DE10049119A1 - Abgasreinigungsanlage mit Schwefelfalle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Verbrennungseinrichtung mit vorgegebener Soll-Lebensdauer und/oder vorgegebenen Wartungsintervallen, wobei die Abgasreinigungsanlage einen Stickoxid-Speicherkatalysator und eine diesem vorgeschaltete Schwefelfalle aufweist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist die Schwefelspeicherkapazität der Schwefelfalle in Abhängigkeit von einer angenommenen Schwefelrate im zu reinigenden Abgas und der vorgegebenen Soll-Lebensdauer oder Wartungsintervalle der Verbrennungseinrichtung mindestens so groß gewählt wie die während der Soll-Lebensdauer oder eines Wartungsintervalls der Verbrennungseinrichtung gemäß der angenommenen Schwefelrate anfallende Schwefelmenge. DOLLAR A Verwendung z. B. in Automobilen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage mit einem Stickoxid-Speicherkatalysator und einer diesem vorge­ schalteten Schwefelfalle zur Reinigung des Abgases einer Ver­ brennungseinrichtung, für die eine Soll-Lebensdauer und/oder Wartungsintervalle vorgegeben sind. Speziell kann die Ver­ brennungseinrichtung ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor sein, wobei für solche Kraftfahrzeuge üblicherweise bestimmte Wartungsintervalle vorgesehen sind, in denen sie in einer Werkstatt routinemäßig gewartet werden. Außerdem sind z. B. Au­ tomobile und vor allem deren Motoren typischerweise auf eine gewisse normale Lebensdauer bzw. Laufzeit, d. h. auf eine gewisse Soll-Lebensdauer ausgelegt, z. B. in der Größenordnung von 200.000 km.

Abgasreinigungsanlagen dieser Art sind insbesondere zur Reini­ gung des Abgases von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren ver­ schiedentlich bekannt, speziell für primär mager betriebene Verbrennungsmotoren. Der Stickoxid-Speicherkatalysator dient dazu, im Magerbetrieb Stickoxide zwischenzuspeichern, meist durch Adsorption in Nitratform. Von Zeit zu Zeit wird er in kurzen Desorptionsphasen regeneriert, in denen die zwischenge­ speicherten Stickoxide wieder freigesetzt werden, wozu geeig­ nete Desorptionsparameter eingestellt werden, z. B. eine erhöh­ te Temperatur und/oder eine fette Abgaszusammensetzung.

Bei der Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff enthält das Abgas Schwefeldioxid, das vom Katalysatormaterial des Stick­ oxid-Speicherkatalysators, üblicherweise z. B. Barium, unter Bildung eines stabilen Sulfates aufgenommen wird, was die Stickoxidspeicherfähigkeit entsprechend reduziert. Zwar könnte der Stickoxid-Speicherkatalysator durch periodisches Desulfa­ tisieren wieder von eingelagertem Schwefel befreit werden, die dazu erforderlichen, erhöhten Katalysatortemperaturen und die notwendige fette Abgaszusammensetzung lässt sich jedoch z. B. bei Dieselmotoren nicht immer oder nur mit relativ hohem Auf­ wand bedarfsgerecht erzeugen. Eine unvollständige oder nicht optimale Sulfatregeneration kann die Katalysatorwirksamkeit weiter verschlechtern. Um diese sogenannte Schwefel- oder Sul­ fatvergiftung des Stickoxid-Speicherkatalysators zu vermeiden, ist es daher bekannt, ihm die Schwefelfalle, auch SO_x-Falle be­ zeichnet, vorzuschalten, sei es als separate Baueinheit oder integriert in einen gemeinsamen Katalysatorkörper. Derartige Abgasreinigungsanlagen und typischerweise für den Stickoxid- Speicherkatalysator und die Schwefelfalle verwendete Katalysa­ tormaterialien sind z. B. in den Offenlegungsschriften DE 198 13 654 A1 und EP 0 905 354 A2 angegeben.

Herkömmlicherweise sind bei den bekannten gattungsgemäßen Ab­ gasreinigungsanlagen von Zeit zu Zeit Desulfatisierungsphasen vorgesehen, in denen der in der Schwefelfalle typischerweise als Sulfat zwischengespeicherte Schwefel wieder freigesetzt und geeignet umgesetzt wird, ohne den Stickoxid-Speicherkata­ lysator zu schädigen. Dazu werden geeignete, bekannte Desulfa­ tisierungsparameter gewählt, die unter anderem eine ausrei­ chende Temperaturanhebung und eine fette Abgaszusammensetzung über einen ausreichend langen Zeitraum beinhalten, um den sta­ biler als die Stickoxide gebundenen Schwefel zu desorbieren. Die Desulfatisierungsphasen erfolgen naturgemäß seltener als die Desorptionsphasen zur Stickoxidfreisetzung im Stickoxid- Speicherkatalysator, jedoch herkömmlicherweise in Zeitabstän­ den, die nicht größer als im Bereich bis zu einigen Betriebs­ stunden oder wenigen Tausend Kilometern Laufleistung bei Kraftfahrzeugen liegen und damit deutlich kleiner sind als ty­ pische Wartungsintervalle und die normale (Soll-)Lebensdauer der Verbrennungseinrichtung bzw. des Kraftfahrzeugs.

Die Schwefelfreisetzung bei der Desulfatisierung der Schwefel­ falle ist mit der Problematik behaftet, dass unerwünschte Schwefelverbindungen, wie SO₂ und H₂S, entstehen können und dass der freigesetzte Schwefel auch bei günstiger Verfahrens­ führung teilweise vom Stickoxid-Speicherkatalysator aufgenom­ men werden kann, wenn der Abgasstrom aus der Schwefelfalle auch während der Desulfatisierung über den Stickoxid-Speicher­ katalysator geleitet wird.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Abgasreinigungsanlage der eingangs genannten Art zugrun­ de, bei der eine Schwefelvergiftung des Stickoxid-Speicher­ katalysators mit relativ geringem Aufwand zuverlässig vermie­ den wird.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung ei­ ner Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Abgasreinigungsanlage ist die Schwefelspeicherkapa­ zität der Schwefelfalle in spezieller Weise festgelegt, und zwar abgestimmt auf die normale Lebensdauer der Verbrennungs­ einrichtung, deren Abgas gereinigt werden soll, oder auf für selbige vorgegebene Wartungsintervalle. Genauer gesagt besitzt die Schwefelfalle eine Schwefelspeicherkapazität, die mindes­ tens so groß ist wie die Schwefelmenge, die während der Soll- Lebensdauer oder innerhalb eines Wartungsintervalls, d. h. zwi­ schen zwei aufeinanderfolgenden Wartungen, insgesamt beim Be­ trieb der Verbrennungseinrichtung voraussichtlich anfällt, wenn ein Kraftstoff verwendet wird, der zu einer gewissen, an­ genommenen SO_x-Rate im zu reinigenden Abgas führt.

Durch diese spezielle Auslegung der Schwefelfalle entfällt jegliche Notwendigkeit, im normalen Betrieb der Verbrennungs­ einrichtung während deren normaler Lebensdauer oder zwischen Wartungsvorgängen Desulfatisierungsvorgänge für die Schwefel­ falle durchführen zu müssen. Bei einer Abstimmung auf die War­ tungsintervalle der Verbrennungseinrichtung genügt ein eventu­ eller Austausch oder eine Desulfatisierung der Schwefelfalle bei der jeweiligen Wartung. Bei einer Auslegung als Lebensdau­ er-Schwefelfalle kann letztere über die ganze normale Be­ triebslebensdauer der Verbrennungseinrichtung hinweg ohne De­ sulfatisierung beibehalten werden. Eine Schwefelvergiftung des Stickoxid-Speicherkatalysators im Normalbetrieb wird durch die vorgeschaltete Schwefelfalle verhindert, und durch den Wegfall von Desulfatisierungsprozessen besteht keine Gefahr, dass wäh­ rend eines solchen Desulfatisierungsvorgangs eine Schwefelver­ giftung des Stickoxid-Speicherkatalysators auftritt oder uner­ wünschte Schwefelkomponenten mit dem Abgas an die Umwelt ge­ langen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 beinhal­ tet die Schwefelfalle als Schwefelspeichermaterial ausschließ­ lich leichte, stabile Sulfate bildende Erdalkali- oder Alkali­ metalle. Dies können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Ansprüch 3 insbesondere Magnesium, Calcium, Natrium, Ka­ lium und Gemische hiervon sein.

Eine nach Anspruch 4 weitergebildete Abgasreinigungsanlage ist speziell für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor ausgelegt, der mit schwefelhaltigem Kraft­ stoff betrieben wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen veranschaulicht und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotors mit zugehöriger Abgasreinigungsanla­ ge und

Fig. 2 Diagramme zur Ermittlung der Katalysatormenge für eine in der Abgasreinigungsanlage von Fig. 1 verwendete Schwefelfalle in Abhängigkeit vom Kraftstoff-Schwefel­ gehalt und der Fahrzeuglaufleistung.

Fig. 1 zeigt lediglich schematisch einen z. B. in einem Automo­ bil als Antriebsmotor verwendbaren Verbrennungsmotor 1, z. B. einen Dieselmotor, mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage, von der nur die hier interessierenden Komponenten gezeigt sind, nämlich ein Stickoxid(NO_x)-Speicherkatalysator 2 und eine die­ sem im Abgasstrang 4 des Verbrennungsmotors 1 vorgeschaltete Schwefel- bzw. SO_x-Falle 3.

Die SO_x-Falle 3 vermeidet eine Schwefelvergiftung und eine dar­ aus resultierende Deaktivierung des NO_x-Speicherkatalysators 2, wobei sie sich durch eine vergleichsweise hohe Schwefelspei­ cherkapazität bzw. Schwefelaufnahmekapazität auszeichnet. Spe­ ziell ist die Schwefelaufnahmekapazität so groß gewählt, dass die im Abgas des Verbrennungsmotors 1 bei Verwendung üblicher, schwefelhaltiger Kraftstoffe insgesamt über eine zu erwarten­ de, angenommene Gesamtlaufzeit des damit ausgerüsteten Kraft­ fahrzeugs hinweg anfallende Schwefelmenge in der Schwefelfalle gebunden wird, d. h. die Schwefelaufnahmekapazität ist mindes­ tens so groß gewählt wie die gesamte, über die Fahrzeuglauf­ zeit zu erwartende Emissionsmenge an Schwefel im Abgas. Dies realisiert dann eine Lebensdauer-Schwefelfalle, die zum einen während der typischen Lebensdauer des Fahrzeugs nicht ausge­ tauscht zu werden braucht und zum anderen während dieser Gesamtbetriebszeit keinerlei Desulfatisierung erfordert.

Alternativ kann vorgesehen sein, die Schwefelaufnahmekapazität der Schwefelfalle 3 abgestimmt auf ein vorgegebenes, ausrei­ chend langes Wartungsintervall von bevorzugt 30.000 km oder mehr auszulegen. In diesem Fall sind über die Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg nur relativ wenige Regenerations- oder Aus­ tauschvorgänge der Schwefelfalle in Abständen dieser vorgege­ benen Wartungsintervalle erforderlich, hingegen wiederum kei­ nerlei Desulfatisierungsvorgänge im normalen Fahrzeugbetrieb.

Um das hierfür geforderte Schwefelspeichervermögen zu erzie­ len, werden als Schwefelspeichermaterial für die SO_x-Falle aus­ schließlich Verbindungen der leichteren Erdalkali- und Alkali­ metalle, die ausreichend stabile Sulfate bilden, eingesetzt, wie Carbonate oder Oxide von Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Natrium (Na) und Kalium (K) mit den Molmassen 24,3, 40, 23 bzw. 39,1. Diese Elemente besitzen eine vergleichsweise gerin­ ge Molmasse und eine relativ hohe Schwefelaffinität. Das Sul­ fat des Kaliums besitzt eine besonders hohe chemische und thermische Stabilität, so dass Kalium eine bevorzugte Schwe­ felspeicherkomponente für die SO_x-Falle darstellt.

Die Schwefelaufnahmekapazität von je 100 g der genannten Ele­ mente Mg, Ca, Na und K beträgt bezogen auf das zugehörige Sul­ fat 131,7 g, 80 g, 69,6 g bzw. 40,9 g. Bei einem typischen ange­ nommenen Schwefelgehalt von l0 ppm in üblichen Kraftstoffen ist die entsprechende Schwefelmenge in 13.170 kg, 8.000 kg, 6.960 kg bzw. 4.090 kg Kraftstoff enthalten. Unter der Annahme einer ty­ pischen Kraftstoffdichte von 0,75 kg/l und eines typischen Kraftstoffverbrauchs von 81 je 100 km kann somit die SOS-Falle 3, wenn sie 100 g an Mg, Ca, Na bzw. K enthält, den nachge­ schalteten NO_x-Speicherkatalysator während einer Fahrstrecke von ca. 220.000 km, 133.000 km, 116.000 km bzw. 68.200 km vor e­ mittiertem Schwefel schützen. Dies zeigt, dass die oben ge­ nannte Auslegung der SO_x-Falle 3 auf eine für die Gesamtlauf­ zeit des Fahrzeugs oder für wenigstens ein relativ langes War­ tungsintervall von 30.000 km oder mehr ausreichende Schwefel­ aufnahmekapazität ohne weiteres realistisch ist und kein zu großes Bauvolumen der SO_x-Falle zur Folge hat.

Im NO_x-Speicherkatalysator 2 wird ein geeignetes, herkömmliches NO_x-Speichermaterial vorgesehen, z. B. Barium. Unter den oben genannten Annahmen wäre ohne die SO_x-Falle 3 das Barium-Spei­ chermaterial mit seiner Molmasse von 137,3 nach spätestens 39.000 km Fahrstrecke durch Sulfatbildung vollständig deakti­ viert. Da erfahrungsgemäß nur ein relativ geringer Anteil des NO_x-Speichermaterials Barium tatsächlich für die NO_x-Speiche­ rung genutzt werden kann, würde bereits viel früher eine inak­ zeptable Schwefelvergiftung des NO_x-Speicherkatalysators 2 auf­ treten.

Es versteht sich aus den obigen Darlegungen anhand eines kon­ kreten Zahlenbeispiels, dass die Schwefelaufnahmekapazität der SO_x-Falle 3 an den jeweiligen Einsatzfall angepasst in Abhän­ gigkeit vom anzunehmenden Schwefelgehalt des verwendeten Kraftstoffs und vom mittleren Kraftstoffverbrauch des Verbren­ nungsmotors 1 so festgelegt wird, dass die SO_x-Falle 3 den an­ fallenden Schwefel über die gewünschte, vergleichsweise lange Dauer einer Lebensdauer- oder Wartungsintervall-Laufzeit des Fahrzeugs von 30.000 km oder mehr aufnehmen kann.

Beispielhaft sind in Fig. 2 in vier untereinanderliegenden Diagrammen die Materialmengen an Mg, Ca, Na bzw. K in Abhän­ gigkeit von der erreichbaren Fahrzeuglaufleistung für je drei verschiedene Kraftstoff-Schwefelgehalte von 10 ppm, 20 ppm bzw. 50 ppm aufgetragen. Als Berechnungsbasis wurde eine Kraftstoff­ dichte von 0,75 kg/l und ein Kraftstoffverbrauch von 81 je 100 km zugrundegelegt. Anhand der Diagramme kann dann ermittelt werden, welche Menge an Mg, Ca, Na und/oder K für die SO_x-Falle 3 benötigt wird, wenn sie ohne erforderliche Desulfatisierung über eine vorgebbare Fahrzeuglaufleistung hinweg den anfallen­ den Schwefel aufnehmen soll. Es versteht sich, dass die in den Diagrammen gezeigten Kennlinien entsprechend zu modifizieren sind, wenn eine andere Kraftstoffdichte und/oder ein anderer Kraftstoffverbrauch für den betreffenden Verbrennungsmotor 1 gelten.

In jedem Fall wird durch Verwendung der erfindungsgemäßen Ab­ gasreinigungsanlage vermieden, dass Desulfatisierungsvorgänge für die SO_x-Falle im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors z. B. in Abständen weniger Betriebsstunden oder weniger 100 oder 1.000 Betriebskilometer des Fahrzeugs durchgeführt werden müssen. Es versteht sich außerdem, dass die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage nicht nur für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, sondern für beliebige andere Verbrennungsein­ richtungen einsetzbar ist, bei denen schwefelhaltiges, von Stickoxiden zu reinigendes Abgas anfällt.

Claims (4)

1. Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Verbrennungseinrichtung (1) mit vorgegebener Soll-Lebensdauer und/oder vorgegebenen Wartungsintervallen, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors, mit
einem Stickoxid-Speicherkatalysator (2) und einer diesem vorgeschalteten Schwefelfalle (3), dadurch gekennzeichnet, dass
die Schwefelspeicherkapazität der Schwefelfalle (3) in Abhängigkeit von einer angenommenen Schwefelrate im zu reini­ genden Abgas und der vorgegebenen Soll-Lebensdauer oder War­ tungsintervalle der Verbrennungseinrichtung (1) mindestens so groß gewählt ist wie die während der Soll-Lebensdauer oder ei­ nes Wartungsintervalls der Verbrennungseinrichtung gemäß der angenommenen Schwefelrate im zu reinigenden Abgas anfallende Schwefelmenge.

2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelfalle (3) als Schwefelspeichermaterial nur leich­ te, stabile Sulfate bildende Erdalkali- oder Alkalimetalle be­ inhaltet.

3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelfalle (3) als Schwefelspeichermaterial nur Magne­ sium, Calcium, Natrium, Kalium oder ein Gemisch aus mehreren dieser Elemente beinhaltet.

4. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungseinrichtung ein Kraftfahrzeug mit Verbren­ nungsmotor (1) ist und die Schwefelspeicherkapazität der Schwefelfalle (3) in Abhängigkeit von der zu erwartenden Schwefelrate im zu reinigenden Abgas bei Verwendung eines Kraftstoffs mit bestimmten Schwefelgehalt und in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Soll-Lebensdauer oder vorgegebenen War­ tungsintervallen des Kraftfahrzeugs mindestens so groß gewählt ist wie die während der Soll-Lebensdauer oder eines Wartungs­ intervalls des Kraftfahrzeugs gemäß der zu erwartenden Schwe­ felrate anfallende Schwefelmenge.