DE102010033689A1 - Exhaust gas aftertreatment system for internal combustion engine has flow-through monolith with storage capacity designed such that breakthrough signal downstream of flow-through monolith has highest gradient of concentration curve - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem, welches aus einem katalytisch aktiven Partikelfilter (Wall-Flow-Filter) besteht, der wiederum von einem mit einer katalytisch aktiven Funktion versehenen Durchflußmonolithen (Flow-Through-Monolith) gefolgt wird. Das verwendete katalytisch aktive Material weist in beiden Aggregaten die gleichen Speicherfunktionen für die im Abgas von Verbrennungsmotoren vorkommenden gasförmigen Substanzen SOx und NOx auf. Das System eignet sich insbesondere für die gleichzeitige Entfernung von Partikeln und Schadstoffen aus dem Abgas von mit überwiegend magerem Luft/Kraftstoffgemisch betriebenen Verbrennungsmotoren. Ebenso beschrieben ist die Verwendung eines solchen Systems zur Abgasnachbehandlung.The present invention relates to an exhaust aftertreatment system, which consists of a catalytically active particle filter (wall-flow filter), which in turn is followed by a flow-through monolith provided with a catalytically active function. The catalytically active material used in both units has the same storage functions for the gaseous substances SOx and NOx occurring in the exhaust gas of internal combustion engines. The system is particularly suitable for the simultaneous removal of particulates and pollutants from the exhaust gas of combustion engines operated with predominantly lean air / fuel mixture. Also described is the use of such a system for exhaust aftertreatment.
Die im Abgas eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Emissionen können in drei Gruppen unterschieden werden. So bezeichnet der Begriff Primäremission Schadgase, die durch den Verbrennungsprozess des Kraftstoffes im Motor direkt entstehen und im so genannten Rohabgas am Zylinderaustritt vorhanden sind. Das Rohabgas von Magermotoren enthält neben den üblichen Primäremissionen Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) einen relativ hohen Sauerstoffgehalt von bis zu 15 Vol.-%. Außerdem können noch Partikelemissionen hinzukommen, die überwiegend aus Rußrückständen und gegebenenfalls organischen Agglomeraten bestehen und aus einer partiell unvollständigen Kraftstoffverbrennung im Zylinder herrühren. Als Sekundäremission werden Schadgase bezeichnet, die als Nebenprodukte in der Abgasreinigungsanlage entstehen können. Eine dritte Gruppe umfasst solche Abgaskomponenten, die dem Abgase aktiv zugemischt werden, um z. B. eine Reaktion mit bestimmten Primärgasen oder Sekundäremissionen über Katalysatoroberflächen (DeNOx, SCR) bewerkstelligen zu können.The emissions contained in the exhaust of a motor vehicle can be divided into three groups. For example, the term primary emission refers to noxious gases which are produced directly by the combustion process of the fuel in the engine and are present in the so-called raw exhaust gas at the cylinder outlet. In addition to the usual primary emissions carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NO x ), the raw exhaust gas of lean-burn engines contains a relatively high oxygen content of up to 15% by volume. In addition, particulate emissions can be added, which consist mainly of soot residues and possibly organic agglomerates and result from a partially incomplete fuel combustion in the cylinder. As a secondary emission noxious gases are referred to, which can be produced as by-products in the emission control system. A third group includes those exhaust components which are actively admixed to the exhaust gases, e.g. B. to be able to accomplish a reaction with certain primary gases or secondary emissions over catalyst surfaces (DeNOx, SCR).
Abgase von mit überwiegend stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Gemisch betriebenen Verbrennungsmotoren werden in herkömmlichen Verfahren mit Hilfe von Dreiweg-Katalysatoren gereinigt. Diese sind in der Lage, die drei wesentlichen gasförmigen Schadstoffe des Motors, nämlich Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, gleichzeitig zu unschädlichen Komponenten umzusetzen. Außer den gasförmigen Schadstoffen Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) enthält das Abgas von Benzinmotoren auch feinste Partikel (PM), die aus der unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs resultieren und im Wesentlichen aus Ruß bestehen.Exhaust gases from combustion engines operated with predominantly stoichiometric air / fuel mixture are purified in conventional processes with the aid of three-way catalysts. These are able to simultaneously convert the three major gaseous pollutants of the engine, namely hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides to harmless components. In addition to the gaseous pollutants hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxides (NO x ), the exhaust gas from gasoline engines also contains the finest particulates (PM) resulting from incomplete combustion of the fuel and consisting essentially of soot.
Aufgrund des von lungengängigen Kleinstpartikeln („Feinstaub”) ausgehenden Gesundheitsgefährdungspotentials wird es bereits mit der Einführung der EU-5-Abgasnorm in Europa ab 2009 eine Limitierung der zugelassenen Partikelemission für Benzinmotoren geben. Zusätzlich zu dem bestehenden Partikelmassengrenzwert für Dieselmotoren wurde bereits eine Erweiterung des Grenzwertes um einen kritischeren Partikelanzahlgrenzwert für Dieselmotoren beschlossen. Für Ottomotoren wird dieser Grenzwert zurzeit noch diskutiert. Die Einhaltung künftig in Europa, und wahrscheinlich auch Nordamerika und Japan geltender gesetzlicher Abgasgrenzwerte für Fahrzeuge erfordert somit neben der Entfernung von Schadgasen, insbesondere Stickoxiden aus dem Abgas („Entstickung”), auch eine effektive Entfernung von Partikeln. Die Schadgase Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe können aus magerem Abgas durch Oxidation an einem geeigneten Oxidationskatalysator rel. leicht unschädlich gemacht werden. Zur Entfernung der Partikelemissionen sind Partikelfilter mit und ohne zusätzliche katalytisch aktive Beschichtung geeignete Aggregate. Die Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff ist wegen des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas von mager betriebenen Verbrennungsmotoren schwieriger. Bekannte Verfahren beruhen entweder auf dem Einsatz von Stickoxidspeicherkatalysatoren (NOx Storage Catalyst, NSC) oder sind Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduktion, SCR), meist mittels Ammoniak als Reduktionsmittel, an einem geeigneten Katalysator, kurz SCR-Katalysator. Es sind auch Kombinationen dieser Verfahren bekannt, worin beispielsweise an einem vorgeschalteten Stickoxidspeicherkatalysator unter fetten Betriebsbedingungen Ammoniak als Sekundäremission erzeugt wird, der in einem abströmseitig angeordneten SCR-Katalysator zunächst gespeichert und in einer sich anschließenden mageren Betriebsphase zur Reduktion von den Stickoxidspeicherkatalysator passierenden Stickoxiden genutzt wird. Die
Im Bereich der Abgasnachbehandlung von Kraftfahrzeugen werden so genannte Wall-Flow-Filter zur Verminderung der Rußpartikel eingesetzt, bevorzugt bei Dieselfahrzeugen. Solche Filter können unbeschichtet oder mit katalytischer Beschichtung angewendet werden. Üblich sind katalytische Beschichtungen in Form von Oxidationskatalysatoren, die eine Oxidation von Kohlenwasserstoffen und CO hervorrufen und gegebenenfalls Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) oxidieren können.In the field of exhaust gas aftertreatment of motor vehicles, so-called wall-flow filters are used for reducing the soot particles, preferably in diesel vehicles. Such filters can be applied uncoated or with catalytic coating. Common are catalytic coatings in the form of oxidation catalysts, which cause oxidation of hydrocarbons and CO and optionally oxidize nitric oxide (NO) to nitrogen dioxide (NO 2 ).
Wie gesagt erfordern es zukünftige Gesetzgebungen jedoch, dass möglichst alle auftretenden schädlichen Emissionen wie Partikel, HC und CO sowie NOx herabgesetzt werden müssen. Um den im Fahrzeug hierfür zur Verfügung stehenden Bauraum für die Nachbehandlungssysteme möglichst optimal nutzen zu können, werden die eingesetzten Wall-Flow-Filter mit weiteren katalytischen Funktionen versehen werden müssen. Dementsprechend gibt es neben einer Vielzahl an Patentanmeldungen, die Partikelfilter mit oxidationskatalytisch aktiver Beschichtung und/oder Rußzündtemperaturabsenkender Beschichtung zum Gegenstand haben (
Die
Die
In den verwendeten katalytischen Beschichtungen spielen neben den üblichen katalytisch wirkenden Edelmetallen immer mehr auch Materialien eine Rolle, die bestimmte Komponenten aus dem Abgas herausfiltern bzw. adsorbieren können. Diese Abgaskomponenten können beispielsweise sein: Kohlenwasserstoffe, Stickoxide, Ammoniak, Schwefelkomponenten sowie Sauerstoff. Moderne Magermotoren (wie z. B. der Dieselmotor) werden zukünftig zunehmend mit NOx-Nachbehandlungssystemen ausgerüstet werden, wobei hierbei SCR Katalysatoren oder NOx-Speicherkatalysatoren zum Einsatz kommen. SCR Katalysatoren weisen häufig eine Speicherfunktion für Ammoniak auf und NOx-Speicherkatalysatoren weisen eine Speicherfunktion für Stickoxide auf. Bei einigen Anwendungen werden auch so genannte Schwefelfallen benötigt, die den Schwefel aus dem Abgas herausfiltern bzw. adsorbieren können, um somit eine Deaktivierung stromabwärts angeordneter Katalysatoren zu vermeiden. Für sehr strenge Abgasvorschriften kann es auch nötig sein, so genannte Kohlenwasserstoffspeicher zu benutzen. Diese Speicher können bei niedrigen Abgastemperaturen, wie zum Beispiel während des Kaltstarts, die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas herausfiltern und bei höherer Temperatur wieder desorbieren bzw. umsetzen. Bei der Abgasnachbehandlung von ottomotorischem Abgas werden Dreiweg-Katalysatoren eingesetzt, die ggf. eine Speicherfunktion für Sauerstoff aufweisen.In the catalytic coatings used in addition to the usual catalytically active precious metals more and more materials also play a role that can filter certain components from the exhaust or adsorb. These exhaust gas components may be, for example: hydrocarbons, nitrogen oxides, ammonia, sulfur components and oxygen. Modern lean-burn engines (such as the diesel engine) will in future increasingly be equipped with NOx aftertreatment systems, with SCR catalysts or NOx storage catalysts being used in this case. SCR catalysts often have a storage function for ammonia and NOx storage catalysts have a storage function for nitrogen oxides. In some applications, so-called sulfur traps are needed, which can filter or adsorb the sulfur from the exhaust gas, thus avoiding deactivation of downstream catalysts. For very strict emission regulations, it may also be necessary to use so-called hydrocarbon storage. At low exhaust temperatures, such as during cold start, these reservoirs may filter out the unburned hydrocarbons from the exhaust gas and desorb at higher temperature. In the exhaust aftertreatment of Otto engine exhaust gas three-way catalysts are used, which may have a storage function for oxygen.
Neben den beschriebenen katalytisch beschichteten Partikelfallen sind auch Systeme bekannt, welche eine katalytisch aktive Partikelfalle und einen darauf folgenden weiteren Katalysator aufweisen. Der Vorteil dieser Anordnungen ist die Tatsache, dass auf nur zwei Aggregaten mehrere katalytisch aktive Funktionalitäten und die notwendige Partikelentfernung platzsparend untergebracht werden können. In der Mehrheit der bekannten Vorrichtungen handelt es sich wiederum um oxidativ und/oder mit einer Rußzündbeschichtung versehene Partikelfallen, welche von einem Aggregat gefolgt werden, das eine andere katalytische Funktion aufweist als die Beschichtung des Partikelfilters. So gibt es z. B. viele Hinweise in der Literatur zu katalytisch aktiven. Dieselpartikelfiltern, welche stromab von einem Stickoxidspeicherkatalysator (NSC) gefolgt werden (
Bei allen Anwendungen von Speichersystemen ist es nötig, die jeweilige Speicherfunktion so in der Abgasanlage unterzubringen, dass das Speichermedium möglichst vollständig genutzt werden kann, wodurch das Katalysatorvolumen gering gehalten werden kann, was zu einer Verringerung der Kosten, des Gegendruckes der Abgasanlage sowie zu einem verbesserten Aufheizen der Katalysatoren führt. Die angesprochenen Speichermaterialien werden den gängigen Konzepten folgend in die eigentliche katalytisch aktive Funktionalität eingebettet. Die Arbeitsweise dieser Speichermaterialien erfolgt häufig so, dass in einer ersten Phase die Speicherung einer Komponente aus dem Abgas des Verbrennungsmotors erfolgt, wie zum Beispiel bei der Speicherung von Sauerstoff, Stickoxiden oder Schwefelkomponenten, und beim Erreichen der Speicherkapazität eine andere Zusammensetzung des Abgases initiiert wird (insbesondere Fett-Mager-Wechsel). Daraufhin werden die gespeicherten Komponenten freigesetzt und durch die katalytisch aktive Funktionalität in deren Umgebung zu unschädlichen Abgasen umgesetzt. Des Weiteren werden – wie schon angedeutet – die Speicher auch dazu verwendet, eine bestimmte Abgaskomponente im Katalysator anzureichern und mit einer anderen Abgaskomponente reagieren zu lassen, wie z. B. Ammoniak eingespeichert wird, um mit Stickoxiden reagieren zu können. Einige Speicher dienen auch nur dazu, eine Abgaskomponente solange zurückzuhalten, bis die abstromseitig angeordneten Katalysatoren ihre Arbeitstemperatur erreicht haben, um die bei niedrigen Temperaturen zwischengespeicherten Komponenten wieder an das Abgas abzugeben, damit diese dann von den folgenden Katalysatoren umgesetzt werden können, wie es beispielsweise im Falle von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden häufig der Fall ist. In all applications of storage systems, it is necessary to accommodate the respective storage function in the exhaust system that the storage medium can be used as fully as possible, whereby the catalyst volume can be kept low, resulting in a reduction in the cost, the back pressure of the exhaust system and improved Heating the catalysts leads. The addressed storage materials are embedded in the actual catalytically active functionality following the usual concepts. The operation of these storage materials is often carried out so that in a first phase, the storage of a component takes place from the exhaust gas of the internal combustion engine, such as in the storage of oxygen, nitrogen oxides or sulfur components, and upon reaching the storage capacity, a different composition of the exhaust gas is initiated ( especially fat-lean change). Then the stored components are released and implemented by the catalytically active functionality in their environment to harmless emissions. Furthermore - as already indicated - the memory also used to enrich a certain exhaust gas component in the catalyst and react with another exhaust gas component, such. B. ammonia is stored in order to react with nitrogen oxides. Some memory also serve only to retain an exhaust gas component until the catalysts arranged downstream have reached their working temperature to release the cached at low temperatures components back to the exhaust gas, so that they can then be implemented by the following catalysts, such as in the Trap of hydrocarbons and nitrogen oxides is often the case.
Gemäß ihrer jeweiligen Funktionalität müssen bestimmte Speichermedien (z. B. NSC, Stickoxidspeicherkatalysatoren) demnach von Zeit zu Zeit wieder entleert werden, damit ihre Funktionsweise nicht behindert wird. Andere Speichermedien, müssen aufgefüllt werden, damit eine katalytische Funktion des Abgassystems noch erfolgreich durchgeführt werden kann (z. B. NH3-Speicher im SCR-Katalysator). Dafür werden unterschiedliche Regelungssysteme benutzt, die erkennen, ob ein Speichermedium gefüllt bzw. leer ist. Das Erkennen des Füllstandes eines Speichermediums kann durch geeignete Sensorik oder durch Modellberechnungen erfolgen. Um eine möglichst genaue Regelung zur ermöglichen, sollte allerdings der Durchbruch einer zu speichernden Abgaskomponente durch das zu speichernde Medium idealer Weise erst dann erfolgen, wenn der Speicher nahezu aufgefüllt ist. Damit kann beim Detektieren eines Durchbruchs der zu speichernden Komponente durch den Speicher sofort der entsprechend notwendige Schritt initiiert werden.According to their respective functionality, certain storage media (eg NSC, nitrogen oxide storage catalysts) must therefore be emptied again from time to time, so that their functioning is not hindered. Other storage media must be topped up so that a catalytic function of the exhaust system can still be successfully carried out (eg NH 3 storage in the SCR catalytic converter). For this purpose, different control systems are used, which detect whether a storage medium is filled or empty. The detection of the level of a storage medium can be done by suitable sensors or model calculations. In order to enable the most accurate control possible, however, the breakthrough of an exhaust gas component to be stored by the medium to be stored should ideally only take place when the memory is almost filled up. Thus, upon detecting a breakthrough of the component to be stored by the memory, the correspondingly necessary step can be initiated immediately.
Ein wichtiges Kriterium für den Betrieb einer Abgasanlage im Fahrzeug ist die Fähigkeit solch ein System im Feld laufend auf die Funktionsfähigkeit der Katalysatoren hin zu überwachen. Diese vom Gesetzgeber vorgeschriebene „On Board Diagnose” (OBD) legt fest, dass das Fahrzeug über eigene elektronische Systeme zur Selbstüberwachung verfügt. Die neuesten Vorschriften gehen zu einer Überwachung der Überwachung über. Grundlage ist die Befürchtung, dass die Diagnosen über die Lebensdauer nicht regelmäßig durchgeführt werden. Daher muss aufgezeichnet werden, wie oft die Diagnosen durchgeführt werden, und es werden bestimmte Überwachungsquoten vorgegeben.An important criterion for the operation of an exhaust system in the vehicle is the ability to continuously monitor such a system in the field for the functionality of the catalysts. This legislator-mandated on-board diagnostic (OBD) states that the vehicle has its own self-monitoring electronic systems. The latest regulations are about monitoring surveillance. The basis is the fear that the diagnoses over the lifetime are not carried out regularly. Therefore, it must be recorded how often the diagnoses are performed and certain monitoring rates are given.
Zur Diagnose der Effizienz von Katalysatoren werden Sensoren im Abgasstrang nach den Katalysatoren positioniert, um zu überprüfen, ob eine Speicherfunktion noch ausreichend gut erfolgt. Zur Überwachung von Dreiweg-Katalysatoren werden beispielsweise so genannte Lambda-Sensoren eingesetzt, die den Sauerstoffgehalt im Abgas messen. Eine Abnahme der Sauerstoffspeichereffizienz des Dreiweg-Katalysators kann über die Sensoren und die Motorsteuerung erkannt werden, was beim Überschreiten eines in der Motorsteuerung hinterlegten Schwellwertes zu einer Anzeige im Fahrerdisplay und evtl. zum Umstellen des Motors in den Notlauf führen kann. Eine saubere Diagnostizierbarkeit der Katalysatoren wird in Zukunft immer wichtiger, weil die OBD-Schwellenwerte immer niedriger angesetzt werden. Ein entscheidendes Merkmal für eine gute Überwachbarkeit ist ein sauberes, steil ansteigendes oder abfallendes Signal von den nach dem Katalysator durchbrechenden Substanzen, wenn der entsprechende Speicher im Katalysator erschöpft ist. Im Fall eines auf einem Wall-Flow-Filter aufgebrachten Dreiweg-Katalysators mit Sauerstoffspeichermaterialien erfolgt der Sauerstoffdurchbruch relativ früh und nicht sehr steil (
Als Materialien, welche eine bestimmte Speicherfunktion in den katalytisch aktiven Beschichtungen ausüben, sind solche besonders interessant, welche die im Abgas eines Verbrennungsmotors befindlichen primär oder sekundär entstehenden Komponenten Stickoxide (NOx), Ammoniak (NH3), Schwefelkomponenten (wie Schwefelwasserstoff (H2S) und Schwefeloxide (SOx), Sauerstoff (O2) und Kohlenwasserstoffe (HC) zu speichern im Stande sind.As materials which exert a specific storage function in the catalytically active coatings, those are particularly interesting which contain the primary or secondary components nitrogen oxides (NO x ), ammonia (NH 3 ), sulfur components (such as hydrogen sulphide (H 2 S) and sulfur oxides (SO x ), oxygen (O 2 ) and hydrocarbons (HC) are able to store.
Alles in allem ist der Einsatz von derartigen Speichermaterialien in modernen Abgasreinigungssystemen für Verbrennungsmotoren nicht mehr wegzudenken. Im Hinblick auf den Einsatz solcher Materialien in der Kombination Filter gefolgt vom Katalysator, wobei sowohl auf dem Filtersubstrat als auch auf dem nachfolgenden Katalysator ggf. gleiche Reaktionen katalysiert werden und auf beiden Aggregaten gleiche Speichermaterialien eingesetzt werden, sei auf zwei Anmeldungen von Toyota verwiesen (
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, ein Abgasnachbehandlungssystem für Abgase eines Verbrennungsmotors anzugeben, welches vom ökonomischen und/oder ökologischen Standpunkt aus gesehen, den Systemen des Standes der Technik überlegen ist. Insbesondere ist erwünscht, dass bestimmte im Abgas vorhandene Verbindungen im verwendeten Speichermaterial unter optimaler Ausnutzung der Speicherkapazität gespeichert werden, um so für die später notwendige Umsetzung ausreichender zur Verfügung stehen. Gleichzeitig sollten den baulichen Gegebenheiten im Automobil Rechnung getragen werden. Im Hinblick auf die OBD-Fähigkeit und Regelbarkeit ist eine, möglichst eindeutige Signaldetektierung wünschenswert.Object of the present invention was therefore to provide an exhaust aftertreatment system for exhaust gases of an internal combustion engine, which is from the economic and / or ecological point of view, superior to the systems of the prior art. In particular, it is desirable that certain compounds present in the exhaust gas are stored in the used storage material with optimum utilization of the storage capacity, so as to be available for the later necessary implementation. At the same time, the structural conditions in the automobile should be taken into account. With regard to OBD capability and controllability, signal discrimination that is as clear as possible is desirable.
Diese und weitere sich aus dem Stand der Technik ergebende Aufgaben werden durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen. Ansprüche 5–7 richten sich auf eine bevorzugte Verwendung.These and other objects resulting from the prior art are achieved by a system having the features of
Dadurch, dass man ein Abgasnachbehandlungssystem für Verbrennungsmotoren aufweisend einen Wall-Flow-Filter als Komponente (1) und stromab dazu einen Flow-Through-Monolithen als Komponente (2) zur Verfügung stellt, bei dem beide Komponenten (1) und (2) mindestens eine Speicherfunktion für die gleiche im Abgas vorhandene Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NOx und SOx aufweisen, wobei man die Speicherkapazität der Speicherfunktion der Komponente (2) so auslegt, dass das Durchbruchssignal nach der Komponente (2) die größte Steigung aufweist, gelangt man äußerst einfach, dafür aber nicht minder vorteilhaft zur Lösung der gestellten Aufgabe. Indem sowohl der verwendete Filter als Komponente (1) mit entsprechendem Speichermaterial versehen ist, lässt sich einerseits die Baugröße des Gesamtsystems in Grenzen halten, da verschiedene Funktionalitäten (Filterung der Partikel sowie Speicherung der bezeichneten und im Abgas vorhandenen Verbindungen) optimal kombiniert werden. Andererseits wird die Ausnutzung der verwendeten Speichermaterialien durch das erfindungsgemäße Systemlayout bestmöglich unterstützt. Dies war vor dem Hintergrund des bekannten Standes der Technik dem Fachmann so nicht naheliegend.By providing an exhaust aftertreatment system for internal combustion engines having a wall-flow filter as component (1) and downstream of a flow-through monolith as component (2) available, in which both components (1) and (2) at least a memory function for the same compound present in the exhaust gas selected from the group consisting of NOx and SOx, wherein the storage capacity of the memory function of the component (2) interpreted so that the breakdown signal after the component (2) has the largest slope, one arrives extremely simple, but not less advantageous to solve the task. By both the filter used as a component (1) is provided with appropriate storage material, on the one hand the size of the overall system can be limited, since different functionalities (filtering of the particles and storage of designated and present in the exhaust gas connections) are optimally combined. On the other hand, the utilization of the storage materials used is best supported by the system layout according to the invention. This was not obvious to the person skilled in the art in light of the known state of the art.
Es wurde beobachtet, dass beschichtete Wall-Flow-Filter, die ein Speichermaterial wie z. B. Sauerstoffspeichermaterial (OSC) enthalten, ein anderes Speicherverhalten aufweisen als beschichtete Flow-Through-Monolithe. In dynamischen Speichertests wurde festgestellt, dass das Speichermaterial auf dem Wall-Flow-Filter meist nicht vollständig ausgenutzt werden kann, da das zu speichernde Gas offensichtlich zu schnell durch den Filter gelangt, ohne vollständig adsorbiert zu werden. Das bedeutet, dass es schneller zu einem Durchbruch des zu speichernden Gases kommt, als bei einem mit dem gleichen Speichermaterial beschichteten Flow-Through-Monolithen, wo es zu einem Durchbruch des zu speichernden Mediums erst dann kommt, wenn das Speichermedium weitesgehend aufgefüllt ist (
Zusätzlich gestaltet sich die Regelung eines Abgasnachbehandlungssystems mit einem mit Speichermaterial beschichtetem Wall-Flow-Filter wesentlich schwieriger im Vergleich zu einem mit Speichermaterial beschichteten Flow-Through-Monolithen. Es kommt bei einem beschichteten Filter wesentlich schneller zu Durchbrüchen der zu speichernden Komponente. Somit muss eine ggf. notwendige Entleerung/Befüllung des Speichermediums sehr frühzeitig über die Regelstrategie initiiert werden. Dieses bedarf unter Umständen zusätzlichen Kraftstoffs und/oder erhöht andere Schadstoffemissionen. Ferner ist der Verlauf des Durchbruchsignals der zu speichernden Komponente nach einem Speichermaterial enthaltenden Filter dergestalt unterschiedlich, dass der Anstieg der Konzentration der zu adsorbierenden Komponente nach dem Filter weniger steil ansteigt als im Falle eines Speichermaterial enthaltenden Monolithen. Ein langsam ansteigendes Signal ist jedoch nur schwer durch Sensoren zu detektieren, was die Regelung eines solchen Systems zusätzlich erschwert.In addition, the control of an exhaust aftertreatment system with a storage material coated wall-flow filter is much more difficult compared to a storage material-coated flow-through monolith. It comes in a coated filter much faster to breakthroughs of the component to be stored. Thus, any necessary emptying / filling of the storage medium must be initiated very early on the control strategy. This may require additional fuel and / or increase other pollutant emissions. Furthermore, the course of the breakdown signal of the component to be stored is designed according to a filter containing a storage material different that the increase in the concentration of the component to be adsorbed after the filter increases less steeply than in the case of a monolith containing storage material. However, a slowly rising signal is difficult to detect by sensors, which makes the control of such a system even more difficult.
Das jeweilige Speichermaterial auf einem Wall-Flow-Filter lässt sich jedoch dann vollständiger auszunutzen, wenn dem Filter abstromseitig ein z. B. wabenförmiger Flow-Through-Monolith nachgeschaltet wird, welcher ebenfalls eine Speicherfunktion für das gleiche zu adsorbierende Gas aufweist. Durch die Tatsache, dass der nachgeschaltete Monolith den Durchbruch des zu adsorbierenden Gases durch den beschichteten Filter abfängt, wird verhindert, dass das zu adsorbierende Gas ungehindert in die Atmosphäre gelangt. Ferner wird durch die verlängerte Adsorptionsphase das Speichermedium im Filter noch weiter aufgefüllt und somit im besten Fall bis zu 100% ausgenutzt bis es zum Durchbruch des zu adsorbierenden Gases am nachgeschalteten Flow-Through-Monolithen kommt.However, the respective storage material on a wall-flow filter can be fully exploited if the filter on the downstream side z. B. honeycomb flow-through monolith is followed, which also has a storage function for the same gas to be adsorbed. The fact that the downstream monolith intercepts the breakthrough of the gas to be adsorbed by the coated filter prevents the gas to be adsorbed from entering the atmosphere unhindered. Furthermore, the storage medium in the filter is further filled up by the extended adsorption phase and thus exploited in the best case up to 100% until it comes to the breakthrough of the gas to be adsorbed at the downstream flow-through monoliths.
Die Dimensionierung der Speicherkapazität der Speicherfunktion auf der Komponente (2) kann vom Fachmann entsprechend den jeweiligen Anforderungen des Systems im Rahmen der beanspruchten Erfindung frei gewählt werden. Er wird sich hierbei an den Tatsachen orientieren, dass aus Kostengründen naturgemäß möglichst wenig des kostspieligen Speichermaterials eingesetzt werden soll. Auf der anderen Seite ist jedoch eine möglichst optimale Speicherausnutzung der Speichermaterialien auf der Komponente (1) erwünscht.The dimensioning of the storage capacity of the memory function on the component (2) can be freely selected by the skilled person according to the respective requirements of the system in the claimed invention. He will be guided by the fact that for cost reasons, of course, as little as possible of the expensive storage material to be used. On the other hand, however, the best possible storage utilization of the storage materials on the component (1) is desired.
Je nach Anwendung kann der Wall-Flow-Filter aus unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Volumina, Wandstärken, Porositäten und Poren-Radienverteilungen aufweisen. Die mögliche Mengen an katalytisch wirksamem Material und der Speicherkomponenten, die auf dem Filter zusätzlich untergebracht werden können, variieren dementsprechend stark von Anwendung zu Anwendung. Da mit steigendem Anteil an katalytisch aktivem Material der Staudruck über dem Filter stark ansteigen kann, ist es häufig sinnvoll, die Menge an Speichermaterialien auf dem Filter geringer zu halten, um Leistungseinbußen des Motors durch einen zu hohen Staudruck der Abgasanlage möglichst gering zu halten.Depending on the application, the wall-flow filter can be made of different materials and have different volumes, wall thicknesses, porosities and pore radius distributions. The possible amounts of catalytically active material and the storage components, which can be accommodated on the filter additionally vary accordingly from application to application. Since with increasing proportion of catalytically active material, the dynamic pressure over the filter can rise sharply, it is often useful to keep the amount of memory materials on the filter lower to keep performance degradation of the engine by a high back pressure of the exhaust system as low as possible.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als optimale Lösung vorgeschlagen, gerade soviel Speicherkapazität in Form eines entsprechenden Materials auf dem Flow-Through-Monolithen (2) unterzubringen, dass das Durchbruchssignal nach dem Monolithen die höchste Steigung aufweist. D. h., dass die Speicherkapazität der Komponente (2) so ausgelegt wird, dass das Durchbruchssignal nach der Komponente (2) die höchste Steigung aufweist, die mit dem entsprechenden Monolithen mit dem jeweiligen Speichermaterial erreicht werden kann. Bei weiterer Erhöhung der Speicherkapazität auf dem Monolithen (2) wird dann kein steilerer Anstieg des Durchbruchssignals mehr erzielt. Unter „höchster Steigung” wird diesbezüglich die über den gesamten Bereich der Kapazität des Speichermaterials gemittelte Steigung des Druchbruchsignals verstanden, welche den größt möglichen Wert annehmen soll. Dies ist nicht als absoluter Punktwert zu verstehen, sondern kann nach unten hin um bis zu 5%, bevorzugt um bis zu 3% und besonders bevorzugt um bis zu 2% des Wertes der höchsten erreichbaren Steigung variieren (Fehlertoleranz). In
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es ganz besonders bevorzugt, die Speicherkapazität im Monolithen (2) derart auszulegen, dass am jeweiligen für die Abgaskomponente in Frage kommenden Abbruchkriterium die höchst mögliche Steigung der Konzentrationskurve resultiert. Für diese Auslegung reicht schon eine rel. geringe Menge an Speicherkapazität und damit ggf. Speichermaterial auf der Komponente (2) aus, da bei den hier betrachteten Gasen (NOx und SOx) schon nach äußerst geringen Durchbrüchen (z. B. Konzentrationen im Abgas von 10–100 ppm) ein Zielwert überschritten werden könnte. Nur bis zu diesem Punkt muss die Speicherkapazität der die Komponente (2) dann den Durchbruch an diesen Gasen verhindern und sorgt damit für das Vorhandensein eines sehr steilen und damit gut detektierbaren Signals im Gegensatz zum Wall-Flow-Filter (1) allein. In diesem Fall liegt der Fokus der Erfindung nicht so sehr auf der optimalen Ausnutzung der vorhandenen Speichermaterialien, sondern auf der durch das steile Signal bedingten besseren Regelbarkeit des Systems, was zur sichereren Einhaltung der ins Auge gefassten Grenzwerte beiträgt. Eine solche Auslegung des Speichermaterials der Komponente (2) würde das in
Die Speicherkapazität, z. B. ausgedrückt als Menge an Speichermaterial, auf dem Monolithen, die nötig ist, um das flach ansteigende Durchbruchssignal durch den Filter komplett in ein möglichst steil ansteigendes oder abfallendes Signal nach dem Monolithen umzuwandeln, ist nur schwer vorherzusagen. Je nach Auslegung des Filters und des Speichermaterials auf dem Filter kann das Durchbruchssignal nach Filter stark variieren. Allgemein kann gesagt werden, dass das Durchbruchssignal des zu adsorbierenden Mediums nach Komponente (1) umso flacher verläuft, je:
- • höher die Menge an Speichermaterial auf dem Filter ist
- • langsamer die Einspeicherkinetik der einzuspeichernden Komponente ist
- • höher die Porosität, je geringer die Wandstärke und je breiter die Porenradienverteilung des Filtermaterials ist (erhöhte Wahrscheinlichkeit der Bypass-Bildung – siehe weiter hinten)
- • je kleiner bei asymmetrischen Ein- und Auslasskanälen das Verhältnis der Querschnittsflächen zwischen Auslasskanal (Aaus) und Einlasskanal (Aein) ist (Aaus/Aein).
- • the amount of storage material on the filter is higher
- • slower the Einspeicherkinetik the einzzubichernden component
- • the higher the porosity, the smaller the wall thickness and the wider the pore radius distribution of the filter material (increased probability of bypass formation - see further below)
- • the smaller at asymmetric inlet and outlet channels the ratio of the cross-sectional areas between the exhaust port (A out), and inlet duct (A a) is (A out / A a).
Entsprechend ist die Speicherkapazität im Monolithen (2) durch Wahl der Menge, der Art der Einbettung in den Washcoat und der Art des Speichermaterials anzupassen.Correspondingly, the storage capacity in the monolith (2) must be adjusted by selecting the quantity, the type of embedding in the washcoat and the type of storage material.
So hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn man die Speicherfunktion auf der Komponente (2) maximal so dimensioniert, dass eine ≥70%ige, weiter bevorzugt eine ≥80%ige und ganz besonders bevorzugt eine ≥90%ige Ausnutzung der Speicherfunktion auf der Komponente (1) erreicht wird. Je nach Anforderung wird daher z. B. die Menge an Material auf der Komponente (2), welche zum Speichern der entsprechenden Abgaskomponenten befähigt ist, gewählt.Thus, it has proved to be advantageous if the memory function on component (2) is maximally dimensioned so that a ≥70%, more preferably ≥80%, and most preferably a ≥90% utilization of the memory function on the Component (1) is achieved. Depending on the requirement is therefore z. B. the amount of material on the component (2), which is capable of storing the corresponding exhaust gas components selected.
Je nach Anwendung kann der Wall-Flow-Filter als Komponente (1) aus unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Volumina, Wandstärken, Porositäten und Poren-Radienverteilungen aufweisen. Die mögliche Mengen an katalytisch wirksamem Material und der Speicherkomponenten, die auf dem Filter zusätzlich untergebracht werden können, variieren dementsprechend stark von Anwendung zu Anwendung. Da mit steigendem Anteil an katalytisch aktivem Material der Staudruck über dem Filter stark ansteigen kann, ist es häufig sinnvoll, die Menge an Speichermaterialien auf dem Filter geringer zu halten, um Leistungseinbußen des Motors durch einen zu hohen Staudruck der Abgasanlage möglichst gering zu halten.Depending on the application, the wall-flow filter as component (1) may consist of different materials and have different volumes, wall thicknesses, porosities and pore radius distributions. The possible amounts of catalytically active material and the storage components, which can be accommodated on the filter additionally vary accordingly from application to application. Since with increasing proportion of catalytically active material, the dynamic pressure over the filter can rise sharply, it is often useful to keep the amount of memory materials on the filter lower to keep performance degradation of the engine by a high back pressure of the exhaust system as low as possible.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den eingesetzten Speichermaterialien um gleiche Verbindungen. Sowohl die Komponente (1) als auch die Komponente (2) weisen demgemäß das gleiche Speichermaterial auf. Als vorteilhaft hat es sich in diesem Fall herausgestellt, dass die Menge an Speichermaterial bzw. die dementsprechende Speicherkapazität in der Komponente (2) geringer ist als die entsprechende Menge Speichermaterial der Komponente (1). Besonders bevorzugt ist eine Anordnung, bei der die Speicherkapazität der Komponente (2) nur etwa 20–70% gegenüber der Komponente (1) beträgt. Äußerst bevorzugt ist es wenn die Speicherkapazität der Komponente (2) bei 30–50% liegt. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist besonders vor dem Hintergrund bevorzugt, dass der Abstand beider Komponenten (1) und (2) zueinander weniger als 50 cm beträgt. Ggf. können die beiden Komponenten (1) und (2) auch auf Stoß sitzen.In an extremely preferred embodiment, the storage materials used are identical compounds. Both the component (1) and the component (2) accordingly have the same storage material. It has proven to be advantageous in this case that the amount of storage material or the corresponding storage capacity in the component (2) is less than the corresponding amount of storage material of the component (1). Particularly preferred is an arrangement in which the storage capacity of the component (2) is only about 20-70% compared to the component (1). It is highly preferred if the storage capacity of component (2) is 30-50%. This embodiment of the system according to the invention is particularly preferred against the background that the distance between the two components (1) and (2) to each other is less than 50 cm. Possibly. The two components (1) and (2) can also sit on impact.
Liegt jedoch zwischen den beiden Komponenten (1) und (2) ein größerer räumlicher Abstand von 70 und mehr cm, bevorzugt 60 und mehr und besonders bevorzugt 50 und mehr cm oder sind zwischen den beiden Komponenten weitere Katalysatoren verbaut, so kann es auch von Vorteil sein, wenn sich die Speichermaterialien für die gleiche Verbindung von Komponente (1) und (2) voneinander unterscheiden. So kann es aufgrund ggf. unterschiedlicher Temperaturanforderung in Komponente (1) und (2) sinnvoll sein, Speichermaterialien einzusetzen, die unterschiedliche thermische Stabilitäten oder unterschiedliche temperaturabhängige Einspeichercharakteristika aufweisen.However, if between the two components (1) and (2) a greater spatial distance of 70 and more cm, preferably 60 and more and more preferably 50 and more cm or more catalysts are installed between the two components, it may also be advantageous when the storage materials for the same compound of component (1) and (2) are different from each other. Thus, it may be useful due to possibly different temperature requirement in component (1) and (2) to use storage materials that have different thermal stabilities or different temperature-dependent Einspeichercharakteristika.
Als weitere Alternative zur Einstellung der beiden oben genannten Verhältnisse kann der Fachmann unterschiedliche Maßnahmen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus unterschiedliche Trägermaterialien, unterschiedlich hergestellte Washcoats, unterschiedliche Mengen und/oder Verhältnisse von Edelmetallen, unterschiedliche Arten von Speichermaterialien für die Herstellung der Komponenten (1) und (2) heranziehen.As a further alternative to setting the two above-mentioned ratios, the person skilled in the art can select different measures from the group consisting of different carrier materials, differently prepared washcoats, different amounts and / or ratios of noble metals, different types of storage materials for the production of the components (1) and (2) use.
Unabhängig von den verwendeten Speichermaterialien ist es in einer bevorzugten Ausführungsform gleichfalls erwünscht, dass beide Komponenten die gleichen chemischen Reaktionen katalysieren. Insbesondere interessant sind Anwendungen in denen auf der Komponente (1) und auf der Komponente (2) exakt die gleichen Speichermaterialien und das gleiche katalytisch aktive Material vorhanden sind. Regardless of the storage materials used, it is also desirable in a preferred embodiment for both components to catalyze the same chemical reactions. Of particular interest are applications in which exactly the same storage materials and the same catalytically active material are present on component (1) and on component (2).
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines derartigen Abgasbehandlungssystems in einem Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Verbrennungsmotors. Insbesondere vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Systems in der Form, dass
- a) die Abgase über die Komponente (1) geleitet werden und anschließend über die Komponente (2);
- b) die Messung oder Modellierung der Konzentration einer der im Abgas vorhandenen Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NOx und SOx nach der Komponente (2) erfolgt; und
- c) die Initiierung einer Maßnahme durch die ECU (elektronische Steuereinheit im Fahrzeug) erfolgt, sobald ein hinterlegter Zielwert erreicht ist.
- a) the exhaust gases are passed through the component (1) and then via the component (2);
- b) measuring or modeling the concentration of one of the compounds present in the exhaust gas selected from the group consisting of NOx and SOx after component (2); and
- c) the initiation of a measure by the ECU (electronic control unit in the vehicle) takes place as soon as a stored target value has been reached.
Die Messung der Konzentration von Stickoxiden kann durch Stickoxid-Sensoren im Abgasstrang erfolgen. Eine Modellierung erfolgt gewöhnlich über die Berechnung der NOx-Beladung des Stickoxidspeichermaterials über den im Motorenkennfeld hinterlegten NOx-Massenstrom, wobei der berechnete Füllstand des NOx-Speichermaterials mit dem theoretischen Speicher, welcher im NOx-Speichermaterialkennfeld hinterlegt ist, abgeglichen wird. Eine Maßnahme wird hierbei initiiert, wenn beispielsweise der Speicher soweit aufgefüllt ist, dass ein Durchbruch von NOx kurz bevorsteht. Analog würde die Modellierung von SOx erfolgen.The measurement of the concentration of nitrogen oxides can be done by nitrogen oxide sensors in the exhaust system. Modeling is usually carried out via the calculation of the NOx loading of the nitrogen oxide storage material via the stored in the engine map NOx mass flow, the calculated level of the NOx storage material with the theoretical memory, which is stored in the NOx storage material map is adjusted. A measure is initiated here, for example, if the memory is filled up so far that a breakthrough of NOx is imminent. Analogously, the modeling of SOx would take place.
Bevorzugt ist, wenn der hinterlegte Zielwert ein Wert ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Konzentration, Massenfluss und kumulierter Schlupf ist.It is preferred if the stored target value is a value selected from the group consisting of concentration, mass flow and cumulative slip.
Wie schon angedeutet ist das Erreichen eines steil ansteigenden Durchbruchsignals eine der wesentlichen Aufgaben der vorliegenden Erfindung. Ein steil ansteigendes Durchbruchsignal macht sich durch eine möglichst große Konzentrationserhöhung oder -abschwächung pro Zeiteinheit bemerkbar (Steigung der Konzentrationskurve
Die von der ECU initiierte Maßnahme kann vorzugsweise eine oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Temperaturveränderung, Massenflussveränderung und/oder Konzentrationsveränderung des Abgases sein.The measure initiated by the ECU may preferably be one or more selected from the group consisting of: temperature change, mass flow change and / or concentration change of the exhaust gas.
Beispielsweise könnte bei der Verwendung von NOx-Speichermaterialien bei überschreiten des Zielwertes hinter der Komponente (2) eine Veränderung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses im Abgas initiiert werden, wodurch das Speichermaterial geleert wird. Gewöhnlich wird dabei von einem mageren Abgasgemisch, bei der die Einspeicherung der Stickoxide im Speichermaterial erfolgt, auf ein stöchiometrisches oder fettes Abgasgemisch umgeschaltet, bei der die Desorption und Reduktion der Stickoxide erfolgt.For example, with the use of NO x storage materials, exceeding the target value beyond component (2) could initiate a change in the air / fuel ratio in the exhaust gas, thereby emptying the storage material. It is usually switched from a lean exhaust gas mixture, in which the storage of nitrogen oxides in the storage material, to a stoichiometric or rich exhaust gas mixture, in which the desorption and reduction of nitrogen oxides occurs.
Die Messung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses kann dabei über bekannte Lambdasensoren oder Sauerstoffsensoren erfolgen. Je nach Lambdasensor wir das Signal in mV oder als Lambda-Wert ausgegeben. Als Definition des Wertes Lambda (λ) ist erfindungsgemäß eine Zahl anzusehen, mit der die Gemischzusammensetzung bestehend aus Luft und Kraftstoff beschrieben wird. Aus der Zahl lassen sich Rückschlüsse ziehen auf den Verbrennungsverlauf, Temperaturen, Schadstoffentstehung und den Wirkungsgrad. Andere Begriffe sind Luftverhältnis, Luftverhältniszahl, Luftzahl, Luftüberschuss und Luftüberschusszahl.The measurement of the air / fuel ratio can be done via known lambda sensors or oxygen sensors. Depending on the lambda sensor we output the signal in mV or as lambda value. As a definition of the value lambda (λ), according to the invention a number is to be regarded with which the mixture composition consisting of air and fuel is described. From the number conclusions can be drawn on the course of combustion, temperatures, pollutant formation and efficiency. Other terms are air ratio, air ratio, air ratio, excess air and excess air ratio.
Das Verbrennungsluftverhältnis setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse mL,tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse mL,st, die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird: The combustion air ratio sets the actual air mass m L, tats available for combustion in relation to the minimum necessary stoichiometric air mass m L, st required for complete combustion:
Ist λ = 1, so gilt das Verhältnis als stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis mit mL,tats = mL,st; das ist der Fall, wenn alle Brennstoff-Moleküle theoretisch vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Sauerstoff übrig bleibt.If λ = 1, then the ratio is considered to be a stoichiometric combustion air ratio with m L, tats = m L, st ; this is the case if all fuel molecules theoretically react completely with atmospheric oxygen, without any oxygen missing or unburned oxygen left over.
Für Verbrennungsmotoren gilt:
λ < 1 (z. B. 0,9) bedeutet „Luftmangel”: fettes oder auch reiches Gemisch
λ > 1 (z. B. 1,1) bedeutet „Luftüberschuss”: mageres oder auch armes Gemisch
Aussage: λ = 1,1 bedeutet, dass 10% mehr Luft an der Verbrennung teilnimmt, als zur stöchiometrischen Reaktion notwendig wäre. Dies ist gleichzeitig der Luftüberschuss. For internal combustion engines:
λ <1 (eg 0.9) means "lack of air": rich or rich mixture
λ> 1 (eg 1.1) means "excess air": lean or poor mixture
Statement: λ = 1.1 means that 10% more air is involved in the combustion than would be necessary for the stoichiometric reaction. This is also the excess of air.
Bei Verwendung eines Speichermaterials für Schwefeloxide könnte beim Erreichen eines Zielwertes zunächst eine Temperaturerhöhung im Abgas initiiert werden und anschließend auf ein fettes Luft-/Kraftstoffverhältnis umgeschaltet werden, um die Schwefelkomponenten aus dem Speichermaterial zu entfernen. Natürlich könnte gegebenenfalls auch das aufgefüllte Speichermaterial selbst bzw. das Speichermaterial enthaltene Bauteil im Abgasstrang ausgetauscht und durch ein neues Bauteil mit unaufgefülltem Speichermaterial ersetzt werden.When using a storage material for sulfur oxides, a temperature increase in the exhaust gas could be initiated upon reaching a target value first and then be switched to a rich air / fuel ratio to remove the sulfur components from the storage material. Of course, if appropriate, the filled-in storage material itself or the component contained in the storage material could also be exchanged in the exhaust gas line and replaced by a new component with a non-filled-up storage material.
Als Ausführungsformen des erfindungsgemäß verwendeten Partikelfilters enthaltend eine vorstehend beschriebene Speicherkomponente können alle im Stand der Technik üblichen Filterkörper aus Metall und/oder keramischen Materialien eingesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise metallische Gewebe- und Gestrickfilterkörper, Sintermetallkörper und Schaumstrukturen aus keramischen Materialien. Bevorzugt werden poröse Wandflussfiltersubstrate aus Cordierit, Siliziumcarbid oder Aluminiumtitanat eingesetzt. Diese Wandflussfiltersubstrate weisen An- und Abströmkanäle auf, wobei jeweils die abströmseitigen Enden der Anströmkanäle und die anströmseitigen Enden der Abströmkanäle gegeneinander versetzt mit gasdichten „Stopfen” verschlossen sind.As embodiments of the particle filter used according to the invention comprising a storage component described above, it is possible to use all filter bodies made of metal and / or ceramic materials customary in the prior art. These include, for example, metallic woven and knitted filter bodies, sintered metal bodies and foam structures made of ceramic materials. Porous wall flow filter substrates of cordierite, silicon carbide or aluminum titanate are preferably used. These wall flow filter substrates have inflow and outflow channels, with the outflow-side ends of the inflow channels and the inflow-side ends of the outflow channels being closed relative to one another with gas-tight "plugs".
Hierbei wird das zu reinigende Abgas, das das Filtersubstrat durchströmt, zum Durchtritt durch die poröse Wand zwischen An- und Abströmkanal gezwungen, was eine exzellente Partikelfilterwirkung bedingt. Durch die Porosität, Poren-/Radienverteilung, und Dicke der Wand kann die Filtrationseigenschaft für Partikel ausgelegt werden. Das Speichermaterial und evtl. das Katalysatormaterial kann in Form von Beschichtungen in und/oder auf den porösen Wänden zwischen An- und Abströmkanälen vorliegen. Es können auch Filter zum Einsatz kommen, die direkt oder mithilfe von Bindern aus den entsprechenden Speicher- und/oder Katalysatormaterialien extrudiert wurden, das heißt, dass die porösen Wände direkt aus dem Katalysatormaterial bestehen, wie es beispielsweise im Falle von SCR-Katalysatoren auf Vanadiumbasis der Fall sein kann.Here, the exhaust gas to be cleaned, which flows through the filter substrate, forced to pass through the porous wall between the inlet and outlet, which causes an excellent particle filter effect. Due to the porosity, pore / radius distribution, and thickness of the wall, the filtration property can be designed for particles. The storage material and possibly the catalyst material may be present in the form of coatings in and / or on the porous walls between inlet and outlet channels. It is also possible to use filters which have been extruded directly or with the aid of binders from the corresponding storage and / or catalyst materials, that is to say that the porous walls consist directly of the catalyst material, as is the case, for example, in the case of vanadium-based SCR catalysts the case may be.
Bevorzugt einzusetzende Filtersubstrate können der
Flow-Through-Monolithe sind im Stand der Technik übliche Katalysatorträger, die aus Metall oder keramischen Materialien bestehen können. Bevorzugt werden feuerfeste Keramiken wie zum Beispiel Cordierit eingesetzt. Die Flow-Through-Monolithe aus Keramik besitzen meist eine wabenförmige Struktur, die aus durchgehenden Kanälen bestehen, weshalb Flow-Through-Monolithe auch als Kanal-Fluss-Monolithe bezeichnet werden. Das Abgas kann durch die Kanäle strömen und kommt dabei mit den Kanalwänden in Kontakt, welche mit einer katalytisch aktiven Substanz und evtl. einem Speichermaterial beschichtet sind. Die Anzahl der Kanäle pro Fläche wird durch die Zelldichte charakterisiert, welche üblicher Weise zwischen 300 und 900 Zellen pro Quadrat inch (cells per square inch, cpsi) liegt. Die Wanddicke der Kanalwände beträgt bei Keramiken zwischen 0,5–0,05 mm.Flow-through monoliths are conventional catalyst carriers in the art that can be made of metal or ceramic materials. Preference is given to using refractory ceramics such as cordierite. The ceramic flow-through monoliths usually have a honeycomb structure consisting of continuous channels, which is why flow-through monoliths are also referred to as channel flow monoliths. The exhaust gas can flow through the channels and comes into contact with the channel walls, which are coated with a catalytically active substance and possibly a storage material. The number of channels per area is characterized by the cell density, which is usually between 300 and 900 cells per square inch (cpsi). The wall thickness of the channel walls is between 0.5-0.05 mm for ceramics.
Stickoxide im Abgas setzen sich definitionsgemäß aus Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid zusammen, wobei im Abgas eines Magermotors je nach Betriebszustand des Motors die Stickoxide zu etwa 50 bis 90% als Stickstoffmonoxid vorliegen. Wegen des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas von Magermotoren können die bei der Verbrennung entstandenen Stickoxide (NOx) nicht wie bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren mit Hilfe von Dreiweg-Katalysatoren kontinuierlich unter gleichzeitiger Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu Stickstoff reduziert werden. Deren katalytische Reduktion gelingt nur in einem stöchiometrischen bis fetten Abgasgemisch. Um Stickoxide im mageren Abgas kontinuierlich reduzieren zu können, werden spezielle Katalysatoren verwendet, wie beispielsweise HC-DeNOx-Katalysatoren oder SCR-Katalysatoren. Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion der Stickoxide in mageren Abgasen ist durch die Verwendung von Stickoxid-Speicherkatalysatoren gegeben.By definition, nitrogen oxides in the exhaust gas are composed of nitrogen monoxide and nitrogen dioxide, with the nitrogen oxides being present in the exhaust gas of a lean-burn engine as nitrogen oxide, depending on the operating state of the engine, to about 50 to 90%. Owing to the high oxygen content in the exhaust gas of lean-burn engines, the nitrogen oxides (NOx) produced during the combustion can not be continuously reduced with the simultaneous oxidation of hydrocarbons and carbon monoxide to nitrogen, as in stoichiometric gasoline engines with the aid of three-way catalysts. Their catalytic reduction succeeds only in a stoichiometric to rich exhaust gas mixture. In order to reduce nitrogen oxides in the lean exhaust gas continuously, special catalysts are used, such as HC-DeNOx catalysts or SCR catalysts. Another possibility for the reduction of nitrogen oxides in lean exhaust gases is given by the use of nitrogen oxide storage catalysts.
In der mageren, das heißt sauerstoffreichen, Atmosphäre werden neben der HC- und CO-Komponente die Stickstoffoxide unter der katalytischen Wirkung des vorhandenen Edelmetalls im NOx-Speicherkatalysator aufoxidiert, unter Ausbildung von Nitraten wie beispielsweise Bariumnitrat im Katalysator absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Ist die Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators erschöpft, so wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt (Fettbetrieb normalerweise circa bis zehn Sekunden). Durch das regelmäßige kurzzeitige „Anfetten” laufen die Reaktionen in der entgegengesetzten Richtung ab, wodurch die gespeicherten Stickoxide wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen, reduzierenden Komponenten wie HC – unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe – oder CO vorzugsweise zu Stickstoff (N2) reduziert werden. Der Speicherkatalysator arbeitet während dieser Betriebsphase als Dreiweg-Katalysator. Dadurch wird der Katalysator für den nächsten Speicherzyklus regeneriert. Durch dieses Vorgehen ist es auch möglich, die Schadstoffemissionen sparsamer Magermotoren zu minimieren und die gesetzlich vorgeschriebenen Emissions-Grenzwerte einzuhalten. Die Aufnahmekapazität des Stickoxid-Speicherkatalysators kann durch einen NOx-Sensor überwacht werden. Die Arbeitsweise von Stickoxid-Speicherkatalysatoren wird ausführlich in der SAE-Schrift
NOx-Speicherkatalysatoren bestehen aus Materialien, die Stickoxide unter mageren Abgasbedingungen aus dem Abgasstrom entfernen können und unter Lambda = 1 oder fetten Abgasbedingungen die Stickoxide desorbieren und umsetzen können.NOx storage catalytic converters consist of materials that can remove nitrogen oxides from the exhaust gas stream under lean exhaust gas conditions and, under lambda = 1 or rich exhaust gas conditions, can desorb and convert the nitrogen oxides.
Dem Fachmann sind die hier einzusetzenden Stickoxid-Speicherkatalysatoren hinlänglich bekannt [
Im Falle eines mit NOx-Speichermaterialien beschichteten Wall-Flow-Filters wird sowohl die Einspeicher- als auch die Desorptions-/Umsatzfunktion im Vergleich zum beschichteten Monolithen ungenügend ausgenutzt. Dadurch werden im realen Fahrbetrieb die Magerlaufzeiten erheblich verkürzt, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führen und die Fahrbarkeit des Fahrzeuges negativ beeinträchtigen kann. Ferner ist mit einem erhöhten Durchbruch von NOx durch den Filter während der Magerphase zu rechnen, was den Gesamtumsatz von NOx über dem Filter erheblich mindert. Die Modellierung oder Messung des NOx-Speicherfüllstandes und der daraus resultierende Abbruch der Magerphase erfolgen meist durch Berechnung bzw. über dem Filter nachgeschaltete NOx-Sensoren. Der Abbruch der zur Regeneration des NOx-Speichermaterials eingeleiteten Fettphase erfolgt zumeist über Lambda-Sensoren nach dem Filter. Da im Falle eines mit NOx-Speicher-Materialien beschichteten Filters sowohl die Fett- als auch die Magerphase über Sensoren geregelt wird, führt hier ein ungenügend scharfes Durchbruchssignal zu erheblich verringerten NOx-Umsatzraten.In the case of a wall-flow filter coated with NOx storage materials, both the injection and the desorption / conversion function are insufficiently utilized in comparison with the coated monolith. As a result, the lean running times are considerably shortened in real driving, which can lead to increased fuel consumption and adversely affect the drivability of the vehicle. Furthermore, there is likely to be an increased breakthrough of NOx through the filter during the lean phase, which significantly reduces the overall NOx conversion across the filter. The modeling or measurement of the NOx storage level and the resulting abortion of the lean phase is usually done by calculation or downstream of the filter NOx sensors. The termination of the initiated for the regeneration of the NOx storage material rich phase is usually via lambda sensors after the filter. Since, in the case of a filter coated with NOx storage materials, both the rich and lean phases are controlled by sensors, an insufficiently sharp breakthrough signal results in significantly reduced NOx conversion rates.
Gewöhnlich werden Stickoxidspeicherkatalysatoren von Schwefelverbindungen im Abgas deaktiviert. Treffen nämlich die im Brennraum des Motors erzeugten Schwefelverbindungen auf die Oberfläche des Stickoxidspeicherkatalysators, so wird es in magerer Atmosphäre zunächst zu Schwefeldioxid (SO2) oder Schwefeltrioxid (SO3). Die Adsorption der Schwefeloxide kann direkt an der Stickoxidspeicherkomponente oder an der oxidativ wirkenden Komponente erfolgen. Da die entsprechenden sich im Stickoxid Speicherkatalysator bildenden Sulfat-Verbindungen thermisch sehr stabil sind und sich im Gegensatz zu den entsprechenden Nitraten nur schwer zerstören lassen, wird versucht, das SOx im Abgas zu minimieren, bevor es den Stickoxid Speicherkatalysator deaktiviert. Dies erfolgt zum einen durch die Minimierung des Anteils von Schwefelverbindungen im verwendet Kraftstoff und zum anderen durch die Vorschaltung von speziellen Schwefelfallen vor die eigentlichen Stickoxidspeicherkatalysatoren (NSC).Usually, nitrogen oxide storage catalysts of sulfur compounds in the exhaust gas are deactivated. If the sulfur compounds generated in the combustion chamber of the engine meet the surface of the nitrogen oxide storage catalyst, it first becomes sulfur dioxide (SO 2 ) or sulfur trioxide (SO 3 ) in a lean atmosphere. The adsorption of the sulfur oxides can be carried out directly on the nitrogen oxide storage component or on the oxidative component. Since the corresponding sulfate compounds forming in the nitrogen oxide storage catalyst are very stable thermally and, in contrast to the corresponding nitrates, are difficult to destroy, it is attempted to minimize the SO x in the exhaust gas before it deactivates the nitrogen oxide storage catalyst. This is done on the one hand by minimizing the proportion of sulfur compounds in the fuel used and on the other by the upstream of special sulfur trap before the actual nitrogen oxide storage catalysts (NSC).
Es sind in der Abgasnachbehandlung Schwefel-Speicher bekannt, die sowohl Schwefelwasserstoff als auch Schwefeloxide aus dem Abgas entfernen können. Diese werden – wie gesagt – bevorzugt in Flussrichtung vor NOx-Speicherkatalysatoren angeordnet und sollen verhindern, dass die Schwefelkomponenten in den NOx-Speicherkatalysator gelangen und die NOx-Speicherzentren chemisch deaktivieren. So genannte Schwefelfallen weisen eine hohe Speicherfähigkeit für Schwefel auf und müssen den Schwefel nahezu quantitativ adsorbieren können, um die Deaktivierung der nachfolgenden Katalysatoren zu vermeiden. There are known in the exhaust aftertreatment sulfur storage, which can remove both hydrogen sulfide and sulfur oxides from the exhaust gas. These are - as mentioned - preferably arranged in the flow direction in front of NOx storage catalytic converters and are intended to prevent the sulfur components from entering the NOx storage catalytic converter and chemically deactivating the NOx storage centers. So-called sulfur traps have a high storage capacity for sulfur and must be able to adsorb the sulfur almost quantitatively in order to avoid the deactivation of the subsequent catalysts.
So beschreibt beispielsweise die
Unter dem Begriff des Beschichtens wird das Aufbringen von katalytisch aktiven Materialien und/oder Speicherkomponenten auf einen weitgehend inerten Tragkörper verstanden. Die Beschichtung übernimmt die eigentliche katalytische Funktion und enthält Speichermaterialien und katalytisch aktiven Metalle, die meist in hochdisperser Form auf temperaturstabilen hochoberflächigen Metalloxiden abgeschieden sind. Die Beschichtung erfolgt meist durch das Aufbringen einer wässrigen Suspersion der Speichermaterialien und katalytisch aktiven Komponenten – auch Washcoat genannt – auf oder in die Wand des inerten Tragkörpers. Nach dem Aufbringen der Suspension wird der Träger getrocknet und gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur kalziniert. Die Beschichtung kann aus einer Schicht bestehen oder aus mehreren Schichten aufgebaut sein, die übereinander (mehrschichtig) und/oder versetzt zueinander (gezont) auf einen Tragkörper aufgebracht werden.The term coating refers to the application of catalytically active materials and / or storage components to a largely inert support body. The coating performs the actual catalytic function and contains storage materials and catalytically active metals, which are usually deposited in highly dispersed form on temperature-stable high surface area metal oxides. The coating is usually carried out by applying an aqueous suspension of the storage materials and catalytically active components - also called washcoat - on or in the wall of the inert support body. After application of the suspension, the support is dried and optionally calcined at elevated temperature. The coating may consist of a layer or be composed of several layers, which are applied one above the other (multi-layered) and / or staggered (zoned) to a support body.
Es ist anzumerken, dass die abstromseitig angeordnete Komponente (2) mit Speicherfunktion nicht direkt hinter der Komponente (1) angeordnet sein muss. Es können sich auch andere in Abgasnachbehandlungssystemen vorzufindende Vorrichtungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sensoren, Einspritzvorrichtungen, weitere Katalysatoren, zwischen der Komponente (1) und der Komponente (2) befinden. Ferner kann der abstromseitig angeordnete Monolith (2) auch im Unterbodenbereich des Fahrzeuges und der Filter (1) motornah angeordnet sein. Motornah bedeutet hierbei mit einem Abstand von weniger als etwa einen Meter vom Motor entfernt und die Unterbodenposition liegt über einen Meter vom Motor entfernt. Ferner können sich auch noch weitere Katalysatoren mit anderen Funktionen zwischen den beiden Speichermedien befinden. So kann es sinnvoll sein, einem Filter, der eine Speicherfähigkeit für Stickoxide aufweist, einen SCR-Katalysator mit Ammoniakspeicher- und NOx-Reduktionsfunktion folgen zu lassen, welcher wiederum abstromseitig von einem Monolithen mit NOx-Speicherfunktion gefolgt wird. Solche Anwendungen sind dem Fachmann bekannt (
Ebenso könnte eine solche weitere katalytische Funktion wie die SCR Funktion auf der Auslass-Seite des Filters oder der Eingangsseite des folgenden Durchfluß-Monolithen als Beschichtung aufgebracht werden. Derartige zonierte Tragkörper sind dem Fachmann hinlänglich geläufig (
Im Stand der Technik sind mehrere Systeme bekannt, bei denen verglichen mit dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen System ein umgekehrtes Layout gewählt wird. Das heißt, dass sich ein Flow-Through-Monolith mit einer entsprechenden Speicherfunktion ausgestattet vor dem mit der gleichen Speicherfunktion versehenen Wall-Flow-Filter befindet [z. B.
Wie bereits zuvor erwähnt, kommt es bei einem beschichteten Filter zu einem wesentlich verfrühten Durchbruch des zu speichernden Mediums und damit zu einer unzureichenden Ausnutzung des Speichermaterials (
Im Beispielteil wird anhand von Modellberechnungen gezeigt, dass ein System bestehend aus einem mit Speichermaterial beschichteten Wall-Flow-Filter und abstromseitig dazu angeordnetem entsprechend beschichteten Flow-Through-Monolithen, die beide das gleiche Volumen aufweisen und mit der gleichem Menge von Sauerstoffspeichermaterial beschichtet wurden, das Speichermaterial effektiver ausnutzen kann als ein analoges System bestehend aus beschichtetem Monolithen mit abstromseitig angeordnetem Filter. Ferner erfolgt der Durchbruch des zu speichernden Mediums – im diesem Beispiel Sauerstoffspeicher – wesentlich steiler, wodurch eine entsprechende Regelstrategie und Überwachungsstrategie leichter anzuwenden ist. Es ist ergänzend anzumerken, dass sowohl das Volumen als auch die Menge des Speichermaterials auf dem dem Filter (1) nachgeschalteten Monolithen (2) so ausgelegt werden sollte, dass das Speichermaterial auf dem beschichteten Filter möglichst optimal ausgenutzt wird. Wie im Beispielteil (
Ein weiterer beschriebener Vorteil des erfindungsgemäßen Systemlayouts ist darin zu sehen, dass ein wesentlich steiler verlaufendes Durchbruchssignal hinter dem Flow-Through-Monolithen resultiert. Durch das steilere Durchbruchssignal des zu speichernden Mediums durch Nachschalten des beschichteten Monolithen ist eine Regelung des Systems naturgemäß wesentlich erleichtert (
Ein weiteres erreichtes Ziel für die Anordnung eines Flow-Through-Monolithen mit Speicherfunktion nach Filter mit gleicher Speicherfunktion ist somit die leichtere Diagnostizierbarkeit der Katalysatoren aufgrund des steiler verlaufenden Durchbruchssignals der zu adsorbierenden Komponente nach dem Monolithen. Ein steiler verlaufendes Durchbruchssignal wird dann erreicht, wenn der dem Filter nachgeschaltete Flow-Through-Monolith so viel Speichermaterial enthält oder eine entsprechende Speicherkapazität aufweist, dass die durch den Filter durchbrechende und zu speichernde Komponente vollständig auf dem Monolithen gespeichert wird, bis die Speicherkomponente auf dem Filter vollständig aufgefüllt ist. In diesem Fall ist das gesamte Durchbruchssignal steiler nach dem Monolithen als nach dem Filter. Es kann jedoch auch erwünscht sein, dass das Durchbruchssignal nach dem Monolithen nur zu Begin des Durchbruches der zu speichernden Komponente steiler verläuft als nach dem Filter, denn häufig wird eine Maßnahme zur Entleerung des Speichermaterials bereits frühzeitig initiiert, z. B. wenn bereits ein geringer Durchbruch der zu speichernden Komponente detektiert wird. In diesem Fall genügt bereits eine geringe Menge an Speicherkapazität auf dem nachfolgenden Monolithen aus, um das Durchbruchssignal wenigstens zu Begin des Durchbruches und im Zeitpunkt des Abbruchs der jeweiligen Betriebsphase steiler ansteigen zu lassen. Je nach Anwendung wird der Fachmann die Speicherkapazitäten des Filters und des nachfolgenden Monolithen entsprechend auslegen.Another achieved goal for the arrangement of a flow-through monolith with memory function after filter with the same memory function is thus the easier diagnosability of the catalysts due to the steeper running through signal of the component to be adsorbed after the monolith. A steeper breakthrough signal is achieved when the flow-through monolith downstream of the filter contains so much memory material or has a corresponding storage capacity such that the component that breaks through the filter and is stored is completely stored on the monolith until the memory component on the monolith Filter is completely filled. In this case, the total breakdown signal is steeper after the monolith than after the filter. However, it may also be desirable that the breakdown signal after the monolith is steeper only at the beginning of the breakthrough of the component to be stored than after the filter, because often a measure for emptying the memory material is already initiated early, z. B. if already a small breakthrough of the component to be stored is detected. In this case, a small amount of storage capacity on the following monolith is already sufficient to allow the breakthrough signal to increase more steeply at least at the beginning of the breakthrough and at the time of termination of the respective operating phase. Depending on the application, the skilled person will design the storage capacities of the filter and the subsequent monoliths accordingly.
Alles in allem ist zu vermerken, dass neben der leichteren Diagnostizierbarkeit der Anlage es durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systemlayouts möglich ist, das Abgasnachbehandlungssystem dergestalt vorteilhaft auszunutzen, dass bei gleicher Einsatzmenge an Speichermaterialien eine bessere Speicherperformance oder im umgekehrten Fall bei vergleichbarer Speicherperformance eine Einsparung an Speichermaterial oder der Einsatz günstigerer Speichermaterialien, welche in der Speicherperformance schlechter sind, resultieren kann. Derartige vorteilhafte Effekte waren für den Fachmann auf Basis der Informationen im Stande der Technik zum Zeitpunkt der Erfindung mitnichten naheliegend.All in all, it should be noted that in addition to the ease of diagnosability of the system it is possible by the use of the system layout of the invention advantageously exploit the exhaust aftertreatment system that with the same amount of storage materials used better storage performance or vice versa with comparable storage performance saving on storage material or the use of more favorable storage materials, which may be worse in storage performance. Such advantageous effects were by no means apparent to those skilled in the art based on the information in the prior art at the time of the invention.
Normalerweise ist es für den Fachmann sinnvoller, den beschichteten Monolithen in Strömungsrichtung vor dem Filter anzuordnen, da z. B. das Aufheizen eines beschichteten Monolithen gewöhnlich schneller erfolgt als das eines beschichteten Filters, welcher durch die dickere Wandstärke gewöhnlich ein langsameres Aufheizverhalten aufweist und somit die Reinigungsfunktion der Abgasanlage nach dem Kaltstart eher zur Verfügung steht. Diese Anordnung wird beispielsweise in
Je nach Menge und Ausnutzungsgrad des Speichermediums auf dem Filter kann eine bestimmte Menge an Speichermaterial auf dem abstromseitigen Monolithen folgen, um das Speichermedium auf dem Filter möglichst vollständig nutzen zu können. Dass eine geringere Menge an Speichermaterial auf dem abstromseitig angeordneten Flow-Through-Monolithen ausreicht, um eine optimale Ausnutzung des Speichermaterials auf dem Wall-Flow-Monolithen zu erreichen, war für den Fachmann so nicht ersichtlich. Ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren ist verbunden, eine vorteilhafte Regelbarkeit von Abgassystemen erreichen zu können, was durch die resultierenden steileren Signalverläufe, ggf. im Abbruchspunkt bedingt ist. Die damit einhergehenden Vorteile für das erfindungsgemäße Abgasreinigungssystem sind evident und für den Fachmann auf Basis der Lehren aus dem Stand der Technik nicht ohne weiteres erwartbar gewesen.Depending on the amount and degree of utilization of the storage medium on the filter can follow a certain amount of storage material on the downstream monolith in order to use the storage medium on the filter as completely as possible. That a smaller amount of memory material on the downstream flow-through monolith sufficient to achieve optimum utilization of the storage material on the wall-flow monolith, was not apparent to those skilled in the art. Also associated with the system and method according to the invention is to be able to achieve an advantageous controllability of exhaust systems, which is due to the resulting steeper signal waveforms, possibly in the termination point. The attendant advantages for the exhaust gas purification system according to the invention are evident and could not readily be expected by the person skilled in the art on the basis of the teachings of the prior art.
Figuren:Characters:
In
In
Beschreibung des Modells zur Berechnung der Durchbruchkurven von
Das verwendete Simulationsmodell löst die Bilanzgleichung für die Konzentrationen in einem repräsentativen Ausschnitt bestehend aus jeweils einem Einlass- und Auslasskanal und der Wand zwischen den beiden Kanälen. Ein solches Modell ist im Detail beschrieben in:
In der angegebenen Referenz werden katalytische Reaktionen ohne Speichereffekte behandelt. Zur Abbildung von Speichereffekten in der Wand (z. B. Sauerstoffspeicher) wird eine zusätzliche Bilanzgleichung für die in der Wand eingespeicherte Komponente gelöst. Weil für die eingespeicherten Komponenten weder Diffusion noch Konvektion berücksichtigt werden müssen, vereinfacht sich diese Bilanzgleichung zu: In the given reference catalytic reactions are treated without memory effects. To map memory effects in the wall (eg, oxygen storage), an additional balance equation for the component stored in the wall is solved. Because neither diffusion nor convection need be considered for the stored components, this balance equation is simplified to:
Wobei r die Reaktionsrate der entsprechenden Speicher-Reaktion darstellt. Dieselbe Reaktionsrate taucht auch in der Bilanzgleichung für die gasförmigen Komponenten in der Filter-Wand auf:
Zur Erklärung der übrigen Symbole in Gleichung 2 siehe die oben angegebene Referenz. Die Reaktionsrate wird in den angegebenen Beispielen berechnet als: For an explanation of the remaining symbols in
Wobei cg die auf die Einlasskonzentration normierte dimensionslose Gasphasen-Konzentration z. B. von Sauerstoff in der Gasphase darstellt, Cgespeichert die Konzentration der eingespeicherten Komponente in der Wand, CMAX die maximale Speicherfähigkeit der Wand. Cgespeichert und CMAX werden ebenfalls dimensionslos und zwar relativ zur Einlasskonzentration der Gasphasenkomponente angegeben.Where c g is the dimensioned to the inlet concentration dimensionless gas phase concentration z. B. of oxygen in the gas phase, C represents stored the concentration of the stored component in the wall, C max is the maximum storage capacity of the wall. Stored C and C MAX are also dimensionless and indeed stated relative to the inlet concentration of the gas phase component.
Die Modellierung des Flow-Through-Monolithen erfolgt ebenfalls analog zur oben angegebenen Veröffentlichung. Wieder wird die in der Veröffentlichung behandelte katalytische Gasphasenreaktion durch eine Speicher-Reaktion ersetzt (entsprechend Gleichungen 1–2). Die Geschwindigkeit der Speicherreaktion wird wieder durch Gleichung 3 berechnet.The modeling of the flow-through monolith is also analogous to the above publication. Again, the catalytic gas phase reaction treated in the publication is replaced by a storage reaction (corresponding to Equations 1-2). The speed of the storage reaction is again calculated by Equation 3.
Die relevanten Parameter für das angegebene Beispiel sind:
Raumgeschwindigkeit: 37500 h – 1
Temperatur: 400°C.The relevant parameters for the given example are:
Space velocity: 37500 h - 1
Temperature: 400 ° C.
Für den Wall-Flow-Filter:For the wall flow filter:
- Zelldichte: 300 cpsiCell density: 300 cpsi
- Wandstärke: 0.33 mmWall thickness: 0.33 mm
- Diffusionskoeffizient in der Wand: 1E – 5 m2/sDiffusion coefficient in the wall: 1E - 5 m 2 / s
- k: 100k: 100
- CM: 111C M : 111
Für den Flow-Through-Monolithen: For the flow-through monoliths:
- Zelldichte: 400 cpsiCell density: 400 cpsi
- Wandstärke: 0.1 mmWall thickness: 0.1 mm
- Schichtdicke Washcoat: 60 μmLayer thickness Washcoat: 60 μm
- Diffusionskoeffizient im Washcoat: 3E – 6 m2/sDiffusion coefficient in washcoat: 3E - 6 m 2 / s
- k: 100 s–1 k: 100s -1
- CMAX: 182C MAX : 182
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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|---|---|---|---|
| R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |