DE102007030235A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen NOx-Speicherkatalysator (20) zum Speichern von Stickoxiden aus dem vom Verbrennungsmotor zugeführten Abgas und einen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (20) angeordneten SCR-Katalysator (30) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im dem SCR-Katalysator (30) zugeführten Abgas auf. Um eine effektive Umwandlung von Stickoxiden zu ermöglichen, ist der NOx-Speicherkatalysator (20) in einer parallel zu einer primären Abgasleitung (40) verlaufenden sekundären Abgasleitung (50) des Abgassystems angeordnet, wobei Mittel zum selektiven Ermöglichen bzw. Unterbrechen einer Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator (20) vorgesehen sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors.
  • Es ist bekannt, zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen eines Verbrennungsmotors unter mageren Abgasbedingungen das sog. SCR-Verfahren (SCR= "selective catalytic reduction") einzusetzen, d. h. ein Verfahren zur selektiven, katalytischen Reduktion. Hierbei wird dem Abgas z. B. Ammoniak (NH3) zugeführt, welches an geeigneten SCR-Komponenten des SCR-Katalysators mit den im Abgas vorhandenen Stickoxiden selektiv zu Stickstoff und Wasser reagiert.
  • Aus der US 6,182,443 B1 ist ein Verfahren zur Abgasbehandlung bekannt, bei welchem im Abgasweg eines Dieselmotors zwei Katalysatorkomponenten angeordnet werden. Die erste Komponente ist in unmittelbarer Nähe des Motors angeordnet und bildet einen NOx-Absorber aus einem edelmetallhaltigen Träger. Die zweite Komponente ist ein NOx-Speicherkatalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem mageren Abgas oder ein SCR-Katalysator.
  • Aus der EP 1 435 437 A1 ist eine Vorrichtung zur NOx-Abgasnachbehandlung zur Verwendung in einem Magermixmotor bekannt, bei welcher ein NOx-Absorber in Verbindung mit einem SCR-Katalysatorsystem eingesetzt wird, um das innerhalb des NOx-Absorbers erzeugte Ammoniak (NH3) zur Reduzierung der im Abgasstrom nach Durchlaufen des NOx-Absorbers verbleibenden Stickoxide im mageren Betrieb des Motors zu verwenden.
  • Ein SCR-Katalysator besitzt üblicherweise eine Betriebstemperatur oberhalb von etwa 200°C. Infolge des vergleichsweise großen Volumens der SCR-Komponenten ist der SCR-Katalysator häufig an einer Unterbodenposition und in größerer Entfernung vom Motor, gegebenenfalls stromabwärts eines Dieselpartikelfilters (DPF), untergebracht. Wegen der hieraus resultierenden Schwierigkeiten hin sichtlich des Erreichens der Betriebstemperatur des SCR-Katalysators werden häufig Heizstrategien abgewandt, um die Temperaturerhöhung des SCR-Systems und damit das Anspringen des SCR-Katalysators zu unterstützen, was jedoch auf Kosten der Kraftstoffeffizienz erfolgt.
  • Den zuvor genannten Lösungen ist gemeinsam, daß die Situation auftreten kann, daß der Motor abgeschaltet wird, bevor eine Regeneration bzw. Reinigung des NOx-Speicherkatalysators durch Aufheizung oder durch Betriebsphasen mit fettem Luft/Kraftstoffgemisch erfolgen kann. Infolgedessen kann der Fall eintreten, daß beim nächsten Startvorgang die NOx-Beladung des NOx-Speicherkatalysators für eine wirksame NOx-Speicherung zu groß ist.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, mittels der bzw. durch das eine effektivere Umwandlung von Stickoxiden ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors weist einen NOx-Speicherkatalysator zum Speichern von Stickoxiden aus dem vom Verbrennungsmotor zugeführten Abgas und einen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas auf.
  • Erfindungsgemäß ist der NOx-Speicherkatalysator in einer sekundären Abgasleitung des Abgassystems angeordnet, welche parallel zu der primären Abgasleitung verläuft, und die Abgasströmung zu dem NOx-Speicherkatalysator kann selektiv ermöglicht oder unterbrochen werden.
  • Die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators in einer sekundären Abgasleitung und die selektive Unterbrechbarkeit bzw. des Abgasstromes über den NOx-Speicherkatalysator ermöglichen es, den NOx-Speicherkatalysator in einem reineren, d. h. weitgehend oder vollständig beladungsfreien Zustand zu halten, so daß der NOx-Speicherkatalysator seine volle Speicherkapazität besitzt, wenn er das nächste Mal zum Einsatz kommt. Dies hat im Vergleich zur herkömmlichen Reihenanordnung des NOx-Speicherkatalysators den Vorteil, daß eine effektivere NOx-Umwandlung in dem gesamten Abgassystem aus NOx-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator erreicht werden kann.
  • Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße NOx-Speicherkatalysator in unmittelbarer Nähe ("closed-coupled-position") des Verbrennungsmotors angeordnet. Auf diese Weise kann ein schnellstmögliches Anspringen des NOx-Speicherkatalysators nach einem Kaltstart aufgrund der motornahen Position erreicht werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der NOx-Speicherkatalysator aktiv erwärmt (z. B. unter Ausnutzung der Motorwärme oder mittels eines in kontrollierter Weise zugeführten Gasstroms), um bei erschöpfter Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysator eine Desorption des gespeicherten NOx zu unterstützen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, bei welchem das vom Verbrennungsmotor zugeführte Abgas einem NOx-Speicherkatalysator zum Speichern von Stickoxiden und einem stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugeführt werden, wobei eine Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator in Abhängigkeit vom Betriebszustand des SCR-Katalysators und/oder des NOx-Speicherkatalysators selektiv unterbrochen oder ermöglicht wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator erst unterbrochen, wenn die Temperatur (TSCR) am SCR- Katalysator die untere Grenze (Tthreshold) seines Betriebstemperaturbereichs erreicht bzw. überschritten hat.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator erst unterbrochen, nachdem eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators durchgeführt wurde.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem ersten Betriebszustand (TSCR < Tthreshold),
  • 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem zweiten Betriebszustand (TSCR > Tthreshold), und
  • 3–5 Vorrichtungen gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.
  • In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt, bei welchem von dem Verbrennungsmotor 10 herströmende Abgase 15 zunächst durch einen NOx-Speicherkatalysator 20 und anschließend durch ein stromabwärts dieses NOx-Speicherkatalysators 20 angeordnetes System aus einem SCR-Katalysator 30 und einem Dieselpartikelfilter (in 1 und 2 nicht dargestellt) strömen.
  • Zusätzlich zu einer primären Abgasleitung 40 des Abgassystems 1 ist eine hierzu parallel verlaufende sekundäre Abgasleitung 50 derart vorgesehen, daß die von dem Verbrennungsmotor 10 kommenden Abgase 15 selektiv über die primäre Abgasleitung 40 oder die sekundäre Abgasleitung 50 zu dem SCR-Katalysator 30 und dem Dieselpartikelfilter strömen können. Der NOx-Speicherkatalysator 20 ist in der sekundären Abgasleitung 50 des Abgassystems 1 angeordnet. Die selektive Umschaltung des Abgasstromes zwischen der primären Abgasleitung 40 und der sekundären Abgasleitung 50 wird in dem Ausführungsbeispiel über ein in der primären Abgasleitung 40 angeordnetes erstes Ventil 45 und ein stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 20 in der sekundären Leitung 50 angeordnetes zweites Ventil 55 realisiert.
  • Der NOx-Speicherkatalysator 20 weist einen auf einem beliebigen geeigneten Katalysatorsubstrat befindlichen LNT-Puffer auf, für den im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen angegeben werden:
    • a) Niedrigtemperaturspeicher-Reduktionskatalysator (speichert bei magerem Betrieb; thermische Desorption ist möglich; zur Umwandlung der gespeicherten Stickoxide ist jedoch eine Regeneration unter fetten Betriebsbedingungen erforderlich;
    • b) Niedrigtemperaturspeicher-Katalysator ohne reduzierende Wirkung (speichert bei magerem Betrieb, desorbiert nur thermisch, d. h. keine Möglichkeit zur Reduzierung und Umwandlung gespeicherter Stickoxide);
    • c) Niedrigtemperaturspeicher- Reduktionskatalysator, also entsprechend der Variante a), jedoch ausgelegt zur Erzeugung von Ammoniak (NH3) bei Regeneration unter fetten Betriebsbedingungen; in diesem Falle wird bei Freisetzung der Stickoxide unter fetten Betriebsbedingungen Ammoniak (NH3) als Nebenprodukt aus dem NOx-Speicherpuffer freigesetzt, wodurch die Umwandlung im SCR-Katalysator gefördert wird.
  • Bei dem Katalysatorsubstrat kann es sich beispielsweise um ein keramisches Durchflusskatalysatorsubstrat oder ein metallisches Durchflusskatalysatorsubstrat, ein DPF-Wandstromfiltersubstrat (vorzugsweise aus Kordierit) oder ein Drahtgeflecht-DPF-Substrat handeln.
  • In 1 ist zunächst die Situation bei geschlossenem erstem Ventil 45 und geöffnetem zweiten Ventil 55 dargestellt. Diese Situation entspricht einem Betriebszustand, bei dem die Temperatur TSCR am SCR-Katalysator 30 unterhalb der unteren Grenze Tthreshold seines Betriebstemperaturbereichs liegt, also TSCR < Tthreshold gilt., d. h. es liegt eine Situation vor, in der entweder ein Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 stattgefunden hat oder in der die Temperatur TSCR am SCR-Katalysator 30 auf einen Wert unterhalb der unteren Grenztemperatur Tthreshold seines Betriebstemperaturbereichs (innerhalb dessen der SCR-Katalysator 30 NOx umwandeln kann) abgefallen ist.
  • In dieser Situation wird gemäß 1 der Abgasstrom 15 vollständig über den NOx-Speicherkatalysator 20 geführt, welcher somit NOx speichert, während zugleich das Abgas hin zu dem SCR-Katalysator 30 strömen kann, so daß sich der SCR-Katalysator 30 aufheizt, bis die Anspringtemperatur des SCR-Katalysators 30 erreicht ist, d. h. bis sich der SCR-Katalysator 30 in seinem Betriebstemperaturbereich befindet.
  • Sobald die Temperatur TSCR am SCR-Katalysator 30 die untere Grenze Tthreshold seines Betriebstemperaturbereichs erreicht hat bzw. übersteigt, d. h. TSCR > Tthreshold, oder die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 20 erschöpft ist, erfolgt eine aktive Regeneration bzw. Reinigung des NOx-Speicherkatalysators 20, der somit in den gereinigten, beladungsfreien Zustand zurückkehrt. Die Regeneration bzw. Reinigung des NOx-Speicherkatalysators 20 kann durch Aufheizung oder durch Einstellung einer Betriebsphase mit fettem Luft/Kraftstoffgemisch erfolgen. Falls ein Aufheizvorgang verwendet wird, um den NOx-Speicherkatalysator 20 mittels Desorption zu reinigen, kann eine Zufuhr von Carbamiden erfolgen, um die desorbierten Stickoxide im Abgassystem selektiv zu Stickstoff und Wasser umzuwandeln.
  • Für den Fall, daß die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 20 erschöpft ist, wenn die Temperatur TSCR am SCR-Katalysator 30 unterhalb der unteren Grenze Tthreshold seines Betriebstemperaturbereichs liegt, d. h. TSCR < Tthreshold, kann ebenfalls eine Regeneration bzw. Reinigung des NOx-Speicherkatalysators 20 durch Aufheizung oder durch Einstellung einer Betriebsphase mit fettem Luft/Kraftstoffgemisch erfolgen. Hierbei wird der Abgasstrom über den NOx-Speicherkatalysator 20 ermöglicht, so daß der NOx-Speicherkatalysator 20 weiterhin NOx speichert, bis die Temperatur TSCR am SCR-Katalysator 30 wieder oberhalb der unteren Grenze Tthreshold seines Betriebstemperaturbereichs liegt.
  • Wenn die Temperatur TSCR am SCR-Katalysator 30 die untere Grenze Tthreshold seines Betriebstemperaturbereichs erreicht bzw. überschritten hat und der NOx-Speicherkatalysator 20 regeneriert bzw. gereinigt wurde, erfolgt gemäß 2 ein Öffnen des ersten Ventils 45 und ein Schließen des zweiten Ventils 55.
  • In 2 ist die Situation bei geöffnetem erstem Ventil 45 und geschlossenem zweiten Ventil 55 dargestellt. Infolge des Schließens des zweiten Ventils 55 wird der Abgasstrom über den NOx-Speicherkatalysator 20 unterbrochen, um den NOx-Speicherkatalysator 20 so nahe wie möglich in seinem beladungsfreien Zustand (= "Null-Speicher-Zustand") zu halten, bis er zum nächsten Mal benötigt wird, wobei die selektive katalytische Reduktion im SCR-Katalysator 30 bei optimalen Bedingungen abläuft.
  • Die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators 20 in einer sekundären Abgasleitung ermöglicht es, den NOx-Speicherkatalysator 20 in einem reineren Zustand zu halten, so daß dieser seine volle Speicherkapazität besitzt, sobald er benötigt wird. Dies hat im Vergleich zur herkömmlichen Reihenanordnung des NOx-Speicherkatalysators den Vorteil, daß eine effektivere NOx-Umwandlung in dem gesamten Abgassystem 1 aus NOx-Speicherkatalysator 20 und SCR-Katalysator 30 erreicht wird.
  • 3–5 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
  • Dabei entspricht der Aufbau von 3 demjenigen von 1 und 2, wobei jedoch in der primären Abgasleitung zusätzlich ein Diesel-Oxidationskatalysator 16 vorgesehen ist. In dem in 4 gezeigten Aufbau ist anstelle des SCR-Katalysators 30 aus 1–3 eine Kombination aus einem SCR-Katalysator 31 und einem Dieselpartikelfilter (DPF) 32 vorgesehen, wobei unmittelbar stromaufwärts des SCR-Katalysators 31 Harnstoff zur Reaktion mit den Abgasen eingespritzt wird. Alternativ kann auch in Umkehrung der Anordnung von 4 der SCR-Katalysator 31 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 32 angeordnet sein, wobei in diesem Falle eine Einspritzung von Harnstoff im Bereich zwischen dem Dieselpartikelfilter 32 und dem SCR-Katalysator 31 erfolgt. Im Übrigen wird bezüglich der Funktion sowie bevorzugter Ausgestaltungen der Anordnungen von 3–5 auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit 1 und 2 verwiesen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6182443 B1 [0003]
    • - EP 1435437 A1 [0004]

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, mit: einem NOx-Speicherkatalysator (20) zum Speichern von Stickoxiden aus dem vom Verbrennungsmotor (10) zugeführten Abgas (15); und einem stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (20) angeordneten SCR-Katalysator (30) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im dem SCR-Katalysator (30) zugeführten Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicherkatalysator (20) in einer parallel zu einer primären Abgasleitung (40) verlaufenden sekundären Abgasleitung (50) des Abgassystems angeordnet ist, wobei Mittel zum selektiven Ermöglichen bzw. Unterbrechen einer Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator (20) vorgesehen sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum selektiven Ermöglichen oder Unterbrechen einer Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator (20) jeweils wenigstens ein in der primären Abgasleitung (40) und in der sekundären Abgasleitung (50) angeordnetes Ventil (45, 55) umfassen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicherkatalysator (20) in unmittelbarer Nähe des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur aktiven, vorzugsweise kontrolliert steuerbaren Erwärmung des NOx-Speicherkatalysators (10) vorgesehen sind.
  5. Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, bei welchem das vom Verbrennungsmotor (10) zugeführte Abgas (15) einem NOx-Speicherkatalysator (20) zum Speichern von Stickoxiden und einem stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (20) angeordneten SCR-Katalysator (30) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator (20) in Abhängigkeit vom Betriebszustand des SCR-Katalysators (30) und/oder des NOx-Speicherkatalysators (20) selektiv unterbrochen oder ermöglicht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator (20) erst unterbrochen wird, wenn die Temperatur (TSCR) am SCR-Katalysator (30) die untere Grenze (Tthreshold) seines Betriebstemperaturbereichs überschritten hat.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströmung über den NOx-Speicherkatalysator (20) erst unterbrochen wird, nachdem eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (20) durchgeführt wurde.
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