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Dokumentenidentifikation DE602004003354T2 04.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001606498
Titel EINEN TEILCHENFILTER UND NOX-ABSORBER ENTHALTENDES ABGASSYSTEM FÜR BRENNKRAFTMASCHINE MIT MAGERGEMISCHVERBRENNUNG
Anmelder Johnson Matthey plc, London, GB
Erfinder PHILLIPS, Richard, Paul, Royston SG8 7XU, GB;
GOERSMANN, Friedrich, Claus, Cambridge CB1 3EB, GB;
CHANDLER, Guy Richard, Cambridge CB3 7HB, GB;
BLAKEMAN, Philip Gerald, Cambridge CB1 2QG, GB
Vertreter Spott, Weinmiller & Böhm, 80336 München
DE-Aktenzeichen 602004003354
Vertragsstaaten DE, FR, GB, GR, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.03.2004
EP-Aktenzeichen 047183322
WO-Anmeldetag 08.03.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/GB2004/000994
WO-Veröffentlichungsnummer 2004079170
WO-Veröffentlichungsdatum 16.09.2004
EP-Offenlegungsdatum 21.12.2005
EP date of grant 22.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.10.2007
IPC-Hauptklasse F01N 3/08(2006.01)A, F, I, 20051224, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F01N 3/023(2006.01)A, L, I, 20051224, B, H, EP   F01N 3/20(2006.01)A, L, I, 20051224, B, H, EP   F01N 3/025(2006.01)A, L, I, 20051224, B, H, EP   F01N 3/035(2006.01)A, L, I, 20051224, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem für einen Magerverbrennungsmotor und insbesondere betrifft sie ein Abgassystem, umfassend einen Partikelfilter und ein NOx-Absorptionsmittel, das nachgeschaltet oder stromabwärts zu dem Filter angeordnet ist.

Im Allgemeinen wird die Menge oder der Gehalt an annehmbaren oder akzeptablen Emissionen aus Fahrzeugverbrennungsmotoren durch Gesetzgebung reguliert. Solche Menge oder Gehalte werden in den bevorstehenden Jahren verschärft, und so ist die Herausforderung der Fahrzeughersteller (Originalherstellern oder OEMs (Original Equipment Manufacturers)), wie diese zu erfüllen sind. Unter den durch Gesetz geregelten Abgaskomponenten sind Feststoffe oder Feinstaub oder Partikel (PM), Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (KW). Eine weithin angenommene Maßnahme, um durch Gesetz festgelegte Gehalte oder Werte an PM zu erfüllen ist der Partikel- oder Rußfilter. Allgemein erhöhen solche Filter die Verweilzeit von PM in einem Abgassystem, um ihm zu ermöglichen, dass sie zerstört werden und können keramische Wall-Flow-Filter oder Drahtgitterfilter einschließen.

Typischerweise ist ein Wall-Flow-Filter in der Form einer Honigwabe. Die Honigwabe weist ein Einlassende und ein Auslassende auf und eine Vielzahl von Zellen, die sich von dem Einlassende zu dem Auslassende erstrecken, wobei die Zellen poröse Wände aufweisen, wobei ein Teil der Gesamtzahl der Zellen an dem Einlassende verfüllt oder verstopft ist, z.B. bis zu einer Tiefe von etwa 5 bis 20 mm, entlang eines Teils ihrer Länge, und der verbleibende Teil der Zellen, die offen sind an dem Einlassende, verfüllt oder verstopft sind an dem Auslassende entlang eines Teils ihrer Länge, so dass ein fließender oder strömender Abgasstrom, der durch die Zellen der Honigwabe strömt, von dem Einlassende in die offenen Zellen strömt, durch die Zellwände, und aus dem Filter durch die offenen Zellen an dem Auslassende. Eine Zusammensetzung zum Verfüllen oder Verstopfen der Zellen ist beschrieben in dem US Patent mit der Nummer US 4 329 162. Eine typische Anordnung ist, dass jede zweite Zelle auf einer gegebenen Fläche verfüllt oder verstopft ist, wie bei einem schachbrettartigen Muster.

Ein Problem, das verbunden ist mit der Verwendung von Partikelfiltern, ist es wie die PM, die aus einem Abgas aus einem Magerverbrennungszyklus gesammelt werden, zerstört werden. Im Allgemeinen verbrennt Diesel-PM in Sauerstoff (O2) bei oberhalb von etwa 550°C. Dieselabgastemperaturen, insbesondere bei Leichtlastdieselmotoren, können jedoch so niedrig sein wie 150°C während bestimmter Phasen eines Fahrzyklus aufgrund z.B. der zunehmend häufigen Verwendung einer Abgasrückführung (EGR (Exhaust Gas Recirculation)) um NOx Emissionen zu senken. Wenn man PM aufbauen lässt, kann der Gegendruck oder Rückstau zunehmen, um dadurch die Belastung auf den Motor zu erhöhen. Eine erhöhte Motorbelastung kann zu erhöhtem Treibstoffverbrauch führen und in einem schlimmsten Fall zu Motorabnützung oder Zerstörung des Filters verursacht durch unkontrollierte oder ungesteuerte Verbrennung von großen Mengen PM. Während einer Erhöhung der Motorbelastung, z.B. durch erhöhten Gegendruck aufgrund eines Aufbaus von PM, kann sich auch die Abgastemperatur ausreichend erhöhen, um PM zu verbrennen, eine solche Temperaturerhöhung kann unzureichend zuverlässig sein, um den Filter sauber oder frei zu halten.

Leichtlastdieselmotoren sind definiert in der europäischen Gesetzgebung durch die europäische Richtlinie 70/220/EWG, wie geändert durch 93/59/EG und 98/69/EG. In den USA werden Personenkraftwagen, leichte Leichtlaster (LLDT, light light-duty trucks) unterhalb von 6000 Pfund zulässigem Fahrzeuggesamtgewicht (GVWR, gross vehicle weight rating) und schwere Leichtlast-Laster (HLDT, heavy light-duty trucks) oberhalb von 6000 Pfund in die Leichtlastdieselkategorie eingeschlossen. Die Abgastemperaturen, die von Leichtlastdieselmotoren abgegeben werden, liegen im Allgemeinen niedriger als solche von Schwerlastdieselmotoren (wie definiert durch die einschlägige Gesetzgebung).

Es ist bekannt, Partikelfilter zu katalysieren, um die Rußverbrennungstemperatur zu senken, um eine Regeneration des Filters passiv durch Oxidation von PM unter Abgastemperaturen zu erleichtern, die erfahren werden während eines normalen Betriebs des Motors/Fahrzeugs, typischerweise in dem Bereich von 300 bis 400°C. In Abwesenheit des Katalysators kann PM oxidiert werden bei nennenswerten Raten oder Geschwindigkeiten bei Temperaturen oberhalb von 500°C, die selten beobachtet werden bei Dieselmotoren während eines normalen Betriebs. Solche katalysierten Filter werden oft katalysierte Rußfilter (oder CSF (Catalysed Soot Filter)) genannt.

Ein verbreitetes Problem bei einer passiven Filterregeneration ist, dass die Fahr-Bedingungen Abgastemperaturen verhindern können, die sogar die niedrigen Temperaturen für eine Rußverbrennung erreichen, erleichtert durch häufiges Katalysieren des Filter, um zuverlässig einen Aufbau von PM auf dem Filter zu vermeiden. Solche Fahr-Bedingungen schließen ausgedehnte Zeiträume eines Motorleerlaufs oder langsamen Fahrens im Stadtverkehr ein, und das Problem ist besonders akut für Abgas aus Leichtlastdieselmotoren. Eine Lösung dieses Problems, das vorgeschlagen worden ist von OEMs, ist aktive Techniken zu verwenden, um den Filter zu regenerieren entweder bei normalen oder regelmäßigen Intervallen, oder wenn ein vorher bestimmter Filtergegendruck festgestellt oder detektiert wird zusätzlich zu einer passiven Regeneration. Eine typische Anordnung in einem Leichtlastdieselfahrzeug ist es, einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) auf einem getrennten Monolithen stromaufwärts zu oder vorgeschaltet vor dem CSF anzuordnen und eine Zylindertreibstoffverbrennung zu regulieren durch verschiedene Motormanagementtechniken, um erhöhte Mengen an nicht verbranntem Treibstoff in das Abgas einzuführen. Der zusätzliche Treibstoff wird auf dem DOC verbrannt, was die Temperatur in dem nachgeschalteten CSF ausreichend erhöht, um eine Verbrennung des PM darauf zu fördern.

Ein signifikanter Fortschritt bei der Behandlung von PM wurde erreicht mit unserer Entdeckung, dass Diesel-PM in Stickstoffdioxid (NO2) verbrennt werden kann bei bis zu 400°C (s. unsere EP 0 341 832 B). NO2 kann erhalten werden durch Oxidieren von Stickstoffmonoxid (NO) in dem Abgas über einem geeigneten Oxidationskatalysator und mit PM auf einem nachgeschalteten Filter umgesetzt werden. Dieser Fortschritt ermöglicht es, dass PM zerstört wird innerhalb eines normalen Abgastemperaturfensters für viele Dieselmotoren. Wir vermarkten Vorrichtungen, die dieses Verfahren einverleiben als CRT®. Während dieses Verfahren jedoch erfolgreich angewendet worden ist bei Schwerlastdieselanwendungen gibt es immer noch Schwierigkeiten mit seiner Verwendung bei bestimmten Magerverbrennungsmotoren, insbesondere Leichlastdieselmotoren. Das wiederkehrende Problem ist eine geringe Abgastemperatur, z.B. eine thermodynamische Begrenzung der PM-Verbrennung in NO2 und das NO zu NO2 Gleichgewicht.

Das Verfahren eines Absorbierens von NOx aus einem Magerabgas auf einem NOx-Absorptionsmittel, wie Barium, um es zu „speichern" als das Nitrat und das gespeicherte NOx freizusetzen und es zu Distickstoff (N2) zu reduzieren in Abgas, das weniger Sauerstoff enthält, ist bekannt, z.B. aus EP 0 560 991. Wenn diese Technologie in der Praxis verwendet wird, werden typischerweise Techniken eingesetzt, um die verbleibende Kapazität des NOx-Absorptionsmittels zu bestimmen und zur Steuerung des Motors, um vorübergehend und intermittierend auf Betriebsbedingungen oder Laufbedingungen zu schalten, die Abgas erzeugen, das geringere O2-Konzentration aufweist in Bezug auf normale Magerverbrennungsbedingungen (d.h. angereichertes oder fetteres Abgas), um das gespeicherte NOx als Distickstoff (N2) zu entfernen, um dadurch das NOx-Absorptionsmittel zu regenerieren.

Der Begriff „Absorptionsmittel", wie er hierin verwendet wird, umfasst sowohl „Adsorptionsmittel", d.h. einen Feststoff, der einen weiteren Feststoff, einen Dampf oder eine gasförmige Spezies in Kontakt damit auf seiner Oberfläche aufnimmt, und „Absorptionsmittel", d.h. ein Material, das einen Feststoff, einen Dampf oder eine gasförmige Spezies in Kontakt damit aufnehmen kann und einverleibt.

Der Begriff „angereichert" oder „fett", wie er hierin verwendet wird, meint eine geringere O2-Konzentration in Bezug auf normale Magerverbrennungsbedingungen und umfasst sowohl Lambda > 1 als auch 1 > Lambda-Werte.

Vorrichtungen, die ein NOx-Absorptionsmittel umfassen, das Katalysatoren einschließt, wie Platin, um eine Oxidation von NO zu NO2 in Magerabgasbedingungen zu fördern, und z.B. Rhodium, um die Reduktion von NOx, das freigesetzt wird aus dem NOx-Absorptionsmittel, zu N2 zu katalysieren während periodisch reicher oder fetter Bedingungen sind als Mager-NOx-Fallen oder einfach NOx-Fallen bekannt.

Die DE 199 21 974 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Verringerung oder Reduktion von Schmutzkomponenten in einem Verbrennungsmotorabgas, umfassend eine Abgasleitung, enthaltend einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter und einen Stickoxidspeicherkatalysator. Bei einer Ausführungsform ist ein Partikelfilter beschichtet mit einem NOx-Speicherkatalysator an einem Auslassende des Partikelfilters und/oder einem Einlassende davon. Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein NOx-Speicherkatalysator vollständig nachgeschaltet zu dem Partikelfilter angeordnet.

Wir entdeckten nun einen Weg, ein NOx-Absorptionsmittel zu verwenden, um die Emissionen von PM und NOx über einen Fahrzyklus eines Magerverbrennungsmotors, wie eines Leichtlastdieselmotors, zu verbessern.

Gemäß einem Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Abgassystem bereit für einen Magerverbrennungsmotor, wobei das System einen gegebenenfalls katalysierten Partikelfilter und ein zweites NOx-Absorptionsmittel nachgeschaltet zu dem Filter angeordnet umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein erstes NOx-Absorptionsmittel vorgeschaltet vor dem Filter angeordnet umfasst, wobei das erste NOx-Absorptionsmittel eingerichtet ist gespeichertes NOx während Lambda > 1 Bedingungen bei etwa 300°C und darüber freizusetzen und mindestens eine Verbindung von Cer, Lanthan, Aluminiumoxid (Al2O3), Eisen, Zink, Calcium, Natrium, Magnesium und Gemischen von beliebigen zwei oder mehreren davon umfasst.

Mit dem Begriff „Partikelfilter" meinen wir eine beliebige Vorrichtung, welche die Verweildauer von PM in der Vorrichtung in Bezug auf einen Durchflussmonolithen erhöht, der aus ähnlichem Material, ähnlicher Wandstärke oder Wanddicke, offener Frontfläche und Zelldichte, umfassend eine Anordnung von geraden, parallelen Kanälen, die parallel zu der Richtung des Flusses an Abgas angeordnet ist, aufgebaut ist. Beispiele von solchen Vorrichtungen sind Wall-Flow-Filter konstruiert oder aufgebaut aus Kordierit oder Siliciumcarbid, Metallfiltern, z.B. aus Drahtgeflecht und Vorrichtungen, die Kanäle einschließen, die einen kurvigen oder sich krümmenden Pfad oder Weg darstellen für Abgase, die hindurchströmen, z.B. EP 1 057 519.

Die Verwendung von NOx-Absorptionsmitteln zusammen mit dem Verfahren des Verbrennens von PM in NO2 ist beschrieben in der EP 0 758 713. Bei dieser Anordnung ist das einzelne NOx-Absorptionsmittel jedoch nachgeschaltet zu dem Filter angeordnet.

Gemäß der Erfindung ist das erste NOx-Absorptionsmittel eingerichtet gespeichertes NOx während Lambda > 1 Bedingungen bei etwa 300°C und darüber freizusetzen und umfasst mindestens eine Verbindung von Cer, Lanthan, Aluminiumoxid (Al2O3), Eisen, Zink, Calcium, Natrium und Magnesium und Gemischen von beliebigen zwei oder mehreren davon. Es wird angenommen, dass die zuvor genannten Elemente bei mageren Bedingungen in der Form ihrer Oxidverbindungen vorliegen werden, obwohl sie auch als Carbonate und/oder Hydroxide vorliegen können. Es wird angenommen, dass diese Verbindungen Nitrate bilden, wenn sie mit dem NOx in Kontakt stehen. Es wird jedoch angenommen, dass diese Nitrate thermodynamisch instabil sind oberhalb von etwa 300°C, selbst bei magerem Abgas, und sich zersetzen kann, um NOx als NO oder NO2 freizusetzen. Bei niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen in Gegenwart eines reduzierenden Katalysators, wie Rhodium, kann das freigesetzte NO und NO2 zu N2 reduziert werden.

Ein Gesichtspunkt der Erfindung ist, dass NOx in einem Abgas absorbiert werden kann durch das erste NOx-Absorptionsmittel, wenn die Abgastemperatur gering ist, z.B. nach einem Kaltstart oder während Zeiträumen eines Fahrzyklus, bei dem die Abgastemperatur sinkt, und freigesetzt werden kann als NO2 während magerer Betriebsbedingungen oder Laufbedingungen zur Verbrennung von PM, das nachgeschaltet an dem Filter bereitgehalten wird, wenn Temperaturen thermodynamisch günstiger sind für eine Verbrennung von dem PM gemäß dem Verfahren, das beschrieben ist in der EP 0 341 832, die oben genannt ist.

Im Allgemeinen kann NOx, das an oder auf dem ersten NOx-Absorptionsmittel gespeichert ist desorbiert werden bei geringeren Temperaturen in einer reichen oder fetten Abgaszusammensetzung. In diesem Fall kann das NOx zu N2 reduziert werden, wenn das erste NOx-Absorptionsmittel einen NOx-Reduktionskatalysator, wie Rhodium, umfasst. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Rhodium zu einer Nettoverringerung von NOx führt, das freigesetzt wird während magerer Laufbedingungen oder Betriebsbedingungen.

Gemäß einer Ausführungsform ist das zweite NOx-Absorptionsmittel, das nachgeschaltet zu dem Filter angeordnet ist, im Stande NOx zu speichern bei von etwa 300°C bis etwa 550°C während Lambda > 1 Bedingungen. Geeignete Materialien für das zweite NOx-Absorptionsmittel umfassen mindestens ein Alkalimetall, wie Kalium oder Cäsium, mindestens ein Erdalkalimetall, z.B. Strontium oder Barium, oder mindestens ein Seltenerdmetall oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehreren davon.

Das mindestens eine Seltenerdmetall kann Yttrium, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehreren davon sein.

Ein Vorteil der Verwendung der vorgenannten Materialien in dem ersten NOx-Absorptionsmittel ist, dass NOx in dem System behandelt werden kann während Zeiträumen geringer Abgastemperatur, z.B. nach einem Kaltstart oder ausgedehnten Zeiträumen eines Leerlaufs oder Fahrens bei geringer Geschwindigkeit. NOx, das aus diesem ersten NOx-Absorptionsmittel freigesetzt wird, kann behandelt werden unter Verwendung des zweiten NOx-Absorptionsmittels, angeordnet z.B. am Unterboden, wenn es eine gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat.

Gemäß einer weitere Ausführungsform schließt mindestens eines des ersten und zweiten NOx-Absorptionsmittels mindestens ein Platingruppenmetall (PGM) ein. Ein solches mindestens ein PGM kann z.B. Platin, Palladium oder Rhodium sein. Während sowohl die ersten als auch die zweiten NOx-Absorptionsmittel Platin und Rhodium oder Palladium bei einer Ausführungsform einschließen können, schließt das erste NOx-Absorptionsmittel Platin als einziges PGM ein. Dies aus mindestens zwei Gründen. Erstens, bei der Ausführungsform, bei der das erste NOx-Absorptionsmittel konstruiert ist, um gespeichertes NOx bei Temperaturen von etwa 300°C und darüber in Magerabgas freizusetzen, ist die Gegenwart von Rhodium zum Zweck der Reduktion von freigesetztem NOx zu N2 in angereichertem oder fettem Abgas nicht notwendig.

Zweitens, wenn angereichertes oder fettes aus dem Motor stammendes Abgas dazu gedacht ist, das zweite NOx-Absorptionsmittel zu regenerieren, könnte die Gegenwart von Rhodium auf dem ersten NOx-Absorptionsmittel ungewollt etwas KW vorgeschaltet vor oder stromaufwärts von dem zweiten NOx-Absorptionsmittel entfernen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Filter in dem Abgassystem katalysiert. Der Katalysator kann mindestens ein PGM umfassen, wobei das PGM direkt durch das Material, das den Filter bildet, getragen werden kann oder geträgert sein kann auf einem partikulären feuerfesten Oxid mit hoher Oberfläche und beschichtet auf dem Filtersubstrat. Verfahren zur Herstellung des direkt geträgerten Substrats sind bekannt und schließen ein Tränken des Filtermaterials, z.B. Coriderit, in einer wässrigen Lösung des PGMs, dann Trocknen und Brennen des erhaltenen Stücks ein.

Wenn das PGM auf einem partikulären feuerfesten Oxid geträgert ist, kann es an dem feuerfesten Oxid fixiert werden durch Calcinierung vor einem Beschichten auf dem Substrat, oder eine Grundierung oder Washcoat des feuerfesten Oxids kann beschichtet werden auf dem Substrat und nachträglich imprägniert werden mit einer wässrigen PGM Lösung unter Verwendung bekannter Techniken. Es ist jedoch wichtig, dass die Größe des partikulären Trägers ausgewählt wird, so dass das feuerfeste Oxid nicht die Poren des Filtersubstrats blockiert, so dass der Gegendruck des Filters signifikant erhöht wird in Bezug auf einen unbeschichteten Filter oder die Filtrationswirksamkeit beeinträchtigt werden kann. Wir fanden nun, im Allgemeinen, dass Poren von bis zu 25 &mgr;m, z.B. 15 bis 25 &mgr;m, nützlich sind zum Filtern von Diesel-PM, und daher bevorzugen wir, dass das partikuläre feuerfeste Oxid geringer als diese Größe sein sollte. Dies bedeutet, dass Grundierungs- oder Washcoat-Partikel innerhalb der Poren sitzen können, ohne sie vollständig zu blockieren oder zu verstopfen.

Alternativ oder zusätzlich kann der Katalysator einen Rußverbrennungskatalysator umfassen, der ein geschmolzenes Salz umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Alkalimetallsalz von Vanadium, Wolfram oder Molybdän, einem Erdalkalimetallsalz von Vanadium, Wolfram oder Molybdän oder einem Lanthansalz von Vanadium, Wolfram oder Molybdän, Vanadiumpentoxid, Silbervanadat und Kupfervanadat. Geeignete Alkalimetalle schließen eines oder beide von Kalium oder Cäsium ein. Erdalkalimetall können ausgewählt werden aus Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und beliebigen zwei oder mehreren davon.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung ist es, die Komponenten oder Bestandteile des Abgassystems der vorliegenden Erfindung zu verwenden, um die Wärme in dem System wirksamer zu managen oder zu handeln und dadurch die Umsetzung der Zielabgaskomponenten zu verbessern. Wie oben genannt, ist ein Problem für die Behandlung von Abgasen aus Magerverbrennungsmotoren, insbesondere Leichtlastdieselmotoren, dass die Abgastemperatur unerwünscht gering sein kann während bestimmter Phasen eines Fahrzyklus. Dies kann es schwierig machen, katalytisch Abgase zu behandeln, um die durch die Gesetzgebung auferlegten Grenzen zu erfüllen. Durch wirksameres Managen des Zurückhaltens oder der Erzeugung von Wärme innerhalb des Systems können solche Problem verringert oder vermieden werden.

Während die Erfindung im Stande ist, das Ausmaß der PM-Verbrennung durch NO2 bei mittleren Temperaturen zu erhöhen, wird ins Auge gefasst, dass das PM Fraktionen enthalten kann, die leicht verbrennbar sind mit O2. Ein Betrieb der Erfindung kann eine Verbrennung von PM auf dem Filter in O2 bei höheren Temperaturen einschließen (in Bezug auf die Verbrennung in NO2) bei mageren Bedingungen, während die NOx-Fallenregeneration typischerweise höhere Temperaturen und/oder angereicherte oder fettere Bedingungen erfordert, um NOx zu entfernen und sogar höhere Temperaturen und vorzugsweise fette Bedingungen, um Schwefeloxide (SOx) zu entfernen.

Um eine Magerverbrennung von PM bei höheren Temperaturen auf dem Filter zu fördern, kann ein Katalysator in dem ersten NOx-Absorptionsmittel verwendet werden, um KW in dem Abgas zu verbrennen, entweder nachinjizierten KW oder aus dem Motor stammenden KW aus einer Modulation des Motor-Luft-zu-Treibstoff-Verhältnisses, um dadurch die Temperatur des Filters zu erhöhen. O2, um KW und/oder CO zu verbrennen, um die exotherme Energie zu erzeugen, kann bereitgestellt werden durch Injektion von Sekundärluft oder Magerabgas (z.B. aus einer Parallelabgasleitung) zwischen dem NOx-Absorptionsmittel und dem Filter. Alternativ oder bei einer weiteren Ausführungsform oder zusätzlich kann eine Sauerstoffspeicherkomponente (OSC, oxygen storage component), z.B. Ceroxid oder ein gemischtes Oxid aus Ceroxid/Zirconiumoxid nachgeschaltet zu einem ersten NOx-Absorptionsmittel vorgesehen sein, gegebenenfalls nachgeschaltet von irgendeinem KW-Injektor oder zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Partikelfilter. Das erste NOx-Absorptionsmittel kann auch zum Teil oder vollständig regeneriert oder wieder verwendet werden durch Wirkung des KW zur Erzeugung der exothermen Energie. Eine zusätzliche exotherme Energie kann erzeugt werden auf dem Filterkatalysator, wo vorliegend.

Die Erzeugung einer exothermen Energie und erhöhte Temperaturen in dem Filter können zu einer Erhöhung der Temperatur des zweiten NOx-Absorptionsmittels führen, noch typischerweise wird das Abgas, welches das zweite NOx-Absorptionsmittel kontaktiert, mager sein. Demzufolge kann eine Einrichtung vorgesehen sein, um KW zwischen dem Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel einzuführen, um die Abgaszusammensetzung zu ändern, um das Abgas anzureichern, um NOx und/oder SOx, wie gewünscht, freizusetzen. Natürlich kann bei bestimmten Ausführungsformen, z.B. wenn der Filter unkatalysiert ist, das System angeordnet sein, so dass ausreichend KW ermöglicht wird dem Filter zu entweichen, um das zweite NOx-Absorptionsmittel zu regenerieren, so dass die Bereitstellung eines Injektors für KW zwischen dem Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel vermieden werden kann, oder die Menge von KW, das benötigt wird, um injiziert zu werden, verringert werden kann. Zusätzliches O2, um KW zu verbrennen, um eine exotherme Enthalpie zu erzeugen gegenüber dem zweiten NOx-Absorptionsmittel kann auch bereitgestellt werden (während einer Beibehaltung einer reichen oder fetten oder angereicherten Abgaszusammensetzung), wenn gewünscht durch Injektion oder Einführung von Sekundärluft oder Magerabgas zwischen dem Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel oder durch Bereitstellung einer OSC nachgeschaltet zu dem Punkt der KW Injektion.

Eine Steuerung der Anreicherung des Abgases mit einem Reduktionsmittel, z.B. einem Kohlenwasserstoff, wie dem Treibstoff, der den Motor antreibt, und Einführung von Sekundärluft oder einem Magerabgas kann gesteuert werden oder kontrolliert werden bei der Verwendung durch eine Motorsteuerung (ECU, Engine Control Unit), die z.B. einen geeignet programmierten Prozessor- oder Computer-„Chip" einschließt.

Bei einer weiteren Ausführungsform schließt das System einen Oxidationskatalysator ein zur Oxidation von NO in einem Abgas zu NO2, wobei der Katalysator vorgesehen sein kann oder angeordnet sein kann zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Filter. Diese Ausführungsform nimmt eine Anordnung an, die beschrieben ist in der EP 0 341 832, die oben genannt ist. Ein Vorteil dieser Anordnung und/oder der Ausführungsform, wobei der Filter katalysiert ist, ist, dass der KW Schlupf minimiert wird während der NOx-Absorptionsmittelregeneration des ersten NOx-Absorptionsmittels. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Oxidationskatalysator zwischen dem Abgaskrümmer und dem ersten NOx-Absorptionsmittel, vorzugsweise vorgeschaltet vor oder stromaufwärts von einem beliebigen KW-Injektor, angeordnet werden.

Bei einer besonderen Ausführungsform sind der Oxidationskatalysator und der OSC kombiniert. Bei einer solchen Anordnung umfasst der Katalysator Ceroxid, z.B. ein gemischtes Oxid aus Ceroxid, Zirconiumoxid, gegebenenfalls umfassend mindestens ein PGM, das darauf getragen ist.

Das oder jedes NOx-Absorptionsmittel und ein beliebiger Filterkatalysator oder NOx-Oxidationskatalysator zur Verwendung bei der Erfindung kann einen Träger umfassen, der Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Siliciumoxid-Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Titanoxid, Ceroxid, Ceroxid-Zirconiumoxid oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehreren davon oder ein gemischtes Oxid oder Verbundoxid von beliebigen zwei oder mehreren davon umfasst.

Mit „Verbundoxid" meinen wir hierin ein großes amorphes Oxidmaterial, umfassend Oxide von mindestens zwei Elementen, die keine echten oder richtigen gemischten Oxide sind, bestehend aus mindestens zwei Metallen.

Der Träger kann stabilisiert werden mit mindestens einem Seltenerdmetall, wie es in der Technik bekannt ist. Das mindestens eine Seltenerdmetall kann Lanthan, Yttrium, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium oder Gemische von beliebigen zwei oder mehreren davon sein.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung einen Magerverbrennungsmotor bereit, der ein Abgassystem gemäß der Erfindung einschließt. Bei einer Ausführungsform ist der Motor ein Dieselmotor, vorzugsweise ein Leichtlastdieselmotor.

Gemäß eines weiteren Gesichtspunkts stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zur Steuerung von Stickoxiden (NOx) und Feststoffen oder Feinstaub oder Partikeln (PM) in dem Abgassystem eines Magerverbrennungsmotors, wobei das Verfahren umfasst ein Sammeln von PM aus einem Abgas in einem Filter nachgeschaltet zu einem ersten NOx-Absorptionsmittel, Absorption von NOx in dem ersten NOx-Absorptionsmittel, wenn sich das erste NOx-Absorptionsmittel bei einer Temperatur von bis zu 300°C befindet, Desorption von absorbiertem NOx, wenn das erste NOx-Absorptionsmittel bei oberhalb 300°C ist, um vorher existierendes NOx in dem Abgassystem zu ergänzen, Verbrennen des gesammelten PM in NO2 in dem Abgas und Absorbieren von NOx, das aus der Verbrennung des gesammelten PM in dem NO2 stammt, in einem zweiten NOx-Absorptionsmittel, das nachgeschaltet zu dem Filter angeordnet ist, wobei das erste NOx-Absorptionsmittel eingerichtet ist gespeichertes NOx während Lambda > 1 Bedingungen bei etwa 300°C und darüber freizusetzen und mindestens eine Verbindung von Cer, Lanthan, Aluminiumoxid (Al2O3), Eisen, Zink, Calcium, Natrium, Magnesium und Gemischen von beliebigen zwei oder mehreren davon umfasst.

Damit die Erfindung noch besser verstanden wird, werden eine anschauliche Ausführungsform und ein Beispiel zur Veranschaulichung bereitgestellt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 ein schematisches Diagramm des Abgassystems gemäß der Erfindung zeigt;

2 ein schematisches Diagramm zeigt, das den Betrieb des Abgassystems, wenn es kalt ist, z.B. nach einem Kaltstart oder während Zeiträumen eines Fahrzyklus, der kühlere Abgase erzeugt, erklärt;

3 ein schematisches Diagramm zeigt, das den Betrieb des Abgassystems bei Temperaturen von 300°C und darüber erklärt;

4 ein schematisches Diagramm zeigt, das den Betrieb des Abgassystems bei der Regeneration des ersten NOx-Absorptionsmittels erklärt;

5 ein schematisches Diagramm zeigt, das den Betrieb des Abgassystems bei der Regeneration des katalysierten Rußfilters und des zweiten NOx-Absorptionsmittels erklärt;

6 eine Auftragung der Gaskonzentration gegen die Zeit darstellt, die die Speziation oder Artbildung von NOx nachgeschaltet zu der NOx-Falle (1) zeigt;

7 eine Auftragung der Abgastemperatur gegen die Zeit darstellt, die zeigt, wie eine Reduktionsmittelverbrennung mit restlichem Sauerstoff während eines reichen oder fetten Pulses eine exotherme Energie gegenüber der NOx-Falle (1) verursacht;

8 eine Auftragung des Abgas-Lambdawerts zeigt, genommen vorgeschaltet und nachgeschaltet zu der NOx-Falle (1) mit Luftinjektion nachgeschaltet zu der NOx-Falle (1);

9 eine Auftragung der Abgastemperatur darstellt, die genommen wird vorgeschaltet und nachgeschaltet von einem katalysierten Rußfilter nach einer Luftinjektion zwischen der NOx-Falle (1) und dem Filter;

10 eine Auftragung der Abgastemperatur gegen die Zeit darstellt, die eine magere exotherme Energieerzeugung gegenüber einer NOx-Falle (1) zeigt; und

11 eine Auftragung der NOx-Konzentration gegen die Zeit ist, welche zeigt, wie die NOx-Falle (2) NOx speichert, das von der NOx-Falle (1) entweicht sowohl im normalen mageren Modus als auch während eines fetten oder angereicherten Pulses, wobei Luft iS injiziert wird zwischen dem CSF und der NOx-Falle (1).

Wir glauben, dass die Anmerkungen zu den 1 bis 5 einschließlich selbsterklärend sind. „NOx (1)" in den Figuren steht für das erste NOx-Absorptionsmittel; „NOx (2)" steht für das zweite NOx-Absorptionsmittel und „CSF" ist eine Abkürzung für einen katalysierten Rußfilter (catalysed soot filter).

Beispiel

Ein Leichtlastdieselmotor mit einer fetten Zylinderkalibrierung wurde ausgestattet mit einem Abgassystem, welches die Anordnung umfasst, die in der 1 gezeigt ist, außer dass ein Motormanagement verwendet wurde, um eine aus dem Motor stammende Kohlenwasserstoffanreicherung des Abgases bereitzustellen, d.h. kein Treibstoff wurde nachgeschaltet zu dem Abgaskrümmer injiziert, und ein Luftinjektor wurde zwischen der NOx-Falle (1) und einem katalysierten Rußfilter angeordnet. Der katalysierte Rußfilter war ein Kordierit Wall-Flow-Filter katalysiert mit einer Grundierung (Washcoat), umfassend Platin, geträgert sowohl auf einem auf Aluminiumoxid basierenden partikulären feuerfesten Oxid als auch auf dem Filtermaterial selbst. Der Filter wurde hergestellt durch Beschichten des unbeschichteten Filters mit einer Grundierung (Washcoat), umfassend das feuerfeste Oxid, Trocknen und Calcinieren des erhaltenen Stücks und dann Imprägnieren des mit der Grundierung beschichteten Filters unter Verwendung einer wässrigen Lösung eines Platinsalzes bis zu einer Beladung von 100 gft–3.

Die NOx-Falle (1) war eine Niedrigtemperaturfalle, umfassend ein keramisches Durchflussmonolithsubstart, beschichtet mit einer Grundierung (Washcoat), umfassend ein auf Aluminiumoxid basierendes partikuläres feuerfestes Oxid und eine OSC, die Platin, Barium, Cer und Rhodium trägt. Die Hochtemperatur-NOx-Falle (2) wies einen ähnlichen Aufbau auf, außer dass die Formulierung Cäsium einschloss.

Ein Laufen oder Betreiben bei einer Abgastemperatur von 350°C in 6 zeigt ein Speziation oder Artbildung von NOx-Schlupf nach der NOx-Falle (1). Die NO2-Konzentration vorgeschaltet vor der NOx-Falle beträgt 14 ppm (6% des gesamten NOx). Es ist ersichtlich, dass ein hoher Anteil des NOx für NO2 steht (bis zu 30% des gesamten NOx Schlupfs), was daher verfügbar ist um mit dem Ruß in dem nachgeschalteten CSF gemäß des Verfahrens, das in der EP 0 341 832 offenbart ist, zu reagieren.

Das System war aufgebaut um in einem Zyklus zu laufen zwischen mageren und fetten oder angereicherten Betriebs- oder Laufbedingungen bei einer Abgastemperatur aus dem Motor von 450°C. Magere Zeiträume wurden eingestellt auf 300 s Länge, jeder fette Zeitraum war 8 s lang. Es ist aus der 7 ersichtlich, dass eine Einführung eines fetten oder angereicherten Pulses über der NOx-Falle (1) durch Verringerung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas vorgeschaltet zu der NOx-Falle (1) zu einer Temperaturerhöhung des Abgases führt, da Reduktionsmittel in dem verbleibenden Sauerstoff verbrannt wird. Diese extra Wärme kann verwendet werden, um die NOx-Falle (1) zu regenerieren für NOx oder SO2 unter den fetten oder angereicherten Bedingungen.

Eine Einführung von Luft nach der NOx-Falle (1) während eines fetten oder angereicherten Pulses führt zu konstanten mageren Bedingungen in dem nachgeschalteten CSF, wie aus der 8 ersichtlich ist. Die Ergebnisse der 7 und 8 zeigen, dass das Abgas-Lambda fetter oder angereicherter ist vor der NOx-Falle (1), was eine NOx-Fallenregeneration (s. 7) erlaubt, und eine Luftinjektion nach der NOx-Falle (1) kann konstante magere Bedingungen in dem CSF, nachgeschaltet zu der NOx-Falle (1), bereitstellen. Die erhöhten Temperaturen aus der Verbrennung von Reduktionsmittel über der NOx-Falle (1) (7) können hoch genug sein, um eine Rußregeneration des CSF zu ermöglichen, um bei den mageren Bedingungen stattzufinden. Alternativ oder bei einer weiteren Ausführungsform kann überschüssiges Reduktionsmittel durch die NOx-Falle (1) schlüpfen und über dem CSF unter den mageren Bedingungen verbrannt werden, die sich ergeben aus der Luft/Magerabgasinjektion, wieder resultierend in hohen CSF-Temperaturen, die es einer Rußregeneration ermöglichen stattzufinden, s. 9, die eine Erhöhung in der CSF-Temperatur zeigt aufgrund der Verbrennung des reichen oder fetten Pulses an Reduktionsmittel bei mageren Bedingungen, verursacht durch Luftinjektion nach der NOx-Falle (1) aber vor dem CSF.

Zusätzlicher Treibstoff wurde in das Abgassystem, vorgeschaltet zu der NOx-Falle (1), eingeführt, aber nur genug, um eine gesamtmagere Zusammensetzung beizubehalten. Dies erzeugt eine exotherme Enthalpie, die verwendet werden kann, um den Ruß in dem CSF (s. 10) zu regenerieren. NOx kann auch thermisch freigesetzt werden aus der NOx-Falle (1) auf die gleiche Art und Weise, was zu einer Erhöhung der NO2-Konzentration, vorgeschaltet zu dem CSF, führt, die verfügbar ist zur Umsetzung mit Ruß auf dem CSF gemäß dem Verfahren, das beschrieben ist in der EP 0 341 832.

Die NOx-Falle (2) kann NOx speichern, das aus der NOx-Falle (1) und dem CSF entweicht oder entschlüpft (s. 11) sowohl in dem mageren Puls als auch (wenn eine Luftinjektion vorliegt zwischen der NOx-Falle (1) und dem CSF) während des fetten oder angereicherten Pulses. Eine Regeneration der NOx-Falle (2) könnte leicht oder unmittelbar erreicht werden mit einer Treibstoffinjektion zwischen dem CSF und der NOx-Falle (2), wie durch normalen NOx-Fallenbetrieb (s. EP 0 758 713).


Anspruch[de]
Abgassystem für einen Magerverbrennungsmotor, wobei das System einen gegebenenfalls katalysierten Partikelfilter und ein zweites NOx-Absorptionsmittel nachgeschaltet zu dem Filter angeordnet und ein erstes NOx-Absorptionsmittel vorgeschaltet vor dem Filter angeordnet umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste NOx-Absorptionsmittel eingerichtet ist gespeichertes NOx während Lambda > 1 Bedingungen bei etwa 300°C und darüber freizusetzen und mindestens eine Verbindung von Cer, Lanthan, Aluminiumoxid (Al2O3), Eisen, Zink, Calcium, Natrium, Magnesium und Gemischen von beliebigen zwei oder mehreren davon umfasst. System nach Anspruch 1, wobei das zweite NOx-Absorptionsmittel im Stande ist NOx zu speichern bei von etwa 300°C bis etwa 550°C während Lambda > 1 Bedingungen und mindestens eine Verbindung eines Alkalimetalls, mindestens eine Verbindung eines Erdalkalimetalls oder mindestens eine Verbindung eines Seltenerdmetalls oder eines Gemisches von beliebigen zwei oder mehreren davon umfasst. System nach Anspruch 1 oder 1, wobei des erste und/oder das zweite NOx-Absorptionsmittel mindestens ein Platingruppenmetall (PGM) umfasst. System nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine PGM des ersten NOx-Absorptionsmittels aus Platin besteht. System nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine PGM Platin und Rhodium umfasst. System nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei der Filterkatalysator mindestens ein PGM umfasst. System nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, umfassend einen Oxidationskatalysator, gegebenenfalls umfassend mindestens ein PGM, zum Oxidieren von NO in einem Abgas zu NO2, wobei der Katalysator zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Filter und/oder zwischen dem Abgaskrümmer und dem ersten NOx-Absorptionsmittel angeordnet ist. System nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, umfassend eine Sauerstoffspeicherkomponente (OSC), gegebenenfalls umfassend Ceroxid oder ein gemischtes Oxid aus Ceroxid-Zirconiumoxid, angeordnet zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Filter und/oder zwischen dem Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel. System nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, umfassend eine erste Einrichtung zum Anreichern eines Abgases mit einem Reduktionsmittel vorgeschaltet vor dem ersten NOx-Absorptionsmittel, gegebenenfalls umfassend einen ersten Anschluss zur Injektion des Reduktionsmittels, wobei dieser erste Anschluss zwischen dem Abgaskrümmer und dem ersten NOx-Absorptionsmittel angeordnet ist. System nach Anspruch 9, umfassend mindestens eine von: (i) einer zweiten Einrichtung zum Anreichern eines Abgases mit einem Reduktionsmittel zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Filter, wobei die zweite Anreicherungseinrichtung einen zweiten Anschluss umfasst zur Injektion des Reduktionsmittel, wobei der zweite Anschluss zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Filter angeordnet ist; und (ii) einer dritten Einrichtung zum Anreichern eines Abgases mit einem Reduktionsmittel zwischen dem Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel, wobei die dritte Anreicherungseinrichtung einen dritten Anschluss umfasst zur Injektion des Reduktionsmittels, wobei der dritte Anschluss zwischen dem Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel angeordnet ist. System nach Anspruch 9 oder 10, umfassend mindestens eine von: (a) einer ersten Einrichtung zum Einführen sekundärer Luft oder eines Magerabgases in das Abgas zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Filter; und (b) einer zweiten Einrichtung zum Einführen von Sekundärluft oder eines Magerabgases in das Abgas zwischen dem Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel. System nach Anspruch 9, 10 oder 11, umfassend eine Einrichtung zur Steuerung der Anreicherung eines Abgases mit einem Reduktionsmittel beim Einsatz zwischen dem Abgaskrümmer und dem ersten NOx-Absorptionsmittel. System nach Anspruch 10, umfassend: eine Einrichtung zur Steuerung der Anreicherung eines Abgases mit einem Reduktionsmittel beim Einsatz zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Filter; und/oder eine Einrichtung zur Steuerung der Anreicherung eines Abgases mit einem Reduktionsmittel beim Einsatz zwischen dem Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel. System nach Anspruch 11, umfassend: eine Einrichtung zur Steuerung der Einführung von Sekundärluft oder eines Magerabgases in ein Abgas beim Einsatz zwischen dem ersten NOx-Absorptionsmittel und dem Filter; und/oder eine Einrichtung zur Steuerung der Einführung von Sekundärluft oder eines Magerabgases in ein Abgas beim Einsatz zwischen Filter und dem zweiten NOx-Absorptionsmittel. System nach einem beliebigen der Ansprüche 12, 13 oder 14, wobei die Steuereinrichtung eine Motorsteuerung (ECU) umfasst. System nach einem beliebigen der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Reduktionsmittel für einen Kohlenwasserstoff steht, gegebenenfalls den Kohlenwasserstoff, der den Motor antreibt. Magerverbrennungsmotor, gegebenenfalls ein Dieselmotor, wie ein Leichtlastdieselmotor, der ein Abgassystem nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch einschließt. Verfahren zur Steuerung von Stickoxiden (NOx) und Feststoffen oder Feinstaub oder Partikeln (PM) in dem Abgassystem eines Magerverbrennungsmotors, wobei das Verfahren umfasst ein Sammeln von PM aus einem Abgas in einem Filter nachgeschaltet zu einem ersten NOx-Absorptionsmittel, Absorption von NOx in dem ersten NOx-Absorptionsmittel, wenn sich das erste NOx-Absorptionsmittel bei einer Temperatur von bis zu 300°C befindet, Desorption von absorbiertem NOx, wenn das erste NOx-Absorptionsmittel bei oberhalb 300°C ist, um vorher existierendes NOx in dem Abgassystem zu ergänzen, Verbrennen des gesammelten PM in NO2 in dem Abgas und Absorbieren von NOx, das aus der Verbrennung des gesammelten PM in dem NO2 stammt, in einem zweiten NOx-Absorptionsmittel, das nachgeschaltet zu dem Filter angeordnet ist, wobei das erste NOx-Absorptionsmittel eingerichtet ist gespeichertes NOx während Lambda > 1 Bedingungen bei 300°C und darüber freizusetzen und mindestens eine Verbindung von Cer, Lanthan, Aluminiumoxid (Al2O3), Eisen, Zink, Calcium, Natrium, Magnesium und Gemischen von beliebigen zwei oder mehreren davon umfasst.






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