DE102015201902A1 - Abgasnachbehandlungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsanordnung mit wenigstens einem NOx-Speicherkatalysator (LNT), wobei der NOx-Speicherkatalysator (LNT) einen ersten Katalysatorabschnitt und einen zweiten Katalysatorabschnitt aufweist, wobei der zweite Katalysatorabschnitt bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts des ersten Katalysatorabschnitts angeordnet ist, wobei der erste Katalysatorabschnitt (120) zumindest eine Sauerstoffspeicherkomponente (OSC) aufweist, und wobei der zweite Katalysatorabschnitt (130) keinerlei Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsanordnung für ein Kraftfahrzeug.
  • Die Einführung immer strengerer NOx-Grenzwerte hat zur Entwicklung diverser Abgasnachbehandlungstechnologien geführt, um eine Kontrolle der NOx-Emissionen (= Stickoxid-Emissionen) im Abgas eines Dieselmotors zu erzielen.
  • Eine dieser Lösungen ist der sogenannte NOx-Speicherkatalysator (LNT), dessen Funktionsprinzip darauf beruht, Stickoxide (NOx) unter mageren Abgasbedingungen zunächst zu speichern und dann unter Einstellung eines fetten, reduzierenden Abgasgemischs in einer Regenerationsphase (welche typischerweise wenige Sekunden andauert) in unschädliche Komponenten, vor allem Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf, umzuwandeln. Die Häufigkeit, mit der diese Regenerationsphase durchgeführt wird, wird im Wesentlichen durch die NOx-Emissionen und die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators bestimmt, wobei diese Speicherkapazität wiederum von der Abgastemperatur abhängig ist.
  • Eine zweite Technologie ist die selektive katalytische Reduktion in einem sogenannten SCR-Katalysator (SCR = "Selective Catalytic Reduction" = "selektive katalytische Reduktion"), wobei am SCR-Katalysator die im Abgas enthaltenen Stickoxide mittels Ammoniak zu Stickstoff (N2) reduziert werden. Darüber hinaus ist der SCR-Katalysator dazu in der Lage, das z.B. stromaufwärts des SCR-Katalysators direkt dem Abgasstrom zugeführte Ammoniak bei niedrigen Abgastemperaturen zu speichern.
  • Des Weiteren ist es bekannt, in NOx-Speicherkatalysatoren (LNT) Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC = "oxygen storage components") einzusetzen, um eine CO/HC-Steuerung bei niedrigen Temperaturen sowie eine Erhöhung der Schwefeltoleranz zu erzielen.
  • Allerdings wird durch diese Sauerstoffspeicherkomponenten das Potential zur Ammoniak(NH3)-Erzeugung während der vergleichsweise kurzen Betriebsphasen mit fettem Luft-Kraftstoffgemisch (d. h. einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1) bzw. in den Regenerationsphasen verringert. Diese verringerte Ammoniak(NH3)-Erzeugung ist darauf zurückzuführen, dass der in einer Betriebsphase mit fettem Luft-Kraftstoffgemisch in einem bezogen auf die Richtung des Abgasstroms vorderen bzw. stromaufwärtigen Bereich eines NOx-Speicherkatalysators (LNT) erzeugte Ammoniak (NH3) im hinteren bzw. stromabwärtigen Bereich des NOx-Speicherkatalysators (LNT), welcher immer noch einen mageren Bereich bildet (in dem Bedingungen entsprechend einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch vorliegen), oxidiert werden kann. Ursache hierfür ist, dass die im hinteren bzw. stromabwärtigen Bereich des NOx-Speicherkatalysators (LNT) befindlichen Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) noch immer Sauerstoff enthalten.
  • Aus US 7,950,226 B2 ist u. a. eine Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, welche zwei in Reihe angeordnete NOx-Speicherkatalysatoren (LNT) von unterschiedlicher Zusammensetzung aufweist, wobei der bezogen auf die Richtung des Abgasstroms stromabwärtige NOx-Speicherkatalysator für eine Entschwefelung bei im Vergleich zur Entschwefelung am stromaufwärtigen NOx-Speicherkatalysator höheren Temperaturen ausgelegt ist.
  • Aus US 2007/0056268 A1 ist u. a. eine Abgasnachbehandlungsanordnung bekannt, welche zwei separate NOx-Speicherkatalysatorträger ("LNT-Bricks") aufweist, die in einer parallelen Anordnung derart konfiguriert sind, dass sie gleichzeitig separate Abgasanteile aufnehmen.
  • Aus US 2004/0076565 A1 ist u. a. eine Abgasnachbehandlungsanordnung mit einem stromaufwärts eines SCR-Katalysators angeordneten NOx-Speicherkatalysator (LNT) bekannt, wobei die Ammoniak(NH3)-Erzeugung auf Seiten des NOx-Speicherkatalysators (LNT) dadurch optimiert wird, dass die Sauerstoffspeicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators (LNT) vermindert wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasnachbehandlungsanordnung bereitzustellen, welche eine verbesserte Reduzierung von Stickoxiden im Abgas ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die Abgasnachbehandlungsanordnung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einer Abgasnachbehandlungsanordnung mit einem NOx-Speicherkatalysator (LNT) einen mit Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) versehenen ersten Katalysatorabschnitt des NOx-Speicherkatalysators (LNT) mit einem von solchen Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) freien zweiten Katalysatorabschnitt des NOx-Speicherkatalysators (LNT) zu kombinieren, wobei der zweite Katalysatorabschnitt bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts des ersten Katalysatorabschnitts angeordnet ist. In dieser Anordnung kann aufgrund des ersten (Sauerstoffspeicherkomponenten aufweisenden) Katalysatorabschnitts die erforderliche Funktionalität hinsichtlich Schwefeltoleranz sowie auch CO/HC-Steuerung gewährleistet werden, wobei zugleich über den zweiten (von Sauerstoffspeicherkomponenten freien) Katalysatorabschnitt eine hinreichende Ammoniak(NH3)-Erzeugung in Betriebsphasen mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch (d.h. mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1), also insbesondere in Regenerations- bzw. Reinigungsphasen erzielt werden kann.
  • Dabei wird die hinreichende Ammoniak(NH3)-Bereitstellung in der Abgasnachbehandlungsanordnung – insbesondere für einen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators bzw. dessen zweiten Katalysatorabschnitts angeordneten SCR-Katalysator – dadurch erreicht, dass in Betriebsphasen mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch im Wesentlichen keine Oxidation mehr auf Seiten des zweiten (d.h. bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts angeordneten) Katalysatorabschnitts des NOx-Speicherkatalysators (LNT) erfolgt.
  • Der erfindungsgemäß somit in ausreichender Menge zur Verfügung gestellte Ammoniak (NH3) kann insbesondere in einem stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (LNT) angeordneten SCR-Katalysator dazu genutzt werden, die im Abgas enthaltenen Stickoxide zu Stickstoff (N2) zu reduzieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der NOx-Speicherkatalysator (LNT) zwei separate Katalysatorträger (Katalysator-Bricks) auf. Der erste Katalysatorträger ist mit einem LNT-Washcoat beschichtet, welches Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) aufweist, um die erwünschte Erhöhung der Schwefeltoleranz sowie die CO/HC-Steuerung bei niedrigen Temperaturen zu erzielen. Bei diesen Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) kann es sich beispielsweise um eine CeO2/ZrO2-Mischung handeln.
  • Der zweite Katalysatorträger weist keinerlei Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) auf, so dass jeglicher Ammoniak, welcher stromaufwärts des zweiten Katalysatorträgers produziert wird, in Reinigungsphasen mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht oxidiert wird. Hierdurch kann eine erhöhte Ammoniak(NH3)-Ausbeute erzielt werden, welche wiederum z. B. in einem stromabwärts angeordneten SCR-Katalysator zur weiteren NOx-Umwandlung genutzt werden kann.
  • In weiteren Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Konzept auch mit einem einzigen Katalysatorträger realisiert werden, welcher zwei unterschiedliche, zueinander in axialer Richtung versetzte Zonen aufweist.
  • Im Ergebnis kann durch die Erfindung die Ammoniak(NH3)-Menge, welche von einem NOx-Speicherkatalysator in Reinigungsphasen mit fettem Gemisch erzeugt wird, erhöht werden. Der zusätzliche Ammoniak (NH3) kann dazu dienen, Stickoxide (NOx), welche von dem NOx-Speicherkatalysator (LNT) entweichen, in einem stromabwärts vom NOx-Speicherkatalysator angeordneten SCR-Katalysator umzuwandeln.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Abbildung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die einzige 1 zeigt in lediglich schematischer Darstellung wesentliche Komponenten einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanordnung 100.
  • Gemäß 1 weist die Abgasnachbehandlungsanordnung 100 im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors 10 (welcher mit einem nicht dargestellten Turbolader ausgestattet sein kann) einen NOx-Speicherkatalysator (LNT) 110 auf, welcher einen ersten, bezogen auf den Abgasstrom stromaufwärtigen Katalysatorabschnitt 120 und einen zweiten, bezogen auf den Abgasstrom stromabwärtigen Katalysatorabschnitt 130 aufweist. Der erste Katalysatorabschnitt 120 und der zweite Katalysatorabschnitt 130 sind in motornaher Bauweise angeordnet. Mit "115" ist eine (optionale) Reduktionsmittelzufuhr (z. B. Kraftstoffzufuhr) bezeichnet.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel von 1 sind der erste Katalysatorabschnitt 120 und der zweite Katalysatorabschnitt 130 auf separaten Katalysatorträgern ("Katalysator-Bricks") realisiert. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, so dass in weiteren Ausführungsformen die beiden Katalysatorabschnitte auch als unterschiedliche (axiale) Zonen auf ein- und demselben Katalysatorträger bzw. Katalysator-Brick realisiert werden können.
  • Von den besagten beiden Katalysatorabschnitten weist der stromaufwärtige erste Katalysatorabschnitt 120 Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) auf, welche z. B. eine CeO2/ZrO2-Mischung aufweisen können. Hingegen ist der zweite, stromabwärtige Katalysatorabschnitt 130 frei von solchen Sauerstoffspeicherkomponenten. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass zum einen aufgrund der in dem ersten Katalysatorabschnitt 120 vorhandenen Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) im Betrieb eine ausreichende Schwefeltoleranz sowie CO/HC-Steuerung gewährleistet werden kann, wohingegen aufgrund des Umstandes, dass der zweite Katalysatorabschnitt 130 keine Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) enthält, eine ausreichende Ammoniak(NH3)-Bereitstellung durch den NOx-Speicherkatalysator 110 gegeben ist, da auf Seiten des zweiten Katalysatorabschnitts 130 keine signifikante Oxidation des Ammoniaks (NH3) mehr erfolgt.
  • Der erfindungsgemäß somit in ausreichender Weise stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 110 bereitgestellte Ammoniak (NH3) kann insbesondere in einem stromabwärts des zweiten Katalysatorabschnitts 130 befindlichen SCR-Katalysator 140 zur Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide zu Stickstoff (N2) genutzt werden.
  • In weiteren Ausführungsformen kann anstelle des SCR-Katalysators 140 auch ein SDPF-System (mit einem SCR-Washcoat auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat) verwendet werden. Mit "135" ist eine optionale Reduktionsmittelzufuhr (z.B. zur Zufuhr von Harnstoff) in den Bereich stromaufwärts des SCR-Katalysators 140 bezeichnet.
  • Im Ergebnis wird durch die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsanordnung unter Gewährleistung einer hinreichenden Schwefeltoleranz eine verbesserte Ammoniak(NH3)-Bereitstellung und damit insgesamt eine verbesserte Reduzierung von Stickoxiden im Abgas ermöglicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7950226 B2 [0007]
    • US 2007/0056268 A1 [0008]
    • US 2004/0076565 A1 [0009]

Claims (7)

  1. Abgasnachbehandlungsanordnung, mit wenigstens einem NOx-Speicherkatalysator (LNT), wobei der NOx-Speicherkatalysator (LNT) einen ersten Katalysatorabschnitt und einen zweiten Katalysatorabschnitt aufweist, wobei der zweite Katalysatorabschnitt bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts des ersten Katalysatorabschnitts angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysatorabschnitt (120) zumindest eine Sauerstoffspeicherkomponente (OSC) aufweist, wobei der zweite Katalysatorabschnitt (130) keinerlei Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) aufweist.
  2. Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysatorabschnitt (120) und der zweite Katalysatorabschnitt (130) auf separaten Katalysatorträgern angeordnet sind.
  3. Abgasnachbehandlungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysatorabschnitt und der zweite Katalysatorabschnitt auf demselben Katalysatorträger angeordnet sind.
  4. Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkomponente (OSC) eine CeO2/ZrO2-Mischung aufweist.
  5. Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysatorabschnitt (120) und der zweite Katalysatorabschnitt (130) in motornaher Bauweise angeordnet sind.
  6. Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner einen SCR-Katalysator (140) aufweist, welcher bezogen auf den Abgasstrom stromabwärts des zweiten Katalysatorabschnitts (130) angeordnet ist.
  7. Abgasnachbehandlungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein SDPF-System mit einem auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat angeordneten SCR-Washcoat aufweist, wobei das SDPF-System stromabwärts des zweiten Katalysatorabschnitts (130) angeordnet ist.
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