DE10152187A1 - Abgasreinigungsanlage mit Stickoxid-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator und Verfahren zur Verminderung des Stickoxidgehalts im Abgas von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abgasreinigungsanlage mit Stickoxid-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator und Verfahren zur Verminderung des Stickoxidgehalts im Abgas von Brennkraftmaschinen

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Abstract

Es wird eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer überwiegend mager betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Abgasleitung, in der in Strömungsrichtung hintereinander ein Drei-Wege-Katalysator, ein Stickoxid-Speicherkatalysator und ein SCR-Katalysator angeordnet sind, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Abgasreinigungsanlage vorgeschlagen. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Abgasreinigungseinrichtung eine Umgehungsleitung auf, mit der aus dem Drei-Wege-Katalysator strömendes Abgas unter Umgehung des Stickoxid-Speicherkatalysators dem SCR-Katalysator zuführbar ist; für das Verfahren ist vorgesehen, dass ein Abgasteilstrom des aus dem Drei-Wege-Katalysator ausströmenden Abgases unter Umgehung des Stickoxid-Speicherkatalysators über eine Umgehungsleitung dem SCR-Katalysator zugeführt wird, wobei der Abgasteilstrom in Abhängigkeit einer Temperatur der Abgasreinigungsanlage eingestellt wird. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.
  • Aus der Offenlegungsschrift EP 0 802 315 A2 ist eine Abgasanlage bekannt, in welcher ein Stickoxid-Speicherkatalysator zwischen einem Drei-Wege-Katalysator und einem SCR-Katalysator in der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine wird dabei in einem Mager-Fett-Wechsel betrieben. In den mageren Perioden des Mager-Fett-Wechselbetriebes durchströmt das von der Brennkraftmaschine emittierte Stickoxid (NOx) den Drei-Wege-Katalysator und wird im Stickoxid-Speicherkatalysator zum größten Teil gespeichert. Ein vom Sättigungsgrad des Stickoxid-Speicherkatalysators abhängiger Teil des NOx passiert diesen, strömt in den SCR- Katalysator und wird mit Ammoniak (NH3), welches dort zuvor gespeichert wurde, zu Stickstoff (N2) umgesetzt. In den fetten Perioden des Mager-Fett-Wechselbetriebes wird das von der Brennkraftmaschine emittierte NOx im Drei-Wege-Katalysator zum größten Teil zu NH3 reduziert. Dieses NH3 reduziert ebenso wie die gleichfalls im Abgas vorhandenen anderen Reduktionsmittel (Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) oder Kohlenwasserstoffe (HC)) das im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherte NOx zu N2. Überschüssiges NH3 strömt weiter in den SCR-Katalysator und wird in diesem gespeichert. Bei einer im Mager-Fett-Wechsel betriebenen Brennkraftmaschine kann auf diese Weise das von der Brennkraftmaschine abgegebene Abgas von NOx gereinigt werden.
  • Da typischerweise die mageren Perioden der Brennkraftmaschine deutlich länger andauern als die fetten Perioden und in den mageren Perioden die Brennkraftmaschine verbrauchssparend betrieben werden kann, resultiert insgesamt ein Brennkraftmaschinenbetrieb mit geringem Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig effektiver Abgasreinigung.
  • Die beschriebene Wirkung des Stickoxid-Speicherkatalysators und des SCR-Katalysators ist allerdings auf einen materialabhängigen Temperaturbereich beschränkt. Oberhalb und unterhalb eines optimalen Temperaturbereiches (Temperaturfenster) von typischerweise 250°C bis 420°C bzw. 200°C bis 400°C für den Stickoxid-Speicherkatalysator bzw. den SCR-Katalysator sinkt deren Reinigungswirkung stark ab. Ist die Reinigungswirkung der genannten Katalysatoren insbesondere aufgrund des Überschreitens der jeweiligen Temperaturfenster nicht mehr gegeben, so muss zur Vermeidung einer erhöhten NOx-Emission die Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff- Gemisch (λ = 1) betrieben werden. Dabei wird das Abgas vom Drei-Wege-Katalysator gereinigt, der unter diesen Bedingungen auch bei erhöhten Temperaturen eine gute Reinigungswirkung besitzt. Damit gehen allerdings die mit dem Mager-Fett-Wechselbetrieb verbundenen Verbrauchsvorteile verloren. Da die Temperatur der Katalysatoren überwiegend von der Abgastemperatur bestimmt wird und diese abhängig vom Lastbereich der Brennkraftmaschine ist, ist somit bei der beschriebenen Abgasreinigungsanlage auch der verbrauchssparende Mager-Fett- Wechselbetrieb auf einen bestimmten Lastbereich der Brennkraftmaschine beschränkt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Abgasreinigungsanlage bzw. ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen eine wirksame Stickoxidverminderung in einem erweiterten Lastbereich einer überwiegend mager betriebenen Brennkraftmaschine erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
  • Erfindungsgemäß weist die Abgasreinigungseinrichtung eine Umgehungsleitung auf, mit der aus dem Drei-Wege-Katalysator strömendes Abgas unter Umgehung des Stickoxid-Speicherkatalysators dem SCR-Katalysators zuführbar ist. Als Drei-Wege- Katalysator ist hier ein Katalysator zu verstehen, der üblicherweise zur Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen eingesetzt wird, welche mit einem stöchiometrischen (λ = 1) Luft-Kraftstoffverhältnis betrieben werden. Derartige Katalysatoren katalysieren unter diesen Bedingungen sowohl die Oxidation von CO und HC als auch die Reduktion von NOx, und können daher wirkungsvoll das Abgas solcherart betriebener Brennkraftmaschinen reinigen. Bei magerem Betrieb der Brennkraftmaschine (Luft-Kraftstoffverhältnis λ > 1) resultiert ein oxidierendes Abgas, d. h. ein Abgas, welches einen Sauerstoffüberschuss aufweist. Unter diesen Bedingungen werden vom Drei- Wege-Katalysator die oxidierbaren Schadstoffe CO und HC aus dem Abgas entfernt, die Schadstoffkomponente NOx kann jedoch nicht reduziert werden. Umgekehrt resultiert bei fettem Betrieb der Brennkraftmaschine (Luft-Kraftstoffverhältnis λ < 1) ein reduzierendes Abgas, d. h. ein Abgas, welches einen Reduktionsmittelüberschuss aufweist. Unter diesen Bedingungen können vom Drei-Wege-Katalysator CO und HC aus dem Abgas nur sehr unvollständig entfernt werden, die Schadstoffkomponente NOx wird jedoch reduziert. Die Reduktionsprodukte sind hierbei N2 und/oder NH3. Als Stickoxid-Speicherkatalysator ist ein Katalysator zu verstehen, welcher bei oxidierendem Abgas Stickoxide aufnimmt und speichert, bei reduzierenden Bedingungen wieder abgibt und dabei gleichzeitig wenigstens teilweise zu N2 und/oder NH3 reduziert. Ferner ist unter einem SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction) hier wie üblich ein Katalysator zu verstehen, der in der Lage ist, unter reduzierenden Bedingungen NH3 zu speichern und unter oxidierenden Abgasbedingungen zugeführte Stickoxide mit eingespeichertem oder mit zugeführtem NH3 überwiegend zu unschädlichem N2 zu reduzieren. Stickoxid-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator dienen somit hauptsächlich der Stickoxidentfernung bei magerem Betrieb der zugehörigen Brennkraftmaschine, hier insbesondere eines direkteinspritzenden Ottomotors. Um diesen verbrauchssparenden Betrieb in einem möglichst großen Lastbereich bei gleichzeitig effektiver Stickoxidverminderung zu ermöglichen, ist daher ein optimaler Einsatz dieser Katalysatoren von besonderer Bedeutung. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Umgehungsleitung kann das aus dem Drei-Wege-Katalysator strömende Abgas bei Bedarf ganz oder teilweise um den Stickoxid-Speicherkatalysator geleitet werden, so dass dieser gar nicht oder nur teilweise mit Abgas beaufschlagt wird. Die Umgehungsleitung enthält keine Abgasreinigungskomponenten, so dass die Abgasreinigung in diesen Fällen vollständig oder teilweise vom Drei-Wege-Katalysator und dem SCR-Katalysator übernommen wird. Somit kann je nach Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine das Abgasreinigungsvermögen der dem Drei- Wege-Katalysator nachgeschalteten Katalysatoren einzeln oder zusammen in optimaler Weise ausgenutzt werden.
  • In Ausgestaltung der Erfindung ist der Anteil des durch die Umgehungsleitung strömenden Abgases an dem aus dem Drei-Wege- Katalysator strömenden Abgas in Abhängigkeit von einer Temperatur der Abgasreinigungseinrichtung einstellbar. Durch diese Maßnahme kann temperaturabhängig die nach Durchströmen des Drei-Wege-Katalysators notwendige weitere Abgasreinigung auf den Stickoxid-Speicherkatalysator und den SCR-Katalysator aufgeteilt werden. Somit kann in einem weiten Temperaturbereich bzw. Lastbereich eine optimale Abgasreinigung erzielt werden. Dabei wird die Stelle, an der die zur Steuerung der Abgasumleitung herangezogene Temperatur abgenommen wird, je nach geometrischer Konfiguration der Abgasreinigungsanlage und nach Ausführung von Stickoxid-Speicherkatalysator und SCR- Katalysator geeignet gewählt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Anteil des durch die Umgehungsleitung strömenden Abgases an dem aus dem Drei-Wege-Katalysator strömenden Abgas in Abhängigkeit von einer Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators einstellbar. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann z. B. bei Annäherung der Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators an die obere Grenze seines Temperaturfensters der damit verbundenen Verringerung seiner Reinigungswirkung Rechnung getragen werden. In diesem Fall wird der Stickoxid-Speicherkatalysator entsprechend seiner verminderten Leistungsfähigkeit mit einem verringerten Abgasstrom beaufschlagt und die Reinigungsleistung des weiter stromab angeordneten SCR-Katalysators stärker in Anspruch genommen. Vorzugsweise wird die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators durch direkte Messung an einer geeigneten Stelle ermittelt, sie kann jedoch auch aus einem Temperaturmodell durch Berechnung auf der Basis des aktuellen Brennkraftmaschinenbetriebs ermittelt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung beträgt oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes TS1 für eine Temperatur T1 des Stickoxid-Speicherkatalysators der Anteil des durch die Umgehungsleitung strömenden Abgases an dem aus dem Drei-Wege- Katalysator strömenden Abgas wenigstens annähernd 100%. Oberhalb der Schwellentemperatur TS1 wird dem Stickoxid- Speicherkatalysator somit praktisch kein Abgas mehr zugeführt, wodurch z. B. eine Überhitzung und Schädigung dieses Katalysators vermieden wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Abgasteilstrom des aus dem Drei-Wege-Katalysator ausströmendem Abgases unter Umgehung des Stickoxid-Speicherkatalysators über eine Umgehungsleitung dem SCR-Katalysator zugeführt wird, wobei der Abgasteilstrom in Abhängigkeit einer Temperatur der Abgasreinigungsanlage eingestellt wird. Durch diese erfindungsgemäße Verfahrensführung kann die Verteilung des Abgasstromes an die Temperatur in der Abgasreinigungsanlage angepasst werden und somit auf ein temperaturbedingt unterschiedliches Reinigungsvermögen von Stickoxid-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator reagiert werden. Dadurch wird insgesamt in einem erweiterten Lastbereich der Brennkraftmaschine eine verbesserte Stickoxidverminderung erreicht.
  • In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, falls eine Temperatur T1 des Stickoxid-Speicherkatalysators einen zugeordneten vorgebbaren Schwellenwert TS1 überschreitet, das aus dem Drei-Wege-Katalysator strömende Abgas vollständig oder nahezu vollständig über die Umgehungsleitung dem SCR-Katalysator zugeführt. Durch diese Maßnahme wird bei Erreichen der oberen Schwellentemperatur TS1 des Stickoxid-Speicherkatalysators dieser von der weiteren Gaszufuhr und Wärmezufuhr abgetrennt. Damit wird einerseits eine Überhitzung des Stickoxid-Speicherkatalysators vermieden, andererseits erreicht der Katalysator durch Wärmeabgabe an die Umgebung rasch wieder den Temperaturbereich seiner vollen Wirksamkeit und steht dementsprechend rasch wieder für die Abgasreinigung zur Verfügung.
  • In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, falls die Temperatur T1 des Stickoxid-Speicherkatalysators den Schwellenwert TS1 überschreitet, und eine Temperatur T2 des SCR-Katalysators eine zugeordneten vorgebbaren Schwellenwert TS2 überschreitet, die Brennkraftmaschine ausschließlich im fetten oder im stöchiometrischen Verbrennungsmodus betrieben. Mit der Beendigung des Mager-Fett- Wechselbetriebes bei hohen Abgastemperaturen entsprechend der Temperaturschwellenwerte TS1 und TS2 wird der damit verbundenen verschlechterten Reinigungswirkung des Stickoxid-Speicherkatalysators und des SCR-Katalysators und somit einem unerwünschten Anstieg der NOx-Emissionen begegnet. Mit dem Übergang in den fetten oder stöchiometrischen Verbrennungsmodus unter diesen Bedingungen wird die Abgasreinigung nahezu ausschließlich vom Drei-Wege-Katalysator übernommen, der auch bei hohen Abgastemperaturen voll wirksam ist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, falls die Temperatur T1 des Stickoxid- Speicherkatalysators den Schwellenwert TS1 überschreitet, und eine Temperatur T2 des SCR-Katalysators einen zugeordneten vorgebbaren Schwellenwert TS2 überschreitet, bei einem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine das Ansaugluftdrosselelement geöffnet und das aus dem Drei-Wege-Katalysator strömende Abgas vollständig oder nahezu vollständig dem Stickoxid-Speicherkatalysator zugeführt. Durch die Öffnung des Drosselelementes in der Ansaugleitung im Schubbetrieb wird Umgebungsluft entsprechend der aktuellen Drehzahl durch die Brennkraftmaschine durchgesetzt. Dadurch gelangt die angesaugte Frischluft mit relativ niedriger Temperatur in die Abgasreinigungsanlage und bewirkt eine Kühlung der Katalysatoren. Diese stehen daher rasch wieder für die Abgasreinigung zur Verfügung.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und zugehörigen Beispielen näher erläutert. Dabei zeigen
  • Fig. 1 ein schematisches Blockbild einer Abgasreinigungsanlage,
  • Fig. 2 ein weiteres schematisches Blockbild einer Abgasreinigungsanlage.
  • Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Abgasreinigungsanlage dient zur Reinigung des Abgases einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine, wie sie z. B. in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird und beispielsweise in Form eines direkteinspritzenden Ottomotors ausgebildet ist. Die Abgasreinigungsanlage weist in einer Abgasleitung 1 einen Drei-Wege- Katalysator 2 sowie nachgeschaltet einen Stickoxid-Speicherkatalysator 3 und einen SCR-Katalysator 4 auf. Die Katalysatoren sind vorzugsweise als Wabenkörper ausgeführt. Die Einströmrichtung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases ist durch die eingezeichnete Pfeilrichtung gekennzeichnet. Die Abgasleitung 1 weist ferner zwischen Drei-Wege- Katalysator 2 und Stickoxid-Speicherkatalysator 3 eine Abzweigung zu einer Umgehungsleitung 5 auf, welche zwischen Stickoxid-Speicherkatalysator 3 und SCR-Katalysator 4 wieder in die Abgasleitung 1 geführt ist. Mittels dieser Umgehungsleitung 5 ist somit das aus dem Drei-Wege-Katalysator 2 ausströmende Abgas unter Umgehung des Sticlcoxid-Speicherkatalysators 3 dem SCR-Katalysator 4 zuführbar. Die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 bzw. des SCR-Katalysators 4 kann durch Temperaturmessstellen, welche mit T1 bzw. mit T2 bezeichnet sind, erfasst werden. In der Abgasleitung 1 ist ferner stromab der Abzweigung ein als Drosselklappe ausgeführtes Stellorgan 6 angeordnet, welches der Drosselung des in den Stickoxid-Speicherkatalysator 3 einströmenden Abgasstromes bzw. der Verteilung des Abgasstromes auf die Umgehungsleitung 5 und die Abgasleitung 1 stromab der Abzweigung dient. Die Temperaturmessstellen T1 bzw. T2 sind dabei so angebracht, dass die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 bzw. des SCR-Katalysators 4 zuverlässig erfasst werden kann. Dies kann durch Anbringung am jeweiligen Katalysatoreintritt oder direkt im Katalysator geschehen. Die Temperaturmessstellen T1, T2 sowie das Stellorgan 6 sind über Signalleitungen mit einem hier ebenfalls nicht dargestellten Steuergerät verbunden. Im Steuergerät liegen ferner Informationen über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine vor. Durch Verknüpfung dieser Informationen mit den Werten für die erfassten Temperaturen T1, T2 wird mittels der im Steuergerät implementierten Funktionalität der Brennkraftmaschinenbetrieb und die Stellung des Stellorgans 6 beeinflusst. Insbesondere kann die Stellung der Drosselklappe 6 in Abhängigkeit der Temperaturen T1, T2 und des Betriebszustands der Brennkraftmaschine eingestellt werden. Es versteht sich, dass die Abgasreinigungsanlage weitere Bauteile, wie z. B. Abgassonden, enthalten kann, die hier nicht vorrangig von Interesse sind und aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht dargestellt sind.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt das Stellorgan bzw. die Drosselklappe 6 in voll geöffnetem Zustand. In dieser Stellung strömt das Abgas vollständig oder nahezu vollständig durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 3 und den nachgeschalteten SCR-Katalysator 4. Dies wird vorzugsweise durch eine entsprechende strömungstechnische Gestaltung der Umgehungsleitung 5 bzw. des zwischen Drei-Wege-Katalysator 2 und Stickoxid-Speicherkatalysator 3 gelegenen Abzweiges erreicht, kann aber auch durch ein zusätzliches Absperrorgan in der Umgehungsleitung 5 bewerkstelligt werden. Die gezeigte Einstellung korrespondiert mit dem normalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, in dem diese in einem Mager-Fett-Wechsel betrieben wird. Sowohl der Stickoxid-Speicherkatalysator 3 als auch der SCR-Katalysator 4 weisen dabei eine Temperatur innerhalb ihres jeweiligen Temperaturfensters auf und sind voll wirksam.
  • Typischerweise weist der Stickoxid-Speicherkatalysator 3 ein Temperaturfenster von etwa 250°C bis 420°C bzw. der SCR- Katalysator 4 ein Temperaturfenster von etwa 200°C bis 400°C auf. Da der SCR-Katalysator 4 in einiger Entfernung stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 angeordnet ist, besteht im normalen Fahrbetrieb ein gewisses Temperaturgefälle zwischen diesen Katalysatoren. Der SCR-Katalysator 4 ist somit auch dann noch voll wirksam, wenn z. B. aufgrund einer erhöhten Motorlast der Stickoxid-Speicher-Katalysators 4 die obere Grenze seines Temperaturfensters erreicht hat und deshalb keine optimale Wirksamkeit mehr besitzt.
  • Die katalytische Beschichtung des in Fig. 1 eingezeichneten Drei-Wege-Katalysator 2 kann speziell dahingehend optimiert sein, zumindest in einem gewissen λ-Bereich innerhalb der reduzierenden Bedingungen eines fetten Betriebs der Brennkraftmaschine das im Abgas vorhandene NOx chemisch hauptsächlich zu NH3 zu reduzieren. Entsprechende katalytische Beschichtungen sind dem Fachmann bekannt, und bedürfen hier deshalb keiner weiteren Erörterung. Der NOx-Speicher-Katalysator 3 ist in der üblichen Weise so ausgeführt, dass er unter den oxidierenden Bedingungen eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine 1 das im Abgas vorhandene NOx, hauptsächlich durch chemische Bindung als Nitrat an das Beschichtungsmaterial, aufnimmt und unter reduzierenden Bedingungen wieder freisetzt und zu Stickstoff und/oder NH3 umsetzt. Auch hier kann die Beschichtung dahingehend optimiert sein, dass der NH3-Anteil möglichst groß ist. Dadurch wird erreicht, dass der stromab angeordnete SCR- Katalysator 4 in den fetten Betriebsphasen ausreichend mit Nih versorgt wird. Der stromab des Stickoxid-Speicher-Katalysators 3 angeordnete SCR-Katalysator 4 ist ebenfalls in üblicher Weise ausgeführt. D. h. beispielsweise als Vollkatalysator auf Vanadiumpentoxid-Basis oder als Pt-dotierter, beschichteter zeolith-haltiger Katalysator. Als solcher besitzt er die, z. B. auch aus der Kraftwerkstechnik her bekannte Eigenschaft, bei reduzierenden Bedingungen NH3 einspeichern zu können und bei oxidierenden Bedingung dieses eingespeicherte NH3 dann als Reaktionspartner in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion unter Stickstoffbildung zur chemischen Reduktion von NOx nutzen zu können.
  • Die letztgenannte Eigenschaft wird insbesondere dazu genutzt, NOx durch die genannte selektive Reduktionsreaktion unschädlich zu machen. In der dargestellten Abgasreinigungsanlage gemäß Fig. 1 resultiert eine NOx-Zufuhr zum SCR-Katalysator 4 hauptsächlich aus der im Verlauf der NOx-Speicherung zunehmenden Erschöpfung des NOx-Speichermaterials bei Mager- Betrieb der Brennkraftmaschine (zunehmender NOx-Schlupf). Voraussetzung für die NOx-Reduktion durch den SCR-Katalysator 4 ist allerdings, dass ihm zuvor entsprechende Mengen an NH3 zur Einspeicherung zur Verfügung gestellt wurden. Dies erfolgt in den Fett-Phasen des Mager-Fett-Wechselbetriebes durch die oben erwähnte NH3-Bildung am Drei-Wege-Katalysator 2 und am Stickoxid-Speicherkatalysator 3. Je nach NH3-Bedarf kann es dabei notwendig werden, die NH3-Bildung durch eine mehr oder weniger starke Erhöhung der bei fettem Betrieb der Brennkraftmaschine üblicherweise relativ niedrigen NOx-Bildung zu vergrößern. Dies gelingt durch eine Erhöhung der Verbrennungstemperaturen im Brennraum, was wiederum z. B. durch eine Frühverstellung des Zündwinkels bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine bzw. durch eine Frühverlegung der Kraftstoffeinspritzung erzielt werden kann.
  • Ist die Stärke des NOx-Schlupfes im Mager-Betrieb der Brennkraftmaschine auf ein inakzeptables Maß angestiegen, wird der NOx-Speicher-Katalysator 3 durch Bereitstellung von Reduktionsmittel einer Nitrat-Regeneration unterzogen. Dies geschieht durch das Umsteuern der Brennkraftmaschine von Magerauf Fett-Betrieb. Solange die Temperatur von Stickoxid- Speicherkatalysator 3 und SCR-Katalysator 4 innerhalb des jeweiligen Temperaturfensters liegt, kann mit der in Fig. 1 gezeigten Betriebsvariante der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage eine effektive Entfernung von NOx aus dem Abgas der im Mager-Fett-Wechsel betriebenen Brennkraftmaschine erreicht werden.
  • Steigt die Temperatur T1 des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 beispielsweise aufgrund einer erhöhten Motorlast an, so dass dessen Wirksamkeit vermindert ist, bzw. die obere Grenze des Temperaturfensters von z. B. 420°C des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 erreicht oder überschritten wird, so wird die Drosselklappe 6 teilweise oder ganz geschlossen. Die Gaszufuhr zum Stickoxid-Speicherkatalysator 3 wird somit gedrosselt oder ganz unterbunden. Die Stärke der Drosselung erfolgt hierbei vorzugsweise gemäß einer vorprogrammierten temperaturbestimmten Abhängigkeit. Dies kann durch eine kontinuierliche oder stufenweise Änderung der durch die Drosselklappe 6 eingestellten Öffnungsweite erfolgen. Bei erhöhten Abgastemperaturen wird der Stickoxid-Speicherkatalysator 3 daher mit einem geringeren Abgasstrom beaufschlagt, so dass er trotz der erhöhten Temperatur in der Lage ist, den nun verringerten Abgasstrom von NOx zu reinigen.
  • Andererseits wird der SCR-Katalysator 4 stärker mit NOx belastet, da ihm mit steigender Temperatur T1 wegen der zunehmend weiter geschlossenen Drosselklappe 6 in zunehmendem Maße NOx-haltiges Abgas über die Umgehungsleitung 5 direkt zugeführt wird.
  • Durch die Anordnung des SCR-Katalysators 4 stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 weist dieser naturgemäß eine etwas geringere Temperatur als der Stickoxid-Speicherkatalysator 3 auf. Da zudem das über die Umgehungsleitung 5 geführte Abgas auf dieser Umgehung eine gewisse Abkühlung erfährt, besitzt der SCR-Katalysator 4 auch dann noch Betriebstemperatur, wenn die Obergrenze des Temperaturfensters des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 schon deutlich überschritten wurde. Somit ist eine gute Stickoxidverminderung bei Mager-Betrieb bzw. Mager-Fett-Wechselbetrieb in einem erweiterten Lastbereich der Brennkraftmaschine möglich.
  • Bei weiterem Anstieg der Motorlast bzw. der Abgastemperatur wird die Drosselklappe 6 schließlich vollständig geschlossen. Vorzugsweise wird dies dann durchgeführt, wenn die Temperatur T1 des NOx-Speicherkatalysators 3 eine oberen Schwellenwert TS1 von z. B. 420°C erreicht hat. Die entsprechenden Verhältnisse sind in Fig. 2 dargestellt. In diesem Betriebsmodus der Abgasreinigungsanlage ist der Mager-Betrieb bzw. Mager-Fett- Wechselbetrieb der Brennkraftmaschine noch möglich und sinnvoll, vorausgesetzt, die Temperatur T2 des SCR-Katalysators 4 ist noch innerhalb des zugehörigen Temperaturfensters. Allerdings muss nun vom SCR-Katalysator 4 allein die NOx- Entfernung aus dem Abgas bewältigt werden. Es kann deshalb vorteilhaft sein, das NH3-Angebot in den fetten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine durch eine Erhöhung der NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine mit anschließender Reduktion zu NH3 im Dreiwege-Katalysator 2 mit Hilfe der bereits beschriebenen Maßnahmen zu erhöhen.
  • Ist eine ausreichende NOx-Verminderung auf Grund zu stark angestiegener Abgastemperaturen oder zu starker Belastung des SCR-Katalysators 4 nicht mehr möglich, wird die Brennkraftmaschine auf stöchiometrischen oder leicht fetten Bereich umgeschaltet. Diese Umschaltung kann an das Erreichen eines bestimmten Last-Kennfeldbereiches der Brennkraftmaschine gekoppelt werden oder an das Auftreten bestimmter Grenzwerte für die Temperaturen T1 und T2 von Stickoxid-Speicherkatalysator 3 und SCR-Katalysator 4 gekoppelt werden. Bei Einsatz eines üblichen SCR-Katalysators wird beispielsweise bei Überschreiten des Grenzwertes von TS2 = 400°C für die Temperatur T2 des SCR-Katalysators 4 auf stöchiometrischen oder leicht fetten Betrieb umgeschaltet. Die Drosselklappe 6 bleibt in dem zugehörigen Lastbereich der Brennkraftmaschine vorzugsweise weiter geschlossen, um eine Aufheizung des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 zu vermeiden. Der Stickoxid- Speicherkatalysator 3 steht daher nach einem Wechsel in einen Kennfeldpunkt mit kleinere Motorlast wieder rasch zur NCR- Verminderung Verfügung.
  • Wird von einem hohen Lastbereich der Brennkraftmaschine in den Schubbetrieb gewechselt, kann dies für eine rasche Abkühlung der Katalysatoren genutzt werden. Derartige Lastwechselsituationen treten z. B. bei einer Talfahrt des Kraftfahrzeuges nach vorangegangener Bergfahrt auf. Um die Abkühlung des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 z. B. in solchen Fahrsituationen zu beschleunigen, wird im Schubbetrieb das Ansaugluftdrosselelement in der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine und zugleich die Drosselklappe 6 geöffnet. Da im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine die Kraftstoffzufuhr abgestellt ist (Schubabschaltung), wird nur mäßig erwärmte Frischluft zu den Katalysatoren geleitet. Die Öffnung der Drosselklappe im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine und der Drosselklappe 6 im Schubbetrieb bewirkt daher eine entsprechend beschleunigte Abkühlung der Katalysatoren.
  • Es versteht sich, dass die genannten Schwellenwerte TS1 und TS2 von der eingesetzten Katalysatortechnologie abhängen und daher andere als die genannten Werte sinnvoll sein können. Es besteht ferner eine Abhängigkeit dieser Schwellenwerte von der Einbaulage der Temperaturmessstellen T1 und T2, falls die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und des SCR- Katalysators 4 durch Messung ermittelt werden. Es versteht sich ferner, dass zur Steuerung der Umleitung des Abgases um den Stickoxid-Speicherkatalysator 3 durch die Umgehungsleitung 5 neben dem Einsatz eines Drosselelementes 6 zwischen Umgehungsleitungsabzweig und Stickoxid-Speicherkatalysator 3 auch andere Möglichkeiten in Frage kommen. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Drosselelement ausschließlich oder zusätzlich in der Umgehungsleitung 5 eingebaut sein.

Claims (8)

1. Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer überwiegend mager betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Abgasleitung (1), in der in Strömungsrichtung hintereinander ein Drei- Wege-Katalysator (2), ein Stickoxid-Speicherkatalysator (3) und ein SCR-Katalysator (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinrichtung eine Umgehungsleitung (5) aufweist, mit der aus dem Drei-Wege-Katalysator (2) strömendes Abgas unter Umgehung des Stickoxid- Speicherkatalysators (3) dem SCR-Katalysators (4) zuführbar ist.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des durch die Umgehungsleitung (5) strömenden Abgases an dem aus dem Drei-Wege-Katalysator (2) strömenden Abgas in Abhängigkeit von einer Temperatur der Abgasreinigungseinrichtung einstellbar ist.
3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des durch die Umgehungsleitung (5) strömenden Abgases an dem aus dem Drei-Wege-Katalysator (2) strömenden Abgas in Abhängigkeit von einer Temperatur des Stickoxid- Speicherkatalysators (3) einstellbar ist.
4. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes TS1 für eine Temperatur T1 des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) der Anteil des durch die Umgehungsleitung (5) strömenden Abgases an dem aus dem Drei-Wege-Katalysator (2) strömenden Abgas wenigstens annähernd 100% beträgt.
5. Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer wahlweise in einem mageren Verbrennungsmodus oder in einem fetten oder in einem stöchiometrischen Verbrennungsmodus betreibbaren Brennkraftmaschine mit einem Ansaugluftdrosselelement, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit
einem Drei-Wege-Katalysator (2),
einem dem Drei-Wege-Katalysator (2) nachgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysator (3)
und einem dem Stickoxid-Speicherkatalysator (3) nachgeschaltetem SCR-Katalysator (4),
dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasteilstrom des aus dem Drei-Wege-Katalysator (2) ausströmendem Abgases unter Umgehung des Stickoxid- Speicherkatalysators (3) über eine Umgehungsleitung (5) dem SCR-Katalysator (4) zugeführt wird, wobei der Abgasteilstrom in Abhängigkeit einer Temperatur der Abgasreinigungsanlage eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, falls eine Temperatur T1 des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) einen zugeordneten vorgebbaren Schwellenwert TS1 überschreitet, das aus dem Drei-Wege-Katalysator (2) strömende Abgas Vollständig oder nahezu vollständig über die Umgehungsleitung (5) dem SCR-Katalysator (4) zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die Temperatur T1 des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) den Schwellenwert TS1 überschreitet, und eine Temperatur T2 des SCR-Katalysators (4) einen zugeordneten vorgebbaren Schwellenwert TS2 überschreitet, die Brennkraftmaschine ausschließlich im fetten oder im stöchiometrischen Verbrennungsmodus betrieben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die Temperatur T1 des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) den Schwellenwert TS1 überschreitet, und eine Temperatur T2 des SCR-Katalysators (4) einen zugeordneten vorgebbaren Schwellenwert TS2 überschreitet, bei einem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine das Ansaugluftdrosselelement geöffnet wird und das aus dem Drei-Wege-Katalysator (2) strömende Abgas vollständig oder nahezu vollständig dem Stickoxid- Speicherkatalysator (3) zugeführt wird.
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