DE102004052063A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen, die in ihrem Lambdaverhältnis regelbar sind, weist einen Speicherkatalysator (5) und eine Sekundärluftquelle (12) auf, die verdichtete Frischluft zur Verfügung stellt. Im Abgasstrom nach dem Speicherkatalysator (5) ist ein Oxidationskatalysator (19) angeordnet. Über ein Regelventil (13) kann die Frischluft aus der Sekundärluftquelle (12) nach dem Speicherkatalysator (5) und vor dem Oxidationskatalysator (19) dem Abgasstrom zugeführt werden, so dass während einer Regenerationsphase des Speicherkatalysators (5) das Abgas in den Oxidationskatalysator (19) mit einem überstöchiometrischen Luftverhältnis gelangt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren, insbesondere Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einer Zusatzluftquelle gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stickoxide im Abgas von Verbrennungsmotoren können mit Hilfe einer Abgasrückführung als innermotorische Maßnahme verringert werden. Durch die Abgasrückführung wird jedoch der Partikelausstoß und der Verbrauch erhöht. Eine weitere wirksame Methode, den NOx-Ausstoß zu minimieren, ist der Einsatz eines NOx-Speicherkatalysators. Beim derzeitigen Stand der Technik sind dies Katalysatoren, die mit einer Dreiwegekomponente beschichtet sind (Platin/Rhodium/Palladium) und zusätzlich eine Speicherkomponente (z. Zt. vorzugsweise Barium) aufweisen, um im mageren Motorbetrieb Stickoxide einzulagern.
  • Diese Speicherkomponente muss von Zeit zu Zeit von den Stickoxiden befreit werden, wenn die Speicherkapazität ausgeschöpft ist. Dazu kann der Motor für kurze Zeit, z.B. 5 s, unterstöchiometrisch betrieben werden. Dabei werden die Stickoxide wieder zu Stickstoff reduziert. Vorzugsweise geschieht dies bei Temperaturen von 200 °C bis 350°C.
  • Da Kraftstoffe Schwefel beinhalten, der sich mit der Speicherkomponente Barium verbindet und somit die Bindung von Stickoxiden blockiert, muss diese Schwefeleinlagerung wieder beseitigt werden. Diese Entschwefelung ist nur bei deutlich höheren Temperaturen etwa von über 600°C und einer deutlich längeren Phase mit Kraftstoffüberschuß möglich, etwa mehr als 240 s. Dabei kann es wegen des Sauerstoffmangels zur unerwünschten Emission von H2S kommen. Bei Ottomotoren ist zur Vermeidung dieser unerwünschten Emission das sogenannte λ-Wobbeln, d.h. periodisches Schwingen des λ-Wertes um den Wert 1, Stand der Technik und wird bereits bei Serienfahrzeugen bei der Entschwefelung eingesetzt.
  • Aus der DE 102 61 877 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges bekannt, bei dem ein im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneter Partikelfilter bedarfsweise regeneriert wird. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird über eine vorbestimmte Zeitdauer ein Lambda-Wert eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zwischen einem Wert kleiner 1 und einem Wert grösser 1 derart periodisch hin und her geändert, dass eine Temperatur des Partikelfilters mittels einer Abgaserhitzung auf einen Wert erhöht wird, bei dem eine Regeneration des Partikelfilters erfolgt.
  • Nachteilig an dem genannten Stand der Technik ist, dass speziell beim Dieselmotor systembedingt der unterstöchiometrische Motorbetrieb des Dieselverfahrens nur bedingt möglich und an enge Randbedingungen gebunden ist. Insbesondere kann nicht davon ausgegangen werden, dass der Fahrer einen motorischen Betriebspunkt während der Entschwefelungsdauer konstant hält. Die Kombination der Leistungsanforderung im aktuellen Betriebspunkt mit dem periodischen Steuern des Lambda-Werts um 1 erfordert eine sehr komplexe Regelung und Applikation. Weiter ist nachteilig, dass es zu einem Kraftstoffmehrverbrauch und zu einer Verlängerung der Regenerationszeit kommt. Auch muss die Lambda-Regelung der Brennkraftmaschine schnell genug für die periodischen Änderungen sein.
  • Aus der DE 10053674 ist ein Verfahren zur Temperierung und insbesondere zur Kühlung eines in einem Abgasstrang von einer Verbrennungskraftmaschine zu einem Katalysator geführten Abgasstroms mittels mindestens eines abgezweigten Ladeluftteilstroms eines der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Abgasturboladers bekannt. Der abgezweigte Ladeluftteilstrom wird wenigstens teilweise derart mittels eines Wärmetauschelements auf eine vorgebbare Betriebstemperatur eingestellt, dass der Katalysator innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs betreibbar ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist aus der DE 10053674 ein Verfahren bekannt, bei dem der abgezweigte Ladeluftteilstrom in Abgasströmungsrichtung vor dem Speicherkatalysator und nach einem Vorkatalysator in den Abgasstrom eingeblasen wird, um die Temperatur des Speicherkatalysators zu regeln.
  • Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass es nicht die Bildung von H2S verhindern kann, da nur eine Temperaturregelung erfolgt, insbesondere zur Kühlung des Katalysators.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Abgasreinigung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit der man einen Speicherkatalysator regenerieren, insbesondere einen NOx-Speicherkatalysator entschwefeln kann, ohne dass es zur Bildung von unerwünschtem H2S kommt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Durch die Unteransprüche werden weitere günstige Ausführungsbeispiele und Fortbildungen der Erfindung angegeben.
  • Hierzu ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend dem Anspruch 1 bei einer Verbrennungskraftmaschine das Lambdaverhältnis regelbar. Weiter weist die Vorrichtung einen Speicherkatalysator und eine Sekundärluftquelle auf, die verdichtete Frischluft zur Verfügung stellt. Im Abgasstrom ist nach dem Speicherkatalysatorein Oxidationskatalysator angeordnet und über ein Regelventil kann die Frischluft aus der Sekundärluftquelle nach dem Speicherkatalysator und vor dem Oxidationskatalysator dem Abgasstrom zugeführt werden, so dass während einer Regenerationsphase des Speicherkatalysators das Abgas in den Oxidationskatalysator mit einem überstöchiometrischen Luftverhältnis gelangt. Vorzugsweise ist eine im Abgasstrom vor dem Speicherkatalysator angeordnete Lambda-Sonde vorgesehen.
  • Vorteilhaft kann dadurch bei der Regenerierung von Speicherkatalysatoren die Bildung von unerwünschten Verbindungen verhindert werden, wenn zu entfernende Stoffe durch das kurzfristige Sauerstoffangebot oxidiert werden können. Das Verfahren kann günstig auch bei Dieselmotoren angewandt werden, bei denen ein Wobbeln des Lambda-Werts durch Steuerung der Verbrennungskraftmaschine nur schwierig umzusetzen ist, da das Oxidieren der unerwünschten Verbindungen in dem Oxidationskatalysator durch Beimischen zusätzlicher Frischluft und räumlich getrennt von dem Speicherkatalysator erfolgt und der Dieselmotor nur konstant in einem unterstöchiometrischen Betriebszustand gehalten werden muss. Die aufwendige Regelung eines Wobbelns entfällt. Auch wird gegenüber dem bekannten Verfahren des Wobbelns Kraftstoff eingespart und die Regenerationszeit verkürzt, da keine überstöchiometrische Perioden ohne Regeneration während eines Regeretaionsvorgangs auftreten.
  • In günstiger Ausführungsform ist vor dem Speicherkatalysators ein Temperatursensor angeordnet.
  • Durch die Messung der Temperatur des Abgasstroms vor dem Speicherkatalysator erhält man auch die Temperatur des Speicherkatalysators selbst.
  • Der Speicherkatalysator kann ein NOx-Speicherkatalysator sein, der bei der Regenerierung entschwefelt wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei Verwendung von NOx Speicherkatalysatoren eine unerwünschte Bildung von H2S bei der Regenerierung bzw. Entschwefelung sicher unterdrückt werden.
  • Vorteilhaft kann einen nach dem Speicherkatalysator ein NOx Sensor angeordnet sein, durch den Grad der Anlagerung von Schwefel in dem NOx-Speicherkatalysator durch Messen des NOx Gehalts bestimmt werden kann.
  • Dadurch erfolgt eine Regenerierung nur im Bedarfsfall, der eintritt, wenn kein NOx mehr aufgenommen werden kann.
  • In günstiger Ausführungsform kann eine Steuereinheit den Zeitpunkt einer nötigen Regenerierung durch ein rechnerisches Modell bestimmen.
  • Durch die zumeist überdies zur Verfügung stehende Rechenleistung von Steuereinheiten, z.B. der Motorsteuerung kann auf einfache kostengünstige Weise der Bedarf für eine Regenerierung des Speicherkatalysators bestimmt werden.
  • Die Sekundärluftquelle kann ein abgezweigter Ladestrom eines Abgasturboladers und/oder eines Kompressors sein.
  • Bei aufgeladenen Motoren steht somit eine sekundäre Frischluftquelle ohne weiteren Bauaufwand oder Kosten zur Verfügung. Insbesondere sind die meisten Dieselmotoren durch einen Abgasturbolader aufgeladen.
  • Weiter wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 8 gelöst. Eine Verfahren zur Regeneration von Speicherkatalysatoren bei einer der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Abgasreinigung weist den ersten Schritt des Einstellens der Verbrennungskraftmaschine auf unterstöchiometrische Luftzumessung auf. Sodann wird eine solche Luftmenge über das Regelventil in den Abgasstrom vor dem Oxidationskatalysator zugeführt, dass während einer Regenerationsphase des Speicherkatalysators das Abgas in den Oxidationskatalysator mit einem überstöchiometrischen Luftverhältnis gelangt.
  • Vorteilhaft wird in einem ersten Schritt vor dem Regenerieren des Speicherkatalysators das Lambda-Verhältnises der Verbrennungskraftmaschine auf überstöchiometrisch eingestellt, um den Speicherkatalysator auf eine Regenerationsstemperatur aufzuheizen.
  • Dadurch wird die Regenerierung von der Beladung des Speicherkatalysators mit bestimmten Stoffen, wie etwa bei Schwefel, erst ermöglicht, die eine hohe Temperatur erfordert.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer schematischen Darstellung und
  • 2 ein Abgasemissionsdiagramm des Ausführungsbeispiels.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen anhand einer schematischen Darstellung. Eine Verbrennungskraftmaschine 1 ist über einen Abgaskrümmer 2 mit einem Turbolader 3 verbunden. Über ein Abgasrohr 4 ist der Turbolader 3 mit einem NOx-Speicherkatalysator 5 verbunden. Vor dem NOx-Speicherkatalysator 5 sind in dem Abgasrohr 4 eine Breitband-Lambdasonde 6 und ein Abgastemperaturfühler 7 angeordnet. Über einen Luftmassenmesser 8 und ein Ansaugrohr 9 wird der Verbrennungskraftmaschine 1 von dem Turbolader 3 verdichtete Frischluft als Ladeluft zugeführt. In dem Ansaugrohr 9 ist eine Drosselklappe 10 zur Regelung der Motorleistung angeordnet. Über ein Abgasrückführventil 11 kann Abgas aus dem Abgaskrümmer 2 in das Ansaugrohr 9 zurückgeführt werden, um Schadstoffwerte günstig zu beeinflussen. Dadurch erhöhen sich jedoch die NOx-Werte.
  • Über ein Regelventil 13 als Sekundärluftventil und eine Sekundärluftleitung 14 kann verdichtete Frischluft aus einer Sekundärluftquelle 12 in ein weiteres Abgasrohr 18 nach dem NOx-Speicherkatalysator 5 zugeführt und dem Abgas zugemischt werden. Im Abgasstrom nach dem NOx-Speicherkatalysator 5 und mit diesem über das Abgasrohr 18 verbunden ist ein Oxidationskatalysator 19 angeordnet. Die Sekundärluftleitung 14 mündet vor diesem Oxidationskatalysator 19 in das Abgasrohr 18. Die Sekundärluftquelle 12 kann, wie durch eine gestrichelt dargestellte Sekundärluftzuleitung 15 verdeutlicht, aus einem abgetrennten Zuluftstrom der Ladeluft in dem Ansaugrohr 9 bestehen, die durch den Turbolader 3 verdichtet wird. Ein NOx-Sensor 16 ist nahe dem NOx-Speicherkatalysator 5 in dem Abgasrohr 4 angeordnet. Die Breitband-Lambdasonde 6, der Abgastemperaturfühler 7, der NOx-Sensor 16 sowie der Luftmassenmesser 8 geben ihre Messergebnisse an eine zentrale Steuereinheit 17 über als gestrichelte Pfeile dargestellte Leitungen weiter. Die zentrale Steuereinheit 17 steuert über wiederum als gestrichelte Pfeile dargestellte Steuerleitungen die Drosselklappe 10, das Abgasrückführventil 11, den Turbolader 3, das Regelventil 13 und die Verbrennungskraftmaschine 1.
  • Wird eine zunehmende Anlagerung von Schwefel in dem NOx-Speicherkatalysator 5 erkannt, indem durch den NOx-Sensor 16 eine Abnahme der Wirksamkeit des NOx-Speicherkatalysators 5 beispielsweise auch direkt nach einer NOx-Regenerierung erkannt wird, so wird eine Schwefelregenerierung eingeleitet. Alternativ kann auch nach einem berechneten Modell abhängig von Belastung, Betriebsstunden und weiterer Parameter eine Schwefelregenerierung erfolgen, wenn sie von dem Modell berechnet vorgegeben wird. Zunächst wird von der zentralen Steuereinheit 17 die Verbrennungskraftmaschine 1 so angesteuert, dass ein leicht überstöchiometrisches Abgasgemisch entsteht. In diesem Betriebszustand erfolgt eine Aufheizung des NOx-Speicherkatalysators 5 auf über 600 °C. Danach wird von der zentralen Steuereinheit 17 auf ein konstantes unterstöchiometrisches Luftverhältnis umgeschaltet, bei dem das Abgas nach der Verbrennungkraftmaschine 1 keinen Sauerstoff mehr enthält. Dies wird durch die zentrale Steuereinheit 17 mithilfe der Messwerte der Breitband-Lambdasonde 6 vor dem NOx-Speicherkatalysator 5 überwacht. Die Temperatur wird über den Abgastemperaturfühler 7 überwacht. Nach Erreichen der Entschwefelungstemperatur und dem Einstellen eines unterstöchiometrischen Luftverhältnisses wird über das Regelventil 13 soviel Frischluft zugemischt, dass in den Oxidationskatalysator 19 ein überstöchiometrisches und somit mageres Abgas eintritt. Der aus dem NOx-Speicherkatalysator in Form von z.B. H2S austretende Schwefel wird im Oxidationskatalysator 19 in SO umgewandelt. Das Austreten von H2S wird vollständig unterbunden.
  • Die unterstöchiometrische Abgaszusammensetzung im NOx-Speicherkatalysator 5 wird durch die Ansteuerung der Verbrennungskraftmaschine 1 vorgegeben, die überstöchiometrische Abgaszusammensetzung im Oxidationskatalysator 19 durch die Beimischung der Zusatzluft.
  • 2 zeigt in einem Diagramm die Emmission von SO2 und COS im zeitlichen Verlauf. Die Emissionswerte sind in ppm angegeben und die Zeitachse in Sekunden. Dabei stellt die obere Linie die SO2-Emission und die untere die COS-Emission dar. Deutlich ist der sehr schnell abfallende Verlauf der SO2-Emission nach Beginn der Regenerierung zu erkennen und dass keinerlei H2S austritt.
    • 1
    Verbrennungskraftmaschine
    2
    Abgaskrümmer
    3
    Turbolader
    4
    Abgasrohr
    5
    NOx-Speicherkatalysator
    6
    Breitband-Lambdasonde
    7
    Abgastemperaturfühler
    8
    Luftmassenmesser
    9
    Ansaugrohr
    10
    Drosselklappe
    11
    Abgasrückführventil
    12
    Sekundärluftquelle
    13
    Regelventil
    14
    Sekundärluftleitung
    15
    Sekundärluftzuleitung
    16
    NOx-Sensor
    17
    zentrale Steuereinheit
    18
    Abgasrohr
    19
    Oxidationskatalysator

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Brennkraftmaschinen, die in ihrem Lambdaverhältnis regelbar sind, mit einem Speicherkatalysator (5), und einer Sekundärluftquelle (12), die verdichtete Frischluft zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom nach dem Speicherkatalysator (5) ein Oxidationskatalysator (19) angeordnet ist, und über ein Regelventil (13) die Frischluft aus der Sekundärluftquelle (12) nach dem Speicherkatalysator (5) und vor dem Oxidationskatalysator (19) dem Abgasstrom zugeführt werden kann, so dass während einer Regenerationsphase des Speicherkatalysators (5) das Abgas in den Oxidationskatalysator (19) mit einem überstöchiometrischen Luftverhältnis gelangt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasstrom vor dem Speicherkatalysator (5) eine Lambda-Sonde (6) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem des Speicherkatalysator (5) ein Abgastemperatursensor (7) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkatalysator (5) ein NOx-Speicherkatalysator (5) ist, der bei der Regenerierung entschwefelt wird.
  5. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem NOx-Speicherkatalysator (5) ein NOx Sensor (16) angeordnet ist, der den Grad der Anlagerung von Schwefel durch Messen des NOx Gehalts des Abgases bestimmt.
  6. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit den Zeitpunkt einer nötigen Regenerierung durch ein rechnerisches Modell bestimmt.
  7. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftquelle (12) ein abgezweigter Ladestrom eines Abgasturboladers (3) ist.
  8. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftquelle ein abgezweigter Ladestrom eines Kompressors ist.
  9. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren bei einer Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten: Einstellen der Verbrennungskraftmaschine (1) auf unterstöchiometrische Luftzumessung, Zuführen einer solchen Luftmenge über das Regelventil (13) in den Abgasstrom vor dem Oxidationskatalysator (19), dass während einer Regenerationsphase des Speicherkatalysators (5) das Abgas in den Oxidationskatalysator (19) mit einem überstöchiometrischen Luftverhältnis gelangt
  10. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt vor dem Regenerieren des Speicherkatalysators (5) das Lambda-Verhältnises der Verbrennungskraftmaschine (1) auf überstöchiometrisch eingestellt wird, um den Speicherkatalysator (5) auf eine Regenerationstemperatur aufzuheizen.
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