DE10010855A1

DE10010855A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Regenerieren eines NOx-Speichers

Info

Publication number: DE10010855A1
Application number: DE2000110855
Authority: DE
Inventors: Andree Bergmann
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-09-20
Also published as: AU3740901A; WO2001066234A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines NO¶x¶-Speichers (3), der als mit adsorbierendem Material beschichteter, von Abgas durchströmbarer Wabenkörper (7) ausgebildet und in einem Abgassystem (2) eines Diesel- oder Magermotors (1) angeordnet ist. Aufgrund der Erkenntnis, daß die Effektivität der Regenerierung mit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Wabenkörper (7) zunimmt, werden erfindungsgemäß die Dauer der Regenerierungsphase und/oder die Menge der während der Regenerierungsphase pro Zeiteinheit dem Abgassystem (2) zugeführten Kohlenwasserstoffe abhängig von dem Volumenstrom des Abgases pro freier Querschnittsfläche des Wabenkörpers (1) während der Regenerierungsphase gewählt. Für ein entsprechendes Abgasreinigungssystem eines Diesel- oder Magermotors (1) zum Verringern des Ausstoßes an NO¶x¶ mit einem NO¶x¶-Speicher (3), der als mit adsorbierendem Material beschichteter Wabenkörper (7) mit von Abgas durchströmbaren Kanälen (4) ausgebildet ist, und einem, vorzugsweise stromabwärts davon angeordneten, Oxidationskatalysator (5) wird der mit adsorbierendem Material beschichtete Wabenkörper (7) daher so dimensioniert, daß er ein unter Berücksichtigung des maximal tolerierbaren Druckverlustes möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases in seinem Inneren bewirkt. Auf diese Weise kann die Regenerierung mit einer minimalen Kraftstoffmenge durchgeführt werden, was den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors (1) verringert ...

Description

Die, vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regenerieren eines NO_x- Speichers, insbesondere im Abgassystem eines Magermotors oder eines Diesel motors. Außerdem werden eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein besonders gut regenerierbarer NO_x-Speicher beschrieben.

Im Zuge der Entwicklung moderner Magermotoren und Dieselmotoren, die beide zumindest in bestimmten Betriebszuständen mit erheblichem Luftüberschuß be trieben werden und dabei Stickoxide als Schadstoffe erzeugen, müssen auch die Abgasreinigungssysteme ständig verbessert werden, um den Ausstoß an Schad stoffen an immer strengere gesetzliche Bestimmungen anzupassen und die Um welt zu schonen.

So ist es beispielsweise aus der WO 99/20876 bekannt, in dem Abgassystem eines Diesel- oder Magermotors einen NO_x-Speicher vorzusehen, der die beim Betrieb erzeugten Stickoxide über einen gewissen Zeitraum speichern kann. Bevor seine Speicherkapazität erschöpft ist, wird ein solcher NO_x-Speicher regeneriert, indem unverbrannte Kohlenwasserstoffe dem Abgassystem zugeführt werden. Diese Kohlenwasserstoffe reagieren, gegebenenfalls unterstützt durch geeignete Kataly satoren, mit den gespeicherten Stickoxiden, wobei nur die unschädlichen Stoffe Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser entstehen. Eventuell überschüssig zuge führte oder nicht zur Reaktion mit den Stickoxiden gelangende Kohlenwasserstof fe werden im Abgassystem mit im Abgas vorhandenem Restsauerstoff oxidiert, so daß daraus ebenfalls nur Kohlendioxid und Wasser entstehen. Diese katalytische Umsetzung kann an einer katalytisch aktiven Beschichtung des NO_x-Speichers selbst oder in einem nachgeschalteten Oxidationskatalysator erfolgen.

Bei bisher bekannten Systemen zur Regenerierung eines NO_x-Speichers wird die Regenerierung ausgelöst, wenn die permanent überwachten und aufgezeichneten Daten der Motorsteuerung ergeben, daß der NO_x-Speicher bis zu einem vorgege benen Grad gesättigt ist. Bei der Regenerierung werden empirisch festgestellte Mengen an Kohlenwasserstoffen über empirisch ermittelte Zeitintervalle dem Abgassystem zugeführt, um den NO_x-Speicher weitgehend zu regenerieren. Dabei muß in Kauf genommen werden, daß erhebliche Teile an Kohlenwasserstoff nicht zur Regenerierung beitragen, weil sie im NO_x-Speicher nicht in Kontakt mit ge speicherten Stickoxiden kommen, so daß diese Anteile des zugeführten Kohlen wasserstoffes lediglich katalytisch oxidiert werden. Dies führt naturgemäß zu ei nem erhöhten Kraftstoffverbrauch für die Regenerierung, da immer ein bestimm ter Anteil an Kohlenwasserstoffen nutzlos katalytisch umgesetzt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abgasreinigungssystem zu schaf fen, welches solche Verluste an Kohlenwasserstoffen und damit den Kraftstoff verbrauch eines zugehörigen Verbrennungsmotors reduziert. Außerdem soll ein entsprechendes Verfahren zum Regenerieren eines NO_x-Speichers angegeben werden. Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren nach Anspruch 1. Ent sprechende Abgasreinigungssysteme sind in den Ansprüchen 7 und 10 angegeben. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung geht von neuen Meßergebnissen aus, aus denen sich ergibt, daß der Anteil der zugeführten Kohlenwasserstoffe, der zur Regenerierung von gespei cherten Stickoxiden beiträgt, mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit im NO_x-Speicher zunimmt. Dies bedeutet, daß die Ausnutzung der zugeführten Kohlenwasserstoffe um so besser ist, je höher die Strömungsgeschwindigkeit in einem NO_x-Speicher während der Regenerierungsphase ist. Diese erfindungsge mäße Erkenntnis ermöglicht einerseits besonders effektive Verfahren zum Rege nerieren bei gegebener Dimension eines NO_x-Speichers, erlaubt andererseits aber auch, zukünftige NO_x-Speicher gerade so auszulegen, daß eine besonders effekti ve Regenerierung möglich wird. Beide Aspekte der Erfindung sollen im folgen den näher erläutert werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Regenerieren eines NO_x-Speichers, der als mit adsorbierendem Material beschichteter, von Abgas durchströmbarer Waben körper ausgebildet und in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, insbe sondere eines Magermotors oder Dieselmotors, angeordnet ist, wobei nach einer Phase der Speicherung von NO_x eine Regenerierungsphase folgt, während der unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgassystem gelangen die mit dem ge speicherten NO_x zu Stickstoff, Wasser und Kohlendioxyd reagieren, zeichnet sich dadurch aus, daß die Dauer der Regenerierungsphase und/oder die Menge der während der Regenerierungsphase pro Zeiteinheit dem Abgassystem zugeführten Kohlenwasserstoffe abhängig von dem Volumenstrom des Abgases pro freier Querschnittsfläche des Wabenkörpers während der Regenerierungsphase gewählt werden. Da bei einem gegebenen NO_x-Speicher die freie Querschnittsfläche fest liegt, bedeutet dies, daß im wesentlichen der Volumenstrom des Abgases die Art der Regenerierungsphase bestimmt. Je größer der Volumenstrom während der Regenerierungsphase ist, desto kürzer kann diese Phase sein beziehungsweise desto geringer kann die Menge der zugeführten Kohlenwasserstoffe pro Zeitein heit sein.

Grundsätzlich wäre es natürlich wünschenswert, eine Regenerierung nur durchzu führen, wenn ein besonders großer Volumenstrom vorliegt. Da solche Bedingun gen jedoch nicht vorhersehbar sind und es auch Betriebsweisen eines Kraftfahr zeuges geben kann, in denen über längere Betriebszeiten keine besonders hohen Volumenströme auftreten, ist es besonders vorteilhaft, die Regenerierung zu be stimmten Zeiten in Abhängigkeit von der Beladung des NO_x-Speichers einzuleiten und dabei die tatsächlich auftretenden Volumenströme während des Regene rierungszeitraumes zu messen oder aus vorhandenen Meßwerten zu berechnen und die Zufuhr von Kohlenwasserstoffen und/oder die Dauer der Regenerierungs phase daraus zu bestimmen.

Die regelungstechnisch einfachste Möglichkeit besteht darin, die Zufuhr an Koh lenwasserstoffen in etwa konstant zu halten und nur die Dauer der Regenerie rungsphase davon abhängig zu machen, welche Volumenströme während der Re generierungsphase gemessen werden. Je höher der durchschnittliche Volumen strom ist, desto eher kann die Regenerierungsphase beendet werden.

Besser und für den Kraftstoffverbrauch günstiger ist es jedoch, wenn die Menge an zugeführten Kohlenwasserstoffen jeweils dem vorliegenden Volumenstrom an Abgas angepaßt wird, um jeweils die optimale Menge an Kohlenwasserstoffen für die jeweiligen Strömungsbedingungen im NO_x-Speicher zur Verfügung zu stellen. Sofern durch Messungen der jeweils für die Regenerierung nutzbare Anteil der Kohlenwasserstoffe bekannt ist, kann auf diese Weise ein Wirkintegral berechnet werden, welches letztendlich angibt, nach welcher Zeit ein gewünschter Regene rierungsgrad des NO_x-Speichers erreicht wird, so daß die Regenerierung beendet werden kann. Diese Art der Regelung der Regenerierung bewirkt den geringsten Verbrauch an Kraftstoff zur Reinigung des Abgases von Stickoxiden und ist damit insgesamt am umweltfreundlichsten.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auch, Abgasreinigungssysteme gerade so auszulegen, daß eine besonders umweltfreundliche Regenerierung möglich ist. Bisherige Überlegungen gingen davon aus, daß die entscheidende Größe für die Effektivität der Regenerierung in einem Wabenkörper die Dauer ist, die ein Koh lenwasserstoffmolekül braucht, um den Wabenkörper zu durchlaufen. Unter die ser Voraussetzung spielt das Verhältnis von Länge zu freier Querschnittsfläche des Wabenkörpers keine entscheidende Rolle, so daß Wabenkörper nach den räumlichen Gegebenheiten in einem Kraftfahrzeug und unter Optimierung des Druckverlustes dimensioniert wurden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist je doch die Geschwindigkeit des Abgases in dem Wabenkörper von entscheidender Bedeutung, so daß bei gleichem Volumen und gleicher Oberfläche für die Rege nerierung günstiger ein großes Verhältnis an Länge des Wabenkörpers zu freier Querschnittsfläche ist. Natürlich kann dieses Verhältnis nicht beliebig groß ge wählt werden, weil dann der Druckverlust in dem Wabenkörper untolerierbar hoch wird, jedoch ist es durchaus möglich, im Rahmen von tolerierbaren Druck verlusten NO_x-Speicher mit einem größeren Verhältnis von Länge zu Querschnitt einzusetzen als bisher üblich. Dabei muß gegebenenfalls auch die Zahl der Kanäle pro Querschnittsfläche berücksichtigt werden, da eine größere Zahl von Kanälen pro Querschnittsfläche tendenziell zu höheren Strömungsgeschwindigkeiten in den Kanälen führt, weil die freie Querschnittsfläche wegen der größeren Zahl an Kanalwänden abnimmt. Dies erhöht allerdings auch den Druckverlust, wodurch auch einer Erhöhung der Zellenzahl Grenzen gesetzt sind.

Ein Abgasreinigungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muß Mittel zur Bestimmung des Volumenstromes an Abgas während der Regene rierungsphase aufweisen sowie Mittel zur Anpassung der insgesamt während der Regenerierungsphase dem Abgassystem zugeführten Kohlenwasserstoffe in Ab hängigkeit von dem Volumenstrom des Abgases. Der Volumenstrom ist im all gemeinen bei modernen Motorsteuerungen als wichtiger Parameter ohnehin vor handen, so daß die Motorsteuerung im wesentlichen zusätzlich Mittel zur Anpas sung der jeweils zugeführten Menge an Kohlenwasserstoffen oder Mittel zur Be endigung der Regenerierungsphase in Abhängigkeit von den während der Regene rierungsphase gemessenen Volumenströmen aufweisen muß. Wie schon oben erwähnt wird gemäß der Erkenntnis der vorliegenden Erfindung für die Regene rierung eines NO_x-Speichers von einem vorgegebenen Beladungszustand bis zu einem vorgegebenen Regenerierungszustand nicht jedesmal die gleiche Menge an Kohlenwasserstoffen benötigt, sondern um so weniger, je höher der Volumen strom während der Regenerierungsphase war. Für einen optimalen Regenerie rungsprozeß muß daher ein Wirkintegral gebildet werden, welches jeweils möglichst kleine Zeiträume der Regenerierungsphase bezüglich Volumenstrom und zugehöriger Menge an Kohlenwasserstoffen mit dem zugehörigen Wirkungsgrad der Regenerierung gewichtet und alle diese Intervalle aufaddiert. Bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes dieses Wirkintegrals kann dann die Regenerierung beendet werden, wodurch sichergestellt ist, daß nicht Kohlenwasserstoffe dem Abgassystem noch zugeleitet werden, wenn der NO_x-Speicher bereits weitgehend regeneriert ist und die Kohlenwasserstoffe eine weitere Regenerierung nur noch mit einem sehr geringen Wirkungsgrad bewirken würden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden schematisch noch anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Verbrennungs motor 1 mit einem Abgassystem 2, in welchem mindestens ein NO_x-Speicher 3 und ein Oxidationskatalysator 5 angeordnet sind. Grundsätzlich können diese bei den Komponenten auch als eine Einheit ausgebildet sein, nämlich einem Waben körper mit adsorbierender und katalytisch oxidierend wirkender Beschichtung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese beiden Komponenten jedoch in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet.

Der NO_x-Speicher 3 besteht aus einem Wabenkörper 7 mit von Abgas durch strömbaren Kanälen 4, die insgesamt eine frei durchströmbare Querschnittsfläche Q aufweisen. Der Wabenkörper 7 hat eine axiale Länge L, wobei das Verhältnis L/Q gemäß der vorliegenden Erfindung möglichst groß sein soll, soweit dies im Rahmen der tolerierbaren Druckverluste möglich ist.

Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Motorsteuerung 6 auf, welche nicht nur den Betrieb des Verbrennungsmotors, sondern auch die Regenerierung des NO_x- Speichers steuert. Dazu kann beispielsweise zusätzlicher Kraftstoff, der im Ver brennungsmotor nicht oder nicht vollständig verbrannt wird, eingespritzt werden, der dann in das Abgassystem 2 gelangt. Die Motorsteuerung 6 nutzt im allgemei nen ohnehin den jeweiligen Volumenstrom für die Steuerung des Verbrennungs motors 1, so daß diese erfindungsgemäß benötigte Information ohne zusätzlichen Aufwand erhältlich ist. Während der Regenerierungsphasen wird nunmehr die Menge an in das Abgassystem 2 gelangenden Kohlenwasserstoffen in Abhängig keit vom Volumenstrom geregelt und die Regenerierung dann beendet, wenn das oben beschriebene Wirkintegral einen bestimmten vorgegebenen Wert erreicht hat.

Mit dieser Methode der Regenerierung kann auch bei Diesel- oder Magermotoren der Ausstoß an Stickoxiden weitgehend reduziert werden, ohne daß für die peri odische Regenerierung des NO_x-Speichers unnötig viel Kraftstoff verbraucht wird, so daß das System insgesamt eine geringere Belastung der Umwelt durch Schadstoffe und Kohlendioxid ermöglicht.

Bezugszeichenliste

1

Verbrennungsmotor

2

Abgassystem

3

NO_x

-Speicher

4

Kanäle

5

Oxidationskatalysator

6

Motorsteuerung

7

Wabenkörper
L Länge
Q Querschnittsfläche

Claims

1. Verfahren zum Regenerieren eines NO_x-Speichers (3), der als mit adsorbierendem Material beschichteter, von Abgas durchströmbarer Wabenkörper (7) ausgebildet und in einem Abgassystem (2) eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere eines Diesel- oder Magermotors, angeordnet ist, wobei nach einer Phase der Speicherung von NO_x eine Regenerierungsphase folgt, während der unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgassystem (2) gelangen, die mit dem gespeicherten NO_x zu Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid reagieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Regenerierungsphase und/oder die Menge der während der Regenerierungsphase pro Zeiteinheit dem Abgassystem (2) zugeführten Kohlenwasserstoffe abhängig von dem Volumenstrom des Abgases pro freier Querschnittsfläche des Wabenkörpers (1) während der Regenerierungsphase gewählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Volumenstrom gemessen oder aus anderen zur Verfügung stehenden Meßwerten berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Integral aus Dauer der Regenerierungsphase und Menge der während der Regenerierungsphase pro Zeiteinheit zugeführten Kohlenwasserstoffe, d. h. die Gesamtmenge an Kohlenwasserstoffen für die Regenerierung, umgekehrt proportional zum Volumenstrom des Abgases während der Regenerierungsphase gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge pro Zeiteinheit an während einer Regenerierungsphase zugeführten Kohlenwasserstoffen konstant gehalten wird, die Gesamtdauer der Regenerierungsphase aber von dem Volumenstrom des Abgases während der Regenerierungsphase abhängig gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Regenerierungsphasen konstant gehalten wird, die pro Zeiteinheit zugeführte Menge an Kohlenwasserstoffen während einer Regenerierungsphase aber abhängig vom Volumenstrom des Abgases geregelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Regenerierungsphase die Menge an zugeführten Kohlenwasserstoffen umgekehrt proportional zum Volumenstrom des Abgases geregelt wird und die Dauer der Regenerierungsphase von einem Wirkungsintegral aus jeweils zugeführter Menge an Kohlenwasserstoffen pro Zeiteinheit, in dieser Zeiteinheit vorhandenem durchschnittlichen Volumenstrom und einem empirisch bestimmten Wirkungsfaktor für diesen Volumenstrom bestimmt wird.

7. Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere eines Diesel- oder Magermotors, zum Verringern des Ausstoßes an NO_x mit einem NO_x-Speicher (3), der als mit adsorbierendem Material beschichteter Wabenkörper (7) mit von Abgas durchströmbaren Kanälen (4) ausgebildet ist, und einem, vorzugsweise stromabwärts angeordneten, Oxidationskatalysator (5), dadurch gekennzeichnet, daß der mit adsorbierendem Material beschichtete Wabenkörper (7) so dimensioniert ist, daß er unter Berücksichtigung des maximal tolerierbaren Druckverlustes möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases in seinem Inneren bewirkt.

8. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (7) ein möglichst großes Verhältnis (L/Q) von Länge (L) zu Querschnittsfläche (Q) aufweist.

9. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kanäle (4) pro Querschnittsfläche des Wabenkörpers (7) möglichst hoch ist, insbesondere mehr als 380 cpsi (cells per square inch), vorzugsweise größer als 570 cpsi.

10. Abgasreinigungssystem eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere eines Diesel- oder Magermotors, zum Verringern des Ausstoßes an NO_x mit einem NO_x-Speicher (3), der als mit adsorbierendem Material beschichteter Wabenkörper (7) mit von Abgas durchströmbaren Kanälen (4) ausgebildet ist, und einem, vorzugsweise stromabwärts davon angeordneten, Oxidationskatalysator (5), wobei der Verbrennungsmotor (1) eine Motorsteuerung (6) aufweist, die in Phasen zur Regenerierung des NO_x- Speichers (3) eine Zufuhr von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in das Abgassystem (2) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bestimmung des Volumenstromes an Abgas während der Regenerierungsphase vorhanden sind sowie Mittel zur Anpassung der insgesamt während einer Regenerierungsphase dem Abgassystem (2) zugeführten Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit von dem Volumenstrom des Abgases.

11. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bestimmung eines Wirkintegrals aus pro Zeiteinheit zugeführten Kohlenwasserstoffen, während der Zeiteinheit festgestelltem Volumenstrom an Abgas und einem vom Volumenstrom abhängigen Wirkfaktor vorhanden sind, wobei bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes des Wirkintegrals eine Beendigung der Regenerierung erfolgt.