DE102005058858A1 - Method for exhaust gas aftertreatment in internal combustion engines, and apparatus for carrying out this method - Google Patents
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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.The The present invention relates to a method for exhaust aftertreatment in internal combustion engines, in which the exhaust gas by a in the exhaust system arranged NOx trap catalyst assembly is entstickt. It is provided, the exhaust gas in two successive stages in a first, close to the engine arranged NOx storage catalyst and then in a second, remote from the engine NOx storage catalyst denitrinating. In cold-start and partial-load operation, the engine is working close to the engine NOx storage catalyst in a favorable working window and takes over the larger share the denitrification. In full-load operation, the engine remote works NOx storage catalyst in a favorable working window, so that he takes over the larger proportion of denitrification in this mode of operation. In this way, the working window of the overall arrangement is opposite to individual NOx storage catalysts significantly increased.
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.The The present invention relates to a method for exhaust aftertreatment in internal combustion engines, in which the exhaust gas by a in the exhaust system arranged NOx catalyst arrangement nitrogen oxides be withdrawn, according to the preamble of claim 1, as well as a Apparatus for carrying out This method according to the preamble of claim 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
Eine weitere aktive Abgasnachbehandlungsmaßnahme ist das Ausfiltern von festen Verbrennungsrückständen in sogenannten Partikelfiltern, was insbesondere bei Dieselmotoren von Bedeutung ist.A Another active exhaust aftertreatment measure is the filtering out of solid combustion residues in so-called particulate filters, which is especially true of diesel engines is important.
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.It It is generally known that NOx storage catalysts only in one certain exhaust gas temperature range have satisfactory conversion rates, i.e. the efficiency of the NOx storage catalyst depends i.a. also from where it is located in the exhaust system. A close to the engine Arrangement has the advantage that the NOx storage catalyst already at cold start or in partial load a satisfactory conversion rate Has. In the high-load range of the internal combustion engine is the exhaust gas temperature but then generally outside of for the operation of the NOx storage catalytic most favorable exhaust gas temperature window.
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.For this Operating condition is therefore a remote engine arrangement of the NOx storage catalyst advantageous because this due to the strong temperature drop of Exhaust gases in the exhaust system is also effective in the high load range.
Aus
der
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.It The object of the present invention is a generic method and a generic device of the type mentioned above, in which an improved NOx conversion achieved throughout the engine map area.
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.These Task is by a method for exhaust aftertreatment with the Features of claim 1 and by an apparatus for exhaust aftertreatment solved with the features of claim 6. Preferred embodiments The invention are the subject of the dependent claims.
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.According to the invention Exhaust gas in two consecutive stages in a first, close to the engine arranged NOx storage catalyst and then in entstickt a second, remote from the engine NOx storage catalyst. The NOx conversion is therefore divided into two components, the their best efficiency in different engine map areas to have. Due to the close-coupled arrangement of the first NOx storage catalyst is the working window of the NOx storage catalytic converter in the cold start quickly reached and not fallen below in the lower load range of the engine. The engine-remote NOx catalyst has due to the sharp drop in temperature of the exhaust gases in the exhaust system even in the high load range of the internal combustion engine a good Efficiency. Thus, in the entire engine map area a high NOx conversion achieved. This arrangement becomes an extension the working window of the NOx storage catalyst arrangement in comparison achieved to a single component with the same total volume and with the same NOx storage catalytic converter area. The distance between both components and the achieved thereby Temperature difference is an optimization parameter for the working window. In this case, the exhaust gas in one of the two stages in a catalyst / particulate filter assembly at the same time i.e. one of the two stages is for example as a particle filter with a NOx storage coating educated. becomes.
Bei den Brennkraftmaschinen handelt es sich entweder um magerlauffähige Ottomotoren oder um Dieselbrennkraftmaschinen.at the internal combustion engines are either lean-running gasoline engines or to diesel engines.
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.The decommissioning of the exhaust gas in the catalyst / particulate filter assembly is preferably carried out in the first stage, ie in a close-coupled assembly. As stated above, the NOx storage catalyst coating of the engine-mounted assembly is preferably effective in the cold start and in the lower load range of the engine. The close-coupled arrangement of the particulate filter has the advantage that a thermal regeneration of the accumulated soot without additional measures such as fuel additive or external post-injection is possible. In addition, the coating of the particulate filter can assist in filtering erosion. The engine-remote NOx storage catalyst is, as just if already explained, preferably effective in the high load range of the internal combustion engine.
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.According to one However, in another embodiment of the invention, the exhaust gas is in the second stage, i.e. in a remotely located catalyst / particulate filter assembly. This arrangement may arise when for package reasons a close to the engine Arrangement of the particulate filter is not possible, especially in terms the largest possible maintenance interval and thus an enlargement of the Component. In this case, the regeneration of the engine-remote particulate filter also over additional Regenerative aids, e.g. an external post-injection or the Addition of fuel additives done. This additional External post-injection can also be used in the desulfurization of the second stage the emission control system are used, as this temperatures of 600-750 ° C are required, which are difficult to produce in the second component, without the first cleaning stage must be much hotter.
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.The inventive method is preferably used in conjunction with a low-pressure exhaust gas recirculation, wherein after the particulate filter stage of the exhaust aftertreatment Branched off the exhaust gas from the exhaust line and into the intake tract, optionally, preferably before a compressor of an exhaust gas turbocharger is returned. In this method with low-pressure exhaust gas recirculation with an exhaust gas removal After particulate filter, the engine raw emissions, depending on the exhaust gas recirculation rate, and thus the total emissions of the vehicle compared to one usual High pressure exhaust gas recirculation reduced, in the known although the nitrogen oxide formation lowered, the pollutant emissions however are increased.
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.According to one Another embodiment of the method according to the invention is this Used in conjunction with a partially homogeneous diesel combustion process. Especially in engine map areas with low exhaust gas temperatures, where the activity of the NOx catalyst limited This can be achieved by the very low NOx emissions at a partially homogeneous operation can be compensated. The NOx storage capacity is longer with low raw emissions of the internal combustion engine, so that the risk of NOx slippage can be reduced. Besides, they are at low raw emissions, the time intervals between two NOx regeneration phases greater. The Height of Fuel consumption is thereby reduced. Also, the burden of the NOx storage catalyst reduced by the lower number of regeneration processes.
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.Analogous to the method described above, an apparatus for exhaust aftertreatment is included Internal combustion engines with an arranged in the exhaust line NOx storage catalyst arrangement for Denitrification of the exhaust gas configured such that the NOx catalyst assembly is two-stage, with a first, close-coupled NOx storage catalytic converter preferably for the cold start and part load operation and with a downstream thereof arranged engine-removed NOx storage catalyst, preferably for full-load operation, wherein one of the two NOx storage catalytic converters with a particle filter is combined into a structural unit.
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.there can either the first NOx storage catalyst with a particulate filter be combined, which has the advantage that a thermal regeneration of accumulated soot without additional measures as fuel additives or external Nacheineinspritzung is possible. In another embodiment, the second NOx storage catalyst combined with a particulate filter, wherein the particulate filter of Outside one for whose regeneration required energy can be supplied, should motor activities not used or not sufficient. This energy can for example, by a microwave device or another be supplied with electrical heating device; preferably however, before the particulate filter, a regeneration agent, for example Fuel injected.
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.Around to perform the low-pressure exhaust gas recirculation described above, is according to a preferred embodiment of the invention according to the NOx storage catalyst, which is combined with a particulate filter, from the exhaust system a portion of the exhaust branched off and via a corresponding return line returned to the intake. These Arrangement must be complied with because of the fact, because only fairly clean exhaust gas can be recycled in the low pressure EGR may, as this is due to strong cooling otherwise it would spoil very fast.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Several embodiments The invention are illustrated in the drawings and described in more detail below. Show it:
Das
in der
Die
Abgase des Verbrennungsmotors
Der
Katalysatorteil der Baueinheit
Ein
weiterer NOx-Speicherkatalysator
Im
Volllastbetrieb arbeitet hingegen der motorferne NOx-Speicherkatalysator
Im
Gegensatz zu dem Kraftfahrzeug der
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
- 22
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 44
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 66
- Abgasturboladerturbocharger
- 88th
- Abgasstrangexhaust gas line
- 1010
- NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-BaueinheitNOx storage catalytic converter / particulate filter assembly
- 10'10 '
- NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-BaueinheitNOx storage catalytic converter / particulate filter assembly
- 1212
- NOx-KatalysatorNOx catalyst
- 12'12 '
- NOx-KatalysatorNOx catalyst
- 1414
- KraftstofftankFuel tank
- 1616
- NacheinspritzleitungNacheinspritzleitung
- 1818
- AbgasrückführleitungExhaust gas recirculation line
- 2020
- Ansaugtraktintake system
Claims (11)
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