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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regelungsstrategie für
ein Katalysatorkonzept zur Abgasnachbehandlung. Das Katalysatorkonzept zeichnet
sich dadurch aus, dass im Abgasstrang eines Fahrzeugs mindestens
zwei Stickoxid-Speicherkatalysatoren eingesetzt werden, die räumlich
voneinander getrennt im Abgasstrang angeordnet sind und wobei der
erste Stickoxid-Speicherkatalysator vorzugsweise motornah verbaut
wird.
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Mager
betriebene Verbrennungsmotoren, so genannte Magermotoren, werden
zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs überwiegend und
insbesondere im Teillastbetrieb mit überstöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
also mageren betrieben. Ein mageres Luft/Kraftstoffgemisch enthält
demnach eine höhere Sauerstoffkonzentration als für
die vollständige Verbrennung des Kraftstoffes benötigt
wird. Im entsprechenden Abgas liegen dann die oxidierenden Komponenten
Sauerstoff (O2), Stickoxide (NOx) im Überschuss
gegenüber reduzierenden Abgaskomponenten wie Kohlenmonoxid
(CO), Wasserstoff (H2) und Kohlenwasserstoffen
(HC) vor. Mageres Abgas enthält gewöhnlich 3 bis
15 Vol.-% Sauerstoff.
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Zu
den Magermotoren gehören Dieselmotoren und mager betriebene
Ottomotoren. Erst in den letzten Jahren wurden Dieselmotoren entwickelt,
die für kurze Dauer auch mit fetten Luft/Kraftstoff-Gemischen
betrieben werden können. Innerhalb bestimmter Betriebsphasen,
wie z. B. dem Volllastbetrieb oder dem Kaltstart, erfolgt bei mager
betriebenen Ottomotoren eine stöchiometrische oder sogar
unterstöchiometrische, das heißt fette, Luft/Kraftstoffaufbereitung.
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Im
Rahmen dieser Erfindung werden zu den überwiegend mager
betriebenen Motoren neben den Dieselmotoren und den Ottomotoren
mit Benzindirekteinspritzung und Schichtladebetrieb auch konventionelle
Ottomotoren mit weitestgehend homogener Gemischaufbereitung gerechnet,
die mit Luftzahlen bis etwa 1,4 – das heißt mager,
betrieben werden können. Speziell entwickelte Magermotoren
mit Benzin-Direkteinspritzung können mit Luftzahlen bis
2,5 und neueste Magermotoren sogar mit Luftzahlen über
5 betrieben werden. Bei Dieselfahrzeugen reicht die Luftzahl bis
an die 25 heran.
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Zur
Beschreibung der Betriebsart eines Verbrennungsmotors wird häufig
statt des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses die Luftzahl λ verwendet.
Dabei handelt es sich um das auf stöchiometrische Bedingungen
normierte Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Dementsprechend beschreibt
die Luftzahl λ = 1 ein stöchiometrisch zusammengesetztes
Luft/Kraftstoff-Gemisch. Bei Magermotoren liegt die Luftzahl überwiegend
oder vollständig bei Werten über 1.
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Wegen
des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas von Magermotoren können
die bei der Verbrennung entstandenen Stickoxide (NOx) nicht wie
bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren mit Hilfe von
Dreiweg-Katalysatoren kontinuierlich unter gleichzeitiger Oxidation
von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu Stickstoff reduziert
werden. Deren katalytische Reduktion gelingt nur in einem stöchiometrischen
bis fetten Abgasgemisch. Um Stickoxide im mageren Abgas kontinuierlich
reduzieren zu können, werden spezielle Katalysatoren verwendet,
wie beispielsweise HC-DeNOx-Katalysatoren oder SCR-Katalysatoren.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion der Stickoxide in
mageren Abgasen ist durch die Verwendung von Stickoxid-Speicherkatalysatoren
gegeben. Diese, diskontinuierlich betriebenen Stickoxid-Speicherkatalysatoren,
ermöglichen die Speicherung von Stickoxiden in magerem
Abgas und reduzieren die gespeicherten Stickoxide unter stöchiometrischen
bis fetten Abgasbedingungen (SAE-Schrift SAE 950809).
Um die zukünftigen Abgasnormen einzuhalten, werden bereits
Kraftfahrzeuge mit mager betriebenen Benzin- und Dieselmotoren mit
NOx-Speicherkatalysatoren (NSK) ausgerüstet.
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Um
die Zwischenspeicherung der Stickstoffoxide zu erreichen, werden
auf geeigneten Trägern, z. B. einem inerten Wabenkörper
aus Keramik oder Metall, Edelmetalle als katalytisch aktive Komponenten
und NOx-Speichermaterialien aufgebracht. Das Stickoxid-Speichermaterial
wiederum besteht aus der eigentlichen Stickoxid-Speicherkomponente,
die auf einem Trägermaterial in hochdisperser Form abgeschieden
sein kann. Als Speicherkomponenten werden vorwiegend die basischen
Oxide der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle und der Seltenerdmetalle,
insbesondere aber Bariumoxid, eingesetzt, welche mit den Stickoxiden
zu den entsprechenden Stickoxid-Verbindungen, z. B. Nitraten reagieren.
Als katalytisch aktive Komponenten werden gewöhnlich die
Edelmetalle der Platingruppe verwendet, die in der Regel gemeinsam
mit der Speicherkomponente auf dem Trägermaterial abgeschieden
werden. Als Trägermaterial wird überwiegend aktives,
hochoberflächiges Aluminiumoxid eingesetzt. Die katalytisch aktiven
Komponenten können jedoch auch auf einem separaten Trägermaterial
wie zum Beispiel aktivem Aluminiumoxid aufgebracht sein.
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Stickoxide
setzen sich definitionsgemäß aus Stickstoffmonoxid
und Stickstoffdioxid zusammen, wobei im Abgas eines Magermotors
je nach Betriebszustand des Motors die Stickoxide zu etwa 50 bis 90%
als Stickstoffmonoxid vorliegen. In der mageren, das heißt
sauerstoffreichen, Atmosphäre werden neben der HC- und
CO-Komponente die Stickstoffoxide unter der katalytischen Wirkung
des vorhandenen Edelmetalls im NOx-Speicherkatalysator aufoxidiert, unter
Ausbildung von Nitraten wie beispielsweise Bariumnitrat im Katalysator
absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Ist die Aufnahmekapazität des
NOx-Speicherkatalysators erschöpft, so wird seitens der
Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch
eingestellt (Fettbetrieb normalerweise circa zwei bis zehn Sekunden).
Durch das regelmäßige kurzzeitige „Anfetten” laufen
die Reaktionen in der entgegengesetzten Richtung ab, wodurch die
gespeicherten Stickoxide wieder in den Abgasstrom abgegeben und
durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen, reduzierenden
Komponenten wie HC – unvollständig verbrannte
Kohlenwasserstoffe – oder CO vorzugsweise zu N2 reduziert werden.
Dadurch wird der Katalysator für den nächsten
Speicherzyklus regeneriert. Durch dieses Vorgehen ist es auch möglich,
die Schadstoffemissionen sparsamer Magermotoren zu minimieren und
die gesetzlich vorgeschriebenen Emissions-Grenzwerte einzuhalten.
Die Aufnahmekapazität des Stickoxid-Speicherkatalysators
kann durch einen NOx-Sensor überwacht werden. Die Arbeitsweise von
Stickoxid-Speicherkatalysatoren wird ausführlich in der
SAE-Schrift SAE 950809 beschrieben. Entsprechende
NOx-Sensoren können der Schrift Autoabgaskatalysatoren,
Grundlagen-Herstellung-Entwicklung-Recycling-Ökologie,
2005, Expert Verlag, 2. Auflage entnommen werden.
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Aktuell
erhältliche Speicherkatalysatoren können NOx vorteilhaft
nur in einem Temperaturbereich von 250 bis 450°C speichern.
Die höchsten Speicherraten werden in einem Temperaturfenster von
300–400°C erzielt. Mit steigender Temperatur setzt
eine thermische Desorption der Stickoxide ein. Üblicherweise
werden daher Stickoxid-Speicherkatalysatoren im kühleren
Unterbodenbereich von Kraftfahrzeugen mit Magermotoren eingesetzt,
da hier die Abgastemperaturen im normalen Betrieb des Fahrzeugs
eine optimale Nutzung des Stickoxid-Speicherkatalysators erlauben.
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Der
Schwerpunkt heutiger Forschung liegt insbesondere in der Verkürzung
der Kaltstartphase, da ein Großteil der Gesamtschadstoffemission
innerhalb der ersten drei Minuten nach Motorstart emittiert werden.
In dieser Zeit ist der Katalysator aufgrund des Unterschreitens
seiner Betriebstemperatur fast funktionslos. Die Kaltstartphase
kann u. a. durch folgende Maßnahmen verkürzt werden:
- • Lufteinblasung vor Katalysator bei
Fettbetrieb (Erzeugung einer Flamme, die den Katalysator aufheizt),
- • elektrisch beheizter Katalysator,
- • Spätzündung
- • möglichst motornahe Katalysatormontage (zum Beispiel
direkt hinter dem Abgaskrümmer).
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Die
möglichst motornahe Montage des Speicherkatalysators würde
einen frühzeitigen Betrieb des Katalysators nach Kaltstart
ermöglichen, birgt jedoch die Nachteile, die mit einer
starken Erwärmung des Katalysators in dieser Position einhergehen.
Gerade bei Ottomotoren können im motornahen Bereich im
Volllastbetrieb etwa 1000°C im Katalysator erreicht werden.
Bei Dieselmotoren werden üblicher Weise Temperaturen von
maximal 800°C erreicht, beispielsweise bei der Regeneration
eines nachgeschalteten Dieselpartikelfilters. Aus diesem Grunde muss
ein in Motornähe platzierter Stickoxid-Speicherkatalysator
thermisch höher belastbar sein als ein im Unterboden des
Fahrzeuges platzierter Katalysator. Moderne magerbetriebenen Ottomotoren
haben den Stickoxid-Speicherkatalysator im Unterboden platziert
(siehe: C. Schwarz, et. al., MTZ 05/2007 Jahrgang 68, S.
332ff.), wo dieser mit Temperaturen von maximal 830°C
belastet wird (siehe: A. Waltner et. al., Die zweite Generation
der Benzindirekteinspritzung, 15. Aachener Kolloquium 2006).
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Für
den Fall eines stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotors
beschreibt die
WO9617671 eine
Abgasreinigungsvorrichtung aus einem motornahen Katalysator und
einem Unterbodenkatalysator, welche eine verbesserte Umsetzung aller
drei Schadstoffe, nämlich Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid
und Stickoxide, schon während der Kaltstartphase ermöglicht.
Der motornahe Katalysator ist während des normalen Betriebs
des Verbrennungsmotors sehr hohen Temperaturen bis zu 1100°C
ausgesetzt und muss daher eine besonders temperaturstabile Zusammensetzung
aufweisen. Gemäß der
WO9617671 enthält der motornahe
Katalysator Palladium auf einem Aluminiumoxid. Zur Stabilisierung
des Aluminiumoxids gegenüber den hohen Temperatu ren enthält
der Katalysator zusätzlich wenigstens ein Oxid der Erdalkalimetalle
Strontiumoxid, Calciumoxid und Bariumoxid. Diese Abgasreinigungsvorrichtung
ist für die Zwecke von stöchiometrisch betriebenen
Verbrennungsmotoren optimiert, für die Entfernung der Stickoxide
aus dem Abgas von mager betriebenen Verbrennungsmotoren ist sie
jedoch nicht geeignet.
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Aus
der
US20060168948 ist
ein System zur Abgasreinigung bekannt, welches aus zwei hintereinander
geschalteten NOx-Speicherkatalysatoren besteht. Dabei sollte der
erste Katalysator möglichst wenig bis gar kein Alkali-
oder Erdalkalioxid aufweisen, um eine hohe Desorptionsrate des Stickoxids während
der Regeneration bei niedrigen Temperaturen zu gewährleisten.
Gleichfalls besteht eine geringere Anfälligkeit des ersten
Katalysators gegenüber Schwefelvergiftung. Gleichfalls
wird ein Verfahren zur Entschwefelung offenbart. Eine spezielle
Regelungsstratgie für die Katalysatoren wird nicht vorgestellt.
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Die
DE19918756 lehrt eine Anordnung
zur Reinigung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere
von Kraftfahrzeugen, mit einem in einem Abgaskanal angeordneten
Katalysatorsystem zur Reduzierung des Stickoxid(NOx)-Anteils des
Abgases und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anordnung. Es
ist vorgesehen, dass das Katalysatorsystem im Strömungszug
des Abgases einen ersten NOx-Speicherkatalysator und beabstandet
zu diesem einen zweiten NOx-Speicherkatalysator umfasst. Eine motornahe
Anordnung des NOx-Speicherkatalysators ist nicht erwünscht.
Die Regelung zur Regenerationseinleitung der beiden Stickoxid-Speicherkatalysatoren
verläuft temperaturabhängig oder in Abhängigkeit
des Speichergrades der Katalysatoren, wobei keine Aussage über
den Abbruch des Fettbetriebes getroffen wird.
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In
der
EP1152140 wird eine
Abgasreinigungsvorrichtung beschrieben, bei der zwei getrennte NOx-Speicherkatalysatoren
zum Einsatz kommen. Der erste Katalysator befindet sich dabei gegenüber dem
zweiten Katalysator in einem Bereich der Abgasanlage, in dem höhere
Temperaturen vorherrschen. Die Basizität des ersten Katalysators
ist dabei gegenüber der des zweiten stromabwärts
sitzenden Katalysators erhöht, so dass eine verbesserte NOx-Speicheraktivität
selbst bei hohen Temperaturen erreicht werden kann. Vor dem motornahen NOx-Speicherkatalysator
kann sich ein Drei-Wege-Katalysator (TWC), ggf. zusammen in einem
Canning mit dem NOx- Speicherkatalysator befinden. Über
eine Regenerationsstrategie wird in dieser Schrift nichts ausgesagt.
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Die
WO2006069652 hingegen
schlägt ein Verfahren zur Überwachung der Stickoxid-Speicherfähigkeit
eines Stickoxid-Speicherkatalysatorsystems vor, welches aus einem
motornahen Startkatalysator und einem Hauptkatalysator besteht,
wobei beide Katalysatoren als Stickoxid-Speicherkatalysatoren ausgebildet
sind. Bei einem solchen Katalysatorsystem ist der Startkatalysator
im Betrieb naturgemäß besonders hohen Temperaturen
ausgesetzt und unterliegt daher einer schnellen Alterung. Seine Stickoxid-Speicherfähigkeit
nimmt daher schneller als die des Hauptkatalysators ab. Es ist daher
erforderlich, den Alterungszustand des Startkatalysators häufiger
zu untersuchen, um rechtzeitig eine Fehlfunktion des Katalysators
feststellen zu können. Gemäß der Ausführung
dieser Erfindung soll der Startkatalysator zusätzlich eine
Sauerstoff-Speicherfunktion aufweisen. Im Normalbetrieb wird das
Katalysatorsystem von Zeit zu Zeit durch kurzzeitiges Umschalten
des Motors von Magerbetrieb in den Fettbetrieb regeneriert, wenn
die Auswertung des Stickoxid-Schlupfes hinter dem Katalysatorsystem
ein Regenerationskriterium übersteigt, um die während
des Magerlaufs des Motors abgespeicherten Stickoxide wieder zu desorbieren
und zu unschädlichen Komponenten umzusetzen. Zur Bestimmung
des Umschaltpunktes dient der Stickoxid-Sensor hinter dem Hauptkatalysator.
Als Kriterium für das Umschalten vom Magerbetrieb in den
Fettbetrieb kann die vom Stickoxid-Sensor gemessene Stickoxid-Konzentration
im Abgas herangezogen werden. Übersteigt sie einen vorgegebenen
Grenzwert, so wird die Regeneration eingeleitet.
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Es
ist davon auszugehen, dass das Abgas von modernen Magermotoren in
Zukunft immer kälter wird. Dies ist begründet
durch die immer effizienteren Brennverfahren moderner Motoren und
bedingt durch das Bestreben, die CO2 Emissionen
und somit den Kraftstoffverbrauch weitergehend zu reduzieren. Zusätzlich
werden durch Maßnahmen wie Turboaufladung weitere Wärmesenken
in das Abgassystem eingeführt. In der Literatur (siehe: C.
Schwarz, et. al., MTZ 05/2007 Jahrgang 68, S. 332ff. und: A.
Waltner et. al., Die zweite Generation der Benzindirekteinspritzung,
15. Aachener Kolloquium 2006) ist beschrieben, dass bereits
bei den in Serie eingeführten Fahrzeugen mit Ottomotoren
mit Benzindirekteinspritzung und Schichtladung der zweiten Generation sehr
niedrige Abgastemperaturen während des Fahrzyklus im Unterbodenkatalysator
vorherrschen, so dass Heizmaßnahmen den Katalysator auf
Betriebstemperatur bringen müssen, was den Kraftstoffverbrauch
steigen lässt. In den in der oben genannten Literatur abgebildeten
Temperaturverläufen von motornahem Drei-Wege-Katalysator
und im Unterboden angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysator über den „Neuen
Europäischen Fahrzyklus (NEDC)” ist zu erkennen,
dass der motornahe Drei-Wege-Katalysator bei einer etwa 50–200°C
wärmeren Temperatur betrieben wird als der im Unterboden
angeordnete Katalysator. Ferner befindet sich der motornahe Katalysator
wesentlich schneller auf Betriebstemperatur von über 250°C
als der im Unterboden angeordnete Katalysator. Diese Tatsache legt
den Schluss nahe, den Stickoxid-Speicherkatalysator in Motornähe
anzuordnen. Da die Betriebstemperatur des motornahen Katalysators
oft über der optimalen Betriebstemperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators
liegt, ist es nötig, einen weiteren Stickoxid-Speicherkatalysator
im Unterboden anzuordnen. Ferner ist der Bauraum in motornaher Position üblicherweise
stark eingeschränkt, so dass ein alleiniger motornaher
Stickoxid-Speicherkatalysator nicht ausreichend groß dimensioniert
werden kann.
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Tatsache
ist, dass es bisher im Stand der Technik keine ökologisch
und ökonomisch vorteilhafte Lösung gibt, wie eine
Abgasreinigungsanlage mit vorzugsweise motornahem und weiteren ggf.
im Unterboden angebrachten Stickoxid-Speicherkatalysatoren sinnvoll
betrieben werden kann, um den Anforderungen eines kalten Abgases
bzw. der Kaltstartproblematik und dem Gesamtschadstoffausstoß sowie
der thermischen Beanspruchung gerecht zu werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Regelungsstrategie
zu konzipieren, mit der eine Abgasreinigungsanlage mit mindestens zwei
Stickoxid-Speicherkatalysator sinnvoll betreiben werden kann. Die
Regelungsstrategie sollte es dabei erlauben, allgemein Anlagen mit
einem vorzugsweise motornahen und einem oder mehreren ggf. im Unterboden
verbauten Stickoxid-Speicherkatalysatoren vom ökonomischen
wie ökologischen Standpunkt aus vorteilhaft betreiben zu
können und gleichzeitig den Anforderungen an die ständig
steigenden Abgasgrenzwerte einhalten zu können.
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Diese
und weitere nicht näher genannte sich jedoch aus dem Stand
der Technik in nahe liegender Weise ergebenden Aufgaben werden durch
ein mit den Merkmalen des gegenständlichen Anspruchs 1 beschriebenes
Verfahren erfolgreich gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens befinden sich
in den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
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Dadurch,
dass in einem Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines überwiegend
mager betriebenen Verbrennungsmotors mit einer Abgasreinigungsvorrichtung
aufweisend einen vorzugsweise motornahen ersten Stickoxid-Speicherkatalysator und
abströmseitig dazu im gleichen Abgasstrang einen oder mehrere
weitere Stickoxid-Speicherkatalysatoren, welche jeweils räumlich
getrennt zueinander angeordnet sind,
- a) die
Initiierung der Fettphase zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren
durch Erreichen von vorgegebenen Stickoxid-Schwellenwerten hinter
den einzelnen Katalysatoren erfolgt, und
- b) der Abbruch der Fettphase zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren
dann eingeleitet wird, wenn hinter dem Katalysator, hinter dem durch
das Erreichen der vorgegebenen Stickoxid-Schwellenwerte, die aktuelle
Fettphase initiiert wurde, ein bestimmter Lambda-Wert unterschritten
wird, wobei
- c) die jeweiligen vorgegebenen Stickoxid-Schwellenwerte in Strömungsrichtung
immer niedriger gewählt werden, und wobei
- d) man als Stickoxid-Speicherkatalysator nur einen solchen betrachtet,
der unter den Ist-Bedingungen nach der Regeneration mindestens eine vorgegebene
Stickoxid-Speicheraktivität erreicht,
gelangt
man sehr einfach und dennoch vorteilhaft und unerwartet zur Lösung
der beschriebenen Aufgaben. Insbesondere kann mit dieser Vorrichtung und
dem erfindungsgemäßen Betreiben derselben erreicht
werden, dass sowohl in den kalten Phasen des Betriebsbereichs eines
Kraftfahrzeugs (Stau, Stadtfahrt, Startphase) als auch in Betriebsbereichen bei
hohen Temperaturen mit überwiegend magerem Abgas eine deutliche
Verringerung des Schadstoffausstoßes erreicht wird. Die
erfindungsgemäße Regelungsstrategie erlaubt es
darüber hinaus, flexibel auf wechselnde Betriebszustände
des Motors zu reagieren und trotzdem eine ausreichende Sicherheit für
das Einhalten der Stickoxid Abgasgrenzwerte zu bieten.
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Dem
Fachmann sind die hier einzusetzenden Stickoxid-Speicherkatalysatoren
hinlänglich bekannt. Ein Stickoxid-Speicherkatalysator
enthält in der Regel die eigentlichen katalytisch aktiven
Komponenten (z. B. Pd, Pt, Rh), das Speichermaterial (z. B. BaO)
und einen Träger (z. B. Aluminiumoxid, CeO
2)
[
EP-A-1 317 953 ,
WO 2005/092481 ]. Die
Materialien werden zusammen oder getrennt voneinander nach den,
dem Fachmann bekannten Verfahren auf monolithischen, inerten 4-
oder 6-eckigen Wabenkörpern aus Keramik (z. B. Cordierit)
oder Metall in Form einer Beschichtung aufgebracht. Die Wabenkörper
besitzen in einem engen Raster über ihren Querschnitt angeordnete,
parallel zur Längsachse der Wabenkörper liegende
Strömungskanäle für das zu reini gende
Abgas. Die Zelldichte (Anzahl der Strömungskanäle
pro Querschnittsfläche der Wabenkörper) liegt
gewöhnlich zwischen 1800 und 100 cpsi, bevorzugt 900–300
cpsi, besonders bevorzugt um ca. 400 cpsi. Am häufigsten
werden heute noch Wabenkörper mit Zelldichten von 62 cm
–2 eingesetzt. Die katalytisch aktive
Beschichtung wird auf den Wandflächen der die Strömungskanäle
begrenzenden Trennwände in Konzentrationen von 50 bis 450 Gramm
pro Liter (g/l) Volumen der Wabenkörper, bevorzugt 200–400
g/l und ganz besonders bevorzugt 250–350 g/l abgeschieden.
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Die
Stickoxid-Speicherkatalysatoren sollten räumlich getrennt
voneinander angebracht sein. Räumlich getrennt bedeutet
im Rahmen der Erfindung, dass zwischen den einzelnen Stickoxid-Speicherkatalysatoren
ein gewisser, nicht einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisender
Bereich liegt und diese damit voneinander beabstandet sind. Nicht als
zwei einzelne Stickoxid-Speicherkatalysatoren werden daher solche
betrachtet, die direkt hintereinander in einem Konvertergehäuse
angeordnet sind. Als Abstand zwischen den einzelnen Stickoxid-Speicherkatalysatoren
wird ein Bereich von 20 bis 200 cm, bevorzugt 40 bis 150 cm und
ganz bevorzugt 60 bis 120 cm als ausreichend und vorteilhaft angesehen.
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Mögliche
erfindungsgemäße Katalysatoranordnungen sind in 1–5 beispielhaft
aufgeführt.
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Die
Initiierung der Fettphase erfolgt beim Erreichen von vorgegebenen
Stickoxid-Schwellenwerten hinter den einzelnen Katalysatoren. Dieser
Wert wird z. B. dann erreicht, wenn aus irgendeinem Grund die Stickoxid-Speicheraktivität
eines Stickoxid-Speicherkatalysators nachlässt und ein
erhöhter Stickoxidschlupf auftritt.
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Unter
Stickoxid-Schwellenwert, welcher im Rahmen der Erfindung die Einleitung
des Fettbetriebes steuert, wird die Höhe einer Stickoxidemission [Masse]
verstanden. Auf Basis welcher Parameter diese Emissions-Schwellenwerte/-Grenzwerte
bestimmt oder berechnet werden, kann der Fachmann festlegen. Als
hierfür bevorzugt zu verwendende Parameter können
folgende Größen ausgewählt aus der Gruppe
Stickoxid-Massenstrom, Stickoxidkonzentration, kumulierter Stickoxid-Massenstrom,
relative Stickoxidkonzentration, relativer kumulierter Stickoxid-Massenstrom,
relativer Stickoxid-Massenstrom, etc. herangezogen werden. Z. B.
kann die (ggf. kumulierte) Stickoxid-Konzentration direkt durch einen
Stickoxidsensor nach jedem einzelnen Stickoxid-Speicherkatalysator
gemessen oder durch Stickoxid-Emissionskennfelder in einer elektronischen Steuereinheit
modelliert werden. Diese Steuereinheit kann aus den modellierten
Konzentrationen ebenfalls die Stickoxidmassenströme berechnen.
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Bei
der Verwendung eines Stickoxidsensors ist die Stickoxidkonzentration
unmittelbar die Messgröße; durch Multiplikation
mit dem Abgasmassenstroms und dem Dichteverhältnis von
Stickoxid zu Abgas kann der Stickoxid-Massenstrom einfach berechnet
werden. Durch Aufsummierung des Produkts aus aktuellen Stickoxid-Massenstroms
und aktueller Abtastrate ergibt sich der kumulierte Stickoxid-Massenstrom.
Wird einer der obigen Werte auf einen weiteren Wert bezogen, so
erhält man einen Relativwert. Durch den Bezug auf die während
des Aufsummierungszeitraums zurückgelegte Wegstecke ergibt
sich ein Stickoxid-Wert in Gramm pro Kilometer (g/km) und beim Bezug
des kumulierten Stickoxid-Massenstroms auf den kumulierten Stickoxid-Massenstroms vor
Stickoxid-Speicherkatalysators einen Stickoxid-Wert als Umsatz in
Gramm pro Gramm. Auf Basis dieser Größe lassen
sich die Stickoxid-Schwellenwerte entsprechend bestimmen.
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Ergänzend
können die Temperaturen nach den einzelnen Stickoxid-Speicherkatalysatoren
gemessen oder modelliert werden und zur Einleitung des Fettbetriebs
herangezogen werden. Vor dem Überschreiten einer bestimmten
Grenztemperatur, bei der der jeweilige Stickoxid-Speicherkatalysator eine
erhöhte Desorptionsgeschwindigkeit für Stickoxide
aufweist, was üblicherweise bei Temperaturen von über
500°C der Fall ist, kann es beispielsweise ebenfalls sinnvoll
sein, eine Regeneration einzuleiten (siehe weiter unten).
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Wie
schon angedeutet kann es in der Magerphase bei dem vorgestellten
Abgasnachbehandlungssystem je nach Auslegung des Speichermaterials
des einzelnen Stickoxid-Speicherkatalysators, seines Beladungszustandes,
seines Alterungsgrades, seiner Schwefelvergiftung, seiner Betriebstemperatur
und/oder des Massenstromes an Stickoxiden – kurz bei Erschöpfung
der Speicheraktivität – zu essenziellen Durchbrüchen
von Stickoxiden durch das Katalysatormaterial kommen. Um auch solche
Betriebszustände sicher abfangen zu können, erfolgt
in dem vorliegenden Verfahren die Speicherung der Stickoxide sequenziell
in hintereinander gelegenen und beabstandet angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysatoren
(9). Die Initiierung der Regeneration der einzelnen
Katalysatoren erfolgt dabei durch Überschreiten von Stickoxid-Schwellenwerten
hinter den einzelnen Katalysatoren (s. o.). Diese Schwellenwerte
können im Rahmen der Erfindung flexibel durch die Motorsteuerung
den jeweiligen Betriebszustände des Motors und Katalysatorauslegungen
angepasst werden. Bedingung ist, dass die jeweiligen vorgegebenen
Stickoxid-Schwellenwerte in Strömungsrichtung immer niedriger
gewählt werden. Das Überschreiten der Schwellenwerte
dient demnach als Regelungskriterium zur Initiierung der Regeneration
(„Fettphase”). Dieses Regelungskriterium kann hinter
jedem der eingesetzten Katalysatoren eintreten, so dass die Schwellenwerte
eine Art Kennlinie entlang der Katalysatoranordnungen definieren.
Diese kann linear, hyperbolisch, negativ sigmoidal, negativ exponential,
1/x-Form oder reziprok logarithmisch aufgebaut sein. Vorteilhaft
ist, wenn sich benachbarte Schwellenwerte finden, die sich um den Faktor
1,02 bis 50 bevorzugt 1,05 bis 30, besonders bevorzugt 1,2 bis 20
ganz besonders bevorzugt 1,5 bis 15 unterscheiden. Besonders vorteilhaft
ist, wenn das System sich diesbezüglich selbst so einrichtet, dass
mit dem vorliegenden Katalysator-Setup und den vorhandenen Ist-Bedingungen
ein vom ökologischen und ökonomischen Standpunkt
aus betrachtetes Optimum im Hinblick auf das zu erreichende Endergebnis
(Einhaltung der Abgasgrenzwerte bei möglichst geringem
Kraftstoffverbrauch) erzielt wird.
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Der
Abbruch der Regenerationsphase erfolgt, wenn hinter dem Katalysator,
hinter dem durch das Erreichen der vorgegebenen Stickoxid-Schwellenwerte
die aktuelle Fettphase initiiert wurde, ein bestimmter Lambda-Wert
unterschritten wird. Wie dieser ausgestaltet ist, kann der Fachmann
anhand seines allgemeinen Fachwissens bzw. die Motorsteuerung im
Rahmen der Optimierung des vorgestellten Abgasnachbehandlungssystems
(Einhaltung der Abgasgrenzwerte bei möglichst geringem
Kraftstoffverbrauch) ermitteln.
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Der
Lambda-Wert ist wie eingangs schon beschrieben eine Maßzahl
für das Verhältnis von Sauerstoff zu reduzierenden
Komponenten im Abgas, insbesondere dem HC- und CO-Anteil. Bevorzugt wird
der Lambda-Wert zwischen 1,1 und 0,8 angenommen, mehr bevorzugt
ein Wert zwischen 1,05 und 0,9 und ganz besonders bevorzugt ein
Wert um 1. Werden die hier vorgestellten Grenzwerte hinsichtlich
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses hinter dem Katalysator,
hinter dem durch das Erreichen der vorgegebenen Stickoxid-Schwellenwerten
die aktuelle Fettphase initiiert wurde, unterschritten, wird der
Abbruch der Fettphase zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren
eingeleitet und der Motor somit wieder auf den normalen Magerbetrieb
umgestellt.
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Die
Stickoxid-Speicheraktivität eines eingesetzten Katalysators
sollte im Rahmen der Ausführung der Erfindung nach der
Regeneration wieder einen vorgegebenen Wert aufweisen. Denn im Rahmen
der Erfindung wird als Stickoxid-Speicherkatalysator nur ein solcher
betrachtet, der unter den Ist-Bedingungen mindestens eine vorgegebene
Stickoxid-Speicheraktivität nach der Regeneration erreicht. Dieses
ist von mannigfachen Einflussparametern abhängig. Die Grenze
ist dort zu wählen, wo ein vom ökologischen und ökonomischen
Standpunkt aus betrachtetes Optimum im Hinblick auf das zu erreichende
Endergebnis (Einhaltung der Abgasgrenzwerte bei möglichst
geringem Kraftstoffverbrauch) erzielt wird. Als Parameter, welche
die Stickoxid-Speicheraktivität insbesondere herabsetzen,
zählen solche Effekte ausgewählt aus der Gruppe
bestehend aus zu hoher Temperatur, thermische Alterung (8), Vergiftung
z. B. durch Schwefel oder andere Vergiftungselemente oder Kombinationen
davon. Ein Katalysator, der den vorgegebenen Wert nach der Regeneration
nicht erreicht bzw. aufweist, nimmt an dem beschriebenen Regelkreis
dann insofern nicht mehr teil, als dass er bzgl. der Initiierung
der Fettphase als auch deren Abbruch als nicht vorhanden angesehen wird.
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Als
vorgegebene Stickoxid-Speicheraktivität wird ein Wert verstanden,
bei dem das Betreiben des jeweiligen Stickoxid-Speicherkatalysators
durch Mager/Fett Wechsel im Hinblick auf die zu lösende
Aufgabe gerade noch sinnvoll ist. Ist die Stickoxid-Speicheraktivität
zu gering, so würde sofort nach der Regeneration erneut
ein hoher Stickoxidschlupf hinter dem Katalysator messbar sein,
was eine erneute Regeneration starten würde und somit den
Kraftstoffverbrauch in die Höhe treiben würde,
ohne dass die Speicheraktivität der nachfolgenden Katalysatoren ausgenutzt
werden würde. Die Stickoxid-Speicheraktivität
kann reversibel oder irreversibel herabgesetzt sein. Starke thermische
Alterung oder Vergiftung des Katalysators durch anorganische Vergiftungselemente
aus der Ölasche oder anorganischen Kraftstoffbestandteilen
führt zu einer irreversiblen Verringerung der Stickoxid-Speicheraktivität.
Ein irreversibel stark deaktivierter Stickoxid-Speicherkatalysator
wird definitionsgemäß nicht mehr am Regelkreis
teilnehmen. Handelt es sich jedoch um eine reversible Verringerung
der Stickoxid-Speicheraktivität, wenn zum Beispiel der
Stickoxid-Speicherkatalysator außerhalb seines optimalen
Temperaturfensters zur Stickoxideinspeicherung betrieben wird oder
wenn der Katalysator durch Schwefel reversibel vergiftet wurde,
so wird der Stickoxid-Speicherkatalysator nach Wiederherstellung
der jeweiligen Stickoxid-Speicheraktivität erneut in den
Regelkreis mit aufgenommen.
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Zur
Erläuterung des eben genannten Aspekts sei erwähnt,
dass z. B. der motornahe erste Speicherkatalysator bei einer Erwärmung über 550°C
keine oder allenfalls wenig Stickoxide einspeichern kann. Eine Regeneration
dieses Katalysators führt hier nicht zum Erreichen eines
ausreichenden Wertes für die Speicheraktivität.
In diesem Fall gilt dann im Rahmen der Erfindung und bzgl. der Regelungsstrategie
der diesem Speicherkatalysator folgende als erster Stickoxid-Speicherkatalysator.
Dieser ist dann naturgemäß nicht mehr der motornächste
Katalysator. Sofern dann hinter diesem das Kriterium für
die Initiierung der Regeneration erreicht wird, kommt es zu einer
Regeneration über diesen und den vorhergehenden Katalysator.
Entsprechendes gilt auch für die diesem folgenden Katalysator
bzw. Katalysatoren.
-
Wie
gesagt, ist eine Grundvoraussetzung bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren allerdings, dass die angesprochene Kennlinie für
die Stickoxid-Schwellenwerte so ausgestaltet ist, dass letztere in
Strömungsrichtung immer niedriger gewählt werden.
Vorzugsweise sollten diese so angesetzt werden, dass der Stickoxid-Schwellenwert
hinter dem letzten Katalysator in der Mehrheit der Betriebszustände
des Motors unterhalb der relevanten gesetzlichen Vorgabe liegt.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Kennlinie so ausgestaltet ist,
dass in den von den einschlägigen Vorschriften vorgegebenen
Testzyklen (NEDC, FTP-75, US06, 10–15 Mode Test, etc.)
der Stickoxid-Schwellenwert hinter dem letzten Katalysator unterhalb
der relevanten gesetzlichen Vorgabe liegt. Äußerst
bevorzugt sollte der Stickoxid-Schwellenwerte hinter dem letzten
Katalysator immer unterhalb der relevanten gesetzlichen Vorgabe
liegen.
-
Diese
eben angesprochene vorteilhafte Ausführungsform kann auch
dadurch unterstützt werden, dass weitere, insbesondere
mehr als zwei Stickoxid-Speicherkatalysatoren im Abgasstrang angeordnet
sind. Dies bedeutet demnach, dass die Anzahl der Stickoxid-Speicherkatalysatoren
so bemessen wird, dass der Stickoxid-Schwellenwert hinter dem letzten
Katalysator in der Mehrheit der Betriebszustände des Motors
unterhalb der relevanten gesetzlichen Vorgabe liegt. Besonders vorteilhaft
ist, wenn die Anzahl der vorhandenen Katalysatoren so bemessen wird,
dass in den von den einschlägigen Vorschriften vorgegebenen
Fahrzyklen (s. o.) der Stickoxid-Schwellenwert hinter dem letzten
Katalysator unterhalb der relevanten gesetzlichen Vorgabe liegt. Äußerst
bevorzugt sollte der Stickoxid-Schwellenwerte hinter dem letzten
Katalysator immer unterhalb der relevanten gesetzlichen Vorgabe
liegen.
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Zwischen
den eben genannten Punkten – der Ausgestaltung der Kennlinie
und der Anzahl an Stickoxid-Speicherkatalysatoren sowie dem Stickoxid-Speichermaterial – besteht
ein wechselseitiger Zusammenhang. Es ist dem Fachmann klar, dass
er die Parameter des Systems so einstellen sollte, dass vom ökologischen
und ökonomischen Standpunkt aus gesehen das optimale Ergebnis
(Einhaltung der Abgasgrenzwerte bei möglichst geringem
Kraftstoffverbrauch) erreicht wird.
-
Prinzipiell
kann das erfindungsgemäße Verfahren mit mindestens
zwei Stickoxid-Speicherkatalysatoren betrieben werden. Wie beschrieben,
bietet es sich jedoch an, für eine bessere Kontrolle der
bei der Verbrennung des Abgases entstehenden Schadstoffe, vorzugsweise
drei oder vier oder mehr Stickoxid-Speicherkatalysatoren hintereinander
im Abgasstrang des Fahrzeugs unterzubringen. Unter Umständen
reichen nämlich zwei Stickoxid-Speicherkatalysatoren für
eine optimale Reinigung der Abgase nicht aus. Zum einen ist bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren eine bevorzugte
Ausführung, dass der erste Stickoxid-Speicherkatalysator
motornah angeordnet ist. Wie eingangs schon angedeutet, ist dieser
damit unter Umständen sehr hohen Temperaturen ausgesetzt.
Die Temperaturen können weit über der Grenze liegen,
ab der eine Desorption von Stickstoffdioxiden aus dem Speichermaterial
bevorzugt ist. Es ist auch möglich, dass sich die Stickoxid-Speicheraktivität
dieses motornah platzierten Katalysators aufgrund thermischer Beanspruchung
dauerhaft verschlechtert (
8). Zum
anderen kann es der Fall sein, dass sich eine Deaktivierung des
Katalysators durch „Vergiftung” mit Schwefeloxiden
(z. B.
US20060168948 )
einstellt. In solchen Fällen ist das Vorhandensein von
mehr als zwei separaten (räumlich getrennten) Stickoxid-Speicherkatalysatoren
sicher von Vorteil.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann sich nach
den einzelnen räumlich getrennten Stickoxid-Speicherkatalysatoren
ein SCR-Katalysator befinden (
3 und
4).
Derartige SCR-Katalysatoren sind dem Fachmann wohl bekannt (
WO2007/137675 ,
US4961917 ,
DE10335785 ). Unter SCR-Katalysatoren
werden Katalysatoren verstanden, die unter mageren Abgasbedingungen Stickoxide
unter Zusatz von Reduktionsmitteln, wie z. B. Ammoniak, selektiv
zu Stickstoff umsetzen. Diese Katalysatoren enthalten saure Oxide
und können Ammoniak speichern. Typische SCR-Katalysatoren enthalten
zum Beispiel Vanadiumoxid und/oder Wolframoxid auf Titanoxid. Alternativ
kommen auch Zeolithe in Frage, die als H-Form eingesetzt werden
oder mit Metallen wie Kupfer und/oder Eisen ausgetauscht sein können.
Gewöhnlich enthalten solche Katalysatoren keine katalytisch
aktiven Platinmetalle, da diese Metalle den Ammoniak im mageren
Abgas zu Stickoxiden oxidieren würden. Bevorzugt werden
für die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage SCR-Katalysatoren
eingesetzt, die Zeolithe enthalten. Zeolithe weisen ein besonders
großes Speichervermögen für Ammoniak sowie
für Kohlenwasserstoffe auf. Sie sind daher hervorragend
geeignet für die Speicherung und Umsetzung dieser Komponenten
des Abgases mit Stickoxiden.
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In
einer ganz bevorzugten Ausführungsform ergibt sich eine
Modifizierung des Abbruchs der ”Fettphase” in
einem wie eben geschilderten Fall dahingehend, dass der Abbruch
der Fettphase zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren
erst dann eingeleitet wird, wenn hinter dem jeweiligen SCR-Katalysator,
ein wie oben weiter ausgeführter (bestimmter) Lambda-Wert
unterschritten wird. Hierdurch wird einerseits erreicht, dass das
während der Fettphase über dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator gebildete
Ammoniak im entsprechend ausgestatteten SCR Katalysator gespeichert,
und in der anschließenden Magerphase zur selektiven Stickoxidreduktion über
dem SCR-Katalysator verwendet werden kann. Ferner wird dadurch verhindert,
dass das gebildete Ammoniak durch den nachfolgenden Stickoxid-Speicherkatalysator
wieder zu Stickoxiden aufoxidiert und eingespeichert wird, was die
Speicherkapazität der weiteren ggf. im Unterboden befindlichen Stickoxid-Speicherkatalysatoren
schneller herabsetzen würde. Es ist vorteilhaft den SCR-Katalysator ebenfalls
im Unterboden zu positionieren, da seine Ammoniakspeicherfähigkeit
bei niedrigen Temperaturen (< 350°C)
höher ist als bei hohen Temperaturen und die maximale thermische
Belastung in diesem Bereich ebenfalls geringer ist.
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Ebenfalls
sinnvoll ist die Anordnung von SCR-Katalysatoren hinter einem oder
mehreren der weiteren, ggf. im Unterboden verbauten Stickoxid-Speicherkatalysatoren,
da dort die thermische Belastung noch geringer ist und durch diese
Anordnung die direkte Ammoniakemission in die Atmosphäre
vermieden wird. Allerdings sind hier die gebildeten Mengen an Ammoniak
wesentlich geringer als bei der Positionierung des SCR-Katalysators
vor den ggf. im Unterboden sitzenden weiteren Stickoxid-Speicherkatalysatoren,
wodurch deren Beitrag zum Gesamtumsatz der Stickoxide bei dieser
Anordnung geringer ist.
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Heutzutage
verkaufte Kraftstoffe sind nicht völlig schwefelfrei. Fahrzeuge
mit einem Stickoxid-Speicherkatalysator müssen mit einem
Kraftstoff mit einem Schwefelgehalt von unter 10 ppm betrieben werden.
Denn bei deren Verbrennung entstehen gerade auch im mageren Betrieb
Schwefeloxide, welche mit dem Abgas aus dem Motor herausgeführt werden.
Es liegt in der Natur der Sache, dass vorteilhafte Stickoxid-Speicherkatalysatoren
auch hervorragende Schwefeloxid, insbesondere SO
2-
und SO
3-Speicher sind. Je nach Schwefelgehalt
des Kraftstoffs müssen daher die Stickoxid- Speicherkatalysatoren
von Zeit zu Zeit nicht nur vom Stickoxid sondern auch vom gespeicherten
Schwefeloxid befreit werden (
US20060168948 ).
Im Speicherkatalysator kommt es ansonsten zu einer ungewollten Einlagerung
des Schwefels und dadurch zu einer Vergiftung des Speichermaterials
durch Sulfatbildung. Aufgrund der stärkeren Affinität
des Speichermaterials zu Schwefeloxiden erfolgt die Regeneration
hier allerdings bei höheren Temperaturen als beim Stickoxid.
Um den Schwefel herauszulösen und wieder zu Schwefeldioxid
umzuwandeln (SO
2), muss die Abgastemperatur
daher entsprechend erhöht werden. Der motornahe Stickoxid-Speicherkatalysator
hat den Vorteil, dass er als Schwefelfalle dienen kann und durch
die Motornähe häufig genug auf entsprechende Temperaturen
erwärmt wird. So ist es von Vorteil, wenn die Entschwefelung
eingeleitet wird, wenn die Temperatur des motornahen Stickoxid-Speicherkatalysators > 600°C, vorzugsweise
größer 650°C und besonders bevorzugt
größer 700°C beträgt. Die Entschwefelung
kann im Prinzip nach dem gleichen Mechanismus wie die Regeneration
als Stickoxid-Speicherkatalysator durch „Anfetten” erreicht
werden. Die oben angegebenen Maßnahmen können
daher mit Rücksicht auf die angegebenen Temperaturen unter der
Berücksichtigung hier übernommen werden, dass
eine Entschwefelung zeitlich länger dauert als die Regeneration
von Stickoxiden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei einer
derartigen Regeneration des motornahen Stickoxid-Speicherkatalysators
das entstehende schwefelhaltige Abgas an einem oder mehreren folgenden
Stickoxid-Speicherkatalysatoren) mittels Bypassleitung vorbeigeführt,
um diese nicht zusätzlich mit Schwefeloxiden zu belasten.
Von Zeit zu Zeit müssen jedoch auch diese vom Schwefel
befreit werden. Dies erfolgt vorzugsweise im Zusammenhang mit der
Entschwefelung eines Teil- oder des Gesamtsystems. Diese wird dann
vorteilhafter Weise eingeleitet, wenn die Temperatur der folgenden,
ggf. im Unterboden verbauten Stickoxid-Speicherkatalysators > 550°C, weiter
bevorzugt größer 600°C und ganz besonders
bevorzugt größer 650°C beträgt.
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Dem
Fachmann ist bekannt, welche Motorsteuerung hier eingesetzt werden
kann, um die erfindungsgemäße Regelungsstrategie
der Abgasreinigungsanlage durchführen zu können
(Electronic Engine Controls, 2008, ISBN Number: 978-0-7680-2001-4).
Gleichfalls sind ihm Sensoren bekannt, die zum Messen der Regenerationskriterien (NOx-Schwellenwert
und Lambda-Wert) herangezogen werden können (Christian
Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren-Grundlagen-Herstellung-Entwicklung-Recycling-Ökologie,
Expert-Verlag, 2. Auflage, S. 188ff., insbesondere S. 206ff).
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Es
sei jedoch angemerkt, dass in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
das Anbringen von Sensoren hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysators
bzw. SCR-Katalysator auch entfallen kann. Hier werden dann die jeweiligen
Regenerationskriterien (Stickoxid-Schwellenwert und Fettdurchbruch) auf
Basis von Daten der Motorcharakteristik und durch Computerberechnungen
erhalten. Der Verzicht auf die Sensoren ist vor dem Hintergrund
der Kosten und der Wartung eines solchen Systems besonders vorteilhaft.
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Gegenüber
dem Stand der Technik grenzt sich die vorliegende Erfindung durch
ihre besondere Art und Weise der Regeneration der einzelnen Stickoxid-Speicherkatalysatoren,
welche im Abgasstrang eines mager betriebenen Verbrennungsmotors
auftreten, ab.
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Die
WO200669652 beschreibt
demgegenüber, dass normalerweise eine Regeneration des Gesamtsystems
durchgeführt wird, wobei als Kriterium für das
Umschalten vom Magerbetrieb in den Fettbetrieb die Stickoxid-Konzentration
im Abgas nach dem Hauptkatalysator herangezogen wird. Um die Speicherkapazität
des motornahen Stickoxid-Speicherkatalysators bestimmen zu können,
wird diese getrennt von derjenigen des Hauptkatalysators bestimmt.
Erfindungsgemäß wird hierzu das gesamte Katalysatorsystem
wie auch in den anderen Magerlaufphasen bis zum Erreichen des Regenerationskriteriums
mit Stickoxiden beladen. Statt einer Totalregeneration wird dann
jedoch nur eine Teilregeneration vorgenommen, die nur aus einer
Regeneration des Startkatalysators besteht, wobei die Zeit zur Regeneration
des Startkatalysators als Maß für dessen noch
verbliebene Stickoxidspeicherkapazität herangezogen wird.
Hiergegen grenzt sich die vorliegende Erfindung vorteilhaft dadurch
ab, dass eine Regeneration über den motornahen Stickoxid-Speicherkatalysators
stets erfolgt, sobald insbesondere seine Speicherkapazität
erschöpft ist, dass bedeutet sobald der Stickoxid-Schwellenwert überschritten
wird bei ausreichender Stickoxid-Speicheraktivität. Die Regeneration über
den jeweils nachfolgenden Stickoxid-Speicherkatalysator erfolgt
nur, wenn insbesondere dessen Speicherkapazität erschöpft
ist, z. B. wenn die vorangehenden Stickoxid-Speicherkatalysatoren
in ihrer Ist-Aktivität – z. B. aus den eingangs genannten
Gründen – unter einen bestimmten Wert fallen.
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Beispielhaft
bedeutet dies für ein System aus motornahem und Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator,
dass in Bereichen, in denen der motornahe Stickoxid- Speicherkatalysator
eine ausreichende Aktivität aufweist, die Motorsteuerung
den Motor vom Magerbetrieb in den Fettbetrieb (s. vorne) umschaltet,
sobald ein Regenerationskriterium (Stickoxid-Schwellenwert) hinter
dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator überschritten
wird. Der Fettbetrieb wird sodann wieder abgestellt, sofern hinter dem
motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator ein Fettdurchbruch registriert
wird. Nun ist der regenerierte motornahe Stickoxid-Speicherkatalysator
für eine erneute Speicherung von Stickoxiden vorbereitet.
Weist der motornahe Stickoxid-Speicherkatalysator aufgrund zu hoher
Temperatur dann eine zu geringe Aktivität auf, kommt der
weitere ggf. im Unterboden verbaute Stickoxid-Speicherkatalysator
auf entsprechend hohe Aktivitäten. Ggf. erfolgt die Regelung
der Regeneration der Abgasreinigungsanlage ausschließlich über
den Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator. Sobald hinter dem
Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator das Regenerationskriterium
(Stickoxid-Schwellenwert) erfüllt ist, wird durch die Motorelektronik
angewiesen, in den Fettbetrieb umzuschalten. Dieser wird solange
aufrechterhalten, bis ein bestimmter Lambdawert hinter dem Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator
unterschritten wird. Anschließend wird der Motor im normalen
Magerbetrieb Weiterbetrieben, bis erneut das Regenerationskriterium
hinter dem Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator auftritt oder
das Regenerationskriterium hinter dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator
erreicht wird, wenn dessen Aktivität wieder ausreichend
zur Verfügung steht. Entsprechend ist dies für
drei und mehr räumlich zueinander getrennt angeordneten
Stickoxid-Speicherkatalysatoren zu verstehen.
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Durch
diese Betriebsweise kommt es insgesamt zu geringeren Reduktionsmitteldurchbrüchen am
Ende des Gesamtabgassystems, da die soweit vorhandenen abströmseitigen
Stickoxid-Speicherkatalysatoren den bis zum Stopp der Fettphase
auftretenden geringen Reduktionsmitteldurchbruch über den
die Fettphase initiierenden Stickoxid-Speicherkatalysators leicht
aufoxidieren können. Ebenso verhält es sich mit
dem Schlupf von möglicherweise während der Fettphase
gebildetem NH3 durch den die Fettphase initiierenden
Stickoxid-Speicherkatalysator am Ende der Fettphase. Über
dem die Fettphase initiierenden Stickoxid-Speicherkatalysator gebildetes
NH3 wird an den weiteren Stickoxid-Speicherkatalysatoren
zu Stickstoffdioxid aufoxidiert und direkt wieder eingespeichert,
so dass es nicht in die Atmosphäre gelangen kann. Ferner
werden bei der Regeneration des motornahen Stickoxid-Speicherkatalysators
die Stickoxid-Desorptionspeaks, die zu Beginn des Regenerationsvorganges
allgemein auftreten, von den weitern Stickoxid-Speicherkatalysatoren abgefangen
und werden nicht, wie sonst üblich, emittiert, was die
Stickoxidemission weiter senkt.
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Der
Kraftstoffverbrauch sollte sich trotz der insgesamt häufigeren
Regenerationen bei der in dieser Erfindung vorgeschlagenen Regenerationsstrategie
positiv von der sonst üblichen Regenerationsstrategie unterschieden,
da die Regenerationen im Mittel wesentlich kürzer ausfallen,
als die sonst üblichen Regeneration über das Gesamtabgassystem.
Im zuletzt genannten Fall wird bei jeder Regeneration neben den
gespeicherten Stickoxiden auch ggf. vorhandene Sauerstoffspeicher
im Gesamtabgassystem (inklusive z. B. in einem Dreiwegekatalysator)
reduziert, während im vorliegenden Fall immer nur der Sauerstoffspeicher
bis zum jeweils die Fettphase initiierenden Stickoxid-Speicherkatalysators
reduziert wird.
-
Ein
im Unterbodenbereich angeordneter Stickoxid-Speicherkatalysator
wird in der Regel optimal bei Fahrzeuggeschwindigkeiten von 50–100 km/h
genutzt, wo im Allgemeinen Temperaturen von 250–450°C
im Katalysator vorherrschen. Bei niedrigeren Abgastemperaturen z.
B. bei Fahrzeuggeschwindigkeiten unterhalb 50 km/h oder während
des Kaltstarts ist es vorteilhaft, einen weiteren Stickoxid-Speicherkatalysator
in Motornähe zu platzieren, welcher im Mittel höheren
Temperaturen ausgesetzt ist und somit seinen optimalen Beitrag zur
NOx-Reduktion während der kältern Betriebspunkte
des Motors leisten kann (6 und 7). Einen
weiteren Stickoxid-Speicherkatalysator abstromseitig des im Unterboden
befindlichem Stickoxid-Speicherkatalysators zu platzieren, z. B.
in der Position des Endschalldämpfers, ist u. a. dann besonders
vorteilhaft, wenn auch bei hohen Abgastemperaturen noch eine hohe
Stickoxidumsatzrate erforderlich ist. Dies wäre dann zum
Beispiel bei Fahrzeuggeschwindigkeiten über etwa 100 km/h
gegeben. In diesem Fall wäre wahrscheinlich auch die Temperatur
des im Unterboden befindlichen Stickoxid-Speicherkatalysators schon
zu hoch, weshalb dann der noch weiter hinten platzierte Stickoxid-Speicherkatalysator
zum Einsatz kommen würde. Dies war aus dem Stand der Technik so
in nahe liegender Weise nicht abzuleiten.
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Sofern
im Text von Unterboden die Rede ist, so bezieht sich dies im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung auf einen Bereich im Fahrzeug, bei
dem der Katalysator im Abstand von 0,2–2,5 m, mehr bevorzugt
0,5–2 m und ganz besonders bevorzugt 0,7–1,5 m
nach Ende des ersten motornahen Katalysators angebracht ist.
-
Als
motornah wird im Rahmen dieser Erfindung eine Anordnung des Katalysators
in einem Abstand vom Abgasauslass der Zylinder des Motors von weniger
als 70 cm, bevorzugt weniger als 50 cm und ganz besonders bevorzugt
weniger als 30 cm bezeichnet. Bevorzugt ist der motornahe Katalysator
direkt nach der Zusammenführung der Abgaskrümmer in
die Abgasleitung angeordnet. Alternativ kann der motornahe Katalysator
in mehrere kleine Katalysatoren aufgeteilt sein, die in jedem einzelnen
Abgaskrümmer angeordnet sind. Die weiteren folgenden Katalysatoren
befinden sich damit in entsprechendem Abstand stromab des ersten
motornahen Katalysators im Abgasstrang.
-
Erklärung der Figuren:
-
1 Eine
mögliche erfindungsgemäße Anordnung der
motornahen Stickoxid-Speicherkatalysatoren (1 und 1')
sowie der im Unterboden angeordnete Stickoxid-Speicherkatalysatoren
(2) im Abgasstrang.
-
2 Eine
mögliche erfindungsgemäße Anordnung der
motornahen Stickoxid-Speicherkatalysatoren (1 und 1')
sowie der im Unterboden angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysatoren
(2 und 2') im Abgasstrang.
-
3 Eine
mögliche erfindungsgemäße Anordnung der
motornahen Stickoxid-Speicherkatalysatoren (1 und 1')
sowie der im Unterboden angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysatoren
(2 und 2') und der zwischen dem motornahen und
Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysatoren befindliche SCR Katalysatoren
(3 und 3') im Abgasstrang.
-
4 Eine
mögliche erfindungsgemäße Anordnung der
motornahen Stickoxid-Speicherkatalysatoren (1 und 1')
sowie der im Unterboden angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysatoren
(2) und der zwischen dem motornahen und Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysatoren
befindlichen SCR Katalysatoren (3) im Abgasstrang.
-
5 Eine
mögliche erfindungsgemäße Anordnung der
motornahen Stickoxid-Speicherkatalysatoren (1 und 1')
sowie des im Unterboden angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysators
(2) mit nachgeschaltetem SCR Katalysator (3) und
einem weiteren Stickoxid-Speicherkatalysator (4) im Abgasstrang
-
6 Auflistung
des NOx-Umsatzes gegen die Temperatur im motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator
bei Regeneration nur über dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator
(mn-NSK) und Regeneration über dem Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator
(ub-NSK).
-
7 Auflistung
des Kohlenwasserstoff-(HC)-Umsatzes gegen die Temperatur im motornahen
Stickoxid-Speicherkatalysator bei Regeneration nur über
dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator (nm-NSK) und Regeneration über
dem Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator (ub-NSK).
-
8 Modellgasergebnisse
des Stickoxid-(NOx)Umsatzes gegen die Eintrittstemperatur eines
Stickoxid-Speicherkatalysators im frischen Zustand und nach 25 h
Alterung bei 800, 900 und 1000°C in hydrothermaler Atmosphäre
(10% Sauerstoff, 10% Wasserdampf, 80% Stickstoff).
-
9 Eine
mögliche erfindungsgemäße Regelung eines
Katalysatorsystems zur Reinigung des Abgases eines Magermotors (1),
bestehend aus den Stickoxid-Speicherkatalysatoren (3, 5 und 7),
mit ihren jeweils führenden Temperatursensoren (9, 10 und 11)
und folgenden Gassensor (4, 6 und 8),
wobei die Sensoren ihre Signale an die Motorsteuerung (2) übertragen,
die ihrerseits den Betrieb des Magermotors (1) steuert.
In der Motorsteuerung (2) ist die Regelstrategie hinterlegt:
- I) Während des Betriebzustandes des
Magerbetriebs (OP-lean) wird jeder Stickoxid-Speicherkatalysatoren
(3, 5 und 7) überwacht, erstens
ob er unter den aktuellen Bedingungen ausreichend Stickoxid-Speicheraktivität
aufweist und zweitens ob ein Stickoxid-Schwellenwert erreicht wird.
- IIa) Sind beide Bedingungen für den Stickoxid-Speicherkatalysator
(3) erfüllt, so erfolgt der Wechsel (RGN Start1)
der Motorsteuerung (2) und folglich auch des Magermotors
(1) in den Betriebszustand (OP-RGN1), zur Regeneration
des Stickoxid-Speicherkatalysators (3). Während
dieses Betriebszustandes (OP-RGN1) wird vom Motor (2) fettes
Abgas emittiert und mittels des Gassensors (4) überwacht,
ob das Kriterium für den Regenerationsabbruch erfüllt
wird. Ist die Bedingung erfüllt, so erfolgt der Wechsel
(RGN Stop1) zurück in den Betriebszustand (OP-lean).
- IIb) Sind beide Bedingungen für den Stickoxid-Speicherkatalysator
(5) erfüllt, so erfolgt der Wechsel (RGN Start2)
der Motorsteuerung (2) und folglich auch des Magermotor
(1) in den Betriebszustand (OP-RGN2), zur Regeneration
der Stickoxid-Speicherkatalysatoren (3 und 5).
Während dieses Betriebszustandes (OP-RGN2) wird vom Motor
(2) fettes Abgas emittiert und mittels des Gassensors (6) überwacht,
ob das Kriterium für den Regenerationsabbruch erfüllt
wird. Ist die Bedingung erfüllt, so erfolgt der Wechsel
(RGN Stop2) zurück in den Betriebszustand (OP-lean).
- IIc) Sind beide Bedingungen für den Stickoxid-Speicherkatalysator
(7) erfüllt, so erfolgt der Wechsel (RGN-Start3)
der Motorsteuerung (2) und folglich auch des Magermotor
(1) in den Betriebszustand (OP-RGN3), zur Regeneration
der Stickoxid-Speicherkatalysatoren (3, 5 und 7). Während
dieses Betriebszustandes (OP-RGN3) wird vom Motor (2) fettes
Abgas emittiert und mittels des Gassensors (8) überwacht,
ob das Kriterium für den Regenerationsabbruch erfüllt
wird. Ist die Bedingung erfüllt, so erfolgt der Wechsel (RGN
Stop3) zurück in den Betriebszustand (OP-lean).
-
Beispiele:
-
In
einem Test wurden zwei verschiedene Regenerationsstrategien für
ein System bestehend aus einem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator und
einem Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator angewendet. Bei dem
ersten Versuch wurde die Regeneration der Katalysatoren eingeleitet,
wenn eine Konzentration von 100 ppm Stickoxide nach dem Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator
mittels Stickoxidsensor detektiert wurde (Abbruch nach Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator).
Beim zweiten Versuch wurde die Regeneration eingeleitet, wenn 200
ppm Stickoxide nach dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator
gemessen wurde (Abbruch über dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator). 6 und 7 zeigen
die entsprechenden Stickoxid und Kohlenwasserstoff-Konvertierungen
in Abhängigkeit von den mittleren Abgastemperaturen im
motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator in den entsprechenden stationären
Betriebspunkten des Motors. Es ist deutlich zu sehen, dass vor allem
bei niedrigen Temperaturen eine erheblich bessere Stickoxid- und
Kohlenwasserstoff-Reduktion zu beobachten ist, wenn das System nur über
dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert wird. Ferner
unterbleibt beim Abbruch der Magerphase über dem motornahen
Stickoxid-Speicherkatalysator die Emission von Ammoniak, welcher
zwar bei der Regeneration über dem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator
gebildet wird, aber im Unterboden-Stickoxid-Speicherkatalysator
wieder aufoxidiert und eingespeichert wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- - Christian Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren-Grundlagen-Herstellung-Entwicklung-Recycling-Ökologie,
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