DE10043798A1 - Verfahren zum Betrieb eines Katalysators - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Katalysators

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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des selektiven katalytischen Reduktionskatalysators sieht eine Überwachung der Katalysatortemperatur und der im Katalysator gespeicherten Reduktionsmittelmenge vor, so daß bei einem zu erwartenden Temperaturansteig im Katalysator beispielsweise durch einen Lastsprung die speicherbare Reduktionsmittelmenge bei der zu erwartenden Temperatur ermittelt wird. Wenn die im Katalysator vorhandene Reduktionsmittelmenge bei der zu erwartenden Temperatur nicht speicherbar ist, dann wird der Überschuß vor der Katalysatorerhöhung derart abgebaut, daß dabei kein Reduktionsmittel unverbraucht in die Umwelt gelangt. Dabei wird der Verbrauch des Reduktionsmittels derart gestaltet, daß eine zusätzliche Menge an Stickoxiden im Abgas erzeugt wird, mit der die bei der zu erwartenden Temperatur nicht speicherbare Reduktionsmittelmenge abgebaut wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere einer Brennkraftmaschine.
Beim Ottomotor hat man bisher die Stickoxide auf bekannte Weise durch einen Drei-Wege-Katalysator bei stöchiometrischer Fahrweise reduzieren können. Dabei stehen die unverbrannten Komponenten des Abgases wie Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel für die gebildeten Stickoxide zur Verfügung.
Dagegen werden bei den Dieselmotoren aufgrund der überstöchiometrischen Fahrweise andere Verfahren eingesetzt. Zum Einsatz kommen die sogenannten selektive katalytische Reduktion-Katalysatoren. Dabei werden die Stickoxidemissionen unter Zusatz von NH3 als Reduktionsmittel selektiv zu Stickstoff und Wasser umgesetzt, wobei die NH3-Dosierung in Abhängigkeit der NOx-Emmisionen geregelt wird.
Da heutige Ottomotoren vorzugsweise bei direkter Einspritzung mager betrieben werden, kommen auch Abgasreinigungsanlagen mit selektiven katalytischen Reduktion-Katalysatoren zum Einsatz.
Bei der Abgasreinigung mit Hilfe eines selektiven katalytischen Reduktion-Katalysators (SCR-Katalysator)wird die Eigenschaft der Katalysatoren genutzt, Ammoniak (NH3) zu speichern und anschließend zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) freizugeben.
Dabei reagiert das in einem SCR-Katalysator adsorbierte NH3 mit dem NOx des zu behandelnden Abgases zu Stickstoff und Wasser.
Um eine hohe NOx-Konversion bei dieser Betriebsweise zu erzielen, sollte der SCR-Katalysator möglichst mit viel Ammoniak vorbeladen sein.
Aus der DE 41 17 143 ist ein Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion von Abgasen aus Kraftfahrzeugdieselmotoren unter getakteter Zugabe von NH3 oder NH3-freisetzenden Stoffen bekannt, indem eine getaktete NH3- Zugabe derart gesteuert wird, dass die Zugabe nach ihrem Start erst dann wieder unterbrochen wird, wenn an einer bestimmten Stelle im Katalysatorbett eine hohe NH3-Konzentration, die als Schwellenwert festgelegt ist, in der Gasphase erreicht worden ist und erst wieder erneut einsetzt, wenn das im Katalysator gespeicherte NH3 weitgehend durch die Reaktion aufgebraucht worden ist, wobei dieser Zeitpunkt durch näherungsweise Berechnung des über die Periode seit Dosierungsbeginn oder auch Dosierungsende vom Motor produzierten NOx aus Motorkennfeld und Betriebszeit und unter Berücksichtigung des durchschnittlichen Abscheidegrades bestimmt wird.
Das Verfahren aus DE 41 17 143 sieht in Betriebspunkten mit höheren Abgastemperaturen vor, von der oben beschriebenen Fahrweise abzugehen, da die NH3-Adsorptionsfähigkeit des Katalysators mit steigender Temperatur abnimmt. Dabei soll das Ammomiak entsprechend der NOx-Produktion des Motors zudosiert werden.
Da die Speicherkapazität für NH3 jedoch mit zunehmender Katalysatortemperatur sinkt, kann bei einem Lastsprung die Katalysatortemperatur sehr schnell steigen, so daß das vorhandene und bei der höheren zu erwartenden Temperatur nicht mehr speicherbare NH3 freigesetzt wird. Bekannterweise führt Ammoniak, wenn es in die Umwelt gelangt, zu gesundheits- und umweltschädlichen Auswirkungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Freisetzung der nicht speicherbaren Ammoniakmenge (NH3) im Katalysator vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des selektiven katalytischen Reduktionskatalysators sieht eine Überwachung der Katalysatortemperatur und der im Katalysator gespeicherten Reduktionsmittelmenge vor, so daß bei einem zu erwartenden Temperaturanstieg im Katalysator beispielsweise durch einen Lastsprung die speicherbare Reduktionsmittelmenge bei der zu erwartenden Temperatur ermittelt wird. Wenn die im Katalysator vorhandene Reduktionsmittelmenge bei der zu erwartenden Temperatur nicht mehr speicherbar ist, dann wird der Überschuß sofort oder vor der Katalysatortemperaturerhöhung derart abgebaut, daß dabei kein Reduktionsmittel unverbraucht in die Umwelt gelangt.
Dabei wird der Verbrauch des Reduktionsmittels abhängig von dem zu erwartenden Temperaturanstieg im Katalysator und der im Katalysator adsorbierten Reduktionsmittelmenge derart gestaltet, daß eine zusätzliche Menge an Stickoxiden im Abgas erzeugt wird, mit der die bei der zu erwartenden Temperatur nicht speicherbare Reduktionsmittelmenge verbraucht wird.
Somit lassen sich die Nachteile der bisher bekannten Verfahren erfindungsgemäss dadurch vermeiden, daß die überschüssige NH3- Menge durch das Reagieren mit Stickoxiden vor dem Austritt aus dem SCR-Katalysator verbraucht wird.
Die benötigte Stickoxidmenge wird beispielsweise durch motorische Maßnahmen erzeugt, wobei eine Dosierung mittels kontrollierter Freisetzung von Stickoxiden aus einem Stickoxidspeicherkatalysator auch erfolgen kann.
Die Überwachung der im Katalysator gespeicherten Reduktionsmittelmenge und der Katalysatortemperatur kann mittels Sensoren bzw. durch eine Messung der ein- oder austretenden NOx- bzw. NH3-Mengen durch das Erfassen dieser Mengen mittels eines Sensors erfolgen.
Die im Abgas zusätzlich erzeugte Stickoxidmenge kann durch die Regelung des Motors auf ein Luftverhältnis von λ = 1,1 erzeugt werden, wobei andere motorische Maßnahmen wie die Verstellung des Zündzeitpunktes, die Reduzierung der Abgasrückführrate und/oder die Verstellung des Einspritzbeginns durch eine Motorsteuerung eingeleitet werden können.
Die Erzeugung von Ammoniak kann beispielsweise durch die Nutzung von im Magerbetrieb in viel größerer Menge als im fetten Betrieb anfallenden Stickoxiden erfolgen, welche zwischengespeichert werden, und in einer jeweiligen Phase mit fetter Verbrennungsführung eine entsprechende Ammoniakmenge erzeugen können. Diese Ammoniakmenge wird dann zwischengespeichert und dann zur effektiven Stickoxidreduktion in einer darauffolgenden Magerbetriebsphase zur Verfügung stehen, wobei auch ein Stickoxidreduktionsmittel beispielsweise von Außen zugegeben werden kann, um im Abgas enthaltene Stickoxide zu Stickstoff zu reduzieren. Es ist auch denkbar, daß ein Drei-Wege-Katalysator zur Erzeugung von Ammoniak verwendet wird.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Abgasreinigungsanlage mit einem NOx- Speicherkatalysator, einem SCR-Katalysator, einem Motor und einer Motorsteuerung.
Fig. 2 eine graphische Darstellung vom Verlauf eines Ammoniakspeichervermögens in einem SCR-Katalysator in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur.
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb des in Fig. 1 gezeigten SCR-Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden.
Fig. 4 eine graphische Darstellung vom Verlauf des Stickoxidgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Luftverhältnis λ.
Fig. 5 eine graphische Darstellung vom Verlauf des Stickoxidgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt.
Fig. 6 eine graphische Darstellung vom Verlauf des Stickoxidgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Abgasrückführung.
Fig. 1 zeigt eine Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine 1 mit einem mit einem NOx- Speicherkatalysator 2, einem SCR-Katalysator 3, und einer Motorsteuerung 4. Es sind ein Lambda-Sensor 5 vor dem NOx- Speicherkatalysator 2, ein NOx- bzw. NH3-Sensor 6 vor dem SCR- Katalysator 3, ein Temperatursensor 7 und ein weiterer NH3- Sensor 8 im SCR-Katalysator 3 angeordnet.
In der Abgasleitung 9 können weitere Komponenten zur Abgasnachbehandlung angebracht sein.
Die erfindungsgemässe Ausführung sieht vor, daß der SCR- Katalysator 3 in einer Beladungsphase mit NH3 beladen wird.
Dabei wird eine bestimmte NH3-Menge in Abhängigkeit von der SCR-Katalysatortemperatur adsorbiert.
Um im Katalysatorbett des SCR-Katalysator 3 eine hohe NH3- Konzentration in einem Magerbetrieb herzustellen, wird der Motor von Zeit zu Zeit bei einem Luftverhältnis von λ < 1 betrieben, um im NOx-Speicherkatalysator 2 Ammoniak (NH3) zu erzeugen. Die dabei erzeugte NH3-Menge wird dann im SCR- Katalysator 3 zwischengespeichert und steht dann im Magerbetrieb zur Reduktion von Stickoxiden nach folgenden Gleichungen zur Verfügung:
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O
4NH3 + 2NO + 2NO2 → 4N2 + 6H2O
Da die NH3-Speicherfähigkeit im SCR-Katalysator 3 von der Katalysatortemperatur abhängig ist, nimmt das Speichervermögen des SCR-Katalysators bei zunehmender Temperatur ab. Bei einem Lastsprung im Motor 1, der eine Abgastemperaturzunahme bewirkt, erhöht sich die Temperatur des SCR-Katalysators 3, womit sich das Speichervermögen verringert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung vom Verlauf des Ammoniakspeichervermögens in einem üblichen SCR-Katalysator 3 in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur, wobei anderes Speichervermögen denkbar wäre. Der Verlauf zeigt, daß eine bestimmte Menge an NH3 bei einer Temperaturveränderung von T1 auf T2 nicht mehr im SCR-Katalysator 3 gehalten werden kann, was dazu führt, daß eine überschüssige NH3-Menge frei in die Umwelt gelangen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, beruht auf der Erfassung der SCR- Katalysatortemperatur T1, der gespeicherten NH3-Menge (hier als SCRL bezeichnet) mittels Messung oder Modellierung und dem zu erwartenden Temperaturanstieg. Die nach einem Lastsprung zu erwartende Temperatursteigerung ΔT wird durch die Motorsteuerung 4 kalkuliert. Daraus wird die bei der zu erwartenden Temperatur T2 speicherbare NH3-Menge m2 anhand einer in der Motorsteuerung gespeicherten Kennlinie berechnet (siehe Fig. 2).
Ist die aktuelle im SCR-Katalysator 3 vorhandene NH3-Menge SCRL größer als die speicherbare NH3-Menge m2, so wird vorzugsweise eine motorische Maßnahme eingeleitet, um die NOx-Konzentration im Abgas zu erhöhen, so daß der überschüssige Teil an NH3 (hier als Δm bezeichnet) verbraucht wird, bevor dieser frei in die Umwelt gelangt.
Es ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die im SCR- Katalysator 3 überschüssig noch gespeicherte NH3-Menge Δm weitgehend durch eine Reaktion mit Stickoxiden rechtzeitig vor der zu erwartenden Temperatursteigerung aufgebraucht wird.
Dabei soll die im SCR-Katalysator 3 gespeicherte Menge an NH3 überwacht, und durch eine vom Motor 1 produzierte NOx-Menge die überschüssige NH3-Menge rasch abgebaut werden, so daß die damit rechtzeitig initiierte Entleerung des SCR-Katalysators 3 die überschüssige NH3-Menge Δm daran hindert, in die Umwelt frei zu gelangen.
Die NH3-Menge im SCR-Katalysator 3 wird durch einen an bestimmter Stelle im hinteren Bereich des Katalysators plazierten Sensor 8 in einer Weise aufgenommen, dass die Motorsteuerung 4 des Motors 1 die Beladungsmasse erfasst.
Erfindungsgemäß wird der Sensor 6 zur Ermittlung der NOx- Konzentration im Abgas derart eingesetzt, dass er mit Abgas vor dem SCR-Katalysator 3 beaufschlagt wird. Als Signal werden die im Abgas vorliegenden NOx-Konzentrationen ermittelt, und daraus durch die Motorsteuerung 4 die im SCR-Katalysator 3 noch vorhandenen NH3-Mengen berechnet.
Nach Detektion der vorliegenden NH3-Menge durch die Sensoren 6 und 8 kann die Motorsteuerung 4 die NH3-Menge im SCR- Katalysator 3 derart überwachen, daß die Abnahme bzw. Zunahme der NH3-Menge über die Zeit unter Berücksichtigung der dem SCR- Katalysator 3 vom Motor zugeführten NOx-Menge erfaßt werden.
In Fig. 4 ist der Verlauf des Stickoxidgehalts im Abgas des Motors 1 in Abhängigkeit von λ graphisch dargestellt. Daraus ist zu erkennen, daß durch die Regelung des Motors 1 auf ein Luftverhältnis von λ = 1,1 eine zusätzlich erzeugte Stickoxidmenge im Abgas des Motors 1 erfolgen kann.
Eine weitere motorische Maßnahme zur Erzeugung von zusätzlichen Stickoxiden ist die Verstellung des Zündzeitpunktes des Motors 1 durch die Motorsteuerung 4. Fig. 5 verdeutlicht in einer graphischen Darstellung den Verlauf des Stickoxidgehalts im Abgas des Motors 1 in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt.
Die Reduzierung der Abgasrückführung führt des Weiteren zu einer Erhöhung des Stickoxidgehalts im Abgas. Fig. 6 zeigt in einer graphischen Darstellung, wie der Stickoxidgehalt im Abgas von der Abgasrückführung abhängt. Darüber hinaus kann auch eine Verstellung des Einspritzbeginns oder des Einspritzdruckes durch die Motorsteuerung 4 zur Erhöhung des Stickoxidgehalts im Abgas führen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betrieb eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei eine Katalysatortemperatur und eine im Katalysator gespeicherte Reduktionsmittelmenge überwacht werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zu erwartenden Temperaturanstieg im Katalysator eine bei der zu erwartenden Temperatur im Katalysator speicherbare Reduktionsmittelmenge ermittelt wird, und daß bei Vorliegen eines nicht speicherbaren Reduktionsmittel­ überschusses (Δm) infolge des Temperaturanstieges der Reduktionsmittelüberschuß (Δm)verbraucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrauch des nicht speicherbaren Reduktionsmittel­ überschusses (Δm) durch eine zusätzliche Menge an Stickoxiden im Abgas erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlich zum Verbrauch des speicherbaren Reduktionsmittelüberschusses (Δm) benötigte Stickoxidmenge durch motorische Maßnahmen erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Katalysator gespeicherte Reduktionsmittelmenge und die Katalysatortemperatur mittels Sensoren überwacht werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Ammoniak ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ammoniak aus Harnstoff gebildet wird.
7. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ammoniak in einem NH3-erzeugenden Katalysator gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stickoxidmenge im Abgas zum Verbrauch des nicht speicherbaren Reduktionsmittelüberschusses (Δm) durch die Regelung des Motors auf ein Luftverhältnis von λ = 1,1 erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stickoxidmenge im Abgas zum Verbrauch des nicht speicherbaren Reduktionsmittelüberschusses (Δm) durch Verstellung des Zündzeitpunktes erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stickoxidmenge im Abgas zum Verbrauch des nicht speicherbaren Reduktionsmittelüberschusses (Δm) durch Reduzierung der Abgasrückführung erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stickoxidmenge im Abgas zum Verbrauch des nicht speicherbaren Reduktionsmittelüberschusses (Δm) durch die Verstellung des Einspritzbeginns oder des Einspritzdruckes des Kraftstoffes erzeugt wird.
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