfasst im Wesentlichen die Maßnahmen zur Ausführung der oben dargestellten Funktionen unter Bezugnahme auf den Betrieb des Motorsystems 100 der . Das Verfahren 500 beginnt bei 510 mit der Bestimmung der Abgastemperatur an einer Stelle innerhalb des Systems 100. Die Stelle kann einem Ausgang des Motors 110 oder Ausgang des DPF 150 entsprechen. In den meisten Umsetzungen entspricht die Stelle denn Ausgang des DPF 150 oder liegt unmittelbar stromaufwärts der SCR-Katalysatoren 165, 170. Das Verfahren 500 wird derart fortgesetzt, dass bei 520 bestimmt wird, ob die bestimmte Abgastemperatur unterhalb eines zuvor festgelegten Schwellenwertes liegt. Wie oben erörtert wurde, kann der zuvor festgelegte Schwellenwert einer Obergrenze eines Bereichs kalter Abgastemperaturen entsprechen. Wenn die bestimmte Abgastemperatur unterhalb des Schwellenwerts liegt, wird gemäß denn Verfahren 500 bei 540 mindestens eine Teilmenge des Abgases durch einen Niedertemperatur-SCR-Katalysator geleitet. In einigen Umsetzungen wird, wenn die bestimmte Abgastemperatur in einem beliebigen Maße unterhalb des Schwellenwerts liegt, das gesamte Abgas durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator geleitet. In anderen Umsetzungen hingegen wird nur eine Teilmenge des Abgases (z. B. eine Teilmenge des Abgases, die proportional zur Nähe der bestimmten Abgastemperatur vom Schwellenwert ist) durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator geleitet.
Wenn die bestimmte Abgastemperatur gemäß der Bestimmung bei 520 oberhalb des zuvor festgelegten Schwellenwerts liegt, wird gemäß dem Verfahren 500 bei 530 das gesamte Abgas durch einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen geleitet. Anders ausgedrückt, wird bei 530 keinerlei Anteil des Abgases durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator geleitet.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2, bietet der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265 des Motorsystems 200 im Betrieb dieselben oder ähnliche Vorteile wie der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 165 des oben beschriebenen Motorsystems 100. Obgleich das Motorsystem 200 keinerlei Bypass-Ventil umfasst, ist der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265 dennoch dazu befähigt, während des Niedertemperaturbetriebs des Motors 210 mit hoher Wirksamkeit NO_x umzuwandeln. Im Allgemeinen ist der SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 270 bei niedrigen Abgastemperaturen nicht in der Lage, auf wirkungsvolle Weise das NO_x im Abgasstrom umzuwandeln. Dementsprechend umfasst Abgas, das den SCR-Katalysator 270 verlässt, überschüssige Mengen an NO_x, so dass der Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265 das überschüssige NO_x wirkungsvoll umwandeln kann. Wenn sich die Abgastemperatur der Obergrenze des Bereichs niedriger Abgastemperaturen nähert, verringert sich die NO_x-Reduktion am Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265, und die NO_x-Reduktion am SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen 270 nimmt zu. Schlussendlich wird, im Bereich normaler bis hoher Abgastemperaturen, der überwiegende Teil, wenn nicht sogar die gesamte NO_x-Reduktion des SCR-Systems 260 innerhalb des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen 270 erfolgen. In bestimmten Umsetzungen ist, bei normalen bis hohen Abgastemperaturen, wenig bis gar kein NO_x im Abgasstrom, wenn dieser in den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 270 gelangt, und möglicherweise im Abgas verbleibendes Ammoniak wird im Niedertemperatur-SCR-Katalysator oxidiert.
In einigen Ausführungsformen kann das Steuergerät 230 des Motorsystems 200 dafür ausgelegt sein, den Betrieb des Motors 210, die Oxidation am DOC 240 und/oder die Regenerierung des DPP 250 derart zu steuern, dass das Abgas, welches in den Niedertemperatur-SCR-Katalysator 265 gelangt, keine Temperatur erreicht, die eine Zersetzung des Niedertemperatur-SCR-Katalysators bewirken könnte.
Es sei darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen bei Verbrennungsmotoren in mobilen Anwendungen, wie etwa Personenkraftwagen, Traktoren und Lastkraftwagen, oder in stationären Anwendungen, wie etwa Heißwasserbereitern oder anderen industriellen Anwendungen, zum Einsatz kommen können.
Viele der funktionellen Einheiten, die in dieser Beschreibung erläutert sind, sind als Module bezeichnet worden, um die Unabhängigkeit ihrer Umsetzung besonders zu unterstreichen. Beispielsweise kann ein Modul als Hardware-Schaltkreis umgesetzt werden, der speziell angefertigte VLSI-Schaltkreise oder Gatter-Anordnungen, im Handel erhältliche Halbleiter wie etwa Logikchips, Transistoren oder andere diskrete Bauteile umfasst. Ein Modul kann weiterhin in programmierbaren Hardware-Vorrichtungen wie „field programmable gare arrays”, „programmable array logic”, programmierbaren Logik-Vorrichtungen oder Ähnlichem umgesetzt werden.
Die Module können weiterhin in Anwendungssoftware für verschiedene Arten von Prozessoren umgesetzt werden. Ein bestimmtes Modul mit ausführbarem Code kann beispielsweise einen oder mehrere logische Blöcke von Computeranweisungen umfassen, welche beispielsweise als Gegenstand, Routineablauf oder Funktion organisiert sein können. Nichtsdestoweniger müssen die ausführbaren Anwendungen eines bestimmten Moduls nicht unbedingt physikalisch am selben Ort liegen, sondern können getrennte Anweisungen umfassen, die an unterschiedlichen Stellen gespeichert sind, wobei sie bei Herstellung einer logischen Verbindung das Modul bilden und den Zweck erfüllen, der für das Modul ausgelobt ist.
In der Tat kann es sich bei einem Modul mit ausführbarem Code um eine einzige Anweisung oder um mehrere Anweisungen handeln, und es kann sogar über mehrere verschiedene Code-Abschnitte, über verschiedene Programme und über mehrere Speichervorrichtungen verteilt sein. In ähnlicher Weise können im vorliegenden Schriftstück Betriebsdaten innerhalb von Modulen bezeichnet und erläutert werden, und sie können in einer beliebigen geeigneten Form ausgeführt und innerhalb eines beliebigen geeigneten Datenträgertyps organisiert werden. Die Betriebsdaten können als Einzeldatensatz erfasst werden, oder sie können über verschiedene Stellen einschließlich verschiedener Speichervorrichtungen verteilt werden, und sie können zumindest teilweise lediglich als elektronische Signale in einem System oder Netzwerk vorliegen. Bei Umsetzung eines Moduls oder von Teilbereichen eines Moduls als Software sind die Softwareteilbereiche auf einem oder mehreren computerlesbaren Medien gespeichert.
Module können in einem computerlesbaren Medium umgesetzt sein, wobei dieses eine beliebige Form annehmen kann, die dazu befähigt ist, maschinenlesbare Anweisungen auf einem EDV-Gerät zu speichern. Ein computerlesbares Medium kann als Übertragungsleitung, CD, digitale Videodiskette, Magnetband, Bernouilli-Laufwerk, Magnetspeicherplatte, Lochkarte, Flash-Speicher, integrierte Schaltkreise oder sonstige Speichervorrichtung für EDV-Geräte ausgeführt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 61/241312 [0001]

Claims

Katalysator für die selektive katalytische Reduktion (SCR), umfassend: eine Trägerschicht, die aus einem Material hergestellt ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, GaO₂, TiO₂-Al₂O₃, TiO₂-SiO₂, TiO₂-GaO₂, TiO₂-ZrO₂, CeO₂, CeO₂-ZrO₂, Al₂O₃-SiO₂, Al₂O₃-ZrO₂, TiO₂-SiO₂-ZrO_2- und TiO₂-Al₂O₃-SiO₂ besteht; und eine katalytische Schicht, die an die Trägerschicht gekoppelt ist, wobei die katalytische Schicht aus einem Material hergestellt ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Ge und Nb besteht; wobei die Kombination aus Trägerschicht und katalytischer Schicht dafür ausgelegt ist, NO_x in einem Abgasstrom bei einer Abgastemperatur zwischen ungefähr 60°C und ungefähr 250°C zu reduzieren.
SCR-Katalysator nach Anspruch 1, wobei die Trägerschicht aus TiO₂ hergestellt ist und die katalytische Schicht aus einem von Mn, Cr, Cu, Co, Fe, V und Ni hergestellt ist.
SCR-Katalysator nach Anspruch 1, wobei die Trägerschicht aus TiO₂ hergestellt ist und die katalytische Schicht aus Mn hergestellt ist.
SCR-Katalysator nach Anspruch 1, wobei die Trägerschicht aus TiO₂ hergestellt ist und die katalytische Schicht aus Cr hergestellt ist.
SCR-Katalysator nach Anspruch 1, wobei die Trägerschicht aus TiO₂ hergestellt ist und die katalytische Schicht aus Cu hergestellt ist.
SCR-Katalysator nach Anspruch 1, wobei die Kombination aus Trägerschicht und katalytischer Schicht dafür ausgelegt ist, 100% des NO_x in einem Abgasstrom bei einer Abgastemperatur von weniger als ungefähr 175°C zu reduzieren.
Abgasnachbehandlungssystem, das derart an einen Verbrennungsmotor gekoppelt werden kann, dass es den Abgasstrom empfängt, umfassend: einen Niedertemperatur-Katalysator für die selektive katalytische Reduktion (SCR), der dafür ausgelegt ist, NO_x in einen Abgas zu reduzieren, das eine Temperatur unterhalb eines Temperaturschwellenwerts hat; und einen SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen, der dafür ausgelegt ist. NO_x in einem Abgas zu reduzieren, das eine Temperatur oberhalb des Temperaturschwellenwerts hat.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, das weiterhin ein Abgas-Bypass-Ventil umfasst, welches dafür ausgelegt ist, mindestens eine Teilmenge eines Abgasstroms durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator zu leiten, wenn eine Temperatur des Abgasstroms unterhalb des Temperaturschwellenwerts liegt, und den Abgasstrom in seiner Gesamtheit durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen zu leiten, wenn die Temperatur des Abgasstroms oberhalb des Temperaturschwellenwerts liegt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei das Bypass-Ventil dafür ausgelegt ist, den Abgasstrom in seiner Gesamtheit durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator zu leiten, wenn eine Temperatur des Abgasstroms unterhalb einer Mindestbetriebstemperatur des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen liegt, wobei die Mindestbetriebstemperatur niedriger als der Temperaturschwellenwert ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei das Bypass-Ventil dafür ausgelegt ist, die Menge des Abgasstroms, welche durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator fließt, schrittweise von 100% bis 0% des Abgasstroms zu senken, wenn die Temperatur des Abgasstroms in entsprechendem Maße von der Mindestbetriebstemperatur auf den Temperaturschwellenwert ansteigt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei das Bypass-Ventil dafür ausgelegt ist, die Menge des Abgasstroms, welche durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator fließt, schrittweise von 0% auf 100% des Abgasstroms zu erhöhen, wenn die Temperatur des Abgasstroms in entsprechendem Maße vom Temperaturschwellenwert auf die Mindestbetriebstemperatur sinkt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei der Temperaturschwellenwert eine Temperatur umfasst, bei welcher sich der Niedertemperatur-SCR-Katalysator zersetzt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei das Bypass-Ventil stromaufwärts der SCR-Katalysatoren für niedrige und für normale bis hohe Temperaturen angeordnet ist, und wobei der Niedertemperatur-SCR-Katalysator stromaufwärts des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei der SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen stromabwärts des Niedertemperatur-SCR-Katalysators angeordnet ist und sämtliches Abgas empfängt, das durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysalor fließt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei der Niedertemperatur-SCR-Katalysator stromabwärts des SCR-Katalysators für normale bis hohe Temperaturen angeordnet ist und sämtliches Abgas empfängt, das durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen fließt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei der Temperaturschwellenwert zwischen ungefähr 150°C und ungefähr 250°C liegt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, wobei der Niedertemperatur-SCR-Katalysator Folgendes umfasst: eine Trägerschicht, die aus einem Material hergestellt ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus TiO₂, Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, GaO₂, TiO₂-Al₂O₃, TiO₂-SiO₂, TiO₂-GaO₂, TiO₂-ZrO₂, CeO₂, CeO₂-ZrO₂, Al₂O₃-SiO₂, Al₂O₃-ZrO₂, TiO₂-SiO₂-ZrO₂ und TiO₂-Al₂O₃-SiO₂ besteht; und eine katalytische Schicht, die an die Trägerschicht gekoppelt ist, wobei die katalytische Schicht aus einem Material hergestellt ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Ag, Ge und Nb besteht.
Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms, umfassend: Bereitstellen eines Abgasnachbehandlungssystems, das einen Niedertemperatur-Katalysator für die selektive katalytische Reduktion (SCR) und einen SCR-Katalysator Tür normale bis hohe Temperaturen umfasst; Reduktion von NO_x in einem Abgasstrom mit dem Niedertemperatur-SCR-Katalysator. wenn eine Temperatur des Abgasstroms innerhalb eines niedrigen Temperaturbereichs liegt; und Reduktion von NO_x in einem Abgasstrom mit dem SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen, wenn die Temperatur des Abgasstroms innerhalb eines normalen bis hohen Temperaturbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, das es weiterhin beinhaltet, den Abgasstrom in seiner Gesamtheit durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen zu leiten und mindestens eine Teilmenge des Abgasstroms durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator zu leiten, bevor diese Teilmenge durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen fließt, wenn die Temperatur des Abgasstroms innerhalb des niedrigen Temperaturbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, das es weiterhin beinhaltet, den Abgasstrom in seiner Gesamtheit durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen zu leiten, wobei der Abgasstrom in seiner Gesamtheit durch den SCR-Katalysator für normale bis hohe Temperaturen geleitet wird, bevor der Abgasstrom in seiner Gesamtheit durch den Niedertemperatur-SCR-Katalysator fließt.