[0001] Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem umfassend einen Speicherkatalysator
und einen Partikelfilter zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine,
welches das Abgasnachbehandlungssystem im wesentlichen in Richtung seiner Längsachse
durchströmt, bei dem der Speicherkatalysator zum Speichern und Reduzieren der im Abgas
befindlichen Stickoxide (NO
x) und der Partikelfilter zum Sammeln und Verbrennen der im Abgas befindlichen Rußpartikel
integral als bauliche Einheit ausgebildet sind, wobei der Partikelfilter ein Wabenfilter
der Länge L ist und dieser Wabenfilter gleichzeitig als Trägersubstrat zur Ausbildung
des Speicherkatalysators dient.
[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Abgasnachbehandlungssystems.
[0003] Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen
mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet. Zwar findet auch ohne
zusätzliche Maßnahmen während der Expansion und des Ausschiebens der Zylinderfüllung
bei einem ausreichenden hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer
Sauerstoffmengen eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von
Kohlenmonoxid (CO) statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell
abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit
schnell zum Erliegen. Eventueller Sauerstoffmangel kann durch eine Sekundärlufteinblasung
kompensiert werden. Jedoch müssen in der Regel besondere Reaktoren und/oder Filter
im Abgastrakt vorgesehen werden, um die Schadstoffemissionen unter sämtlichen Betriebsbedingungen
spürbar zu reduzieren.
[0004] Thermische Reaktoren versuchen, eine weitgehende Nachoxidation von HC und CO im Abgassystem
zu erzielen, indem eine Wärmeisolation und ein ausreichend großes Volumen im Abgasrohr
des Abgassystems vorgesehen wird. Die Wärmeisolation soll ein möglichst hohes Temperaturniveau
durch Minimierung der Wärmeverluste sicherstellen, wohingegen ein großes Abgasrohrvolumen
eine lange Verweildauer der Abgase gewährleistet. Sowohl die lange Verweildauer als
auch das hohe Temperaturniveau unterstützen die angestrebte Nachoxidation. Nachteilig
ist der schlechte Wirkungsgrad bei unterstöchiometrischer Verbrennung und die hohen
Kosten. Für Dieselmotoren sind thermische Reaktoren aufgrund des grundsätzlich niedrigeren
Temperaturniveaus nicht zielführend.
[0005] Aus den genannten Gründen kommen nach dem Stand der Technik bei Ottomotoren katalytische
Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit
bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen
sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide (NO
x) reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht
werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb
(λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert.
[0006] Dabei werden die Stickoxide NO
x mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden
und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten
oxidiert werden.
[0007] Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, also beispielsweise
im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkteinspritzende Dieselmotoren
aber auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide
prinzipbedingt - d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel - nicht reduziert werden.
[0008] Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO)
wird ein Oxidationskatalysator im Abgassystem vorgesehen. Um eine ausreichende Konvertierung
zu realisieren, ist eine gewisse Betriebstemperatur erforderlich. Die sogenannte Anspringtemperatur
kann 120°C bis 250°C betragen.
[0009] Zur Reduzierung der Stickoxide werden selektive Katalysatoren - sogenannte SCR-Katalysatoren
- eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht werden,
um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak
und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch
als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt
in den Abgastrakt eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, nämlich
durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum nach der
eigentlichen Verbrennung, zugeführt werden. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff
nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die
- auch nach Beendigung der Hauptverbrennung - hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet
werden, sondern während des Ladungswechsels in den Abgastrakt eingeleitet werden.
[0010] Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit sogenannten Stickoxidspeicherkatalysatoren
(
LNT - Lean
NO
x Trap) reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst - während eines mageren
Betriebs der Brennkraftmaschine - im Katalysator absorbiert d.h. gesammelt und gespeichert,
um dann während einer Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen
Betriebs (beispielsweise λ < 0,95) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert
zu werden (deNO
x).
[0011] Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Realisierung eines fetten d.h. eines unterstöchiometrischen
Betriebs der Brennkraftmaschine bietet die Abgasrückführung (AGR) und - bei Dieselmotoren
- die Drosselung im Ansaugtrakt. Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden,
wenn das Reduktionsmittel direkt in den Abgastrakt eingebracht wird, beispielsweise
durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff. Während der Regenerationsphase werden
die Stickoxide freigegeben und im wesentlichen in Stickstoffdioxid (N
2), Kohlenstoffdioxid (CO
2) und Wasser (H
2O) umgewandelt. Die Häufigkeit der Regenerationsphasen wird durch die Gesamtemission
an Stickoxiden und die Speicherkapazität des LNT bestimmt.
[0012] Die Temperatur des Speicherkatalysators (LNT) sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster
zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion der Stickoxide
sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder
freigegebenen Stickoxide stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden
kann.
[0013] Eine Schwierigkeit bei der Verwendung und insbesondere bei der Anordnung des LNT
im Abgastrakt ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls im
LNT absorbiert wird und im Rahmen einer sogenannten Desulfurisation (deSO
x) d. h. einer Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muss. Hierfür muss der LNT
auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700 °C, erwärmt und mit einem
Reduktionsmittel versorgt werden, was wiederum durch den Übergang zu einem fetten
Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Je höher die Temperatur des LNT
ist, desto effektiver läuft die Entschwefelung ab, wobei eine zulässige Höchsttemperatur
nicht überschritten werden sollte, denn dann trägt die Entschwefelung des LNT infolge
zu hoher Temperaturen maßgeblich zur thermischen Alterung des Katalysators bei. Dadurch
wird die gewollte Konvertierung der Stickoxide gegen Ende der Lebensdauer des Katalysators
nachteilig beeinflusst, wobei insbesondere die Speicherkapazität infolge thermischer
Alterung abnimmt.
[0014] Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte
regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern
und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend
verbrannt werden (deSoot). Die Intervalle der Regeneration werden dabei unter anderem
durch den Abgasgegendruck, der sich infolge des zunehmenden Strömungswiderstandes
des Filters aufgrund der anwachsenden Partikelmasse im Filter einstellt, bestimmt.
[0015] Die zur Regeneration des Partikelfilters hohen Temperaturen - etwa 550°C bei nicht
vorhandener katalytischer Unterstützung - werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und
hohen Drehzahlen erreicht. Daher muss auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden,
um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
[0016] Die Verbrennung der Partikel kann dabei durch im Abgastrakt vorgesehene Zusatzbrenner
erfolgen oder aber durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den
Brennraum, wobei der nacheingespritzte Kraftstoff bereits im Brennraum gezündet wird,
was durch die auslaufende Hauptverbrennung oder die gegen Ende der Verbrennung im
Brennraum vorliegenden hohen Temperaturen geschehen kann, so dass die Abgastemperatur
der in den Abgastrakt ausgeschobenen Abgase innermotorisch angehoben wird. Nachteilig
an dieser Vorgehensweise sind insbesondere die im Abgastrakt auf dem Weg zum Filter
zu befürchtenden Wärmeverluste und die damit verbundene Temperaturabsenkung der heißen
Abgase. Der Filter kann ohne weiteres einen Meter und mehr vom Auslass des Brennraums
entfernt im Abgastrakt angeordnet sein.
[0017] Der Kompensation der Wärmeverluste durch die Generierung entsprechend hoher Abgastemperaturen
sind durch die Temperaturfestigkeit anderer im Abgasstrang vorgesehener Bauteile Grenzen
gesetzt, insbesondere der Temperaturbeständigkeit einer im Abgassystem angeordneten
Turbine eines Abgasturboladers, eines Dreiwegekatalysators oder eines Speicherkatalysators.
Üblicherweise wird die Turbine mit den höchsten Temperaturen beaufschlagt, da sie
am nächsten am Auslaß des Brennraums angeordnet ist.
[0018] Der nacheingespritzte Kraftstoff kann auch unverbrannt und gegebenenfalls schon aufbereitet
in den Abgastrakt ausgeschoben werden und dann gezielt lokal dort im Abgassystem oxidiert
werden, wo hohe Abgastemperaturen notwendig sind, nämlich im Partikelfilter bzw. in
seiner unmittelbaren Nachbarschaft. Die Verbrennung des nacheingespritzten Kraftstoffes
kann katalytisch mittels eines vor dem Filter positionierten Katalysators initiiert
werden. Es kann aber auch eine elektrische Zündung in bzw. an dem Rußfilter vorgesehen
werden.
[0019] Ähnlich wie bereits für die Reduzierung der Stickoxide vorgeschlagen, kann auch Kraftstoff
direkt in den Abgastrakt eingebracht werden. Die weitere Vorgehensweise entspricht
der zuvor Beschriebenen, bei der der zusätzlich eingespritzte Kraftstoff unverbrannt
in das Abgassystem gelangt und gezielt in der Nachbarschaft des Partikelfilters oxidiert
wird.
[0020] Es muss berücksichtigt werden, dass der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff, sei
es aufgrund eines Überganges zu einem fetten Motorbetrieb oder aber infolge der Anreicherung
des Abgases mit Kraftstoff, prinzipbedingt den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine
nachteilig beeinflusst. Insbesondere die Häufigkeit, mit der der Partikelfilter regeneriert
oder der LNT gereinigt wird, hat maßgeblichen und direkten Einfluss auf die zu diesen
Zwecken eingesetzte Kraftstoffmenge und damit auf den Gesamtverbrauch.
[0021] Da sowohl die Abgase von Ottomotoren als auch die Abgase von Dieselmotoren - wenn
auch in unterschiedlichen Mengen und Qualitäten - unverbrannte Kohlenwasserstoffe
(HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO
x) als auch Rußpartikel enthalten, kommen nach dem Stand der Technik in der Regel kombinierte
Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz, die einen oder mehrere der oben beschriebenen
Katalysatoren, Reaktoren und/oder Filter umfassen.
[0022] Die vorliegende Erfindung hat beispielsweise ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem
d.h. ein System zum Gegenstand, bei dem der Speicherkatalysator zum Speichern und
Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide (NO
x) und der Partikelfilter zum Sammeln und Verbrennen der im Abgas befindlichen Rußpartikel
integral d.h. als bauliche Einheit ausgebildet sind. Der Partikelfilter ist ein Wabenfilter
und dieser Wabenfilter dient gleichzeitig als Trägersubstrat zur Ausbildung des Speicherkatalysators.
Dabei wird der Wabenfilter mit einem katalytischen Material beschichtet, welches zum
Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide (NO
x) geeignet ist.
[0023] Ein derartiges System zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Systemen, bei denen der
Partikelfilter und der Speicherkatalysator jeweils ein eigenständiges Bauteil bilden,
durch seine kompakte Bauweise aus. Zudem kann die Anzahl an Trägersubstraten halbiert
werden, da das Trägersubstrat des Partikelfilters gleichzeitig zur Ausbildung des
Speicherkatalysators herangezogen wird.
[0024] Die Nachteile des Systems ergeben sich teilweise aber auch aus der beschriebenen
Doppelfunktion des Trägersubstrates. Der als Partikelfilter dienende Wabenfilter umfasst
eine Vielzahl von Kanälen, die in der Regel wechselseitig d. h. im Schachbrettmuster
verschlossen sind, so dass das Abgas in die am Einlass des Wabenfilters offenen Kanäle
einströmt und auf dem Weg zum Auslass die Kanalwände dieser zum Austritt hin verschlossenen
Kanäle durchströmen muss, um in einen Kanal zu gelangen der zum Auslass des Wabenfilters
hin offen ist (siehe auch Figur 1). Bei Oberflächenfiltern sind die Porendurchmesser
des Trägersubstrates so gering, dass die Rußpartikel nicht in das Filtermaterial eindringen,
sondern sich als Filterkuchen auf der Oberfläche des Filters ablagern.
[0025] Mit der zunehmenden Ablagerung von Rußpartikeln nimmt der effektive zur Verfügung
stehende Strömungsquerschnitt ab d. h. der Strömungswiderstand zu, weshalb mit zunehmender
Beladung der Abgasgegendruck anwächst. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird eine
möglichst große Filteroberfläche angestrebt. Der momentane Abgasgegendruck bzw. das
Nicht-Überschreiten eines maximal zulässigen Abgasgegendrucks bilden im wesentlichen
die maßgeblichen Parameter, anhand derer entschieden wird, ob bzw. wann eine Partikelfilterregeneration
durchgeführt wird.
[0026] Wird nun auf den - zuvor beschriebenen - Wabenfilter eine zusätzliche Beschichtung
aus katalytischem Material zum Speichern und Reduzieren von Stickoxiden d.h. zur Ausbildung
des Speicherkatalysators aufgetragen, erhöht sich der durch den Wabenfilter hervorgerufene
Abgasgegendruck zusätzlich, weshalb zur Ausbildung eines Speicherkatalysators der
in Rede stehenden Art weniger katalytisches Material verwendet wird als bei einem
herkömmlichen Speicherkatalysator, dem nicht gleichzeitig die Aufgabe eines Partikelfilters
im Rahmen einer Doppelfunktion zukommt. In der Regel wird weniger Material - beispielsweise
ein Drittel weniger - zur Beschichtung eines Speicherkatalysators der gattungsbildenden
Art eingesetzt, um den Abgasgegendruck im Vergleich zu herkömmlichen Speicherkatalysatoren
nicht in unvorteilhafter Weise zu erhöhen. Dies bedeutet aber gleichzeitig, dass die
Speicherkapazität des in Rede stehenden Katalysators proportional zur verwendeten
Menge des katalytischen Materials abnimmt. Der Speicherkatalysator des gattungsbildenden
Systems - gleiche Katalysatorvolumen vorausgesetzt - weist daher grundsätzlich den
Nachteil einer verminderten Speicherkapazität auf.
[0027] Darüber hinaus erweist es sich als problematisch, eine einheitliche Temperatur über
den gesamten Filter bzw. Katalysator zu erzielen, was sich insbesondere bei der Filterregeneration
und Entschwefelung in nachteiliger Weise bemerkbar macht.
[0028] Soll der Speicherkatalysator beispielsweise auf die für die Entschwefelung notwendigen
hohen Temperaturen zwischen 600°C und 700 °C erwärmt werden, liegt während der Aufheizung
des Systems in der Regel eine inhomogene Temperaturverteilung im System vor. Dabei
kann die Temperatur im Inneren des Wabenfilters bereits 650°C betragen, während in
den außen liegenden Bereichen des Filters Temperaturen um 550°C herrschen.
[0029] Die für eine Entschwefelung zu niedrigen Temperaturen in den äußeren Bereichen des
Systems bedingen, dass diese Bereiche des Speicherkatalysators nicht vom Schwefel
gereinigt bzw. befreit werden, was zu einer Abnahme der Speicherfähigkeit dieser äußeren
Bereiche und damit zu einer Abnahme der Speicherkapazität des LNT mit zunehmender
Betriebsdauer bzw. mit zunehmendem Lebensalter fährt. Kommt die Speicherkapazität
der äußeren Bereiche vollständig zum Erliegen, durchströmen die Abgase diese äußeren
Bereiche, ohne dass die im Abgas befindlichen Stickoxide gespeichert oder konvertiert
werden.
[0030] Alternativ könnte der Aufheizvorgang solange fortgeführt werden bis die Temperatur
in den äußeren Bereichen ausreichend hoch für eine Entschwefelung ist. Dafür müsste
aber die Temperatur im Inneren des Abgasnachbehandlungssystems auf ein Niveau angehoben
werden, welches zur thermischen Zerstörung mindestens aber zur thermischen Alterung
des Wabenfilters führen würde. Daher wird nach dem Stand der Technik auf eine übermäßige
Erwärmung des Systems verzichtet und stattdessen die Abnahme der Speicherkapazität,
insbesondere in den äußeren Gebieten, in Kauf genommen.
[0031] Die sich infolge einer Erwärmung im System einstellende inhomogene Temperaturverteilung
erweist sich auch hinsichtlich der Filterregeneration als nachteilig. Wird der Filter
zum Zweck einer Filterregeneration erwärmt, kann die für die Rußoxidation erforderliche
Temperatur von etwa 550°C im Inneren des Systems bereits vorliegen, während die äußeren
Bereiche noch nicht eine für die Regeneration ausreichend hohe Temperatur aufweisen.
Folglich wird der Ruß in den äußeren Bereichen nicht oxidiert, der Abgasgegendruck
erhöht sich und die Speicherfähigkeit der äußeren Bereiche nimmt ebenfalls ab. Wird
dann aber der Ruß, der sich in den äußeren Bereichen über einen längeren Zeitraum
angesammelt hat, während einer Regeneration tatsächlich gezündet und verbrannt, beispielsweise
ausgelöst durch die Einleitung eines Entschwefelungsprozesses, können lokal derart
hohe Temperaturen auftreten, dass der Speicherkatalysator in den entsprechenden Bereichen
thermisch überlastet bzw. zerstört wird.
[0032] Ein weiterer Effekt, der die Funktionsweise des Wabenfilters bzw. Systems nachteilig
beeinflusst, resultiert aus den Aschebestandteilen, die das Abgas mit sich führt und
welche sich im System bzw. Wabenfilter ablagern. Dabei lagert sich die Asche an den
verschlossenen Enden der Eintrittskanäle des Wabenfilters ab, wo sich mit zunehmendem
Lebensalter des Systems ein stetig anwachsendes Aschedepot aufbaut, das die effektiv
nutzbare Kanallänge zunehmend und kontinuierlich vermindert, so dass auch in diesem
Bereich die aufgetragene katalytische Materialschicht lediglich anfangs zur Konvertierung
und Verminderung der Schadstoffe beiträgt, später aber ungenutzt bleibt. Dies ist
insbesondere deshalb als nachteilig anzusehen, weil katalytische Materialien sehr
kostenintensiv sind und diese Materialien bei der Herstellung eines Abgasnachbehandlungssystems
einen entscheidenden Kostenfaktor darstellen.
[0033] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgasnachbehandlungssystem
der gattungsgemäßen Art d. h. gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen,
welches hinsichtlich der aus dem Stand der Technik bekannten Problematik, insbesondere
der teilweisen Veraschung des Systems infolge Ascheablagerungen, optimiert ist.
[0034] Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Abgasnachbehandlungssystems aufzuzeigen.
[0035] Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem umfassend
einen Speicherkatalysator und einen Partikelfilter zur Nachbehandlung des Abgases
einer Brennkraftmaschine, welches das Abgasnachbehandlungssystem im wesentlichen in
Richtung seiner Längsachse durchströmt, bei dem der Speicherkatalysator zum Speichern
und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide (NO
x) und der Partikelfilter zum Sammeln und Verbrennen der im Abgas befindlichen Rußpartikel
integral als bauliche Einheit ausgebildet sind, wobei der Partikelfilter ein Wabenfilter
der Länge L ist und dieser Wabenfilter gleichzeitig als Trägersubstrat zur Ausbildung
des Speicherkatalysators dient, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Anfangsabschnitt
des Wabenfilters zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide
(NO
x) entlang einer vorgebaren Länge 1
1 zumindest teilweise mit einem katalytischen Material beschichtet ist, wohingegen
ein Endabschnitt vorgebbarer Länge Δ1 des Wabenfilters eine derartige Beschichtung
nicht aufweist.
[0036] Bei dem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem wird nicht der gesamte Wabenfilter
mit katalytischem Material beschichtet, sondern nur ein Anfangsabschnitt einer vorgebaren
Länge l
1, der sich dadurch auszeichnet, dass hier die Gefahr von Ascheablagerungen vergleichsweise
gering ist. Nur diesem Anfangsabschnitt des Wabenfilters kommt eine Doppelfunktion
als Partikelfilter und Speicherkatalysator zu, wohingegen der Endabschnitt aufgrund
der fehlenden katalytischen Beschichtung lediglich als Partikelfilter dient.
[0037] Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, führt das Abgas Asche mit sich, die sich
an den verschlossenen Enden der Eintrittskanäle des Wabenfilters ablagert. Das anwachsende
Aschedepot an den Kanalenden verkürzt die nutzbare Kanallänge zunehmend und damit
auch die nutzbare Länge des Wabenfilters. Der mit Asche belegte Bereich des Wabenfilters
kann weder als Partikelfilter noch als Speicherkatalysator genutzt werden. Die hier
aufgetragene katalytische Materialschicht kann infolge Veraschung nur kurzweilig zur
Konvertierung und Verminderung der Schadstoffe beitragen.
[0038] Nachteilig daran ist - neben der Verminderung der Speicherkapazität des Systems infolge
Veraschung - insbesondere, dass die katalytischen Materialien zur Ausbildung des Speicherkatalysators
- wie bereits erwähnt - sehr kostenintensiv sind und aufgrund der Ablagerung von Asche
an den verschlossenen Kanalenden in diesen Bereichen nur von begrenztem Nutzen sind
d.h. die Beschichtung ist nach Ablagerung von Asche ohne Wert für die Nachbehandlung
der Abgase der Brennkraftmaschine.
[0039] Aus den genannten Gründen wird es als zielführend angesehen, die von Ascheablagerung
bedrohten Bereiche des Wabenfilters nicht mit einem katalytischen Material zum Speichern
und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide (NO
x) zu beschichten. Folglich sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen ein Endabschnitt
vorgebbarer Länge Δl des Wabenfilters unbeschichtet bleibt.
[0040] Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein
System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, welches hinsichtlich
der aus dem Stand der Technik bekannten Problematik, insbesondere der teilweisen Veraschung
des Systems infolge Ascheablagerungen, optimiert ist.
[0041] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Systems, bei denen gilt: Δl /L > 0,75 bzw.
Δl /L > 0,9.
[0042] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems gemäß den Unteransprüchen
werden im folgenden beschrieben und erläutert.
[0043] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems, bei denen der
Wabenfilter von zylinderförmiger Gestalt ist und einen Außendurchmesser D aufweist.
Eine zylinderförmige Gestalt des Wabenfilters bietet Vorteile bei der Erwärmung, dadurch
Vorteile bei der Regeneration bzw. Reinigung und damit wiederum grundsätzlich Vorteile
hinsichtlich der Schadstoffkonvertierung. Die Zylinderform hat sich insbesondere dahingehend
als günstig erwiesen, ein vorgegebenes Systemvolumen möglichst effektiv nutzbar zu
machen. Systeme, welche einen ovalen Querschnitt aufweisen, verfügen über die genannten
Vorteile in leicht abgeschwächter Form. Sie bieten aber im Vergleich zu Systemen mit
polygonalen, beispielsweise rechteckförmigen bzw. quadratischen, Querschnitten wiederum
spürbare Vorteile hinsichtlich der im Vordergrund der Betrachtungen stehenden und
relevanten Temperaturverteilung innerhalb des Systems. Die Entscheidung, ob ein System
mit einem zylinderförmigen oder ovalen Querschnitt zum Einsatz kommt, wird auch von
dem zur Verfügung stehenden Bauraum bzw. der Anordnung des Systems, welches in der
Regel unterhalb des Bodens des Kraftfahrzeuges angeordnet wird, mitbestimmt.
[0044] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems, bei denen ein
innerer, um die Längsachse des Systems angeordneter Bereich des Anfangsabschnitts
zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide (NO
x) mit einem katalytischen Material beschichtet ist, wohingegen ein äußerer Bereich
des Anfangsabschnitts eine derartige Beschichtung nicht aufweist.
[0045] Bei dieser Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems wird nicht der gesamte
Anfangsabschnitt des Wabenfilters mit katalytischem Material beschichtet, sondern
nur ein innerer Bereich, der sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass er leichter
d.h. schneller und mit weniger Aufwand erhitzt werden kann als die außen gelegenen
Bereiche des Systems bzw. des Anfangsabschnitts. Nur dem inneren Bereich des Anfangsabschnitts
kommt eine Doppelfunktion als Partikelfilter und Speicherkatalysator zu, wohingegen
der äußere Bereich aufgrund der fehlenden katalytischen Beschichtung lediglich als
Partikelfilter dient.
[0046] Der aus dem Stand der Technik bekannte und weiter oben bereits erörterte Konflikt,
nämlich einerseits die äußeren Bereiche - insbesondere im Rahmen einer Entschwefelung
- auf die erforderlichen hohen Temperaturen aufheizen zu müssen, andererseits aber
den inneren Bereich nicht zu überhitzen d.h. thermisch nicht zu überlasten, wird auf
diese Weise eliminiert bzw. obsolet. Eine Entschwefelung der äußeren Bereiche ist
nicht mehr erforderlich, da diese Bereiche nicht zum Speichern und Konvertieren der
im Abgas befindlichen Stickoxide (NO
x) herangezogen werden.
[0047] Die in Rede stehende Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems hat weitere
Vorteile, die sich aus der gezielten Beschichtung nur des inneren Bereichs des Anfangsabschnitts
und dem bewussten Weglassen der Beschichtung im äußeren Bereich ergeben.
[0048] Dadurch, dass der äußere Bereich des Anfangsabschnitts nicht beschichtet ist, nimmt
der Strömungswiderstand der äußeren Bereiche ab, was grundsätzlich als vorteilhaft
anzusehen ist, da der Abgasgegendruck ebenfalls sinkt. Zudem führt das eingesparte
katalytische Material, welches nach dem Stand der Technik zur Beschichtung der äußeren
Bereiche verwendet wird, zu einem Kostenvorteil gegenüber herkömmlichen Abgasnachbehandlungssystemen.
[0049] Aufgrund des geringeren Strömungswiderstands der äußeren Bereiche im Vergleich zum
inneren Bereich wird ein größerer Teil der heißen Abgase die äußeren Bereiche beim
Durchströmen des Wabenfilters passieren und ein kleinerer Abgasteilstrom durch den
inneren Bereich strömen. Dadurch ergibt sich eine wesentlich homogenere Temperaturverteilung
im System während der Erwärmung des Systems mittels heißer Abgase, da den Bereichen
unterschiedlich große Wärmemengen, die mit den Abgasmengen korrelieren, zugeführt
werden. D.h. die äußeren Bereiche, welche - wie aus dem Stand der Technik bekannt
- schwieriger zu erwärmen sind, werden mit einem größeren Abgasmassenstrom belegt
bzw. beaufschlagt. Vorteile bietet dies insbesondere bei der Regeneration des Partikelfilters,
weil die für die Zündung und Oxidation des Filters erforderliche hohe Temperatur von
etwa 550° in sämtlichen Bereichen des Abgasnachbehandlungssystems vergleichsweise
schnell erreicht wird.
[0050] Die Tatsache, dass die äußeren Bereiche für die Abgase - aufgrund der fehlenden katalytischen
Beschichtung bzw. des geringeren Strömungswiderstandes - leichter zu passieren sind,
kann auch dahingehend genutzt werden, im inneren Bereich des Anfangsabschnitts mehr
katalytisches Material aufzutragen d. h. eine stärkere bzw. dickere Beschichtung vorzusehen.
Zwar erhöht sich damit der Strömungswiderstand des inneren Bereichs und damit der
Strömungswiderstand des Gesamtsystems, womit der Vorteil eines geringeren Abgasgegendrucks
zumindest teilweise wieder verloren geht. Durch diese Maßnahme kann die Speicherkapazität
des Speicherkatalysators aber erhöht werden bzw. die durch Weglassen der Beschichtung
in den äußeren Bereichen bedingte Abnahme der Speicherkapazität wieder kompensiert
werden.
[0051] Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem gestattet zudem eine höhere Beladung
der äußeren Bereiche mit Ruß bzw. Rußpartikeln.
[0052] Es sei darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Anmeldung der innere Bereich
und der äußere Bereich nicht zwangsläufig jeweils ein zusammenhängendes Filtervolumen
bilden müssen, sondern sich aus mehreren, nicht miteinander verbundenen Teilbereichen
bzw. Teilvolumina zusammensetzen können. Beispielsweise kann der äußere Bereich aus
zwei getrennten d.h. nicht zusammenhängenden Teilvolumen aufgebaut sein. Im weiteren
wird aber dennoch stets von einem inneren Bereich und einem äußeren Bereich die Rede
sein.
[0053] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems, bei denen der
Wabenfilter zumindest im äußeren Bereich mit einer zusätzlichen Beschichtung versehen
ist, welche die Zündung und/oder die Oxidation des Rußes bzw. der Rußpartikel beschleunigt
bzw. die Zündtemperatur für die Regeneration des Filters herabsetzt. Insbesondere
die äußeren Bereiche, die - in Abhängigkeit von der jeweiligen Ausführungsform des
Systems - im Vergleich zum inneren Bereich - mehr oder weniger stark - zeitverzögert
erwärmt werden d.h. eine vorgegebene Temperatur gegenüber dem inneren zentralen Bereich
des Wabenfilters mit einer zeitlichen Verzögerung erreichen, profitieren von einer
katalytischen Beschichtung, welche die Regeneration des Partikelfilters unterstützt.
[0054] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems, bei denen der
innere beschichtete Bereich des Anfangsabschnitts einen rohrförmigen Abschnitt bildet,
der einen Außendurchmesser d < D aufweist und von dem äußeren unbeschichteten Bereich
umgeben ist. Um einen äußeren Bereich auszubilden, muss der innere Bereich eine kleineren
Außendurchmesser haben als der Wabenfilter.
[0055] Vorzugsweise wird der innere Bereich rohrförmig ausgebildet und damit symmetrisch
zur Längsachse des Systems. Eine Temperaturverteilung vorrausgesetzt, bei der die
Temperatur im Zentrum des Systems d.h. auf der Längsachse ihren maximalen Wert annimmt
und zu den äußeren Bereichen hin kontinuierlich abnimmt, herrscht dann über den gesamten
Umfang am Übergang vom inneren Bereich zum äußeren Bereich im Anfangsabschnitt eine
etwa gleichgroße lokale Temperatur.
[0056] Die Vorteile dieser Ausführungsform werden offenkundig, wenn berücksichtigt wird,
dass der Übergang vom inneren Bereich zum äußeren Bereich die Grenze festlegt, an
der die Beschichtung des Wabenfilters mit katalytischem Material endet, und zum Schutz
dieser Beschichtung eine maximal zulässige Temperatur vorgegeben wird, die einzuhalten
ist. Mittels der vorgeschlagenen Ausführungsform kann der gesamte innere Bereich an
maximale Temperaturen herangeführt bzw. erwärmt werden.
[0057] Die rohrförmige Ausbildung des inneren Bereichs ist grundsätzlich vorteilhaft d.h.
ein symmetrisch um die Längsachse angeordneter innerer Bereich bietet unabhängig von
der spezifischen äußeren Gestalt des Wabenfilters Vorteile hinsichtlich der Temperaturverteilung.
[0058] Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems sein,
bei denen der innere Bereich eine dem Wabenfilter ähnliche Gestalt aufweist d.h. der
innere Bereich bei einem zylinderförmigen Wabenfilter rohrförmig bzw. zylinderförmig
und bei einem Wabenfilter mit ovalem Querschnitt oval ausgebildet und gegebenenfalls
entsprechend ausgerichtet ist.
[0059] Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Systems, bei denen gilt: d/D > 0,5 bzw.
d/D > 0,65, aber auch Ausführungsformen bei denen gilt d/D > 0,85.
[0060] Das konkrete Verhältnis des Außendurchmessers D des Wabenfilters zu dem Außendurchmesser
d des inneren Bereichs des Anfangsabschnitts hängt vom einzelnen Anwendungsfall ab
und ergibt sich häufig aus der vorrangigen Zielsetzung.
[0061] Steht eine Reduzierung des Abgasgegendrucks oder eine Senkung der Bauteilkosten im
Vordergrund, kann der äußere Bereich vergleichsweise weit ausgedehnt werden, indem
das Verhältnis d/D möglichst klein gewählt wird. Dies ist gleichbedeutend damit, dass
nur ein geringer Anteil der Oberfläche des Anfangsabschnitts des Wabenfilters mit
einem katalytischen Material beschichtet wird, was zum einen den Strömungswiderstand
mindert und zum anderen die Kosten - durch Einsparung von katalytischem Material -
senkt.
[0062] Es ist aber auch zu berücksichtigen, dass der Abgasstrom, welcher den äußeren Bereich
des Anfangsabschnitts durchströmt, aufgrund der fehlenden Beschichtung nicht von Stickoxiden
befreit bzw. gereinigt wird. Im äußeren Bereich werden weder im mageren Betrieb Stickoxide
gespeichert, noch im fetten Betrieb Stickoxide unter Sauerstoffmangel reduziert. Die
Stickoxide können ungehindert - nach Durchströmen des äußeren Bereichs - in die Umgebung
bzw. die Umwelt entweichen. Der Anteil dieser Stickoxide an der gesamten Stickoxid-Emission
der Brennkraftmaschine nimmt prinzipbedingt mit größer werdendem äußeren Bereich d.h.
mit einer Verkleinerung des Verhältnisses d/D zu.
[0063] Die Festlegung der Größe des inneren und des äußeren Bereichs hängt somit auch von
den originären Emissionen (engine-out emissions) der Brennkraftmaschine und den einzuhaltenden
gesetzlichen Vorschriften ab.
[0064] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungsystems, bei denen das
Trägersubstrat im wesentlichen aus Siliziumcarbid und/oder Cordierit ausgebildet ist.
Untersuchungen haben gezeigt, dass aus diesen Werkstoffen gefertigte Trägersubstrate
aufgrund der niedrigen spezifischen Wärmekapazität vergleichsweise schnell aufgeheizt
bzw. erwärmt werden können, was vorteilhaft ist hinsichtlich des erforderlichen Energiebedarfs
zum Aufheizen des Systems. Zudem verteilt sich die Wärme schneller im Wabenfilter
bzw. im Trägersubstrat, was einer möglichst homogenen Temperaturverteilung im System
dienlich ist. Beides bietet grundsätzlich Vorteile hinsichtlich einer effizienten
Schadstoffkonvertierung.
[0065] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems, bei denen das
Trägersubstrat eine Porosität von 50 bis 70% aufweist.
[0066] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Abgasnachbehandlungssystems, bei denen ein
Oxidationskatalysator, insbesondere zur Oxidation des im Abgas befindlichen Kohlenmonoxides
(CO) und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC), vorgesehen ist, der zusammen mit
dem Speicherkatalysator (LNT) und dem Partikelfilter des erfindungsgemäßen Systems
einen Vier-Wege-Katalysator bildet.
[0067] Ein Abgasnachbehandlungssystem zur Oxidation von CO und HC vermindert nicht nur die
Emissionen der unvollständig oder gar nicht oxidierten Schadstoffe, sondern führt
infolge der exothermen Reaktionen im Rahmen der Oxidation zu einer Erwärmung des Abgases
und der vom Abgas durchströmten Abgasnachbehandlungskomponenten.
[0068] Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Oxidationskatalysator und das erfindungsgemäße
System in Reihe geschaltet sind, wobei der Oxidationskatalysator stromaufwärts des
Systems angeordnet ist.
[0069] Günstig ist diese Ausführungsform hinsichtlich der Temperaturen, welche für die Reduzierung
der einzelnen Schadstoffe erforderlich sind.
[0070] Sowohl die für Dieselmotoren verwendeten Oxidationskatalysatoren als auch die bei
Ottomotoren eingesetzten Drei-Wege-Katalysatoren benötigen eine bestimmte Betriebstemperatur,
um die Schadstoffe in ausreichendem Maße zu konvertieren und die Schadstoffemissionen
spürbar zu reduzieren. Die Drei-Wege-Katalysatoren sollen im Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu den Oxidationskatalysatoren gezählt werden.
[0071] Dadurch, dass der Oxidationskatalysator stromaufwärts des Systems vorgesehen ist,
ist der Oxidationskatalysator die Abgasnachbehandlungskomponente, die am nächsten
am Auslass der Brennkraftmaschine angeordnet ist und zuerst von den heißen Abgasen
durchströmt wird. Folglich sind die Wärmeverluste und die damit verbundene Temperaturabsenkung
der heißen Abgase auf dem Weg zum Oxidationskatalysator vergleichsweise gering. Dementsprechend
erreicht der Oxidationskatalysator seine sogenannte Anspringtemperatur von etwa 250°C
auch nach einem Kaltstart innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne.
[0072] Die im Oxidationskatalysator ablaufenden exothermen Reaktionen bewirken eine Erwärmung
des hindurchströmenden Abgases und damit eine Erwärmung der nachgeschalteten d.h.
stromabwärts des Katalysators angeordneten Abgasnachbehandlungssysteme, was für die
diesen Komponenten zugewiesenen Aufgaben vorteilhaft ist. So liegt sowohl die bevorzugte
Betriebstemperatur des Speicherkatalysators als auch die Regenerationstemperatur des
Partikelfilters oberhalb der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators, so dass
hier eine zusätzliche Erwärmung der Abgase im Oxidationskatalysator zielführend bzw.
förderlich ist.
[0073] Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren,
bei dem
■ als Partikelfilter ein Wabenfilter eingesetzt wird,
■ dieser Wabenfilter als Trägersubstrat zur Ausbildung des Speicherkatalysators verwendet
wird, wobei
■ ein Anfangsabschnitt des Wabenfilters zum Speichern und Reduzieren der im Abgas
befindlichen Stickoxide (NOx) entlang einer vorgebaren Länge 11 zumindest teilweise mit einem katalytischen Material beschichtet wird, wohingegen
ein Endabschnitt vorgebbarer Länge Δl des Wabenfilters unbeschichtet bleibt.
[0074] Das bereits für das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem Gesagte gilt auch
für das erfindungsgemäße Verfahren.
[0075] Erfindungsgemäß wird nicht der gesamte Wabenfilter, sondern nur ein Anfangsabschnitt
des Wabenfilters zumindest teilweise mit einem katalytischen Material zum Speichern
und Reduzieren der Stickoxide beschichtet. Damit wird dem Problem der Veraschung Rechnung
getragen.
[0076] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen
■ ein innerer, um die Längsachse des Systems angeordneter Bereich des Anfangsabschnitts
zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide (NOx) mit einem katalytischen Material beschichtet wird, wohingegen ein äußerer Bereich
des Anfangsabschnitts unbeschichtet bleibt.
[0077] Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der äußere Bereich des
Wabenfilters mit einer zusätzlichen Beschichtung versehen wird, welche die Zündung
und/oder die Oxidation des Rußes bzw. der Rußpartikel unterstützt bzw. die Zündtemperatur
für die Regeneration des Filters herabsetzt.
[0078] Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren
1 bis 4b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- Fig. 1
- schematisch in der perspektivischen Darstellung einen Wabenfilter nach dem Stand der
Technik,
- Fig. 2a
- schematisch eine erste Ausführungsform des Systems im Querschnitt,
- Fig. 2b
- schematisch die in Figur 2a dargestellte erste Ausführungsform des Systems im Längsschnitt,
- Fig. 3a
- schematisch eine zweite Ausführungsform des Systems im Querschnitt,
- Fig. 3b
- schematisch die in Figur 3a dargestellte zweite Ausführungsform des Systems im Längsschnitt,
- Fig. 4a
- schematisch eine dritte Ausführungsform des Systems im Querschnitt, und
- Fig. 4b
- schematisch die in Figur 4a dargestellte dritte Ausführungsform des Systems im Längsschnitt.
[0079] Figur 1 zeigt schematisch in der perspektivischen Darstellung einen Wabenfilter 4
nach dem Stand der Technik.
[0080] Der als Partikelfilter und als Trägersubstrat für den Speicherkatalysator dienende
Wabenfilter 4 umfasst eine Vielzahl von Kanälen 6, die wechselseitig d.h. im Schachbrettmuster
verschlossen sind, so dass das Abgas in die am Einlass 7 des Wabenfilters 4 offenen
Kanäle 6 einströmt und auf dem Weg zum Auslass 8 die Kanalwände dieser zum Austritt
8 hin verschlossenen Kanäle 6 durchströmen muss, um in einen Kanal 6 zu gelangen,
der zum Auslass des Wabenfilters 4 hin offen ist. Die am Auslass 8 des Wabenfilters
4 verschlossenen Kanalenden tragen das Bezugszeichen 5.
[0081] Figur 2a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des Systems 1 im Querschnitt.
Figur 2b zeigt diese erste Ausführungsform im Längsschnitt.
[0082] Das von Schadstoffen zu reinigende Abgas der Brennkraftmaschine tritt am Einlass
7 in das Abgasnachbehandlungssystem 1 ein, durchströmt es in Richtung der Längsachse
9 und verlässt das System 1 wieder am Auslass 8.
[0083] Das dargestellte Abgasnachbehandlungssystem 1 bzw. System 1 weist einen Wabenfilter
4 - wie in Figur 1 illustriert - auf, der als Partikelfilter 3 fungiert und gleichzeitig
als Trägersubstrat zur Ausbildung eines Speicherkatalysators 2 dient.
[0084] Der Speicherkatalysator 2 zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen
Stickoxide (NO
x) und der Partikelfilter 3 zum Sammeln und Verbrennen der im Abgas befindlichen Rußpartikel
sind integral als bauliche Einheit ausgebildet.
[0085] Dabei ist ein Anfangsabschnitt 14 des Wabenfilters 4 zum Speichern und Reduzieren
der Stickoxide entlang einer vorgebaren Länge 1
1 mit einem katalytischen Material beschichtet, wohingegen ein Endabschnitt 13 mit
der Länge Δ1 des Wabenfilters 4 eine derartige Beschichtung nicht aufweist. Nur dem
Anfangsabschnitt 14 des Wabenfilters 4 kommt eine Doppelfunktion als Partikelfilter
3 und Speicherkatalysator 2 zu, wohingegen der Endabschnitt 13 aufgrund der fehlenden
katalytischen Beschichtung lediglich als Partikelfilter 3 dient.
[0086] Damit wird katalytisches Material 11 eingespart. Der von Veraschung bedrohte Bereich,
nämlich der Endabschnitt 13, wo sich Asche an den verschlossenen Kanalenden ablagert,
bleibt unbeschichtet. Sinnvoll ist dies, weil dieser Bereich für die Nachbehandlung
der Abgase der Brennkraftmaschine sowieso nur für eine kurze Zeitdauer zur Verfügung
steht bis sich hier erstmals spürbar Asche abgelagert hat.
[0087] Figur 3a zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des Systems 1 im Querschnitt.
Figur 3b zeigt diese zweite Ausführungsform im Längsschnitt.
[0088] An dieser Stelle sollen nur die Unterschiede zu der in den Figuren 2a und 2b dargestellten
Ausführungsform erörtert werden, weshalb im übrigen Bezug genommen wird auf die zuvor
beschriebenen Figuren 2a und 2b und die im Zusammenhang mit diesen Figuren gemachten
Ausführungen. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
[0089] Im Unterschied zu der in den Figuren 2a und 2b dargestellten Ausführungsform ist
nicht der gesamte Anfangsabschnitt 14 beschichtet. Nur ein innerer, um die Längsachse
9 des Systems 1 angeordneter Bereich 10 des Anfangsabschnitts 14, der infolge seiner
zentralen Lage innerhalb des Systems 1 bzw. Abgasstromes schneller erwärmt werden
kann, ist zum Speichern und Reduzieren der Stickoxide mit einem katalytischen Material
11 beschichtet, wohingegen der äußere Bereich 12 des Anfangsabschnitts 14 eine derartige
Beschichtung nicht aufweist.
[0090] Nur der innere Bereich 10 des Anfangsabschnitts 4 fungiert - in einer Art Doppelfunktion
- sowohl als Partikelfilter 3 als auch als Speicherkatalysator 2. Der äußere Bereich
12 hingegen fungiert aufgrund der fehlenden katalytischen Beschichtung lediglich als
Partikelfilter 3. Eine Entschwefelung des äußeren Bereichs 12 ist folglich nicht mehr
erforderlich, da dieser Bereich 12 nicht zum Speichern und Konvertieren von Stickoxiden
herangezogen wird.
[0091] Der aus dem Stand der Technik bekannten Problematik, nämlich einerseits den äußeren
Bereich 12 - insbesondere im Rahmen einer Entschwefelung - auf die erforderlichen
hohen Temperaturen aufheizen zu müssen, andererseits aber den inneren Bereich 10 nicht
zu überhitzen d.h. thermisch nicht zu überlasten, wird auf diese Weise Rechnung getragen.
[0092] Der Strömungswiderstand des äußeren Bereichs 12 ist aufgrund der fehlenden katalytischen
Beschichtung zur Ausbildung eines Speicherkatalysators vergleichsweise gering. Dadurch
sinkt der Abgasgegendruck. Aufgrund des geringeren Strömungswiderstands des äußeren
Bereichs 12 im Vergleich zum inneren Bereich 10 wird ein größerer Teil der heißen
Abgase den äußeren Bereich 12 durchströmen. Dadurch ergibt sich eine wesentlich homogenere
Temperaturverteilung im System 1, da auf diese Weise den Bereichen 10,12 unterschiedlich
große Wärmemengen - entsprechend dem Bedarf - zugeführt werden. Die schwieriger zu
erwärmenden äußeren Bereiche 12 werden mit einem größeren Abgasmassenstrom belegt.
Die für die Zündung und die Oxidation des Filters 3 erforderliche hohe Temperatur
von etwa 550° zum Zweck der Filterregeneration wird vergleichsweise schnell erreicht.
[0093] Der Wabenfilter 4 hat eine zylinderförmige Gestalt, was Vorteile bei der Erwärmung
bietet. Der innere beschichtete Bereich 10 des Anfangsabschnitts 14 bildet einen rohrförmigen
Abschnitt, der symmetrisch zur Längsachse 9 des Systems 1 ausgebildet und von dem
äußeren unbeschichteten Bereich 12 umgeben ist und dessen Außendurchmesser d kleiner
ist als der Außendurchmesser D des Wabenfilters 4. Für das Durchmesserverhältnis der
zweiten, in den Figuren 3a und 3b dargestellten Ausführungsform gilt: d/D ≈ 0,77.
[0094] Bei einer Temperaturverteilung, bei der die Temperatur im Zentrum des Systems 1 d.h.
auf der Längsachse 9 den maximalen Wert annimmt und zu den äußeren Bereichen 12 hin
kontinuierlich abnimmt, herrscht dann über den gesamten Umfang am Übergang vom inneren
Bereich 10 zum äußeren Bereich 12 eine etwa gleichgroße Temperatur.
[0095] Figur 4 a zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des Systems im Querschnitt.
Figur 4b zeigt diese dritte Ausführungsform im Längsschnitt.
[0096] An dieser Stelle soll nur auf die Unterschiede zu der in den Figuren 3a und 3b dargestellten
Ausführungsform eingegangen werden, weshalb im übrigen Bezug genommen wird auf die
Figuren 3a und 3b und die im Zusammenhang mit diesen Figuren gemachten Ausführungen.
Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
[0097] Im Unterschied zu der in den Figuren 3a und 3b dargestellten Ausführungsform weist
die in den Figuren 4a und 4b gezeigte Ausführungsform einen Wabenfilter 4 mit quadratischem
Querschnitt auf. Zudem hat der innerer Bereich 10 des Anfangsabschnitts 14 ebenfalls
einen quadratischen Querschnitt.
Bezugszeichen
[0098]
- 1
- Abgasnachbehandlungssystem, System
- 2
- Speicherkatalysator
- 3
- Partikelfilter
- 4
- Wabenfilter
- 5
- Kanal
- 6
- verschlossenes Kanalende
- 7
- Einlass
- 8
- Auslass, Austritt
- 9
- Längsachse
- 10
- innerer Bereich
- 11
- katalytisches Material
- 12
- äußerer Bereich
- 13
- Endabschnitt
- 14
- Anfangsabschnitt
- AGR
- Abgasrückführung
- CO
- Kohlenmonoxid
- CO2
- Kohlenstoffdioxid
- d
- Außendurchmesser des inneren beschichteten rohrförmigen Abschnitts
- Δd
- Durchmesserdifferenz
- D
- Außendurchmesser des Wabenfilters
- deNOx
- Reinigung des Speicherkatalysators
- deSoot
- Regeneration des Partikelfilters
- deSOx
- Desulfurisation, Entschwefelung
- H2O
- Wasser
- HC
- unverbrannte Kohlenwasserstoffe
- N2
- Stickstoffdioxid
- NOx
- Stickoxide
- Δ1
- Länge des unbeschichteten Endabschnitts
- 11
- Länge des beschichteten Abschnitts des Wabenfilters
- L
- Länge des Systems, Länge des Wabenfilters
- LNT
- Lean NOx Trap
- SCR
- Selective Catalytic Reduction
- SOx
- Schwefeloxide
- λ
- Luftverhältnis
1. Abgasnachbehandlungssystem (1) umfassend einen Speicherkatalysator (2) und einen Partikelfilter
(3) zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, welches das Abgasnachbehandlungssystem
(1) im wesentlichen in Richtung seiner Längsachse (9) durchströmt, bei dem der Speicherkatalysator
(2) zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide (NOx) und der Partikelfilter (3) zum Sammeln und Verbrennen der im Abgas befindlichen
Rußpartikel integral als bauliche Einheit ausgebildet sind, wobei der Partikelfilter
(3) ein Wabenfilter (4) der Länge L ist und dieser Wabenfilter (4) gleichzeitig als
Trägersubstrat zur Ausbildung des Speicherkatalysators (2) dient, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfangsabschnitt (14) des Wabenfilters (4) zum Speichern und Reduzieren der im
Abgas befindlichen Stickoxide (NOx) entlang einer vorgebaren Länge l1 zumindest teilweise mit einem katalytischen Material (11) beschichtet ist, wohingegen
ein Endabschnitt (13) vorgebbarer Länge Δl des Wabenfilters (4) eine derartige Beschichtung
nicht aufweist.
2. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenfilter (4) von zylinderförmiger Gestalt ist und einen Außendurchmesser D
aufweist.
3. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer, um die Längsachse (9) des Systems (1) angeordneter Bereich (10) des
Anfangsabschnitts (14) zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide
(NOx) mit einem katalytischen Material (11) beschichtet ist, wohingegen ein äußerer Bereich
(12) dieses Anfangsabschnitts (14) eine derartige Beschichtung nicht aufweist.
4. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere beschichtete Bereich (10) einen rohrförmigen Abschnitt bildet, der einen
Außendurchmesser d < D aufweist und von dem äußeren unbeschichteten Bereich (12) umgeben
ist.
5. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: d/D > 0,5
6. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: d/D > 0,65
7. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: d/D > 0,85
8. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat im wesentlichen aus Siliziumcarbid und/oder Cordierit ausgebildet
ist.
9. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat eine Porosität von 50 bis 70% aufweist.
10. Abgasnachbehandlungssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationskatalysator, insbesondere zur Oxidation des im Abgas befindlichen Kohlenmonoxides
(CO) und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC), vorgesehen ist, der zusammen mit
dem System (1) einen Vier-Wege-Katalysator bildet.
11. Verfahren zur Herstellung eines Abgasnachbehandlungssystems (1) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
■ als Partikelfilter (3) ein Wabenfilter (4) eingesetzt wird,
■ dieser Wabenfilter (4) als Trägersubstrat zur Ausbildung des Speicherkatalysators
(2) verwendet wird, wobei
■ ein Anfangsabschnitt (14) des Wabenfilters (4) zum Speichern und Reduzieren der
im Abgas befindlichen Stickoxide (NOx) entlang einer vorgebaren Länge 11 zumindest teilweise mit einem katalytischen Material (11) beschichtet wird, wohingegen
ein Endabschnitt (13) vorgebbarer Länge Δ1 des Wabenfilters (4) unbeschichtet bleibt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
■ ein innerer, um die Längsachse (9) des Systems (1) angeordneter Bereich (10) des
Anfangsabschnitts (14) zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide
(NOx) mit einem katalytischen Material (11) beschichtet wird, wohingegen ein äußerer Bereich
(12) des Anfangsabschnitts (14) unbeschichtet bleibt.