DE102005029799A1 - Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Regeneration der Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Regeneration der Vorrichtung Download PDF

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Achim Dr.-Ing. Freitag
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Abstract

Eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, weist einen im Abgasstrang in Motornähe angeordneten Partikelfilter (3) und einen nachfolgenden NOx-Speicherkatalysator (4) auf, wobei der motornah angeordnete Partikelfilter (3) Funktionalitäten hoher thermischer Akzeptanz und der motorfern angeordnete NOx-Speicherkatalysator (4) solche mit geringer thermischer Akzeptanz aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Dieselbrennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Regeneration der Abgasreinigungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
  • Bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkraftmaschine treten in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Lambda-Wert Schadstoff-enthaltende Abgase, wie Schwefeloxide, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und, insbesondere bei Dieselmotoren, Ruß, auf. Unter Ruß werden Kohlenstoffverbindungen mit Sauerstoff oder Wasserstoff verstanden, die während des Verbrennungsprozesses entstehen. Aufgrund gesetzlicher Vorgaben und zur Verringerung von Umweltschäden müssen die Schadstoffkomponenten am Eintritt in die Umwelt gehindert werden. Dies geschieht durch eine geeignete Katalysator- und Filtertechnik.
  • So emittieren magerbetreibbare Brennkraftmaschinen im Magerbetrieb Stickstoffoxide NOx und Schwefeloxide SOx, die in geeigneten NOx- oder SOx-Speicherkatalysatoren aus dem Abgasstrom entfernt und während einer Regenerationsphase in unschädlicher Form an die Umwelt abgegeben werden. Bei Diesel-Brennkraftmaschinen wird ein Partikelfilter zur Filterung der Rußpartikel aus dem Abgasstrom verwendet. Derartige Partikelfilter müssen von Zeit zu Zeit, beispielsweise durch Abbrennen, regeneriert werden, um ihr Funktionieren zu gewährleisten. Eine derartige Regeneration des Partikelfilters erfolgt üblicherweise durch sogenanntes Ausbrennen, d.h., das Abgas wird auf eine erhöhte Temperatur gebracht, wobei Temperaturen von ca. 600°C erforderlich sind. Nun weisen Abgase von Dieselmotoren üblicherweise derartig hohe Temperaturen nicht aus, so dass das Abbrennen des Partikelfilters auf andere Weise erreicht werden muss, beispielsweise durch Zugabe eines Additivs, durch katalytische Maßnahmen, temperaturerhöhende Maßnahmen und/oder sonstige motorische Maßnahmen.
  • Weiter ist aus der DE 19955324 A1 eine Abgasreinigungsvorrichtung bekannt, bei der vor dem Partikelfilter eine sogenannte Schwefelfalle, d.h., ein SOx-Speicherkatalysator sowie ein Oxidationskatalysator, angeordnet ist. Zur Absorption der anfallenden Stickoxide ist hinter dem Partikelfilter ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet.
  • Da nun in bzw. unterhalb eines Kraftfahrzeuges nicht so viel Platz für einzelne Komponenten wie in der oben genannten Druckschrift zur Verfügung steht, werden verschiedene Funktionalitäten in einem Bauteil kombiniert. Derzeit wird daher zur Abgasreinigung ein beschichteter motornaher Partikelfilter verwendet, dem ein weiterer NOx-Speicherkatalysator im Unterbodenbereich nachfolgt. Der motornahe Partikelfilter ist dabei mit einer NOx-Speicherkatalysator-Funktionalität versehen, d.h., weist eine entsprechende Beschichtung auf. Nachteilig dabei ist, dass die thermische Regeneration des Partikelfilters ebenso wie dessen Entschwefelung, d.h. Desulfatierung, ein großes Risiko der thermischen Überlastung der NOx-Speicherkatalysator-Funktionalität des Partikelfilters zur Folge hat. Dies beides bedingt eine sehr ausgeprägte Alterung des nachfolgenden NOx-Speichers. Ferner ist durch die recht voluminöse NOx-Speicher-Katalysatorbeschichtung des Partikelfilters der Abgasgegendruck des Filters auch schon im unbeladenen Zustand relativ hoch. Eine thermisch verträgliche Rußgeneration bei "niedrigen" Abgasgegendrücken muss in diesem Fall daher schon bei einer geringen Rußmengenbeladung des Partikelfilters erfolgen, was zu einer häufigen Regeneration führt. Dies wiederum verursacht einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und eine zusätzliche Belastung des Motors.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine, zu schaffen, bei der thermische Überlastungen der einzelnen Funktionalitäten vermieden oder zumindest verringert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Regeneration einer derartigen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgasstrang in Brennkraftmaschinennähe angeordneten Partikelfilter und einem nachfolgenden NOx-Speicherkatalysator weisen der motornah angeordnete Partikelfilter Funktionalitäten hoher thermischer Akzeptanz und der motorfern angeordnete NOx-Speicher solche mit geringerer thermischer Akzeptanz auf. Vorzugsweise umfasst der Partikelfilter eine katalytische Beschichtung zur Förderung der Rußregeneration, beispielsweise eine Beschichtung, die den Flammpunkt des gefilterten Rußes herabsetzt. Insbesondere kann der Partikelfilter als Schwefelfalle ausgebildet sein, d.h., der Partikelfilter weist eine Beschichtung zur SOx-Speicherung auf.
  • Vorzugsweise ist der Abstand zwischen Partikelfilter und NOx-Speicherkatalysator so bemessen, dass eine thermische Überhitzung des NOx-Speicherkatalysators aufgrund der Regenerationstemperaturen des Partikelfilters ausgeschlossen ist. Vorzugsweise ist der NOx-Speicherkatalysator im Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet, so dass während der Regenerationsphase des Partikelfilters die Abgastemperatur so weit gefallen ist, dass eine thermische Schädigung des NOx-Speicherkatalysators ausgeschlossen ist.
  • Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuerung auf, welche die Regeneration von Partikelfilter und NOx-Speicherkatalysator steuert.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regeneration der oben erläuterten Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, wobei die De-Sulfatierung des Partikelfilters während der Rußgeneration erfolgt.
  • Vorzugsweise wird eine Absorption des aus dem Partikelfilter desorbierten Schwefels in dem NOx-Speicherkatalysator durch geeignete Maßnahmen verhindert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Lambda-Wert des Abgases während der Partikelfilterregeneration kleiner oder gleich 1 ist, d.h., der Motor fett bzw. stöchiometrisch betrieben wird. Andere Maßnahmen, wie eine geeignete Erhitzung oder gleichzeitig stattfindende Regeneration des NOx-Speicherkatalysators können ebenfalls durchgeführt werden.
    •
  • Eine bevorzugte Ausführungsform wird nachfolgend anhand der einzigen Zeichnung erläutert.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug.
  • Dargestellt in 1 ist in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine 1, an die nachfolgend ein Abgasreinigungssystem 2 angeschlossen ist, welches in Motornähe einen katalytisch beschichteten Partikelfilter 3 mit integrierter Schwefelfalle aufweist.
  • Nachfolgend dem katalytisch beschichteten Partikelfilter 3 ist in genügendem Abstand unterhalb des Fahrzeugs im Unterbodenbereich ein NOx-Speicherkatalysator 4 zur Speicherung der während des Magerbetriebs bei einer magerbetreibbaren Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, anfallenden Stickoxide angeordnet. Das gereinigte Abgas gelangt über einen Schalldämpfer 5 und einen Auspuff 6 ins Freie.
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgasreinigungssystem
    3
    katalytisch beschichteter Partikelfilter mit Schwefelspeicher
    4
    NOx-Speicherkatalysator
    5
    Schalldämpfer
    6
    Auspuff

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem im Abgasstrang in Motornähe angeordneten Partikelfilter (3) und einem nachfolgenden NOx-Speicherkatalysator (4), dadurch gekennzeichnet, dass der motornah angeordnete Partikelfilter (3) Funktionalitäten hoher thermischer Akzeptanz und der motorfern angeordnete NOx-Speicher (4) solche mit geringerer thermischer Akzeptanz aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (3) eine katalytische Beschichtung zur Förderung der Russregeneration aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (3) eine Beschichtung zur SOx-Speicherung aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Partikelfilter (3) und NOx-Speicherkatalysator (4) so bemessen ist, dass eine thermische Überhitzung des NOx-Speicherkatalysators (4) aufgrund der Regenerationstemperaturen des Partikelfilters (3) ausgeschlossen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (4) im Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen ist, die die Regeneration von Partikelfilter (3) und NOx-Speicherkatalysator (4) steuert.
  7. Verfahren zur Regeneration einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die De-Sulfatierung des Partikelfilters (3) während der Russregeneration erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der De-Sulfatierung des Partikelfilters (3) eine Absorption des Schwefels im NOx-Speicherkatalysator (4) durch entsprechende Maßnahmen verhindert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambda-Wert des Abgases während der Partikelfilterregeneration kleiner oder gleich 1 ist.
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