AT501066A2

AT501066A2 - Abgassystem für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT501066A2
Application number: AT3512006A
Authority: AT
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2006-06-15
Also published as: AT501066B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgasstrang, in welchem zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist, mit zumindest einer stromabwärts eines ersten Oxidationskatalysators angeordneten DenoxEinheit.
NO2und NO sind Bestandteile des Rohabgases von Dieselbrennkraftmaschinen. Im Oxidationskatalysator, dessen primäre Aufgabe die Verbrennung von CO und HC-Resten ist, wird NO teilweise in NO2umgewandelt. Das sich so ergebende Verhältnis von NO2zu NO ist eine Funktion der Edelmetallkonzentration im Oxidationskatalysator, der Raumgeschwindigkeit, des Partialdrucks der NOx, sowie der Temperatur im Oxidationskatalysator.

NO2dient im Dieselpartikelfilter, der typischerweise nach dem Oxidationskatalysator durchströmt wird, als Oxidationsmittel zur permanenten Oxidation des darauf gelagerten Russes. Als weiterer Bestandteil eines Diesel-Abgassystems kann zur Verringerung der NOxEmissionen eine beispielsweise durch einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) gebildete Denox-Einheit verwendet werden, in welchem NOxmit Hilfe von zudosierten NH3reduziert wird.

Sowohl die NO-, wie auch die NO2-Bestandteile des Abgases sollten in dieser Stufe möglichst vollständig zu N2reduziert werden.
Aus folgenden Gründen ist eine möglichst hohe Aktivität (entspricht hoher Edelmetallmasse) des Oxidationskatalysators wünschenswert:
Light-off setzt früher ein;
vollständiger Umsatz von CO und HC, auch wenn stromaufwärts zusätzlich HC zur Verbrennung im Oxidationskatalysator dosiert wird (zur Temperaturerhöhung des Abgases);
vollständiger Umsatz auch bei Alterung des Oxidationskatalysators;
hoher NO2-Partialdruck nach dem Oxidationskatalysator, um die Russverbrennung im Dieselpartikelfilter zu verbessern;
Dem entgegen steht jedoch, dass für die katalytische Aktivität bzw. den vollständigen Umsatz der NOxin der Denox-Einheit ein molares Verhältnis NO[sum]/NO von 1 vorteilhaft ist.

Darüber hinaus kann ein Verhältnis NO2/NO > 1 zur Entstehung von Lachgas (N2O) in der Denox-Einheit führen. Bei einer hohen Katalysatormasse wird NOjt/ O = 1 aber in wesentlichen Betriebspunkten über > 2**
schritten, das heisst, im Oxidationskatalysator wird zuviel NO in NO2umgewandelt.
Die JP 2005-002968 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang, in welchen ein leistungsfähiger Oxidationskatalysator und ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Der Oxidationskatalysator ist über eine Bypassleitung umgehbar.

Sobald die Abgastemperatur einen Wert erreicht, in welchem die Invertierungsrate des Oxidationskatalysators mindestens 50% beträgt, werden die Abgase am Oxidationskatalysator vorbeigeleitet, um exzessive Erzeugung von NO2zu vermeiden, welche die NOx-Umsetzrate im SCR- Katalysator vermindern würde.
Die EP 1 357 267 A2 beschreibt eine Abgasanlage für einen Dieselmotor mit einem SCR-Katalysator im Abgasstrang, stromaufwärts von welchem ein Oxidationskatalysator und ein Hydrolysekatalysator in parallelen Strömungswegen angeordnet sind. Hydrolysekatalysator und Oxidationskatalysator werden gleichzeitig von getrennten Teilabgasströmen durchströmt.

Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau und reduzierten Abgasgegendruck.
Aufgabe der Erfindung ist es, sowohl beim Oxidationskatalysator, als auch beim SCR-Katalysator eine hohe katalytische Aktivität zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass stromaufwärts der Denox-Einheit ein zweiter Oxidationskatalysator angeordnet ist, wobei vorzugsweise erster und zweiter Oxidationskatalysator für verschiedene katalytische Aktivitäten und/oder für verschiedene Temperaturbereiche ausgelegt sind. Die Oxidationskatalysatoren weisen bevorzugt verschiedene Edelmetallmengen auf.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator strömungsmässig im Abgasstrang parallel zueinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise der Durchfluss zumindest eines Oxidationskatalysator mittels eines Stellorganes verstellbar ist.

Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator strömungsmässig in Serie im Abgasstrang angeordnet sind, wobei zumindest ein Oxidationskatalysator über eine Bypassleitung umgehbar ist. Vorzugsweise ist in der Bypassleitung ein Stellorgan angeordnet. Der Katalysator mit der höheren Aktivität kann im Bedarfsfall zu- oder weggeschalten oder nur mit einer Teilmenge an Abgas durchströmt werden.
Die beiden Oxidationskatalysatoren können in getrennten oder in einem einzigen gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. 9[Lambda] J* ** *
In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Partikelfilter stromaufwärts der Denox-Einheit, vorzugsweise stromabwärts einer Zumesseinrichtung, für Reduktionsmittel angeordnet ist.

Dadurch kann das Reduktionsmittel in heisseres Abgas eingesprüht und eine komplexere Mischstrecke realisiert werden.
Eine besonders genaue Kontrolle der katalytischen Aktivität kann erreicht werden, wenn das Stellorgan in Abhängigkeit des NOx-Gehaltes im Abgas, der Temperatur des Abgases, dem Druckverlust des Dieselpartikelfilters, dem Luftmassenstrom, dem Kraftstoff massenstrom, der Kurbelwellendrehzahl oder dergleichen modellbasiert verstellbar ist, wobei vorzugsweise stromabwärts der Denox-Einheit zumindest ein NOx-Sensor angeordnet ist
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein erfindungsgemässes Abgassystem in einer ersten Ausführungsvariante und Fig. 2 ein erfindungsgemässes Abgassystem in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 3 die Stickoxidumsatzrate über der Temperatur aufgetragen.
Fig.

1 zeigt ein Abgassystem 1 einer Dieselbrennkraftmaschine 2 mit einem Abgasstrang 3 in welchen ein erster Oxidationskatalysator 4 und eine zweiter Oxidationskatalysator 5 angeordnet sind. Stromabwärts der beiden Oxidationskatalysatoren 4, 5 ist eine als SCR-Katalysator 6 ausgebildete Denox-Einheit zur selektiven katalytischen Reduktion der NOxmit Hilfe eines zudosierten Reduktionsmittels wie Harnstoff oder NH3angeordnet. Zwischen Zumesseinrichtung 10 und SCR-Katalysator 6 kann ein Partikelfilter 9 angeordnet sein. Der erste Oxidationskatalysator 4 weist eine geringere katalytische Aktivität auf als der zweite Oxidationskatalysator 5.

Der zweite Oxidationskatalysator 5 kann bei Bedarf mittels eines Stellorgans 7 aktiviert bzw. deaktiviert werden.
Das in Fig. 2 dargestellte Abgassystem 1 unterscheidet sich von diesem dadurch, dass die ersten und zweiten Oxidationskatalysatoren 4, 5 strömungsmässig hintereinander geschalten sind, wobei der zweite Oxidationskatalysator 5 über eine Bypassleitung 8 umgehbar ist, in welcher das Stellorgan 7 angeordnet ist.
Bei beiden Oxidationskatalysatoren 4, 5 können voneinander getrennt oder aber in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Liegt ein erhöhter Bedarf an katalytischer Aktivität vor, so wird der zweite Oxidationskatalysator 5 mittels des Stellorgans 7 aktiviert, wodurch Abgas durch diesen hindurchgeleitet wird.

Gegebenenfalls können auch mehrere Stellorgane vorgesehen sein. * [pound][phi]*-00
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in welchem die NOx-Konversionsrate CONVNOXin % über der Temperatur T in [deg.]C aufgetragen ist. Weiters ist das Verhältnis NO2/NO eingezeichnet. Die Linie 20 bezeichnet die NOx-Konversionsrate bei einem nur aus einer Denox-Einheit bestehenden Abgasnachbehandlungssystem. Die Linie 30 zeigt die NOx-Konversionsrate für ein Nachbehandlungssystem, welches einen leistungsstarken Oxidationskatalysator und eine nachgeschaltete Denox-Einheit beinhaltet. Die Linie 35 zeigt das Verhältnis NO2/NO für diesen Fall. Die Linie 40 beschreibt die NOx-Konversionsrate für ein Abgasnachbehandlungssystem, welches einen hinsichtlich des Verhältnisses NO2/NO = 1 optimierten Oxidationskatalysators und eine Denox-Einheit aufweist.

Die Linie 45 beschreibt das Verhältnis NO2/NO für diesen Fall. Die punktierte Linie 50 zeigt das optimale Verhältnis NO2/NO = 1.
Mit den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Abgassystemen 1 können durch stufenlose Einstellung des Stellorgans 7 alle NO2/NO-Verhältnisse des in Fig. 3 eingezeichneten Bereiche A zwischen den Kurven 35 und 45 eingestellt werden.

Die Einstellung des zum Beispiel als Klappe ausgebildeten Stellorgans 7 kann über einen stromabwärts der Denox-Einheit angeordneten NOx-Sensor 10 geregelt verlaufen oder anhand von Messgrössen wie Temperaturen des Abgasstrangs 3, Druckverlust des Dieselpartikelfilters, Luftmassenstrom, Kraftstoff massenstrom, Motordrehzahl und ähnlichen modellbasiert eingestellt werden.
Es ist auch möglich, die in Fig. 1 und 2 dargestellten Systeme zu kombinieren.
Der erste Oxidationskatalysator 4 enthält nur soviel Edelmetall, dass im Temperaturbereich von 200[deg.]C bis 300[deg.]C kein Einbruch des Umsatzes im SCR-Katalysator 6 erfolgt. Bei Temperaturen unter 200[deg.]C würde auf diese Weise allerdings auf einen Grossteil des Umsatzes im SCR-Katalysator 6 verzichtet werden.

Weiters wäre es nicht möglich, alle aus einer hohen Aktivität des Oxidationskatalysators erzielbaren Vorteile vorzunehmen. Eine hohe Aktivität des Oxidationskatalysators hat folgende Vorteile:
Light-off setzt früher ein;
vollständiger Umsatz von CO und HC, auch wenn stromaufwärts zusätzlich HC zur Verbrennung im Oxidationskatalysator zudosiert wird (zur Temperaturerhöhung des Abgases);
vollständiger Umsatz auch bei Alterung des Oxidationskatalysators;
hoher NO2-Partialdruck nach dem Speicherkatalysator, um die Russverbrennung im Dieselpartikelfilter zu verbessern; laa *[phi]a¯[Phi]a
Dem entgegen steht jedoch, dass für die katalytische Aktivität bzw. den vollständigen Umsatz der NOxin der SCR-Reaktion ein molares Verhältnis NO2/NO von 1 vorteilhaft ist. Darüber hinaus kann ein Verhältnis NO2/NO > 1 zur Entstehung von Lachgas (N2O) in der SCR-Stufe führen.

Bei einer hohen Katalysatormasse wird NO2/NO = 1 in wesentlichen Betriebspunkten überschritten, das heisst, dass im Katalysator zuviel NO in NO2umgewandelt wird.
Aufbauend auf der beschriebenen Lösung mit zwei Oxidationskatalysatoren 4, 5 lässt sich eine Verwendung von katalytisch beschichteten Dieselpartikelfiltern (in denen katalytisch zusätzlich NO2nachproduziert werden würde) vermeiden, da in allen Betriebsbereichen des einströmende Gas vom Speicherkatalysator kommend schon einen ausreichend hohen NO2-Partialdruck hat.
In einem un beschichteten Dieselpartikelfilter 9 verbrennt mehr oder weniger ausschliesslich Kohlenstoff, nicht aber NH3(was in einem katalytischen Dieselpartikelfilter der Fall wäre). Daher kann als Ergänzung eine NH3bzw.

Harnstoffdosierung mittels einer Zumesseinrichtung 10 vor dem Dieselpartikelfilter 9 folgen, obwohl der SCR-Katalysator 6 erst nach dem Dieselpartikelfilter 9 folgt. Damit lässt sich das Reduktionsmittel in ein heisseres Abgas einsprühen und eine längere und komplexere Mischstrecke realisieren, was sich günstig auf die Abmessungen des Abgassystems 1 auswirkt. Auch die bauliche Kombination von Dieselpartikelfiltern 9 und SCR-Katalysator 6 ist so möglich, weil keine Zwischenstrecke zur Zudosierung des Reduktionsmittels benötigt wird.

Claims

> fr<[phi]>-<[phi]> P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Abgassystem (1) für eine Brennkraftmaschine (2), insbesondere für eine Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgasstrang (3), in welchem zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist, mit zumindest einer stromabwärts eines ersten Oxidationskatalysators (4) angeordneten Denox-Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der DenoxEinheit ein zweiter Oxidationskatalysator (5) angeordnet ist.

2. Abgassystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator (4, 5) für verschiedene Aktivitäten und/oder für verschiedene Temperaturbereiche ausgelegt sind.

3. Abgassystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator (4, 5) unterschiedliche Edelmetallmassen aufweisen, wobei vorzugsweise der zweite Oxidationskatalysator (5) eine grössere Edelmetallmasse aufweist als der erste Oxidationskatalysator (4).

4. Abgassystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator (4, 5) strömungsmässig im Abgasstrang (3) parallel zueinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise der Durchfluss durch zumindest einen, vorzugsweise dem zweiten Oxidationskatalysator (5) mittels eines Stellorgans (7) verstellbar ist.

5. Abgassystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator (4, 5) strömungsmässig im Abgasstrang (3) in Serie angeordnet sind, wobei vorzugsweise zumindest ein, vorzugsweise der zweite Oxidationskatalysator (5) über eine Bypassleitung (8) umgehbar ist, wobei besonders vorzugsweise in der Bypassleitung (8) ein Stellorgan (7) angeordnet ist.

6. Abgassystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Oxidationskatalysator (4, 5) in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind.

7. Abgassystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partikelfilter (9) stromaufwärts der Denox-Einheit, vorzugsweise stromabwärts einer Zumesseinrichtung (10), für Reduktionsmittel angeordnet ist.

8. Abgassystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (7) in Abhängigkeit des NOx-Gehaltes im Ab [phi][phi]-[phi]a gas, der Temperatur des Abgases, dem Druckverlust des Dieselpartikelfilters (9), dem Luftmassenstrom, dem Kraftstoffmassenstrom, der Kurbelwellendrehzahl oder dergleichen modellbasiert verstellbar ist.

Abgassystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Denox-Einheit zumindest ein NOx-Sensor angeordnet ist.

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