DE10148915A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasreinigung bei Dieselmotoren - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Abgasreinigung bei Dieselmotoren

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Abstract

Einer CRT-Partikelminderungsvorrichtung einer Dieselbrennkraftmaschine wird ein NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltet, der jedoch kein oder nur geringe Mengen Rhodium sondern als Edelmetall nur Platin und gegebenenfalls Palladium enthält. Stromab der CRT-Partikelminderungsvorrichtung ist ein nachgeschalteter Katalysator, vorzugsweise ein NOx-Speicherkatalysator, angeordnet, der zumindest Rhodium enthält, aber zusätzlich noch Platin und/oder Palladium enthalten kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reduzieren von schädlichen Bestandteilen im Abgas bzw. zur Reinigung des Abgases einer Dieselbrennkraftmaschine mir einer CRT-Partikelminderungsvorrichtung mit nachgeschaltetem NOx- Speicherkatalysator.
  • Zur Erfüllung der immer strenger werdenden Abgasvorschriften ist bei Dieselmotoren eine Abgasnachbehandlung von den bei der Verbrennung entstehenden Stickoxiden NOx sowie emittierten Partikeln besonders wichtig. Andere Abgasbestandteile wie HC und CO können in bekannter Weise durch Oxidationskatalysatoren gemindert werden. Allerdings ist im mageren Abgas eine Reduktion von NOx mit hohem Wirkungsgrad nicht möglich; es können allenfalls geringe NOx-Umsatzraten bis ca. 25% im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) über selektiv mit HC als Reduktionsmittel arbeitende DeNOx-Katalysatoren erreicht werden.
  • NOx-Speicherkatalysatoren haben bei Dieselfahrzeugen im NEFZ bereits NOx- Minderungsraten bis > 70% gezeigt, so daß zur Erfüllung strenger Abgasvorschriften eine NOX-Abgasnachbehandlung mit NOx-Speicherkatalysator sinnvoll und notwendig ist. Mit NOx-Speicherkatalysatoren allein ist jedoch keine Minderung der Partikelemissionen der Dieselbrennkraftmaschine möglich.
  • Zur Partikelminderung können Partikelfilter eingesetzt werden, die Partikel aus dem Abgasstrom zurückhalten und bei Erwärmung auf eine Mindest-Abbrandtemperatur die Partikel weitestgehend in gasförminge Komponenten (CO2, H2O) durch Abbrand umwandeln. Da die Abbrandtemperatur mit ca. 550°C sehr hoch liegt und im üblichen Dieselfahrbetrieb, insbesondere bei aufgeladenen Motoren, allenfalls bei schneller Autobahnfahrt erreicht wird, kann durch Additivzugabe (z. B. auf Eisen- oder Cer-Basis) die Abbrandtemperatur auf ca. 300°C gesenkt werden.
  • Alternativ können kontinuierlich arbeitende Partikelminderungsvorrichtungen eingesetzt werden, wie beispielsweise das CRT-System (continuous regenerating trap). Dabei werden die vom Motor emittierten Partikel ebenfalls in einer geeigneten Vorrichtung zurückgehalten.
  • Es wird jedoch keine dauerhafte Speicherung angestrebt, die "Filterung" soll lediglich die Verweilzeit in der Reinigungsvorrichtung erhöhen. Zur Partikelminderung werden die vom Motor emittierten Stickoxide NOx ausgenutzt. Die NO-Rohemissionen (das sind 95% der vom Motor emittierten NOx) werden zunächst an einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator zu NO2 aufoxidiert. An der nachgeschalteten Partikelrückhaltevorrichtung wirkt NO2 als starkes Oxidationsmittel und oxidiert die Partikel durch Abgabe eines Sauerstoffatoms zu weitgehend CO2 und H2O. Stromab des CRT- Systems liegt somit wieder NO vor. Beide Komponenten (NO-Oxidation und Partikelminderung) können in bekannter Weise auch mit einem Bauteil durchgeführt werden.
  • Nachteilig bei diesem System ist, daß zur Gewährleistung einer effizienten Partikelminderung stets ein minimales Verhältnis von NOx zu Partikeln vorliegen muß. Da NOx vom CRT-System nahezu nicht konvertiert wird, ist für strenge Abgasvorschriften eine NOx-Abgasnachbehandlung erforderlich.
  • Bekannt ist aus EP-A-0 758 713 die Kombination eines Partikelfilters oder CRT-Systems mit einem NOx-Speicherkatalysator, wobei der NOx-Speicherkatalysator dem Partikelfilter/CRT- System nachgeschaltet ist. Nachteilig insbesondere bei der Kombination CRT + NOx- Speicherkatalysator ist, daß die vom Motor emittierten NOx nicht in idealer Weise eine Partikelminderung durchführen können, da auch das CRT-System auf eine Mindesttemperatur (ca. 230°C) angewiesen ist. Erfolgt beispielsweise nach einer Leerlaufphase eine Beschleunigung mit resultierend hohen NOx-Rohemissionen, wird bei zu kaltem CRT-System die Reinigungswirkung des NOx nicht oder nur teilweise ausgenutzt. Es erfolgt zwar eine Speicherung des NOx im stromab liegenden NOx-Speicherkatalysator, so daß zumindest hinsichtlich NOx eine befriedigende Emissionsminderung erreicht wird, aber insbesondere im Stadtverkehr kann eine suboptimale Partikelminderung nicht ausgeschlossen werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der Partikelminderung gegenüber dem Stand der Technik ohne nennenswerte Einbußen bei der NOx-Minderung anzuheben.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird der CRT-Partikelminderungsvorrichtung ein NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltet, der jedoch entweder kein Rhodium oder nur geringe Mengen an Rhodium enthält. Mit anderen Worten, der vorgeschaltete NOx-Speicherkatalysator enthält als Edelmetall im wesentlichen Platin und gegebenenfalls Palladium. Geringe Mengen an Rhodium bedeutet hier, daß der Rhodiumanteil kleiner 0,18 g/l (Gramm/Liter) bzw. 5 g/ft3 (Gramm/Kubikfuß), vorzugsweise kleiner 0,108 g/l bzw. 3 g/ft3 und insbesondere kleiner 0,036 g/l bzw. 1 g/ft3 ist. Stromab der CRT-Partikelminderungsvorrichtung ist ein nachgeschalteter Katalysator, vorzugsweise ein NOx-Speicherkatalysator, angeordnet, der zumindest Rhodium enthält, aber zusätzlich noch Platin und/oder Palladium enthalten kann. Vorzugsweise ist dem vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung wird zunächst im üblichen Magerbetrieb gefahren. Dabei werden die Stickoxide im NOx-Speicherkatalysator zurückgehalten und die Partikel in der CRT-Partikelminderungsvorrichtung. Ein Partikelabbrand erfolgt, wenn die Mindesttemperatur der CRT-Partikelminderungsvorrichtung erreicht oder überschritten wird. Falls dann hinreichend hohe NOx-Rohemissionen auftreten (z. B. in einer Beschleunigungsphase) und/oder eine vorgebbare Mindest-NOx-Masse im NOx-Speicherkatalysator eingelagert ist, wird der Motor, mit Lambda kleiner oder gleich 1,01 betrieben. Die im NOx-Speicherkatalysator vorliegenden Nitrate werden unter Abgabe von NO2 in Carbonate umgewandelt. Das herausgelöste NO2 kann jedoch wegen des fehlenden Rhodiums nicht zu N2 reduziert werden und gelangt in die CRT- Partikelminderungsvorrichtung. Dort wird die Partikelumsetzung durchgeführt. Stromab der CRT-Partikelminderungsvorrichtung wird das NO an dem Rhodium-haltigen Katalysator wegen der Abgaszusammensetzung mit Lambda ≤ 1,01 zumindest weitgehend zu N2 umgesetzt.
  • Mit dieser Vorgehensweise kann das vom Motor bereitgestellte NOx gegenüber dem Stand der Technik besser zur Partikelminderung ausgenutzt werden.
  • Der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen zwei Eigenschaften des NOx-Speicherkatalysators zugrunde, nämlich:
    Zur NOx-Regeneration ist ein hohes Reduktionsmittelangebot bei geringem Sauerstoffgehalt im Abgas erforderlich. Je höher der Sauerstoffgehalt und je geringer das Reduktionsmittelangebot im Abgas während der NOx-Regeneration ist, um so höher ist der Anteil an gespeichertem NOx, der zwar durch Nitratzerfall aus dem NOx-Speicherkatalysator herausgelöst wird, jedoch nicht umgesetzt werden kann, so daß er unkonvertiert, überwiegend als NO2 den NOx-Speicherkatalysator wieder verläßt.
  • Ferner ist zur NOx-Einlagerung Platin (und ggf. Palladium) als Oxidationskatalysator für die NO → NO2 Oxidation erforderlich. Für die Reduktion der aus der Speicherkomponente herausgelösten Nitrate ist hingegen Rhodium erforderlich.
  • Vorzugsweise kann der Motor, beispielsweise durch AGR-Anpassung (AGR: Abgasrückführung), vorzugsweise AGR-Ratenabsenkung, in Richtung niedriger Partikelrohemissionen bei höheren NOx-Rohemissionen vertrimmt werden, so daß bei überstöchiometrischem NO2-Angebot die Partikelminderung nochmals verbessert wird.
  • Ebenso ist denkbar, die Rückhaltewirkung der CRT-Partikelminderungsvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen, um den Partikelabbrand in größeren Abständen durchführen zu können. Dazu sind beispielsweise die bekannten Wickelfilterelemente, Sintermetallfilter oder andere poröse Vorrichtungen geeignet.
  • Für eine Regelung des vorstehend beschriebenen Systems ist die Kenntnis der Temperatur der CRT-Partikelminderungsvorrichtung wichtig. Diese Temperatur kann über geeignete Modelle oder durch Messung der Vorrichtungstemperatur bzw. der Abgastemperatur vor der CRT-Partikelminderungsvorrichtung ermittelt werden.
  • Eine möglichst genaue Überwachung der Abgaszusammensetzung während des Partikelabbrandes ist ebenfalls vorteilhaft, um einen optimalen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu bewirken. Ideal ist ein Lambda des Abgases stromauf des NOx-Speicherkatalysators von 0,95 bis 1,01, vorzugsweise 0,99 bis 1,005. Die Überwachung kann über die Berechnung geeigneter Füllungsmodelle erfolgen. Es ist jedoch möglich, eine Breitband- oder Sprungantwort-Lambdasonde stromauf des NOx- Speicherkatalysators anzuordnen, wobei sie auch vor einem optional vorgeschalteten Oxidationskatalysator angeordnet sein kann. Eine weitere Breitband- oder Sprungantwort- Lambdasonde oder ein NOx-Sensor kann hinter dem NOx-Speicherkatalysator stromauf der CRT-Partikelminderungsvorrichtung angeordnet werden, um in bekannter Weise das NOx- Regenerationsende zu ermitteln, wobei auch hier eine Modellierung des NOx-Speicher- Regenerationsverhaltens möglich ist. Mit dem NOx-Sensor kann in bekannter Weise durch Messung des NOx-Durchbruchs auch eine notwendige NOx-Regeneration exakter bestimmt werden. Eine weitere Breitband- oder Sprungantwort-Lambdasonde oder ein NOx-Sensor kann alternativ oder zusätzlich hinter dem Rhodium-haltigen Katalysator angeordnet werden; ebenfalls mit der Aufgabe, das NOx-Regenerationsende zu ermitteln, eine NOx- Regeneration einzuleiten oder auch, um die Abgaszusammensetzung während des Partikelabbrandes zu regeln.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur erläutert, die eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung für eine Dieselbrennkraftmaschine in schematischer Darstellung zeigt.
  • Eine Dieselbrennkraftmaschine 1 weist eine nachgeschaltete Abgasreinigungsvorrichtung 2 auf, die eine CRT-Partikelminderungsvorrichtung 3 beinhaltet. Der CRT- Partikelminderungsvorrichtung 3 ist ein NOx-Speicherkatalysator 4 vorgeschaltet, der kein oder nur geringe Mengen an Rhodium als Katalyt, sondern nur oder im wesentlichen Platin und gegebenenfalls Palladium enthält. Der Partikelminderungsvorrichtung 3 ist weiterhin ein Katalysator 5 nachgeschaltet, der zumindest Rhodium als Katalyt aufweist. Ferner kann vor dem vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator 4 ohne Rhodium ein Oxidationskatalysator angeordnet werden. Zur Überwachung von Temperatur und Abgasparametern in der Abgasreinigungsvorrichtung 2 sind ein Temperatursensor 7 vor der Partikelminderungsvorrichtung, ein Lambda-Sensor 10 vor dem vorgeschalteten NOx- Speicherkatalysator 4, ein NOx-Sensor bzw. eine Lambdasonde 8 nach dem vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator 4 und ein NOx-Sensor bzw. eine Lambdasonde 9 nach dem nachgeschalteten Katalysator 5 angeordnet. Bezugszeichenliste 1 Dieselbrennkraftmaschine
    2 Abgasreinigungsvorrichtung
    3 CRT-Partikelminderungsvorrichtung
    4 vorgeschalteter NOx-Speicherkatalysator ohne Rh
    5 nachgeschalteter Katalysator mit Rh
    6 vorgeschalteter Oxidationskatalysator
    7 Temperatursensor
    8 NOx-Sensor oder Lambdasonde
    9 NOx-Sensor oder Lambdasonde
    10 Lambdasonde

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Dieselbrennkraftmaschine mit einer Reinigungsvorrichtung (2), die eine CRT-Partikelminderungsvorrichtung (3) mit nachgeschaltetem Katalysator (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in Abgasströmungsrichtung vor der CRT-Partikelminderungsvorrichtung (3) ein NOx- Speicherkatalysator (4) geschaltet ist, dessen Katalyt kein oder nur geringe Mengen Rhodium enthält, wobei der nachgeschaltete Katalysator (5) zumindest Rhodium als Katalyt enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Rhodium im NOx-Speicherkatalysator kleiner als 0,18 g/l (5 g/ft3), vorzugsweise kleiner als 0,108 g/l, (3 g/ft3) und insbesondere kleiner als 0,036 g/l, (1 g/ft3) ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeschaltete Katalysator (5) ein NOx-Speicherkatalysator ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeschaltete NOx-Speicherkatalysator (4) Platin als Katalyt aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeschaltete NOx- Speicherkatalysator (4) weiterhin Palladium als Katalyt aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeschaltete Katalysator (5) neben Rhodium als Katalyt weiterhin Platin und/oder Palladium aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator (4) ein Oxidationskatalysator (6) vorgeschaltet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem vorgeschalteten und/oder dem nachgeschalteten Katalysator (4, 5) eine Breitband-Lambdasonde, eine Sprungantwort-Lambdasonde oder ein NOx-Sensor (8, 9) angeordnet ist, um einen Regenerationsbeginn und/oder ein Regenerationsende des jeweiligen Katalysators (4, 5) zu erkennen.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf des vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysators (34) eine Lambdasonde (10), insbesondere eine Breitband-Lambdasonde oder eine Sprungantwort- Lambdasonde, angeordnet ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Betreiben der Dieselbrennkraftmaschine (1) im Magerbetrieb, wodurch die Stickoxide im vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator (4) und die emittierten Partikel in der CRT- Partikelminderungsvorrichtung (3) zurückgehalten werden,
Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Mindesttemperatur der CRT- Partikelminderungsvorrichtung (3),
Betreiben der Dieselbrennkraftmaschine (1) mit λ ≤ 1,01, wenn entweder ausreichend hohe NOx-Rohemissionen auftreten oder eine vorgegebene Masse an NOx im vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator (4) eingelagert ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der CRT- Partikelminderungsvorrichtung (3) durch ein Modell berechnet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der CRT-Partikelminderungsvorrichtung (3) durch Messung der CRT- Partikelminderungsvorrichtung (3) selbst oder der Abgastemperatur vor der CRT- Partikelminderungsvorrichtung (3) bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß während des Partikelabbrandes in der CRT-Partikelminderungsvorrichtung (3) der Lambdawert des Abgases vor dem vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator (4) in einem Bereich von 0,95 bis 1,01, insbesondere in einem Bereich von 0,99 bis 1,005 liegt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dieselbrennkraftmaschine (1) in Richtung niedriger Partikelrohemission bei höherer NOx-Rohemission vertrimmt wird, insbesondere durch eine AGR-Anpassung.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die AGR-Anpassung durch eine Absenkung der AGR-Raten bewirkt wird.
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