DE10150267A1 - Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators im Abgastrakt eines Ottomotors, bei dem dem SCR-Katalysator zur Stickoxidkonvertierung im Abgas ein Reduktionsmittel in Form von unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid zugeführt wird. Aufgabe ist es, ein optimiertes Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators zu schaffen, bei dem die zur Stickoxidkonvertierung erforderliche Reduktionsmittelmenge an Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid stets in ausreichender Menge ohne zusätzliche Reduktionsmittelspeicher oder Reduktionsmitteldosiereinrichtungen zur Verfügung gestellt wird. Erfindungsgemäß wird als erforderliches Reduktionsmittel Kohlenwasserstoff oder Kohlenmonoxid intern durch unterschiedliche Betriebsarten eines oder mehrerer Zylinder des Ottomotors erzeugt und dem Abgas zugeleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalysators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem dem SCR-Katalysator zur Stickoxidkonvertierung im Abgas Reduktionsmittel in Form von unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid zugeführt wird.
  • Zur Verringerung des Nox-Gehaltes im Abgas einer mit Luftüberschuss betriebenen Brennkraftmaschine ist das sogenannte Selectiv-Catalytic-Reduction Verfahren (SCR- Verfahren) bekannt. Bei diesem Verfahren wird an einer Stelle stromaufwärts eines Katalysators dem Abgas ein Reduktionsmittel, zumeist durch Einspritzen, zugeführt, durch das in einer chemischen Reaktion das im Abgas enthaltene NOx in einem sogenannten SCR-Katalysator zu N2 reduziert wird. Dieses Verfahren wird zumeist bei Dieselmotoren angewandt, wobei als Reduktionsmittel häufig Ammoniak, oder aus Gründen der Haltbarkeit wässrige Harnstofflösungen oder Harnstoff in pulverisierter Form eingesetzt werden. Es ist aber auch bekannt, Kraftstoff oder Derivate als Reduktionsmittel zu verwenden. Bei Dieselmotoren kann man dies beispielsweise dadurch realisieren, dass man in den Ausschiebetakt des Motors mittels der normalen Motor- Einspritzanlage zusätzlichen Kraftstoff direkt einspritzt oder aber vor dem vorhandenen SCR-Katalysator ein zusätzliches Einspritzventil vorsieht, durch das Dieselkraftstoff oder Harnstoff eingespritzt wird.
  • Mit der Entwicklung der Benzindirekteinspritzung am Ottomotor treten beim Strategienachweis des Euro-IV Abgasbehandlungskonzeptes auf der Basis eines Dreiwegekatalysators und Stickoxidspeichers erhebliche Probleme auf. Deshalb wird nach Alternativen zu dieser hauptsächlich für Benzinmotoren angewandten Abgasreinigungstechnik gesucht, eine davon ist die von Dieselmotoren bekannte Technik der Selectiv-Catalytic-Reduction, die nun auch für Ottomotoren in Betracht gezogen wird. Bei der Anwendung für Ottomotoren ist aber eine hinreichende Menge an Reduktionsmittel erforderlich, mit der die chemische Spaltung von NOx in den umweltneutralen Luftstickstoff (N2) und Wasser (H2O) durchführbar wird. Zwar sind beim mager betriebenen Benzinmotor, insbesondere solchen mit Direkteinspritzung, unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas vorhanden, von denen bekannt ist, dass sie als Reduktionsmittel fungieren könnten, doch sind die entsprechenden Umsatzraten herkömmlicher Motoren nach heutigem Erkenntnisstand für die geforderten Euro-IV Abgaswerte bei weitem nicht ausreichend.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das von Dieselmotoren bekannte Selectiv-Catalytic-Reduction (SCR) Verfahren zur Anwendung im Abgastrakt eines Ottomotors so zu optimieren, dass bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel in einem SCR-Katalysator die zur Stickoxidkonvertierung erforderliche Reduktionsmittelmenge stets in ausreichendem Maße zur Verfügung steht, ohne dass zusätzliche Reduktionsmittelspeicher oder Reduktionsmitteldosiereinrichtungen vorgesehen werden müssen.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zur Behandlung der Abgase eines mehrzylindrischen Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung das für die Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion erforderliche Reduktionsmittel Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid intern durch unterschiedliche Betriebsarten eines oder mehrerer Zylinder des Ottomotors zu erzeugen und dem Abgas zuzuleiten.
  • Bekanntlich lässt sich der Arbeitsmodus einer Verbrennungskraftmaschine anhand des sogenannten Lambdawertes charakterisieren, der die stöchiometrischen Verhältnisse von Sauerstoff zu einem Kraftstoff widerspiegelt. Liegt Sauerstoff im Überschuss vor, so befindet sich die Verbrennungskraftmaschine im sogenannten mageren Arbeitsmodus, der eigentlich zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs angestrebt wird. Überwiegt der Kraftstoff, und ist der Lambdawert λ < 1, so liegt ein fetter Arbeitsmodus vor, bei dem reduzierende Gaskomponenten entstehen, die mit Sauerstoff oxidierbar sind. Vor allem finden sich im Abgas einer im "fetten Arbeitsmodus" betriebenen Brennkraftmaschine unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die als Reduktionsmittel für das NOx fungieren können, was man bei herkömmlichen Abgassystemen auch nutzt. Diese bekannten Abhängigkeiten nutzt die vorliegende Erfindung ebenfalls, indem sie im Motor eines mehrzylindrischen Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung und mit SCR-Katalysator bewusst unverbrannte Kohlenwasserstoffe dadurch erzeugt, dass von den im Magerbetrieb gefahrenen Zylindern mindestens einer der Zylinder so eingestellt wird, dass ein Lambdawert λ < 1 zu verzeichnen ist. Auf diese Weise gelangen - ohne zusätzliche Maßnahmen - unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrom der, ansonsten im geschichteten mageren Arbeitsmodus mit sehr gutem Wirkungsgrad betriebenen, Zylinder des Motors, wodurch ohne weitere Hilfsmittel eine im Motor selbst erzeugte ausreichende Reduktionsmittelmenge für die Entstickung des Abgases in dem SCR-Katalysator zur Verfügung gestellt wird. Vorzugsweise könnten im Rahmen der Erfindung bei einem Vierzylindermotor drei Zylinder "mager" betrieben werden, der vierte Zylinder jedoch "fett" mit λ < 1.
  • Da wie oben ausgeführt, Sauerstoff in einem Überschuss vorliegt, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine im sogenannten mageren Arbeitsmodus befindet, kann dieser Sauerstoffüberschuss nach einem weiteren Merkmal der Erfindung verwendet werden, um die beim SCR-Verfahren unverbrauchten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in einem, der selektiven katalytischen Reduktion nachgeschalteten, Oxidationsprozess aufzuoxidieren, wobei der benötigte Sauerstoff in dem Abgas der mager betriebenen Zylinder zur Verfügung gestellt wird. Für diesen Verfahrensschritt kann zum Beispiel dem SCR-Katalysator ein Dreiwegekatalysator nachgeschaltet werden, um - in bekannter Weise - die unverbrauchten Kohlenwasserstoffe aufzuoxidieren.
  • Die Erfindung ist besonders deshalb vorteilhaft, weil bei nur geringfügiger Steigerung des Kraftstoffverbrauches eine erhebliche Verbesserung der Stickoxidumsetzung zu erwarten ist. Im Vergleich zu einem bekannten Abgassystem, bestehend aus Dreiwegekatalysator und einem nachgeschalteten Stickoxidspeicher, sind bei der Erfindung deutlich niedrigere Stickoxidemissionen und ein günstigerer Kraftstoffverbrauch zu verzeichnen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die geringere Empfindlichkeit des verwendeten SCR-Katalysators gegenüber Schwefel im Kraftstoff; denn im Diesel, wo der SCR-Katalysator überwiegend verwendet wird, liegt der Schwefelgehalt bis zum Faktor 10 höher.
  • Vergleicht man die Erfindung mit der vorstehend erwähnten, bei Dieselmotoren mit SCR-Anwendung üblichen Kraftstoff-Nacheinspritzung, so ist als weiterer Vorteil der Erfindung festzustellen, dass die zur Erzeugung des Reduktionsmittels intern direkt im Motor eingesetzte Energie mindestens teilweise in Antriebsenergie umgesetzt werden kann.
  • Da das bekannte Selectiv-Catalytic-Reduction Verfahren primär für Dieselmotoren angewendet wurde, lag bei der Ausgestaltung der SCR-Katalysatoren der Schwerpunkt auf der Stickoxidumwandlung mittels Kohlenwasserstoffen und Harnstoff. Eine optimierte Beschichtung des SCR- Katalysators hin zu einer Verbesserung der relativ schwachen Nutzung von Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel würde das Anwendungspotential bei Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung zusätzlich enorm verbessern.

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb eines SCR-Katalyators im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, bei dem dem SCR- Katalysator zur Stickoxidkonvertierung im Abgas Reduktionsmittel in Form von unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Behandlung der Abgase eines mehrzylindrischen Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung das für die Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion erforderliche Reduktionsmittel Kohlenwasserstoff oder Kohlenmonoxid intern durch unterschiedliche Betriebsarten eines oder mehrerer Zylinder des Ottomotors erzeugt und dem Abgas zugeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der geschichtet mager betriebenen Zylinder des Ottomotors zur Erzeugung einer für die Entstickung ausreichenden Reduktionsmittelmenge mit einem fetten Arbeitsmodus (λ < 1) betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass unverbrauchte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in einem der selektiven katalytischen Reduktion nachgeschalteten Oxidationsprozess aufoxidiert werden, wozu der benötigte Sauerstoff dem Abgas der mager betriebenen Zylinder entnommen wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4310962C1 (de) * 1993-04-03 1994-02-10 Mtu Friedrichshafen Gmbh Gemeinsame Abgasanlage für mehrere Brennkraftmaschinen mit Entstickung des Abgases durch selektive katalytische Reduktion
EP0621400A1 (de) * 1993-04-23 1994-10-26 Mercedes-Benz Ag Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Reduzierung von Stickoxiden
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