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Dokumentenidentifikation DE102005017821A1 01.12.2005
Titel Abgasnachbehandlungsanlage für eine mager betriebene Brennkraftmaschine
Anmelder Ford Global Technologies, LLC, Dearborn, Mich., US
Erfinder McCabe, Robert Walter, Lathrup Village, Mich., US;
Xu, Lifeng, Farmington Hills, Mich., US;
Hoard, John William, Livonia, Mich., US
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Anmeldedatum 18.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005017821
Offenlegungstag 01.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse F01N 3/20
Zusammenfassung Eine Abgasnachbehandlungsanlage mit einem NOx-Speichermaterial und einem separaten HC- und CO-Oxidationsabschnitt, wobei der Oxidationsabschnitt einen Oxidationskatalysator aufweist, welcher im Wesentlichen frei von dem NOx-Speichermaterial ist.

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft Abgasnachbehandlungsanlagen und insbesondere Abgasnachbehandlungsanlagen für mager betriebene Brennkraftmaschinen.

HINTERGRUND UND KURZBESCHREIBUNG

Wie auf dem Gebiet bekannt ist, werden Dreiwegekatalysatoren aus Edelmetall im Allgemeinen als Mittel für das Beseitigen von Schadstoffen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine verwendet. Diese Dreiwegekatalysatoren beseitigen gleichzeitig unter stöchiometrischen Bedingungen CO, HC und NOx aus Abgasen. Unter mageren Kraftstoffbedingungen, welche für optimale Kraftstoffwirtschaftlichkeit erwünscht sind, ist der Dreiwegekatalysator für das Beseitigen von NOx unwirksam. Dementsprechend umfassen Abgasnachbehandlungsanlagen zur Verwirklichung einer NOx-Steuerung unter mageren Kraftstoffbedingungen bisher einen Mager-NOx-Speicher (LNT, vom englischen Lean NOx Trap).

Ein LNT weist 3 wesentliche Bestandteile auf:

  • 1) ein NOx-Speichermedium (auch als Verbindung oder Komponente bezeichnet). Prototypisch ist dies Barium. Barium ist nie allein vorhanden; es ist immer in Form einer Verbindung, z.B. Bariumcarbonat, im Speicher vorhanden. Andere Speicherkomponenten gehören zur Alkalimetallgruppe (insbesondere Kalium und Caesium) oder sind andere Erdalkalielemente neben Ba (z.B. Strontium und Magnesium).
  • 2) eine NO-Oxidationskomponente. NOx ist als Gemisch aus NO und NO2 in Motorabgasen vorhanden. Es wird als Nitratspezies (NO3) eingelagert. Zur Umwandlung in die Nitratform müssen sowohl das NO als auch das NO2 oxidiert werden (d.h. mit Sauerstoff aus dem Abgas zur Reaktion gebracht werden). Platin ist hierfür das prototypische Metall, aber andere Metalle besitzen Oxidierbarkeit.
  • 3) eine Reduktionskomponente. Die Regenerierung des Speichers umfasst das Treiben des Abgases zu fetten Bedingungen (d.h. Überschuss an Reduktionsmittelspezies, beispielsweise Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe) und zur Reaktion bringen des adsorbierten Nitrats zurück zu Stickstoff. Dies ähnelt der Art und Weise, wie NOx in einem Dreiwegekatalysator behandelt wird. Rhodium ist das prototypische Element für die NOx-Reduktion und wird in den meisten LNTs für den Zweck der Regenerierung des Speichers verwendet.

Das sind die drei Hauptkomponenten. Zusätzlich wird eine starke Oberflächenträgerphase wie Aluminiumoxid verwendet, über welcher alle Komponenten dispergiert werden, um fein verteilte, kleine Partikel aller aktiven Komponenten zu erzeugen. Verschiedene Stabilisierungsmittel und so genannte Sauerstoffspeichermaterialien werden häufig ebenfalls zugesetzt.

Eine weitere Funktion des Pt in dem LNT ist das Verbrennen von Reduktionsmitteln wie CO, H2 und HC, um die erforderliche Wärme zum Anheben der Betriebstemperatur des LNT auf die für das Beseitigen des eingelagerten Schwefels erforderlichen hohen Temperaturwerte freizusetzen.

Somit enthält der LNT Material zum Oxidieren des CO und HC sowie Material zum Speichern von NOx. Derzeit ist aber die Leistung der NOx-Speichertechnologie in verschiedenen Punkten beschränkt. Die NOx-Speicherleistung wird durch das relativ schmale Betriebstemperaturfenster derzeitiger Speicherentwicklungen beeinträchtigt. Bei Temperaturen außerhalb dieses Fensters kann das System nicht wirksam arbeiten und die NOx-Emissionen können ansteigen.

Sowohl Dreiwegekatalysatoren als auch Mager-NOx-Speicher (LNT) sind bei Umgebungstemperaturen im Allgemeinen unwirksam und müssen hohe Temperaturen erreichen, bevor sie aktiviert werden. Typischerweise hebt der Kontakt mit Hochtemperaturabgasen des Motors die Temperatur des Katalysators oder LNTs an. Die Temperatur, bei welcher ein Katalysator 50% des CO, HC oder NOx umwandeln kann, wird als die „Anspring"-Temperatur des Katalysators bezeichnet.

Während des Startens des Motors ist die Menge an CO und HC im Abgas typischerweise höher als während des normalen Motorbetriebs. Während ein größerer Anteil der durch den Motor erzeugten Gesamtemissionen innerhalb der ersten paar Minuten nach dem Starten erzeugt wird, sind die Katalysatoren relativ unwirksam, da sie noch nicht die „Anspring"-Temperatur erreicht haben. Die Katalysatoren sind mit anderen Worten zu dem Zeitpunkt, da sie am stärksten benötigt werden, um wenigsten wirksam.

Wie vorstehend erwähnt, haben Abgasnachbehandlungsanlagen zur Verwirklichung einer NOx-Steuerung bei Magermotoren bisher eine zusätzliche NOx-Speichervorrichtung umfasst, die häufig als Mager-NOx-Speicher (LNT) bezeichnet wird. Derzeit ist aber die Leistung der NOx-Speichertechnologie in mehreren Punkten beschränkt. Die NOx-Speicherleistung wird durch die Betriebstemperatur beeinträchtigt und erfordert ein relativ schmales Betriebstemperaturfenster der Abgase. Bei Temperaturen außerhalb dieses Fensters kann das System nicht wirksam arbeiten und die NOx-Emissionen steigen an. Das Einwirken einer hohen Temperatur führt zudem zu einer bleibenden Verschlechterung der NOx-Speicherkapazität.

Der LNT wird regelmäßig gespült, um die in dem Speicher während des vorherigen Magerbetriebs eingelagerte Stickstoffoxide (NOx) freizusetzen und umzuwandeln.

Zur Verwirklichung der Spülung muss der Motor bei einem Kraftstoff-/Luftverhältnis betrieben werden, das unterstöchiometrisch ist. Durch den Fettbetrieb werden erhebliche Mengen an Abgas-Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) erzeugt, um das eingelagerte NOx umzuwandeln. Typischerweise wird der Spülmodus auf der Grundlage der geschätzten Speicherbeladung aktiviert. D.h. wenn die geschätzte in dem Speicher eingelagerte NOx-Masse einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird ein Übergang zum Spülmodus eingeleitet. Der Fettbetrieb wird mehrere Sekunden lang fortgesetzt, bis der Speicher von dem eingelagerten NOx geleert ist, woraufhin der Spülmodus beendet und der normale Magerbetrieb wieder aufgenommen wird. Das Ende des Spülens wird normalerweise durch einen Übergang beim Lesen der stromabwärts des Speichers befindlichen beheizten Lambda-Sonde oder beruhend auf der Modellvorhersage der LNT-Zustände eingeleitet. Da der Motor während des Spülbetriebs unterstöchiometrisch betrieben wird, geht der Vorteil der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Magerbetriebs verloren.

Neben der normalen Speicherregenerierung kann der LNT zur Beseitigung eingelagerten Schwefels auch einem Regenerierungsprozess bei einer viel höheren Temperatur unterzogen werden (typischerweise bei Temperaturen über 600°C). Wenn der LNT in einer Abgasanlage enthalten ist, die auch einen Dieselpartikelfilter (DPF) enthält, kann der LNT während des Regenerierens des DPF (d.h. dem Beseitigen angesammelten kohlenstoffhaltigen Materials (d.h. Ruß) durch die Verbrennung mit Sauerstoff im Abgas) ferner auch Temperaturen von über 500°Celsius ausgesetzt werden. Diese Prozesse können beide zu einer bleibenden, allmählichen Verschlechterung der NOx-Speicherleistung führen – sogar mehr als bei der normalen Speicherregenerierung zur Beseitigung von eingelagertem NOx.

Wie vorstehend erwähnt hat ein LNT insbesondere beide Funktionen der Oxidierung von HC und CO etc. und der Speicherung/Reduktion von NOx. Bei einem herkömmlichen LNT, wie in 1 gezeigt, ist ein zum Oxidieren des HC und CO verwendetes Oxidationsmaterial (nämlich Platin, Pt) zusammen mit weiteren Komponenten wie Rhodium (Rh), das zur NOx-Reduktion verwendet wird, und Barium (Ba), das zur Einlagerung des NOx verwendet wird, enthalten. Die Erfinder haben entdeckt, dass das Einwirken von Temperaturen im Bereich von 600 bis 700°Celsius, speziell unter den zur DPF-Regenerierung erforderlichen oxidierenden Bedingungen, auf den Mager-NOx-Speicher (LNT) zu einer Degradation des LNT, vor allem seiner „Anspring"-Funktion, führen kann und seinen Wirkungsgrad bei der Reduzierung von NOx bei niedriger Temperatur in hohem Maße mindern kann. Die Erfinder vermuten, dass es eine oder mehrere der Hauptkomponenten des LNT (d.h. beispielsweise Rhodium (Rh) und Barium (Ba)) sind, die nach dem zur Entschwefelung und/oder DPF-Regenerierung (wenn ein solcher DPF in der Anlage in Reihe angeschlossen ist) erforderlichen Hochtemperaturbetrieb des LNT mit dem Pt in schädlicher Weise in Wechselwirkung treten. Es ist zum Beispiel bekannt, dass Rh und Pt Legierungen bilden können, und es kann sich herausstellen, dass die für die LNT-Entschwefelung und/oder DPF-Regenerierung erforderlichen Hochtemperaturbedingungen das Pt und Rh in dem LNT zu einer solchen Legierungsbildung veranlassen, dass die Oxidationsaktivität des Pt nachteilig beeinflusst wird.

Erfindungsgemäß wird eine Abgasnachbehandlungsanlage mit einem NOx-Speichermaterial in einem NOx-Speicherabschnitt und einem HC- und CO-Oxidationskatalysator in einem separaten HC- und CO-Oxidationsabschnitt an die Hand gegeben, wobei der Oxidationsabschnitt im Wesentlichen frei von dem NOx-Speichermaterial ist.

In einer Ausführung ist der Oxidationsabschnitt im Wesentlichen frei von Rh.

Bei dieser Anordnung ist der HC- und CO-Oxidationskatalysator von dem NOx-Speichermaterial körperlich getrennt. Dadurch wird der im Oxidationsabschnitt verwendete Oxidationskatalysator durch eine Legierungsbildung oder durch andere Arten von Wechselwirkungen mit in dem NOx-Speicherabschnitt enthaltenen Komponenten nicht nachteilig beeinflusst.

In einer Ausführung ist der Oxidationskatalysator Pt für das Erzeugen der zum „Anspringen" erforderlichen Wärme. Während bekannt ist, dass Pt ein wirksamer NOx-Oxidationskatalysator ist, werden dadurch die oben beschriebenen negativen Wirkungen bei Verwenden des Pt vollständig in Verbindung mit dem NOx-Speichermaterial wie Ba und Reduktionskomponenten wie Rh vermieden, indem ein Teil des Pt in einem separaten Oxidations-(Verbrennungs-)katalysator vor dem NOx-Speicherabschnitt abgesondert wird.

In einer Ausführung wird eine Abgasnachbehandlungsanlage an die Hand gegeben. Die Anlage umfasst in einem Abschnitt derselben eine NOx-Oxidationskomponente, eine NOx-Speicherkomponente und eine NOx-Reduktionskomponente und in einem separaten Abschnitt derselben einen katalytischen HC- und CO-Verbrennungsabschnitt, der im Wesentlichen frei von der NOx-Speicherkomponente und der NOx-Reduktionskomponente ist.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren für das Behandeln von durch eine Brennkraftmaschine erzeugtem Abgas an die Hand gegeben. Das Verfahren umfasst das Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid, die in dem Abgas vorhanden sind, und das Einlagern von NOx im Abgas; wobei das Oxidieren und das Einlagern von NOx als separate, aufeinander folgende Prozesse am Abgas vorgenommen werden.

Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungen der Erfindung werden in den Begleitzeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Patentansprüchen hervor.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Diagramm einer mit dem Abgas einer Brennkraftmaschine verbundenen Nachbehandlungsanlage, welche einen Mager-NOx-Speicher (LNT) nach dem Stand der Technik aufweist;

2 ist ein Diagramm einer mit dem Abgas einer Brennkraftmaschine verbundenen Nachbehandlungsanlage, welche erfindungsgemäß NOx-Einlagerung sowie HC- und CO-Oxidation bietet;

3 ist ein Diagramm einer mit dem Abgas einer Brennkraftmaschine verbundenen Nachbehandlungsanlage, welche NOx-Einlagerung sowie HC- und CO-Oxidation nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung bietet;

4 sind Kurven, welchen den NOx-Umwandlungsprozentsatz als Funktion der LNT-Temperatur mit und ohne Verschlechterung durch eine Entschwefelungsbehandlung des Speichers bei 600°Celsius über 16 Stunden zeigen, und

5 sind Kurven, welche die Wirkung eines HC- und CO-Oxidationsabschnitts getrennt von einem NOx-Speicherabschnitt gemäß der Erfindung verglichen mit dem Stand der Technik zeigen, wobei jede der drei Kurven darin die funktionelle Beziehung zwischen einem NOx-Umwandlungsprozent als Funktion der Temperatur zeigen, eine der Kurven einer Abgasnachbehandlungsanlage mit einem HC- und CO-Oxidationsabschnitt getrennt von einem NOx-Speicherabschnitt gemäß der Erfindung zugeordnet ist, eine andere der Kurven einem LNT nach dem Stand der Technik zugeordnet ist und die dritte der Kurven einem LNT zugeordnet ist, der sich nicht verschlechtert hat;

6 und 7 sind Kurven, welche die Einlass- und die Katalysatormitteltemperaturen für die beiden in 5 gezeigten Tests bei 200°Celsius zeigen, welches der verschlechterte LNT (2,54 cm (1 Zoll) lang) und der gleiche LNT (2,54 cm (1 Zoll) lang) plus ein 0,32 cm (1/8 Zoll) dicker Dieselsauerstoffkatalysator (DOC), der vor ihm angebracht ist, sind.

Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG

Unter Bezug nun auf die Zeichnung und zunächst auf 2 wird ein Blockdiagramm einer mit einer Brennkraftmaschine 12, hier einem Dieselmotor, gekoppelten Abgasnachbehandlungsanlage 10 gezeigt. Die Abgasnachbehandlungsanlage 10 weist zwei getrennte Abschnitte 14, 16 auf. Der erste Abschnitt 14 wird zur Verbrennung von Reduktionsmitteln wie CO, H2, and HC verwendet und ist im Wesentlichen frei von der NOx-Speicherkomponente und der NOx-Reduktionskomponente. Hier enthält der erste Abschnitt 14 zum Beispiel Platin als aktive Verbrennungskomponente. Der zweite Abschnitt 16 gibt einen NOx-Speicher an die Hand und umfasst: eine NOx-Oxidationskomponente, hier zum Beispiel Platin, Pt; eine NOx-Speicherkomponente, hier zum Beispiel Barium, Ba, und eine NOx-Reduktionskomponente, hier zum Beispiel Rhodium, Rh. Der erste Abschnitt 14 befindet sich stromaufwärts des zweiten Abschnitts 16.

In 2 befindet sich der zweite Abschnitt 16 in einem zum ersten Abschnitt 14 separaten Gehäuse. Der erste und der zweite Abschnitt 14, 16 werden dann körperlich durch ein geeignetes Mittel, beispielsweise Verschweißen der beiden Abschnitte, aneinander angebracht. Zu beachten ist, dass wie eingezeichnet die Abgasnachbehandlungsanlage 10 aus zylinderförmigen Durchströmvorrichtungen besteht. Diese Vorrichtungen sind üblicherweise monolithische Katalysatoren wabenartiger Struktur, welche die aktiven Komponenten entweder auf Keramik- oder Metallträgern unterschiedlicher Zelldichten, Wanddicken, Längen, Formen (z.B. rund, oval oder ellipsenförmig) dispergiert aufweisen. Weiterhin können die Abschnitte 14 und 16 entweder von einander getrennt sein, wie in dem Diagramm gezeigt wird, oder aneinander anliegen. In 3 sind der erste und der zweite Abschnitt 14, 16 über einen als Zonenbeschichtung bekannten Prozess auf dem gleichen Trägerkörper enthalten, wobei zwei verschiedene Washcoat-Zusammensetzungen auf verschiedenen Bereichen des Trägerkörpers aufgebracht werden. In beiden Ausführungen wird der erste Abschnitt 14 zur Verbrennung von Reduktionsmitteln wie CO, H2 und HC verwendet und ist im Wesentlichen frei von der NOx-Speicherkomponente sowie der NOx-Reduktionskomponente, und der zweite Abschnitt 16 ermöglicht NOx-Einlagerung und umfasst: eine NOx Oxidationskomponente; eine NOx-Speicherkomponente und eine NOx Reduktionskomponente.

Es wird darauf hingewiesen, dass in 2 und 3 die Abgase von dem Motor 12 nacheinander, d.h. in Folge, den ersten Abschnitt 14 und den zweiten Abschnitt 16 passieren. Dadurch wird ein Verfahren für das Behandeln von Abgasen einer Brennkraftmaschine an die Hand gegeben. Das Verfahren umfasst das Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas und das Einlagern von NOx im Abgas; wobei das Oxidieren und Einlagern als getrennte, aufeinander folgende Prozesse an der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ausgeführt werden.

Sowohl der Oxidationsabschnitt als auch der NOx-Speicherabschnitt enthalten Pt in verschiedenen Anteilen, wobei das Pt im Oxidationsabschnitt einen CO- und HC-Oxidationskatalysator und im zweiten Abschnitt, dem NOx-Speicherabschnitt, vorrangig einen NOx-Oxidationskatalysator bereitstellt. Das Verhältnis des Volumens des Oxidationsabschnitts zum NOx-Speicherabschnitt reicht von 1/10 bis 1 und bevorzugter von 1/10 bis 1/3.

Mit der Abgasnachbehandlungsanlage entweder der 2 oder der 3 wird der NOx-Reduktionswirkungsgrad gegenüber der Anlage von 1 bei niedriger Temperatur verbessert. Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, dass ein häufiges Entschwefeln des Diesel-Mager-NOx-Speichers (LNT) bei 600 bis 700°Celsius eine Degradation des LNT, insbesondere seiner Anspringfunktion, verursachen kann und dessen NOx-Reduktionswirkungsgrad bei niedriger Temperatur in hohem Maße mindert, wie in 4 gezeigt wird, welche zwei Kurven zur NOx-Umwandlung bei Katalysatoreinlasstemperatur enthält, die über Kernproben (2,54 cm Durchmesser mit 2,54 cm Länge) bei 30.000 s.v./Stunde getestet wurden (zu beachten ist, dass s.v. die Raumgeschwindigkeit (englisch space velocity) bezeichnet, ein Begriff, der häufig zur Charakterisierung der Gasstrommenge durch den Katalysatorkörper bezogen auf das Volumen des Katalysatorkörpers verwendet wird; z.B. Gasstrom in Kubikfuß pro Stunde, dividiert durch das Volumen des Katalysatorkörpers in Kubikfuß beruhend auf den Außenmaßen. Die Raumgeschwindigkeit hat daher die Einheiten reziproker Zeit, z.B. 1/Stunde. Bezüglich der Raumgeschwindigkeit ist es auch eine praktische Maßnahme, labormäßige Experimente, wie sie hier beschrieben werden, auf Anwendungen größeren Maßstabs, wie sie z.B. bei einem Fahrzeug eingesetzt werden, zu übertragen. Somit lassen sich die im Labor bei relativ niedrigen Gasstromraten verwendeten Laborproben mit 2,54 cm Durchmesser und 2,54 cm Länge bei einem Fahrzeug in eine Katalysatoreinheit mit 15,2 cm Durchmesser auf 15,2 cm Länge bei viel höheren Stromraten umsetzen. Die genauen Maße könnten jedoch angepasst werden, um in beiden Fällen die gleiche Raumgeschwindigkeit zu erhalten, und der Fachmann wird erkennen, dass die Raumgeschwindigkeit unter den in Kfz-Dieselabgas auftretenden Bedingungen zwischen etwa 5.000/Stunde bis zu 50.000/Stunde variieren kann). Die Zusammensetzung des Dieseloxidationskatalysators ist in dem Entschwefelungstemperaturbereich (600 bis 700°Celsius) viel stabiler als beim LNT.

Unter Bezug nun eigens auf die in 3 gezeigte Ausführung trägt die Zonenbeschichtung einer Oxidationszusammensetzung (d.h. der erste Abschnitt 14) in einem kleinen Bereich des Einlasses des monolithischen Körpers oder die Anbringung eines kleinen Stücks Dieseloxidationskatalysator vor dem zweiten Abschnitt 16 (2) dazu bei, die „Anspring"-Eigenschaft des gealterten LNT zu wahren. Der fette Zustand bei dem Diesel-LNT-Fahrzeugbetrieb ist gegenüber Benzin (TWC oder LNT) oder Diesel-SCR mit etwa 1% Sauerstoff im fetten Zustand einzigartig (Benzinabgas enthält bei entsprechend gleich fettem Gemisch viel niedrigere Mengen an Sauerstoff). Daher kann im Fall von Diesel viel mehr Reaktionswärme oder ein viel höherer exothermischer Temperaturanstieg erzeugt werden. Bei guter „Anspring"-Funktion kann eine LNT-Katalysatortemperatur unter Verwendung der Ausführungen der 2 und 3 um zusätzliche 30 bis 80°Celsius angehoben werden, was auf den NOx-Reduktionswirkungsgrad bei niedriger Temperatur eine recht große Auswirkung haben kann.

5 sind Kurven, welche die Wirkung eines erfindungsgemäß von einem NOx Speicherabschnitt getrennten HC- und CO-Oxidationsabschnitts verglichen mit dem Stand der Technik zeigen, wobei jede der drei Kurven darin die funktionelle Beziehung zwischen einem NOx-Umwandlungsprozent als Funktion der Temperatur zeigen, Kurve 20 einer Abgasnachbehandlungsanlage mit einem erfindungsgemäß von einem NOx-Speicherabschnitt getrennten HC- und CO-Oxidationsabschnitt der Erfindung zugeordnet ist, Kurve 22 einem LNT nach dem Stand der Technik zugeordnet ist und Kurve 24 einem LNT des Stands der Technik zugeordnet ist, der sich nicht verschlechtert hat.

Hier ist bei einem 0,32 cm (1/8 Zoll) langen Dieseloxidationskatalysator ein erster Abschnitt 14 (2,54 cm Durchmesser) vor einem 2,54 cm langen gealterten zweiten Abschnitt 16 (d.h. das gleiche in 4 gezeigte Stück, das durch die Entschwefelung verschlechtert wurde) angebracht. Das Hinzufügen des kleinen Dieseloxidationskatalysatorabschnitts verbesserte die NOx-Reduktion bei gleicher Einlasstemperatur von 200°Celsius von 10% auf 70%. Dieser spezifische Dieseloxidationskatalysator wurde unter viel härteren Bedingungen (670°Celsius über Stunden) als der LNT-Katalysator gealtert und weist auch die gleiche Pt-Beladung pro Volumeneinheit wie der LNT auf.

Da die Abgastemperatur eines leichten Dieselfahrzeugs normalerweise in dem Bereich von 150 bis 250°Celsius liegt, hat ein Verbessern des NOx-Reduktionswirkungsgrads bei niedriger Temperatur eine große Auswirkung auf den gesamten NOx-Reduktionswirkungsgrad des Fahrzeugs.

Die Erfinder haben gefolgert, dass der Hauptgrund für das Verbessern des NOx-Reduktionswirkungsgrads des LNT um ein 1/8-Volumen des Dieseloxidationskatalysators bei gleicher Edelmetallbeladung pro Volumeneinheit vor diesem die „Anspring"-Funktion des Dieseloxidationskatalysators ist, welche die LNT-Betriebstemperatur bei gleicher Katalysatoreinlasstemperatur anhob, indem das CO, HC und H2 während des Mager-/Fettzyklus im fetten Zustand verbrannt werden, da beim fetten Zustand des Diesel-LNT etwa 1 % Sauerstoff vorhanden ist.

6 und 7 zeigen die Einlass- (Kurve 30) und die Mitteltemperaturen des Katalysators (Kurve 32) für die beiden in 5 gezeigten Tests bei 200°Celsius, welche der verschlechterte LNT (2,54 (1 Zoll) lang) und der gleiche LNT (2,54 cm (1 Zoll) lang) plus ein vor ihm angebrachter cm 0,32 cm (1/8 Zoll) dicker Dieseloxidationskatalysator (DOC) sind. Offensichtlich trug der 0,32 cm (1/8 Zoll) dicke DOC dazu bei, die Mitteltemperatur des LNT um etwa 35°Celsius anzuheben, was zu einer viel höheren NOx-Umwandlung führte.

Die Zonenbeschichtung einer DOC-Zusammensetzung am Einlass eines Katalysators funktioniert ähnlich wie das Anbringen eines gleichen Volumens eines DOC-Katalysators vor dem Katalysator.

Es wurde eine Reihe von Ausführungen beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass das Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Oxidationsmaterial Pt und/oder anderes Oxidationskatalysatormaterial enthalten könnte. Weiterhin könnte das NOx-Speichermaterial Ba oder Cs, Na, K, Sr und/oder jedes andere ähnliche Material für das Einlagern und Freisetzen von NOx im Betriebstemperaturbereich von Dieselabgasen umfassen. Desweiteren sollte beachtet werden, dass sowohl der Oxidationsabschnitt als auch der NOx-Speicherabschnitt Pt in verschiedenen Anteilen enthalten, so dass das Pt im Oxidationsabschnitt vorrangig als CO- und HC-Oxidationskatalysator und im NOx-Speicherabschnitt vorrangig als NOx-Oxidationskatalysator verwendet wird. Ferner könnte der Oxidationsabschnitt eine oder mehrere CO- und HC-Oxidationskomponenten enthalten, wobei der Oxidationsabschnitt im Wesentlichen frei von der bzw. den NOx-Speicherkomponenten und der bzw. den NOx-Reduktionskomponenten ist. Es versteht sich daher, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend fallen andere Ausführungen in den Schutzumfang der folgenden Patentansprüche.


Anspruch[de]
  1. Abgasnachbehandlungsanlage für eine Brennkraftmaschine mit:

    einem Mager-NOx-Speicher, welcher umfasst:

    einen Oxidationsabschnitt mit einem Oxidationsmaterial für das Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas; und

    einen NOx-Speicherabschnitt, welcher ein NOx-Speichermaterial für das Einlagern von NOx im Abgas aufweist;

    wobei das Oxidationsmaterial im Oxidationsabschnitt körperlich vom NOx-Speichermaterial im NOx-Speicherabschnitt getrennt ist.
  2. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Oxidationsmaterial Pt umfasst.
  3. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das NOx-Speichermaterial Ba, Cs, Na, K oder Sr umfasst.
  4. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die körperliche Trennung zwischen den beiden Abschnitten durch Aufbringen der beiden Abschnitte auf getrennten Katalysatormaterialstücken erzeugt wird.
  5. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die körperliche Trennung zwischen den beiden Abschnitten durch Zonenbeschichten beider Abschnitte auf dem gleichen Katalysatorkörper erzeugt wird.
  6. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Oxidationsabschnitt als auch der NOx-Speicherabschnitt Pt in verschiedenen Anteilen enthalten, wobei das Pt im Oxidationsabschnitt einen CO- und HC-Oxidationskatalysator und im zweiten Abschnitt, dem NOx-Speicherabschnitt, vorrangig einen NOx-Oxidationskatalysator bereitstellt.
  7. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Volumens des Oxidationsabschnitts zum NOx-Speicherabschnitt von 1/10 bis 1 und bevorzugter von 1/10 bis 1/3 reicht.
  8. Abgasnachbehandlungsanlage mit:

    einem zweiten Abschnitt, welcher darin aufweist:

    eine NOx-Oxidationskomponente;

    eine NOx-Speicherkomponente; und

    eine NOx-Reduktionskomponente; sowie

    mit einem ersten Abschnitt für das Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas, wobei der erste Abschnitt von dem zweiten Abschnitt körperlich getrennt ist, der erste Abschnitt im Wesentlichen frei von der NOx-Speicherkomponente und der NOx-Reduktionskomponente ist.
  9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Abschnitt stromaufwärts des zweiten Abschnitts befindet.
  10. Verfahren für das Behandeln von durch eine Brennkraftmaschine erzeugtem Abgas, welches umfasst:

    Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas;

    Einlagern und Reduzieren von NOx im Abgas;

    wobei die Funktionen des Oxidierens und Einlagerns/Reduzierens als getrennte, aufeinander folgende Prozesse am Abgas vorgenommen werden.
  11. Abgasnachbehandlungsanlage für eine Brennkraftmaschine mit:

    einem Mager-NOx-Speicher, welcher umfasst:

    einen Oxidationsabschnitt mit einem Oxidationsmaterial für das Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas; und

    einen NOx-Speicherabschnitt, welcher ein NOx-Speichermaterial für das Einlagern von NOx im Abgas und Edelmetallkomponenten sowohl für das Oxidieren von NO während der NOx-Einlagerung und das Reduzieren von freigesetztem NOx während der Speicherregenerierung aufweist; und

    wobei das Oxidationsmaterial in dem Oxidationsabschnitt von dem NOx Speichermaterial und den Edelmetallkomponenten im NOx-Speicherabschnitt körperlich getrennt ist.
  12. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Oxidationsmaterial Pt und/oder anderes Oxidationskatalysatormaterial umfasst.
  13. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das NOx-Speichermaterial NOx in einem Betriebstemperaturbereich von Dieselabgasen eingelagert und freisetzt.
  14. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Oxidationsabschnitt als auch der NOx-Speicherabschnitt Pt in verschiedenen Anteilen enthalten, so dass das Pt im Oxidationsabschnitt vorrangig als CO- und HC-Oxidationskatalysator und im NOx-Speicherabschnitt vorrangig als NOx-Oxidationskatalysator eingesetzt wird.
  15. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Volumens des Oxidationsabschnitts zum Speicherabschnitt von 1/10 bis 1 und bevorzugter von 1/10 bis 1/3 reicht.
  16. Abgasnachbehandlungsanlage mit:

    einem zweiten Abschnitt, welcher darin aufweist:

    eine oder mehrere NOx-Oxidationskomponenten;

    eine oder mehrere NOx-Speicherkomponenten; und

    eine oder mehrere NOx-Reduktionskomponenten; und

    einem ersten Abschnitt für das Oxidieren von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas, wobei der erste Abschnitt von dem zweiten Abschnitt körperlich getrennt ist, der erste Abschnitt im Wesentlichen frei von der bzw. den NOx-Speicherkomponenten und der bzw. den NOx-Reduktionskomponenten ist.
  17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Abschnitt stromaufwärts des zweiten Abschnitts befindet.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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