DE102005058858A1

DE102005058858A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

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Publication number: DE102005058858A1
Application number: DE102005058858A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. rer. nat. Düsterdiek; Achim Dr.-Ing. Freitag; Carsten Dr. rer. nat. Jutka; Martina Dr. rer. nat. Kösters
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-14
Also published as: EP1957767B1; EP1957767A1; WO2007065558A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem das Abgas durch eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Speicherkatalysatoranordnung entstickt wird. Es ist vorgesehen, das Abgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen in einem ersten, motornah angeordneten NOx-Speicherkatalysator und anschließend in einem zweiten, motorfern angeordneten NOx-Speicherkatalysator zu entsticken. Im Kaltstart- und Teillastbetrieb arbeitet der motornahe NOx-Speicherkatalysator in einem günstigen Arbeitsfenster und übernimmt den größeren Anteil der Entstickung. Im Volllastbetrieb arbeitet der motorfern angeordnete NOx-Speicherkatalysator in einem günstigen Arbeitsfenster, so dass er bei dieser Betriebsweise den größeren Anteil an der Entstickung übernimmt. Auf diese Weise ist das Arbeitsfenster der Gesamtanordnung gegenüber einzelnen NOx-Speicherkatalysatoren erheblich vergrößert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem dem Abgas durch eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Katalysatoranordnung Stickoxide entzogen werden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Zum Entsticken der Abgase werden moderne NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt, welche die im Fahrbetrieb gebildeten, in dem den NOx-Speicherkatalysator durchströmenden Abgas enthaltenen Stickoxide sammeln, die dann beispielsweise nach Erreichen eines vorgegebenen Füll-Zustandes des NOx-Speicherkatalysators mit Hilfe geeigneter Reduktionsmittel chemisch zu ungefährlichem Stickstoff und Wasser reduziert werden. Derartige NOx-Speichersysteme und deren Regeneration werden beispielsweise in der DE 195 22 165 A1 beschrieben.

Eine weitere aktive Abgasnachbehandlungsmaßnahme ist das Ausfiltern von festen Verbrennungsrückständen in sogenannten Partikelfiltern, was insbesondere bei Dieselmotoren von Bedeutung ist.

Es ist allgemein bekannt, dass NOx-Speicherkatalysatoren nur in einem bestimmten Abgastemperaturbereich zufriedenstellende Umsatzraten aufweisen, d.h. der Wirkungsgrad des NOx-Speicherkatalysators hängt u.a. auch davon ab, wo dieser im Abgasstrang angeordnet ist. Eine motornahe Anordnung hat den Vorteil, dass der NOx-Speicherkatalysator schon beim Kaltstart bzw. im Teillastbetrieb eine zufriedenstellende Umsatzrate hat. Im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors liegt die Abgastemperatur dann jedoch im allgemeinen außerhalb des für den Betrieb des NOx-Speicherkatalysators günstigsten Abgastemperaturfensters.

Für diesen Betriebszustand ist deshalb eine motorferne Anordnung des NOx-Speicherkatalysators von Vorteil, da dieser infolge des starken Temperaturabfalls der Abgase im Abgasstrang auch noch im Hochlastbereich wirksam ist.

Aus der DE 10 2004 029 2002 A1 ist ein Abgasreinigungssystem für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine bekannt, welches eine Haupt- und eine Sekundärspeichereinrichtung für Stickoxide bekannt, wobei die Hauptspeichereinrichtung für Stickoxide motornah angeordnet und die Sekundärspeichereinrichtung in Abgasstromrichtung nach den Hauptspeicher angeordnet ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine verbesserte NOx-Konvertierung im gesamten Motorkennfeldbereich erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird das Abgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen in einem ersten, motornah angeordneten NOx-Speicherkatalysator und anschließend in einem zweiten, motorfern angeordneten NOx-Speicherkatalysator entstickt. Die NOx-Konvertierung wird demnach auf zwei Bauteile aufgeteilt, die in unterschiedlichen Motorkennfeldbereichen ihren besten Wirkungsgrad haben. Durch die motornahe Anordnung des ersten NOx-Speicherkatalysators wird das Arbeitsfenster des NOx-Speicherkatalysators im Kaltstart schnell erreicht und auch im unteren Lastbereich des Motors nicht unterschritten. Der motorferne NOx-Katalysator hat infolge des starken Temperaturabfalls der Abgase im Abgasstrang auch noch im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors einen guten Wirkungsgrad. Somit wird im gesamten Motorkennfeldbereich eine hohe NOx-Konvertierung erreicht. Durch diese Anordnung wird eine Erweiterung des Arbeitsfensters der NOx-Speicherkatalysatoranordnung im Vergleich zu einem einzelnen Bauteil mit gleichem Gesamtvolumen und mit gleicher NOx-Speicherkatalysatorfläche erreicht. Der Abstand zwischen beiden Bauteilen und die dadurch erreichte Temperaturdifferenz ist ein Optimierungsparameter für das Arbeitsfenster. Dabei wird das Abgas in einer der beiden Stufen in einer Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit gleichzeitig entrußt, d.h. eine der beiden Stufen ist beispielsweise als Partikelfilter mit einer NOx-Speicherbeschichtung ausgebildet. wird.

Bei den Brennkraftmaschinen handelt es sich entweder um magerlauffähige Ottomotoren oder um Dieselbrennkraftmaschinen.

Die Entrußung des Abgases in der Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit erfolgt vorzugsweise in der ersten Stufe, d.h. in einer motornah angeordneten Baueinheit. Wie bereits vorne ausgeführt wurde, ist die NOx-Speicherkatalysatorbeschichtung der motornahen Baueinheit vorzugsweise im Kaltstart und im unteren Lastbereich des Motors wirksam. Die motornahe Anordnung des Partikelfilters hat den Vorteil, dass eine thermische Regeneration des angesammelten Rußes ohne Zusatzmaßnahmen wie Kraftstoffadditiv oder externe Nacheinspritzung möglich ist. Zudem kann die Beschichtung des Partikelfilters unterstützend beim Filterabbrand wirken. Der motorferne NOx-Speicherkatalysator ist, wie ebenfalls bereits erläutert wurde, vorzugsweise im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors wirksam.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Abgas jedoch in der zweiten Stufe entrußt, d.h. in einer motorfern angeordneten Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit. Diese Anordnung kann sich ergeben, wenn aus Package-Gründen eine motornahe Anordnung des Partikelfilters nicht möglich ist, insbesondere hinsichtlich eines möglichst großen Wartungsintervalls und damit einer Vergrößerung des Bauteils. In diesem Fall kann die Regeneration des motorfernen Partikelfilters auch über zusätzliche Regenerationshilfien, z.B. eine externe Nacheinspritzung oder die Zugabe von Kraftstoffadditiven erfolgen. Diese zusätzliche externe Nacheinspritzung kann auch bei der Entschwefelung der zweiten Stufe der Abgasreinigungsanlage eingesetzt werden, da hierfür Temperaturen von 600–750°C erforderlich sind, die nur schwer im zweiten Bauteil zu erzeugen sind, ohne dass die erste Reinigungsstufe wesentlich heißer werden muss.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in Verbindung mit einer Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt, wobei nach der Partikelfilter-Stufe der Abgasnachbehandlung ein Teil der Abgase aus dem Abgasstrang abgezweigt und in den Ansaugtrakt, gegebenenfalls vorzugsweise vor einem Verdichter eines Abgasturboladers rückgeführt wird. Bei diesem Verfahren mit Niederdruck-Abgasrückführung mit einer Abgasentnahme nach Partikelfilter werden die Motor-Rohemissionen, abhängig von der Abgasrückführrate, und damit auch die Gesamtemission des Fahrzeuges gegenüber einer herkömmlichen Hochdruck-Abgasrückführung verringert, bei der bekanntlich zwar die Stickoxidbildung abgesenkt, die Schadstoffemissionen jedoch erhöht sind.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses in Verbindung mit einem teilhomogenen Dieselbrennverfahren eingesetzt. Insbesondere in Motorkennfeldbereichen mit niedrigen Abgastemperaturen, bei denen die Aktivität des NOx- Katalysators eingeschränkt ist, kann dies durch die sehr geringen NOx-Emissionen bei einem teilhomogenen Betrieb kompensiert werden. Die NOx-Speicherfähigkeit reicht bei geringen Rohemissionen des Verbrennungsmotors länger, so dass das Risiko eines NOx-Schlupfes verringert werden kann. Außerdem sind bei geringen Rohemissionen die Zeitabstände zwischen zwei NOx-Regenerationsphasen größer. Die Höhe des Kraftstoffverbrauchs wird dadurch vermindert. Auch wird die Belastung des NOx-Speicherkatalysators durch die geringere Zahl an Regenerationsvorgängen verringert.

Analog zu dem oben beschriebenen Verfahren ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren mit einer im Abgasstrang angeordneten NOx-Speicherkatalysatoranordnung zur Entstickung des Abgases derart ausgestaltet, dass die NOx-Katalysatoranordnung zweistufig ist, und zwar mit einem ersten, motornahen NOx-Speicherkatalysator vorzugsweise für den Kaltstart- und Teillastbetrieb sowie mit einem stromabwärts davon angeordneten motorfernen NOx-Speicherkatalysator vorzugsweise für den Volllastbetrieb, wobei einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit kombiniert ist.

Dabei kann entweder der erste NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter kombiniert sein, was den Vorteil hat, dass eine thermische Regeneration des angesammelten Rußes ohne Zusatzmaßnahmen wie Kraftstoffadditive oder externe Nacheineinspritzung möglich ist. In einer anderen Ausgestaltung ist der zweite NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter kombiniert, wobei dem Partikelfilter von außen eine für dessen Regeneration erforderliche Energie zugeführt werden kann, sollten motorische Maßnahmen nicht zum Einsatz kommen oder nicht ausreichen. Diese Energie kann beispielsweise durch eine Mikrowelleneinrichtung oder eine andere elektrische Heizeinrichtung zugeführt werden; vorzugsweise wird jedoch vor dem Partikelfilter ein Regenerationsmittel, beispielsweise Kraftstoff eingespritzt.

Um die oben beschriebene Niederdruck-Abgasrückführung durchzuführen, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach dem NOx-Speicherkatalysator, welcher mit einem Partikelfilter kombiniert ist, aus dem Abgasstrang ein Teil des Abgases abgezweigt und über eine entsprechende Rückführleitung in den Ansaugtrakt rückgeführt. Diese Anordnung muss aufgrund der Tatsache so eingehalten werden, weil nur recht sauberes Abgas in der Niederdruck-AGR rückgeführt werden darf, da diese wegen starker Kühlung sonst sehr schnell versotten würde.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 schematisch ein Kraftfahrzeug, in dessen Abgasstrang eine motornahe Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit und ein motorferner NOx-Speicherkatalysator angeordnet sind;
2 ein Diagramm eines Abgas-Messzyklus, wobei die NOx-Konzentration über dem Abgasweg dargestellt ist;
3 in einer ähnlichen Darstellung ein Diagramm eines anderen Abgas-Messzyklus;
4 eine Darstellung ähnlich der 1, wobei im Abgasstrang jedoch ein motornaher NOx-Speicherkatalysator und eine motorferne Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit angeordnet sind.
Das in der 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 2 wird durch einen Verbrennungsmotor 4, in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Dieselmotor, angetrieben. Wie ebenfalls schematisch dargestellt ist, ist der Verbrennungsmotor 4 mit einem Abgasturbolader 6 ausgestattet, welcher in bekannter Weise die Abgase des Verbrennungsmotors 4 nutzt, um diesen aufzuladen.
Die Abgase des Verbrennungsmotors 4 werden durch einen als Ganzes mit 8 bezeichneten Abgasstrang in die Umgebung abgeführt. In diesem Abgasstrang ist unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor 4 eine NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit 10 angeordnet, in welcher den Abgasen Stickoxide und Rußpartikel entzogen werden. Diese Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit ist als Partikelfilter mit einer NOx-Speicherkatalysatorbeschichtung ausgebildet.
Der Katalysatorteil der Baueinheit 10 wird infolge seiner motornahen Anordnung mit relativ heissen Abgasen beaufschlagt. Diese Abgastemperatur liegt insbesondere beim Kaltstart und im Teillastbetrieb im wirksamen Arbeitsfenster des NOx-Katalysators, so dass er in diesem Betriebsbereich den Hauptanteil an der Entstickung der Abgase leistet.
Ein weiterer NOx-Speicherkatalysator 12 ist stromabwärts der Baueinheit 10 im Abgasstrang 8 in einer motorfernen Position angeordnet. Im Kaltstart- und Teillastbetrieb ist die Temperatur der Abgase an dieser Stelle so weit abgesunken, dass sie unterhalb des wirksamen Arbeitsfensters dieses Katalysators liegt, so dass dieser in diesem Betriebsbereich an der Entstickung einen geringeren Anteil hat.
Im Volllastbetrieb arbeitet hingegen der motorferne NOx-Speicherkatalysator 12 im günstigen Arbeitsfenster, während der motornahe Katalysatorteil der Baueinheit 10 außerhalb dieses Fensters arbeitet und an diesen Betriebspunkten an der Entstickung nur einen geringen Anteil hat.
2 zeigt ein Diagramm eines typischen Fahrzyklus für Diesel-PKW im Abgastest. Es handelt sich dabei um einen Test, bei welchem volllastartige Fahrzustände überwiegen. Wie das Diagramm erkennen lässt, haben die Abgase am Eingang der Baueinheit 10 eine Temperatur von etwa 450°C, am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 12 dann noch eine Temperatur von 350°C. Aus dem rein qualitativen Diagramm der 2 ergibt sich, dass die NOx-Konzentration in der motornahen Baueinheit 10, deren Katalysatorteil schon außerhalb seines günstigsten Arbeitsfensters arbeitet, um 30 % reduziert. Ausgehend von diesem Wert wird die NOx-Konzentration in dem motorfernen NOx-Speicherkatalysator 12, der im günstigen Arbeitsfenster arbeitet, um 85 % auf seinen Endwert reduziert.
3 zeigt ein Diagramm ähnlich der 2, wobei jedoch diesem Diagramm ein teillastartiger Betrieb zugrunde liegt Am Eingang der Baueinheit 10 hat das Abgas eine Temperatur von 250°C, und am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 12 ist die Abgastemperatur gleich 150°C. Wie das qualitative Diagramm erkennen lässt, wird die NOx-Konzentration in der motornahen Baueinheit 10, deren Katalysatorteil in einem günstigen Arbeitsfenster arbeitet, um 85 % reduziert; ausgehend von dem erreichten Wert wird in dem motorfernen NOx-Speicherkatalysator 12, der außerhalb des günstigen Arbeitsfensters arbeitet, um weitere 15 % auf ihren Endwert reduziert.
4 zeigt eine Darstellung ähnlich der 1, mit einem Kraftfahrzeug 2, einem Verbrennungsmotor 4, einem Abgasturbolader 6 und einem Abgasstrang 8.
Im Gegensatz zu dem Kraftfahrzeug der 1 ist der NOx-Speicherkatalysator 12' unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor 4, d.h. also motornah angeordnet, während die NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit 10' stromabwärts davon, d.h. motorfern angeordnet ist. Eine derartige Anordnung kann erforderlich sein, wenn aus Package-Gründen eine motornahe Anordnung der Baueinheit 10' nicht möglich ist. In diesem Fall kann die Regeneration des motorfernen Partikelfilterteils der Baueinheit 10' über zusätzliche Regenerationshilfen, z.B. eine externe Nacheinspritzung oder die Zugabe von Kraftstoffadditiv erfolgen, sollte der Einsatz von motorischen Maßnahmen nicht erwünscht oder zu ineffektiv sein. In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Kraftstoff-Nacheinspritzung vorgesehen. Zu diesem Zweck wird dem Kraftstofftank 14 des Fahrzeuges Kraftstoff entnommen und über eine Nacheinspritzleitung 16 vor der Baueinheit 10 in den Abgasstrang 8 eingespritzt (HCI = HC-Injektion).
Wie bereits weiter vorne dargelegt wurde, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise in Verbindung mit einer Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt, bei der die Abgasentnahme vorzugsweise nach der Baueinheit 10 und die Einleitung des Abgases vor dem Verdichter des Turboladers erfolgt. 1 zeigt schematisch eine Abgasrückführleitung 18, über die ein Abgasanteil aus dem Abgasstrang 8 abgezweigt und in den Ansaugtrakt 20 eingeleitet wird: Bei diesem System mit einer Abgasentnahme nach dem beschichteten Partikelfilter ist auch die Konzentration an NOx, CO und HC des rückgeführten Abgases erheblich reduziert. Auf diese Weise können, abhängig von der Abgasrückführrate, die Motorrohemissionen und damit auch die Gesamtemission des Fahrzeuges gegenüber einer Hochdruck-Abgasrückführung verringert werden.

2: Kraftfahrzeug
4: Verbrennungsmotor
6: Abgasturbolader
8: Abgasstrang
10: NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit
10': NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit
12: NOx-Katalysator
12': NOx-Katalysator
14: Kraftstofftank
16: Nacheinspritzleitung
18: Abgasrückführleitung
20: Ansaugtrakt

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem das Abgas durch eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Katalysatoranordnung entstickt wird, wobei die NOx-Katalysatoranordnung zweistufig mit zwei aufeinanderfolgenden NOx-Speicherkatalysatoren ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste NOx-Speicherkatalysator motornah und der zweite NOx-Speicherkatalysator motorfern angeordnet sind, wobei einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren als Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit (10, 10') ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in der ersten Stufe entrußt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in der zweiten Stufe entrußt wird, wobei der Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit (10') von außen eine für die Regeneration des Partikelfilters erforderliche Energie zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es in Verbindung mit einer Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt wird, wobei nach dem Partikelfilter ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang (8) abgezweigt und in den Ansaugtrakt (20) rückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es in Verbindung mit einem teilhomogenen Dieselbrennverfahren eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, umfassend eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Speicherkatalysatoranordnung zur Entstickung des Abgases, wobei die NOx-Speicherkatalysatoranordnung zweistufig mit einem ersten NOx-Katalysator und einem stromabwärts davon angeordneten zweiten NOx- Speicherkatalysator ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (10) kombiniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (10) kombiniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (10') kombiniert ist, und dass dem Partikelfilter von außen eine für dessen Regeneration erforderliche Energie zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Regeneration des Partikelfilters extern zugeführte Energie auch für die Desulfatierung des motorfernen NOx-Speicherkatalysatorbauteils verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Partikelfilter Kraftstoff in den Abgasstrang eingespritzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten NOx-Speicherkatalysator, welcher mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit kombiniert ist, aus dem Abgasstrang (8) ein Teil des Abgases abgezweigt und in den Ansaugtrakt (20) rückgeführt wird.