AT525550A4 - Internal combustion engine system with an ammonia internal combustion engine and exhaust gas purification system connected thereto and operating method therefor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein umfassend einen zumindest überwiegend mit Ammoniak als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor (1) mit daran angeschlossener Abgasreinigungsanlage (2) zur Reinigung eines vom Verbrennungsmotor (1) abgegebenen Abgases, wobei die Abgasreinigungsanlage (2) einen ersten SCR-Katalysator (14) zur Reduktion von im Abgas enthaltenen Stickoxiden aufweist. Erfindungsgemäß weist die Abgasreinigungsanlage (2) zusätzlich einen zweiten SCR-Katalysator (11) zur Reduktion von im Abgas enthaltenen Stickoxiden auf, der dem ersten SCR-Katalysator (14) strömungstechnisch vorgeschaltet ist. Für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren für das Verbrennungsmotorsystem ist vorgesehen, dass Abgas, welches von einem zumindest überwiegend mit Ammoniak als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor (1) gereinigt wird, wobei im Abgas enthaltene Stickoxide an einem ersten SCR-Katalysator (14) mittels dem Abgas durch einen Injektor (15) zugegebenem Ammoniak reduziert werden, wobei im Abgas enthaltene Stickoxide zusätzlich an einem dem ersten SCR-Katalysator (14) strömungstechnisch vorgeschalteten zweiten SCR-Katalysator (11) mittels vom Verbrennungsmotor (1) abgegebenem Ammoniak reduziert werden.The invention relates to an internal combustion engine (1) which is at least predominantly operated with ammonia as fuel and has an exhaust gas cleaning system (2) connected thereto for cleaning an exhaust gas emitted by the internal combustion engine (1), the exhaust gas cleaning system (2) having a first SCR catalytic converter (14) for Has reduction of nitrogen oxides contained in the exhaust gas. According to the invention, the exhaust gas cleaning system (2) also has a second SCR catalytic converter (11) for reducing nitrogen oxides contained in the exhaust gas, which is upstream of the first SCR catalytic converter (14) in terms of flow. For the operating method according to the invention for the internal combustion engine system, it is provided that exhaust gas, which is cleaned by an internal combustion engine (1) that is at least predominantly operated with ammonia as the fuel, nitrogen oxides contained in the exhaust gas being transported to a first SCR catalytic converter (14) by means of the exhaust gas through an injector (15) added ammonia are reduced, with nitrogen oxides contained in the exhaust gas additionally being reduced at a second SCR catalytic converter (11) upstream of the first SCR catalytic converter (14) by means of ammonia emitted by the internal combustion engine (1).
Description
Verbrennungsmotorsystem mit einem Ammoniak-Verbrennungsmotor und Internal combustion engine system with an ammonia internal combustion engine and
daran angeschlossener Abgasreinigungsanlage und Betriebsverfahren hierfür emission control system connected thereto and operating procedures therefor
Ammoniak (NHs) als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren besitzt den Vorteil, keinerlei CO2-Emissionen zu verursachen. Jedoch entstehen bei der Verbrennung von NH: Stickoxide (NOx). Außerdem können im Abgas von mit NHs3 betriebenen Verbrennungsmotoren Reste von unverbranntem NH; enthalten sein. Sowohl NOx als auch Ammonia (NHs) as a fuel for internal combustion engines has the advantage of not causing any CO2 emissions. However, the combustion of NH: produces nitrogen oxides (NOx). In addition, residues of unburned NH; be included. Both NOx and
NH; sind Schadstoffe, welche es aus dem Abgas zumindest weitgehend zu entfernen NH; are pollutants that have to be removed from the exhaust gas at least to a large extent
gilt. is applicable.
Aus der US 2010/0019506 A1 ist es bekannt, zur Abgasreinigung bei einem mit NHz3 betriebenen Verbrennungsmotor einen SCR-Katalysator einzusetzen, der im Abgas enthaltenes NOx mit infolge unvollständiger NHs-Verbrennung im Abgas enthaltenem NH; (NHs-Schlupf) reduzieren kann. Hierfür wird der Verbrennungsmotor so betrieben, dass ein ausreichend hoher NHs-Schlupf entsteht. Jedoch kann es einerseits schwierig sein, den NHs-Schlupf passend einzustellen um sowohl NOx- als auch NHs-Emissionen zu vermeiden. Andererseits ist die absichtliche Erzeugung It is known from US 2010/0019506 A1 to use an SCR catalytic converter for exhaust gas purification in an internal combustion engine operated with NHz3, which combines NOx contained in the exhaust gas with NH contained in the exhaust gas as a result of incomplete NHs combustion; (NHs slip) can reduce. For this purpose, the internal combustion engine is operated in such a way that a sufficiently high NHs slip occurs. However, on the one hand it can be difficult to adjust the NHs slip appropriately to avoid both NOx and NHs emissions. On the other hand, the intentional generation
eines NHs-Schlupfes mit einem unvorteilhaften Kraftstoff-Mehrverbrauch verbunden. of an NHs slip associated with an unfavorable increase in fuel consumption.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbrennungsmotorsystem mit einem Ammoniak-Verbrennungsmotor und daran angeschlossener Abgasreinigungsanlage und ein Betriebsverfahren hierfür bereitzustellen, durch welche eine verbesserte Abgasreinigung ermöglicht ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verbrennungsmotorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den jeweiligen It is the object of the present invention to provide an internal combustion engine system with an ammonia internal combustion engine and an exhaust gas cleaning system connected thereto and an operating method for this, by means of which improved exhaust gas cleaning is made possible. This object is achieved by an internal combustion engine system having the features of claim 1 and an operating method having the features of claim 6. Advantageous training is in the respective
Unteransprüchen angegeben. Subclaims specified.
Das erfindungsgemäße Verbrennungsmotorsystem umfasst einen zumindest überwiegend mit Ammoniak als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor sowie eine an den Verbrennungsmotor angeschlossene Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des vom Verbrennungsmotor abgegebenen Abgases auf. Dabei weist die Abgasreinigungsanlage einen ersten SCR-Katalysator zur Reduktion von im Abgas enthaltenem NOx auf, sowie erfindungsgemäß einen weiteren, zweiten SCR-Katalysator zur The internal combustion engine system according to the invention comprises an internal combustion engine operated at least predominantly with ammonia as the fuel and an exhaust gas cleaning system connected to the internal combustion engine for cleaning the exhaust gas emitted by the internal combustion engine. The exhaust gas purification system has a first SCR catalytic converter for reducing NOx contained in the exhaust gas and, according to the invention, a further, second SCR catalytic converter
Reduktion von im Abgas enthaltenem NOx auf, der dem ersten SCR-Katalysator Reduction of NOx contained in the exhaust gas on the first SCR catalyst
strömungstechnisch vorgeschaltet ist. Dadurch, dass zwei voneinander getrennt angeordnete SCR-Katalysatoren vorgesehen sind, kann eine Entfernung von NOx aus dem Abgas verbessert erfolgen. Infolge eines natürlicherweise vorhandenen Temperaturgefälles entlang des Abgasströmungswegs ist der zweite, vorzugsweise motornah verbaute SCR-Katalysator rasch betriebsbereit. Sinkt die katalytische Wirksamkeit infolge zu starker Erhitzung ab, so kann der, vorzugsweise im Unterbodenbereich des entsprechenden Kraftfahrzeugs angeordnete, erste SCRKatalysator infolge seiner inzwischen einsetzenden Erwärmung die NOx-Entfernung übernehmen. Das Verbrennungsmotorsystem kann in einem PKW, einem Nfz, einem is upstream in terms of flow. The fact that two SCR catalytic converters arranged separately from one another are provided means that NOx can be removed from the exhaust gas in an improved manner. As a result of a naturally occurring temperature gradient along the exhaust gas flow path, the second SCR catalytic converter, which is preferably installed close to the engine, is quickly ready for operation. If the catalytic effectiveness drops as a result of excessive heating, the first SCR catalytic converter, which is preferably arranged in the underbody area of the corresponding motor vehicle, can take over the NOx removal as a result of its meanwhile starting to heat up. The internal combustion engine system can be used in a car, a commercial vehicle, a
Traktor, einem Schiff oder in einer Lokomotive verbaut sein. be installed in a tractor, a ship or in a locomotive.
Der zum Betrieb des Verbrennungsmotors überwiegend eingesetzte Kraftstoff NHz kann der Verbrennungsluft in einem Saugrohr zugemischt werden oder auch direkt in einen Brennraum in flüssiger Form oder gasförmig eingespritzt werden. Der Kraftstoff NH; wird dabei einem Kraftstoffvorratsbehälter entnommen, in dem er zumindest überwiegend in flüssiger Form vorliegt. Zur Verbesserung der NHs:-Entflammung kann die zusätzliche Zugabe bzw. Einspritzung eines Zündpromotors wie Diesel, Äthanol, Diäthyläther oder eines anderen geeigneten Stoffes zum Verbrennungsmotor vorgesehen sein. Die Menge des Zündpromotors ist dabei im Vergleich zur Menge des eigentlichen Kraftstoffs NHs jedoch vergleichsweise gering. Vorzugs-The fuel NHz predominantly used to operate the internal combustion engine can be mixed with the combustion air in an intake manifold or injected directly into a combustion chamber in liquid or gaseous form. The fuel NH; is taken from a fuel tank in which it is at least predominantly in liquid form. To improve the NHs: ignition, the additional addition or injection of an ignition promoter such as diesel, ethanol, diethyl ether or another suitable substance to the internal combustion engine can be provided. However, the amount of the ignition promoter is comparatively small compared to the amount of the actual fuel NHs. preferred
weise beträgt sie weniger als 20 % oder weniger als 10 % der NHs-Menge. wise it is less than 20% or less than 10% of the NHs amount.
Was die SCR-Katalysatoren betrifft, so sind darunter Katalysatoren zu verstehen, die in der Lage sind, eine Reduktion von NOx zu Stickstoff (N2) mittels NH3 als Redukti-Regarding the SCR catalysts, they are catalysts that are able to achieve a reduction of NOx to nitrogen (N2) using NH3 as a reducing agent.
onsmittel auch bei Vorliegen eines Sauerstoffüberschusses zu katalysieren. onmittel to catalyze even in the presence of an excess of oxygen.
In Ausgestaltung der Erfindung weist die Abgasreinigungsanlage genau einen Injektor zur Zugabe von NH: zum Abgas auf, wobei der Injektor zur Zugabe von NHs: zum Abgas eingangsseitig des ersten SCR-Katalysators ausgebildet ist. Besagter NH8s-Injektor ist somit der einzige NHs-Injektor der Abgasreinigungsanlage. Vorzugsweise ist er unmittelbar vor der Abgaseintrittsseite des ersten SCR-Katalysators in der Abgasreinigungsanlage angeordnet. Der Injektor kann das NOx-Reduktionsmittel NHs in flüssiger Form oder gasförmig ins Abgas einspritzen. Vorzugsweise wird es In an embodiment of the invention, the exhaust gas purification system has precisely one injector for adding NH 3 to the exhaust gas, the injector for adding NH 3 to the exhaust gas being designed on the inlet side of the first SCR catalytic converter. Said NH8s injector is therefore the only NHs injector in the emission control system. It is preferably arranged directly in front of the exhaust gas inlet side of the first SCR catalytic converter in the exhaust gas cleaning system. The injector can inject the NOx reducing agent NHs in liquid form or gaseous form into the exhaust gas. Preferably it will
dem Kraftstoffvorratsbehälter entnommen. Der zweite, weiter stromauf angeordnete taken from the fuel tank. The second, located further upstream
SCR-Katalysator erhält das NOx-Reduktionsmittel NH3 mit dem zugeführten Abgas, in dem dieses in Form eines infolge unvollständiger Verbrennung vorhandenen NHsSchlupfes aus dem Verbrennungsmotor enthalten ist. Der zweite SCR-Katalysator kann somit als passiver SCR-Katalysator bezeichnet werden, welcher eine NOx-The SCR catalytic converter receives the NOx reducing agent NH3 with the supplied exhaust gas, which contains it in the form of NHs slip from the internal combustion engine due to incomplete combustion. The second SCR catalytic converter can thus be referred to as a passive SCR catalytic converter, which has a NOx
Reduktion ohne eine Reduktionsmittelzugabe von außen bewirkt. Reduction effected without adding a reducing agent from the outside.
Typischerweise ist die in Form des NHs-Schlupfes im Abgas vorhandene NH:-Menge geringer als die vom Motor emittierte NOx-Menge. Hinter dem zweiten SCR-Katalysator sind daher noch mehr oder weniger hohe NOx-Anteile im Abgas enthalten. Diese werden dann am stromabwärtigen ersten SCR-Katalysator mittels von außen zugeführtem NHs reduziert. Auf diese Weise können sehr niedrige NOx-Endrohr-Typically, the amount of NH: present in the form of NHs slip in the exhaust gas is less than the amount of NOx emitted by the engine. Downstream of the second SCR catalytic converter, the exhaust gas therefore still contains more or less high levels of NOx. These are then reduced at the downstream first SCR catalytic converter by means of NHs supplied from the outside. In this way, very low NOx tailpipe
emissionen erzielt werden. emissions are achieved.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Abgasreinigungsanlage einen Partikelfilter zur Ausfilterung von im Abgas enthaltenen Partikeln auf, wobei der Partikelfilter strömungstechnisch vor dem ersten SCR-Katalysator und hinter dem zweiten SCR-Katalysator angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Partikelfilter stromaufwärts von der durch den NHs-Injektor gebildeten NH:-Zugabestelle im Abgasstrang angeordnet. Obschon durch die NH3-Verbrennung im Motor keine Rußpartikel erzeugt werden, können etwa durch Motoröladditive oder durch Verbrennung eines Zündpromotors verursachte Partikelemissionen entstehen. Die entsprechenden Partikel können durch den Partikelfilter aus dem Abgas entfernt werden. Da die Partikelemissionen typischerweise relativ gering sind, kann der Partikelfilter vergleichsweise klein ausfallen. Das Volumen des Partikelfilters kann deshalb weniger als 70%, weniger als 50 % oder sogar weniger als 30 % des Volumens des In a further embodiment of the invention, the exhaust gas purification system has a particle filter for filtering out particles contained in the exhaust gas, the particle filter being arranged upstream of the first SCR catalytic converter and downstream of the second SCR catalytic converter. The particle filter is preferably arranged upstream of the NH3 addition point formed by the NH3 injector in the exhaust system. Although no soot particles are produced by the NH3 combustion in the engine, particle emissions caused by engine oil additives or the combustion of an ignition promoter can occur. The corresponding particles can be removed from the exhaust gas by the particle filter. Since particle emissions are typically relatively low, the particle filter can be comparatively small. The volume of the particle filter can therefore be less than 70%, less than 50% or even less than 30% of the volume of the
ersten bzw. des zweiten SCR-Katalysators betragen. first and the second SCR catalyst amount.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Abgasreinigungsanlage einen Oxidationskatalysator auf, der strömungstechnisch zwischen dem zweiten SCR-Katalysator und dem Partikelfilter angeordnet ist. Durch den Oxidationskatalysator kann der NO2-Anteil des im Abgas enthaltenen NOx angehoben werden, wodurch die NOx-In a further embodiment of the invention, the exhaust gas purification system has an oxidation catalytic converter which is arranged in terms of flow between the second SCR catalytic converter and the particle filter. The NO2 content of the NOx contained in the exhaust gas can be increased by the oxidation catalytic converter, whereby the NOx
Reduktion im ersten SCR-Katalysator verbessert wird. Reduction in the first SCR catalyst is improved.
Alternativ zur Bereitstellung eines separaten Oxidationskatalysators zwischen zweitem SCR-Katalysator und Partikelfilter kann auch eine Ausführung des Partikel-As an alternative to providing a separate oxidation catalytic converter between the second SCR catalytic converter and the particulate filter, a version of the particulate
filters mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung vorgesehen sein. filters can be provided with an oxidation catalytic coating.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Verbrennungsmotor als kompressionsgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet. Es entfallen für den Verbrennungsmotor daher Zündmittel wie Zündkerzen zur Zündung des Kraftstoffs in seinen Brenn-In a further embodiment of the invention, the internal combustion engine is designed as a compression-ignited internal combustion engine. The internal combustion engine therefore does not need ignition means such as spark plugs to ignite the fuel in its combustion
räumen. clear.
Für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotorsystems, bei welchem von einem zumindest überwiegend mit Ammoniak als Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor abgegebenes Abgas gereinigt wird, ist vorgesehen, dass im Abgas enthaltenes NOx an einem ersten SCR-Katalysator mittels dem Abgas durch einen Injektor zugegebenem NH; reduziert wird, wobei im Abgas enthaltenes NOx zusätzlich an einem dem ersten SCR-Katalysator strömungstechnisch vorgeschalteten zweiten SCR-Katalysator mittels vom Verbrennungsmotor abgegebenem NH; reduziert wird. Es erfolgt somit eine zweistufige NOxReduktion. Dabei fungiert der zweite SCR-Katalysator als erste NOx-Reinigungsstufe, in der im Abgas enthaltenes NOx mittels des in Form eines NHs-Schlupfes vorliegenden, vom Verbrennungsmotor bereitgestellten NHs-Anteils im Abgas reduziert wird. Die zweite NOx-Reinigungsstufe wird durch den stromabwärtigen ersten SCR-Katalysator gebildet. In diesem erfolgt eine Reduktion von im Abgas verbliebenem NOx durch von außen mittels eines Injektors dem Abgas zugesetztem NH. For the operating method according to the invention for operating an internal combustion engine system, in which exhaust gas emitted by an internal combustion engine operated at least predominantly with ammonia as fuel is cleaned, it is provided that NOx contained in the exhaust gas is removed at a first SCR catalytic converter by means of NH added to the exhaust gas through an injector; is reduced, with NOx contained in the exhaust gas additionally being converted to a second SCR catalytic converter upstream of the first SCR catalytic converter by means of NH 2 emitted by the internal combustion engine; is reduced. There is thus a two-stage NOx reduction. The second SCR catalytic converter acts as the first NOx cleaning stage, in which the NOx contained in the exhaust gas is reduced by means of the NHs component in the exhaust gas, which is present in the form of an NHs slip and is provided by the internal combustion engine. The second NOx purification stage is formed by the downstream first SCR catalyst. In this, the NOx remaining in the exhaust gas is reduced by NH added to the exhaust gas from outside by means of an injector.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Abgas enthaltene Partikel mittels eines strömungstechnisch zwischen dem ersten SCR-Katalysator und dem zweiten SCR-Katalysator angeordneten Partikelfilter aus dem Abgas ausgefiltert. Es erfolgt somit eine umfassende Reinigung des Abgases, welche die Einhal-In an embodiment of the method according to the invention, particles contained in the exhaust gas are filtered out of the exhaust gas by means of a particle filter arranged in terms of flow between the first SCR catalytic converter and the second SCR catalytic converter. There is thus a comprehensive cleaning of the exhaust gas, which
tung strengster Grenzwerte für NOx- und Partikelemissionen ermöglicht. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungs-compliance with the strictest limits for NOx and particle emissions. In a further embodiment of the method it is provided that the combustion
motor zumindest überwiegend mit Luftüberschuss betrieben wird. Dies ermöglicht engine is operated at least predominantly with excess air. this makes possible
eine Kraftstoffverbrennung mit hohem mechanischen Wirkungsgrad. fuel combustion with high mechanical efficiency.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei eine vorteilhafte Ausführungsform des The invention is explained in more detail below with reference to a drawing and associated examples. The only figure shows an advantageous embodiment of the
erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorsystems. internal combustion engine system according to the invention.
Das in der Figur lediglich beispielhaft und schematisch dargestellte Verbrennungsmotorsystem umfasst einen Verbrennungsmotor 1 und eine daran angeschlossene Abgasreinigungsanlage 2. Dem Verbrennungsmotor 1 wird seine zur Kraftstoffverbrennung erforderliche Verbrennungsluft über eine Luftzufuhrleitung 3 zugeführt, die in ein Saugrohr 4 des Verbrennungsmotors 1 stromab eines in der Luftzufuhrleitung 3 angeordneten Turboladerverdichters 5 einmündet. Der Verbrennungsmotor 1 ist als ein überwiegend mit Luftüberschuss betriebener Verbrennungsmotor nach dem Dieselprinzip, also als Kompressionszünder nach Hubkolbenbauart ausgebildet. Als Kraftstoff wird NH3 eingesetzt, welcher vorliegend einem Tank 7 entnommen wird und über eine erste NHs-Zufuhrleitung 6 der Verbrennungsluft eingangsseitig des Saugrohrs 4 zugeführt wird. Eine hierfür eingesetzte Förderpumpe und ein Regelventil zur Mengenregelung der zugeführten NHs-Menge sind dabei nicht gesondert dargestellt. NHs kann natürlich auch direkt dem Saugrohr 4 zugeführt werden. Ebenfalls möglich ist eine NHs-Direkteinspritzung in die einzelnen, hier ebenfalls nicht gesondert dargestellten Brennräume des Verbrennungsmotors 1. Zur Verbesserung einer Zündung des Kraftstoffs NH3s kann eine Pilot- oder Voreinspritzung eines als Zündpromotors wirkenden Stoffes wie Dieselkraftstoff, Äthanol, Dimethyläther, Aceton oder ein anderer zündwilliger Stoff vorgesehen sein. Auf die Darstellung entsprechender Zufuhrmittel wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Die Menge des eingesetzten Zündpromotors ist dabei relativ gering gegenüber der Menge des eigentlichen Kraftstoffs NHs und beträgt vorzugsweise The internal combustion engine system shown only as an example and schematically in the figure comprises an internal combustion engine 1 and an exhaust gas cleaning system 2 connected to it. The combustion air required for fuel combustion is supplied to the internal combustion engine 1 via an air supply line 3, which is fed into an intake manifold 4 of the internal combustion engine 1 downstream of a arranged turbocharger compressor 5 opens. The internal combustion engine 1 is designed as an internal combustion engine operated predominantly with excess air according to the diesel principle, ie as a compression igniter of the reciprocating piston type. NH3 is used as the fuel, which in the present case is taken from a tank 7 and is supplied to the combustion air on the inlet side of the intake manifold 4 via a first NHs supply line 6 . A feed pump used for this purpose and a control valve for controlling the amount of NHs supplied are not shown separately. Of course, NHs can also be fed directly to the intake manifold 4. Also possible is NH3s direct injection into the individual combustion chambers of internal combustion engine 1, which are also not shown separately here. To improve ignition of the NH3s fuel, a pilot or pre-injection of a substance that acts as an ignition promoter, such as diesel fuel, ethanol, dimethyl ether, acetone or another substance, can be used be provided flammable substance. Corresponding supply means are not shown for reasons of clarity. The amount of the ignition promoter used is relatively small compared to the amount of the actual fuel NHs and is preferably
weniger als 10 %, weniger als 5 % oder weniger als 2 %. less than 10%, less than 5% or less than 2%.
Bei der Kraftstoffverbrennung entstehendes Abgas wird über einen Abgaskrümmer 8 und eine daran angeschlossene Abgasleitung 9 aus dem Verbrennungsmotor 1 abgeführt und der Abgasreinigungsanlage 2 zugeführt. Dabei wird eine in der Abgasleitung 9 angeordnete Turboladerturbine angetrieben, welche ihrerseits über Exhaust gas produced during fuel combustion is discharged from the internal combustion engine 1 via an exhaust manifold 8 and an exhaust pipe 9 connected thereto and fed to the exhaust gas cleaning system 2 . In this case, a arranged in the exhaust pipe 9 turbocharger turbine is driven, which in turn via
eine nicht dargestellte Welle den Turboladerverdichter 5 antreibt. a shaft, not shown, drives the turbocharger compressor 5 .
Die Abgasreinigungsanlage 2 weist vorliegend in Richtung der Abgasströmung gesehen hintereinander angeordnet in der Abgasleitung 9 folgende reinigungsaktiven Komponenten auf. Einen hier als zweiten SCR-Katalysator 11 bezeichneten Stickoxidreduktionskatalysator, einen Oxidationskatalysator 12, einen Partikelfilter 13 sowie einen, hier als ersten SCR-Katalysator 14 bezeichneten weiteren Stickoxid-In the present case, the exhaust gas purification system 2 has the following cleaning-active components arranged one behind the other in the exhaust gas line 9 , viewed in the direction of the exhaust gas flow. A nitrogen oxide reduction catalytic converter, referred to here as the second SCR catalytic converter 11, an oxidation catalytic converter 12, a particle filter 13 and a further nitrogen oxide converter, referred to here as the first SCR catalytic converter 14
reduktionskatalysator. reduction catalyst.
Die Katalysatoren 11, 12 und 14 sind dabei bevorzugt als insbesondere keramische Wabenkörper mit durchgehenden, parallelen Kanälen ausgebildet. Dabei sind die mit dem Abgas in Kontakt kommenden Kanalwände mit der jeweiligen spezifischen katalytisch wirksamen Substanz beschichtet. Bei den SCR-Katalysatoren 11, 14 kann es sich dabei beispielsweise um einen mit Eisen und/oder Kupfer ausgetauschten Zeolith als katalytisch wirksame Substanz handeln. Die katalytisch wirksamen Substanzen ermöglichen eine selektive Reduktion von im Abgas enthaltenem NOx mit dem hier als Reduktionsmittel eingesetzten NH3 auch unter oxidierenden Bedin-The catalytic converters 11, 12 and 14 are preferably in the form of, in particular, ceramic honeycomb bodies with continuous, parallel channels. The duct walls that come into contact with the exhaust gas are coated with the respective specific catalytically active substance. The SCR catalytic converters 11, 14 can, for example, be a zeolite exchanged with iron and/or copper as the catalytically active substance. The catalytically active substances enable a selective reduction of NOx contained in the exhaust gas with the NH3 used here as a reducing agent, even under oxidizing conditions.
gungen. ments.
Als katalytisch wirksame Substanz des Oxidationskatalysators kann es sich um ein fein dispergiertes Metall der Platingruppe wie Platin, Palladium und/oder Rhodium handeln. Der Partikelfilter 13 ist vorzugsweise als wanddurchströmter Wabenkörper mit eingangs- und ausgangsseitig abwechselnd verschlossenen, parallel The catalytically active substance of the oxidation catalyst can be a finely dispersed metal from the platinum group, such as platinum, palladium and/or rhodium. The particle filter 13 is preferably in the form of a honeycomb body through which air flows through the wall and is closed alternately on the inlet and outlet sides, in parallel
verlaufenden Kanälen ausgebildet. running channels formed.
Was den zweiten SCR-Katalysator 11 betrifft, so ist dieser erfindungsgemäß als sogenannter passiver SCR-Katalysator ausgebildet. Darunter ist zu verstehen, dass dem zweiten SCR-Katalysator 11 das zur NOx-Reduktion erforderliche Reduktionsmittel NH3 nicht durch eine separate Zuführvorrichtung von außen zugeführt wird. Vielmehr dient als Reduktionsmittel zur selektiven NOx-Reduktion vom Verbrennungsmotor 1 ausgestoßenes NHs3. Dieser sogenannte NHs-Schlupf des Verbrennungsmotors 1 ist Folge einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs NH im Verbrennungsmotor 1. Quelle des Reduktionsmittels NH3 zur selektiven katalytischen NOx-Reduktion im zweiten SCR-Katalysator ist somit ausschließlich der NHs-Schlupf As far as the second SCR catalytic converter 11 is concerned, this is designed according to the invention as a so-called passive SCR catalytic converter. This means that the reducing agent NH3 required for NOx reduction is not supplied to the second SCR catalytic converter 11 from outside by a separate supply device. Instead, NHs3 emitted by the internal combustion engine 1 serves as a reducing agent for selective NOx reduction. This so-called NHs slip of internal combustion engine 1 is the result of incomplete combustion of the fuel NH in internal combustion engine 1. The source of the reducing agent NH3 for selective catalytic NOx reduction in the second SCR catalytic converter is therefore exclusively the NHs slip
des Verbrennungsmotors 1. of the combustion engine 1.
Je nach Verhältnis von NHs-Schlupf und NOx-Gehalt im Abgas, bzw. auch abhängig vom Umsatzvermögen des zweiten SCR-Katalysators 11, können Restmengen von NOx oder NHs in dem aus dem zweiten SCR-Katalysator 11 ausströmenden Abgas vorhanden sein. Diese werden mit der Abgasströmung in den nachgeschalteten Oxidationskatalysator 12 eingetragen. Sind Restmengen von NOx im Abgas enthalten, so erfolgt dort eine zumindest teilweise Oxidation des NOx-Bestandteils Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) mit dem im Abgas enthaltenen Sauerstoff des mager betriebenen Verbrennungsmotors 1. Angestrebt ist dabei ein NO-NO2Verhältnis von etwa 1:1, was die katalytische NOx-Reduktion im weiter stromab angeordneten ersten SCR-Katalysator 14 verbessert bzw. erleichtert. Ist eine Restmenge von NH: im Abgas enthalten, so wird dieses NH: zumindest teilweise zu NO bzw. NO»: oxidiert. Jedenfalls ist davon auszugehen, dass das aus dem Oxidationskatalysator 12 ausströmende Abgas NOx aufweist, welches im weiter stromab Depending on the ratio of NHs slip and NOx content in the exhaust gas, or also depending on the conversion capacity of the second SCR catalytic converter 11, residual amounts of NOx or NHs may be present in the exhaust gas flowing out of the second SCR catalytic converter 11. These are introduced into the downstream oxidation catalytic converter 12 with the exhaust gas flow. If there are residual amounts of NOx in the exhaust gas, the NOx component nitrogen monoxide (NO) is at least partially oxidized there to form nitrogen dioxide (NO2) with the oxygen contained in the exhaust gas of lean-burn internal combustion engine 1. The aim here is an NO/NO2 ratio of around 1 :1, which improves or facilitates the catalytic NOx reduction in the first SCR catalytic converter 14 arranged further downstream. If there is a residual amount of NH: in the exhaust gas, this NH: is at least partially oxidized to NO or NO»:. In any case, it can be assumed that the exhaust gas flowing out of the oxidation catalytic converter 12 contains NOx, which is further downstream
angeordneten ersten SCR-Katalysator 14 zumindest weitgehend reduziert wird. arranged first SCR catalyst 14 is at least largely reduced.
Bevor durch die Abgasleitung 9 strömendes Abgas in den ersten SCR-Katalysator 14 gelangt, wird es von Partikeln zumindest weitgehend durch Ausfilterung im Partikelfilter 13 befreit. Der erste SCR-Katalysator 14 erhält das zur selektiven NOx-Reduktion erforderliche Reduktionsmittel NHs durch Zugabe über einen vorgeschalteten Injektor 15. Dieser ist über eine zweite NHs-Zufuhrleitung 16 mit dem Tank 7 verbunden ist. Eine vorzugsweise vorgesehene Förderpumpe ist dabei nicht gesondert dargestellt. NH3 kann in flüssiger Form oder gasförmig dem Tank 7 entnommen werden und durch den Injektor 15 eingangsseitig des ersten SCR-Katalysators 14 in das Abgas eingespritzt werden. Bei Zugabe von flüssigem NH3 verdampft dieses im heißen Abgas, weshalb in jedem Fall dem SCR-Katalysator 14 NH3 zumindest überwiegend in gasförmiger Form zugeführt wird. Dadurch ist eine gleichmäßige NHsVerteilung im Abgas sichergestellt, weshalb auf einen Mischer verzichtet werden kann. Da im Gegensatz zum ersten SCR-Katalysator 14 der zweite SCR-Katalysator 11 seinen NOx-Reduktionsmittelbedarf nicht durch Zugabe zum Abgas durch einen Injektor, sondern durch NHs-Schlupf aus dem Verbrennungsmotor 1 deckt, bedarf es neben dem Injektor 15 keiner weiteren NOx-Reduktionsmittelzugabevorrichtung für die Abgasreinigungsanlage 2. Der Injektor 7 ist deshalb die einzige NOx-Redukti-Before exhaust gas flowing through the exhaust line 9 reaches the first SCR catalytic converter 14 , it is at least largely freed from particles by being filtered out in the particle filter 13 . The first SCR catalytic converter 14 receives the reducing agent NHs required for selective NOx reduction by adding it via an upstream injector 15. This is connected to the tank 7 via a second NHs supply line 16. A feed pump that is preferably provided is not shown separately. NH3 can be taken from the tank 7 in liquid form or in gaseous form and injected into the exhaust gas by the injector 15 on the inlet side of the first SCR catalytic converter 14 . When liquid NH3 is added, it evaporates in the hot exhaust gas, which is why the SCR catalytic converter 14 is supplied with NH3 at least predominantly in gaseous form. This ensures an even NHs distribution in the exhaust gas, which is why a mixer is not required. Since, in contrast to the first SCR catalytic converter 14, the second SCR catalytic converter 11 does not cover its NOx reducing agent requirement by adding it to the exhaust gas through an injector, but rather by NHs slip from the internal combustion engine 1, no further NOx reducing agent adding device is required in addition to the injector 15 for the emission control system 2. The injector 7 is therefore the only NOx reduction
onsmittelzugabevorrichtung der Abgasreinigungsanlage 2. Agent adding device of the emission control system 2.
Eine bedarfsgerechte Steuerung der NHs-Zugabe ins Abgas durch den Injektor 15 zur angestrebten möglichst vollständigen Reduktion von im Abgas enthaltenem NOx erfolgt mittels von NOx-Sensoren 17, 18 bereitgestellten Signalen, welche von einem nicht dargestellten Steuergerät entsprechend ausgewertet werden. Dabei ist ein erster NOx-Sensor 17 zur Erfassung des NOx-Gehaltes im Abgas ausgangsseitig des Oxidationskatalysators 12 bzw. zwischen dem Oxidationskatalysator 12 und dem Partikelfilter 13 vorgesehen. Dieser ermöglicht die Ermittlung des NOx-Gehalt des in den ersten SCR-Katalysator 14 einströmenden Abgases. Aus dem ermittelten NOxGehalt des Abgases kann wiederum der NH3-Bedarf zur Reduktion von im Abgas enthaltenem NOx im ersten SCR-Katalysator 14 ermittelt und der Injektor 15 entsprechend angesteuert werden. Sofern Oxidationskatalysator 12 und Partikelfilter 13 zu einem integralen gemeinsamen Bauteil zusammengefasst sind, so ist der erste A needs-based control of the addition of NHs to the exhaust gas by the injector 15 for the desired complete reduction of NOx contained in the exhaust gas takes place by means of NOx sensors 17, 18 provided signals, which are evaluated accordingly by a control unit, not shown. A first NOx sensor 17 for detecting the NOx content in the exhaust gas is provided on the outlet side of the oxidation catalytic converter 12 or between the oxidation catalytic converter 12 and the particle filter 13 . This enables the NOx content of the exhaust gas flowing into the first SCR catalytic converter 14 to be determined. The NH3 requirement for reducing NOx contained in the exhaust gas in the first SCR catalytic converter 14 can in turn be determined from the determined NOx content of the exhaust gas and the injector 15 can be activated accordingly. If oxidation catalytic converter 12 and particle filter 13 are combined to form an integral common component, then the first
NOx-Sensor 17 vorzugsweise ausgangsseitige dieses Bauteils angeordnet. NOx sensor 17 is preferably arranged on the output side of this component.
Ein zweiter NOx-Sensor 18 ist ausgangsseitig des ersten SCR-Katalysators 14 angeordnet und ermöglicht eine Ermittlung von gegebenenfalls durch den ersten SCR-Katalysator 14 schlüpfendem NOx. In diesem Fall kann die durch den Injektor 15 bewirkte Anreicherung des Abgases mit dem Reduktionsmittel NH3 angepasst A second NOx sensor 18 is arranged on the output side of the first SCR catalytic converter 14 and makes it possible to determine any NOx that may have slipped through the first SCR catalytic converter 14 . In this case, the enrichment of the exhaust gas caused by the injector 15 with the reducing agent NH3 can be adjusted
werden. become.
Es sei angemerkt, dass einer oder beide der hier als NOx-Sensoren bezeichneten Sensoren 17, 18 auch als kombinierte NOx/NH3-Sensoren ausgebildet sein können. Dadurch können neben den NOx-Gehalten im Abgas stromauf bzw. stromab des ersten SCR-Katalysators 14 auch die korrespondierenden NH:-Gehalte ermittelt It should be noted that one or both of the sensors 17, 18 referred to here as NOx sensors can also be designed as combined NOx/NH3 sensors. As a result, in addition to the NOx contents in the exhaust gas upstream and downstream of the first SCR catalytic converter 14, the corresponding NH: contents can also be determined
werden, was gegebenenfalls die Genauigkeit der NHs-Dosierung verbessern kann. which may improve the accuracy of NHs dosing.
Insgesamt ist durch das erfindungsgemäße Verbrennungsmotorsystem ein äußerst umweltfreundlicher Betrieb eines entsprechenden Fahrzeugs ermöglicht. Es werden nicht nur Emissionen von klimaschädlichem CO2 zumindest weitgehend vermieden, sondern auch zumindest weitestgehend die Emissionen von Kohlenwasserstoffen NOx, NHz3 und Partikeln. Overall, the internal combustion engine system according to the invention enables an extremely environmentally friendly operation of a corresponding vehicle. Not only emissions of climate-damaging CO2 are at least largely avoided, but also at least largely emissions of hydrocarbons NOx, NHz3 and particles.
Bezugszeichenliste Reference List
1 Verbrennungsmotor 1 combustion engine
2 Abgasnachbehandlungsanlage 3 Luftzufuhrleitung 2 Exhaust aftertreatment system 3 Air supply line
4 Saugrohr 4 intake manifold
5 Turbolader-Verdichter 5 turbocharger compressors
6 Erste NH3-Zufuhrleitung 7 Tank 6 First NH3 supply line 7 Tank
8 Abgaskrümmer 8 exhaust manifold
9 Abgasleitung 9 exhaust pipe
10 Turbolader-Turbine 10 turbocharger turbine
11 Zweiter SCR-Katalysator 12 Oxidationskatalysator 11 Second SCR catalyst 12 Oxidation catalyst
13 Partikelfilter 13 particle filter
14 Erster SCR-Katalysator 15 Injektor 14 First SCR catalytic converter 15 injector
16 Zweite NH3-Zufuhrleitung 17 Erster NOx-Sensor 16 Second NH3 supply line 17 First NOx sensor
18 Zweiter NOx-Sensor 18 Second NOx sensor
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