DE102011101079A1 - Verfahren zur Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren von Dieselmotoren mit Niederdruck-AGR - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren und ein entsprechend angepasstes Abgasreinigungssystem für Magermotoren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren während besonderer Fahrsituationen des Fahrzeugs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren und ein entsprechend angepasstes Abgasreinigungssystem für Magermotoren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren während besonderer Fahrsituationen des Fahrzeugs.
  • Zukünftige Abgasgesetzgebungen limitieren die Menge von Stickoxiden (NOx) im Abgas von Magermotoren so weit, dass eine katalytische Nachbehandlung der Stickoxide notwendig wird. Die anvisierte Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff ist wegen des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas von mager betriebenen Verbrennungsmotoren allerdings schwierig. Bekannte Verfahren beruhen entweder auf dem Einsatz von Stickoxid-Speicherkatalysatoren (NOx Storage Catalyst, NSC, LNT) oder sind Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduktion, SCR), meist mittels Ammoniak als Reduktionsmittel, an einem geeigneten Katalysator, kurz SCR-Katalysator. Es sind auch Kombinationen dieser Verfahren bekannt, worin beispielsweise an einem vorgeschalteten Stickoxid-Speicherkatalysator unter fetten Betriebsbedingungen Ammoniak als Sekundäremission erzeugt wird, der in einem abströmseitig angeordneten SCR-Katalysator zunächst gespeichert und in einer sich anschließenden mageren Betriebsphase zur Reduktion von den Stickoxid-Speicherkatalysator passierenden Stickoxiden genutzt wird. Die DE 102007060623 beschreibt eine Reihe von im Stand der Technik vorhandenen Varianten an Abgasreinigungssystemen mit Entstickungseinrichtungen.
  • Stickoxid-Speicherkatalysatoren werden zur Entfernung der im mageren Abgas von so genannten Magermotoren (Diesel, Lean-GDI) enthaltenen Stickoxide verwendet. Dabei beruht die Reinigungswirkung darauf, dass in einer mageren Betriebsphase (Speicherphase, Magerbetrieb) des Motors die Stickoxide vom Speichermaterial des Speicherkatalysators in Form von Nitraten gespeichert werden. In einer darauf folgenden fetten Betriebsphase (Regenerationsphase, Fettbetrieb, DeNOx Phase) des Motors werden die zuvor gebildeten Nitrate zersetzt und die wieder freiwerdenden Stickoxide mit den reduzierend wirkenden, fetten Bestandteilen des Abgases während des Fettbetriebs am Speicherkatalysator zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser umgesetzt. Als fette Bestandteile des Abgases werden unter anderem Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Ammoniak und Wasserstoff bezeichnet.
  • Die Arbeitsweise von Stickoxid-Speicherkatalysatoren wird ausführlich in der SAE-Schrift SAE 950809 beschrieben. Die Zusammensetzung von Stickoxid-Speicherkatalysatoren ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Bei den Stickoxid-Speichermaterialien handelt es sich in der Regel um basische Verbindungen der Alkali- oder Erdalkalimetalle wie zum Beispiel Oxide, Hydroxide oder Carbonate des Bariums und Strontiums, die auf geeigneten Trägermaterialien in fein verteilter Form aufgebracht sind. Darüber hinaus weist ein Stickoxid-Speicherkatalysator noch katalytisch aktive Edelmetalle der Platingruppe und Sauerstoff-Speichermaterialien auf. Diese Zusammensetzung verleiht einem Stickoxid-Speicherkatalysator unter stächiometrischen Betriebsbedingungen die Funktion eines Dreiweg-Katalysators ( DE102009039249 sowie dort zitierte Literatur).
  • Die Speicherphase für Stickoxide (Magerbetrieb) dauert gewöhnlich 100 bis 2000 Sekunden und hängt von der Speicherkapazität des Katalysators und der Konzentration der Stickoxide im Abgas ab. Bei gealterten Katalysatoren mit verminderter Speicherkapazität kann die Dauer der Speicherphase aber auch auf 50 Sekunden und weniger absinken. Die Regenerationsphase (Fettbetrieb) ist dagegen immer wesentlich kürzer und dauert nur wenige Sekunden (5 s–20 s). Das während der Regeneration aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator austretende Abgas weist im Wesentlichen keine Schadstoffe mehr auf und ist annähernd stöchiometrisch zusammengesetzt. Seine Luftzahl λ (Lambda: zeigt das Verhältnis von Kraftstoff zu Luft im Abgas an – siehe unten) ist während dieser Zeit nahezu gleich 1. Zum Ende der Regenerationsphase reichen die freigesetzten Stickoxide und der an den Sauerstoff-Speicherkomponenten des Katalysators gebundene Sauerstoff nicht mehr aus, um alle fetten Abgasbestandteile zu oxidieren. Es kommt daher zu einem Durchbruch dieser Bestandteile durch den Katalysator und die Luftzahl sinkt auf einen Wert unter 1. Dieser Durchbruch zeigt das Ende der Regeneration an und kann mit Hilfe einer so genannten Lambda-Sonde hinter dem Speicherkatalysator registriert werden.
  • Für europäische Anwendungen wird als bevorzugtes Nachbehandlungssystem ein motornaher Stickoxid-Speicherkatalysator oder NOx-Speicherkatalysatoren (LNT, NSC, NSR) gefolgt von einem katalytisch beschichteten Filter angedacht. Moderne Magermotoren sind optimiert auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und enthalten häufig einen Turbolader und Abgasrückführsysteme (AGR oder EGR) zur motorseitigen Verringerung der NOx-Emissionen. Dadurch wird die Abgastemperatur im Vergleich zu früheren Dieselmotoren erheblich abgesenkt. Niedrige Abgastemperaturen verringern jedoch sowohl die Effizienz der Einspeicherung der Stickoxide im Stickoxid-Speicherkatalysator als auch die Effizienz der Regeneration des NSC, bei der durch ein fettes Abgasgemisch die gespeicherten Stickoxide freigesetzt und zu Stickstoff umgewandelt werden.
  • Bei allen externen Abgasrückführsystemen muss ein Druckgefälle von der Abgasseite zur Frischluftseite vorhanden sein, um das Überströmen des Abgases zu ermöglichen. Das bedeutet, dass nur in den Motordrehzahl/-last Bereichen eine Abgasrückführung möglich ist, bei denen mindestens diese Bedingung erfüllt ist. Bei Hochdruck (HD) AGR Systemen wird das Abgas vor der Turbine des Turboladers entnommen und nach dem Verdichter des Turboladers der Frischluft zugeführt. Bei Niederdruck (ND) AGR Systemen wird das Abgas nach der Turbine entnommen und vor dem Verdichter des Turboladers der Frischluft zugeführt ( DE 102005056955 ). ND-AGR Systeme ermöglichen eine Abgasrückführung in einem breiteren Kennfeldbereich und mit höhere Rückführraten als HD-AGR Systeme. Um die Turbine und den Frischluftpfad bei ND-AGR Systemen vor Ablagerungen von Ruß und Kohlenwasserstoffen zu schützen, wird das Abgas in der Regel nach einem Partikelfilter entnommen. Kombinationen von beiden Systemen (HD und ND) sind ebenfalls bekannt ( JP 6257519 , US 2004050375 ).
  • Eine effiziente Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators ist gewöhnlich erst bei Temperaturen oberhalb von 250°C möglich. Bei niedrigeren Temperaturen kann aufgrund der geringeren Aktivität des NOx-Speicherkatalysators ein Teil der gespeicherten Stickoxide vom Katalysator desorbieren, ohne gleichzeitig reduziert zu werden, wodurch sich die NOx-Emissionen erhöhen. Im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) bedeutet dies, dass eine Regeneration erst innerhalb des außerstädtischen Bereiches am Ende des Fahrzyklus möglich ist, da erst hier die für die schnelle und effiziente NOx-Reduktion notwendigen Abgastemperaturen erreicht werden. Es wäre allerdings wünschenswert, eine effiziente Regeneration auch bereits bei niedrigeren Temperaturen (innerstädtisch) durchführen zu können, um auch bei längeren Fahrten mit niedrigen Geschwindigkeiten eine effiziente NOx-Nachbehandlung sicherstellen zu können. Derzeit ist es in diesen Fahrsituationen daher nötig, das Abgassystem für die Regeneration aufzuheizen, um eine effiziente Regeneration durchführen zu können, was unweigerlich eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs als auch eine Erhöhung der HC/CO Emissionen mit sich bringt.
  • Wie oben beschrieben ist die Regeneration eines Speicherkatalysators also normalerweise mit kurzen Emissionsspitzen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid verbunden, die noch durch folgenden Effekt verstärkt werden: Die Abgasleitung zwischen Motor und Speicherkatalysator weist üblicherweise eine endliche Länge auf. Während des Umschaltens von Fettbetrieb in den Magerbetrieb ist die gesamte Abgasleitung noch mit fettem Abgas gefüllt, das nach dem Umschalten durch das nun magere Abgas des Motors über den Katalysator in die Umwelt ausgeschoben wird. Der Katalysator kann diesen restlichen Anteil von fettem Abgas nicht mehr reinigen, da die zuvor gespeicherten, oxidierenden Bestandteile schon während des Fettbetriebs verbraucht wurden. Es kommt also zu einer verstärkten Emissionsspitze von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid am Ende einer Regeneration.
  • Der Betrieb eines Dieselmotors mit fettem Abgas ist i. d. R. auf niedrigere Motordrehzahlen (kleiner 2000 bis 3000 l/min) und mittlere effektive Mitteldrücke (von 2–4 bis 12–14 bar) beschränkt. Diese Beschränkung ergibt sich dadurch, dass erstens eine stabile Verbrennung im Zylinder sichergestellt werden muss, zweitens zu hohe Zylinderinnendrücke vermieden werden müssen und drittens zu hohe Abgastemperaturen vermieden werden müssen. Bei einer instabilen oder weitestgehend unvollständigen Verbrennung im Brennraum würden größere Mengen an unverbrannten Kraftstoff über den Stickoxid-Speicherkatalysator geleitet und dort oxidiert. Dies führt einerseits zu hohen Temperaturen im Stickoxid-Speicherkatalysator und folglich zu einer thermischen Schädigung des Katalysators. Andererseits kann die Oxidation des Kraftstoffes im Stickoxid-Speicherkatalysator unvollständig sein, was zu erhöhten Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen führt. Bei zu hohen Abgastemperaturen kann der Turbolader und der Stickoxid-Speicherkatalysator geschädigt werden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher, ein Verfahren zur Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren und ein entsprechendes System für eine Abgasreinigung eines überwiegend mager betriebenen Verbrennungsmotors anzugeben, welches die Stickoxide mittels eines Stickoxid-Speicherkatalysators zu vermindern hilft. Einerseits sollte das Verfahren es erlauben, die Regeneration des Speicherkatalysators auch in solchen Fahrsituationen auszuführen, in denen die Abgastemperatur eigentlich zu niedrig ist, jedoch ohne dass ein spezielles Anheizen des Speicherkatalysators von Nöten wäre. Zweitens sollte das Verfahren es erlauben, die Regeneration des Speicherkatalysators auch in Motorbetriebssituationen zu ermöglichen, in denen es bisher nicht möglich war, fette Abgasbedingungen zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysator einzustellen. Das Verfahren und das System sollten dabei den entsprechenden bekannten Maßnahmen des Standes der Technik vom ökonomischen wie ökologischen Standpunkt aus überlegen sein, d. h. u. a. auch zukünftige Abgasgrenzwerte einhalten können.
  • Diese und weitere hier nicht genannte, sich dem Fachmann jedoch aus dem Stand der Technik in nahe liegender Weise erschließende Aufgaben werden durch ein Regerationsverfahren und ein System gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. des Systems befinden sich in den von Anspruch 1 und 10, respektive, abhängigen Unteransprüchen.
  • Dadurch, dass in einem Verfahren zur Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators (5), der in der Abgasleitung (3) eines Magermotors (1) angeordnet ist, wobei der Motor (1) mit einer Vorrichtung zur Niederdruck-Abgasrückführung versehen ist und in der Niederdruck-AGR-Leitung (14) ein Niederdruck-AGR-Ventil (9) sowie ggf. eine Vorrichtung zur Verminderung des Abgasausstoßes (10), wie z. B. eine Abgasklappe, und/oder eine Vorrichtung zur Verminderung der Ansaugluft (11), wie z. B. eine Drosselklappe, angeordnet sind, die Regeneration während eines Schleppbetriebes des Motors in der Weise durchgeführt wird, dass bei Drosselung der Ansaugluft über die Vorrichtung 11 und/oder Verminderung des Ausstoßes der Abgase über die Vorrichtung 10, das Abgas im wesentlichen durch das Niederdruck-AGR-Ventil (9) über den Motor (1) und den Stickoxid-Speicherkatalysator (5) im Kreis geleitet wird und währenddessen ein Luft-Kraftstoff-Gemisch eingestellt wird, welches einem Lambda-Wert von ≤ 1 entspricht, gelangt man äußerst einfach, dafür aber nicht minder vorteilhaft zur Lösung der gestellten Aufgaben.
  • Je nach Dauer des Schleppbetriebs kann die Regeneration mit hohem Niederdruck-AGR-Anteil wesentlich länger dauern (5–20 s) als bei einer normalen Regeneration (3–5 s). Hierbei werden jedoch keine größeren Mengen HC/CO emittiert. Dadurch, dass das Abgas im Kreis geführt und somit etliche Male mit dem Katalysator in Kontakt gebracht wird, kann die Effizienz der Abgasreinigung erheblich erhöht werden. Dadurch werden die Stickoxide effizienter reduziert und der Stickoxid-Speicherkatalysator auch bei niedrigen Abgastemperaturen effektiv entleert, was ggf. auch Edelmetalleinsatzkosten verringert. Darüber hinaus wird der Stickoxid-Speicherkatalysator während des Schleppbetriebs mit hohem Niederdruck-AGR-Anteil weniger abkühlen, als unter normalem Schleppbetrieb, bei dem die kalte Ansaugluft ahne Verbrennung direkt durch den Motor und über die Katalysatoren geleitet wird, was u. a. dazu führen kann, dass beim Wiedereinsetzen des Lastbetriebs des Motors der Stickoxid-Speicherkatalysator unter seine Aktivitätstemperatur abgekühlt sein kann.
  • Wie eben dargestellt wird die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators zu einem Zeitpunkt durchgeführt, bei dem der Motor keine positive Arbeit leistet, dem Motor daher gewöhnlich kein Kraftstoff zugeführt wird, der Motor aber dennoch durch die Masse (träge oder schwere) des Fahrzeugs angetrieben mitdreht. Dies ist der Fall, wenn sich der Motor im so genannten Schleppbetrieb befindet. Ein solcher liegt beispielsweise vor, wenn eine Verzögerungsphase eintritt, z. B. durch Abbremsung (ggf. durch Motorbremse) des Fahrzeugs, d. h. die Geschwindigkeit des Fahrzeugs abnimmt und dem Motor kein Kraftstoff mehr zugeführt wird. Der Motor ist in dieser Phase aber immer noch an das Getriebe angekoppelt, und es ist ein Gang eingelegt. Dabei wird gewöhnlich nur noch Luft über den Ansaugtrakt durch den sich drehenden Motor in die Abgasanlage gepumpt. Eine solche Betriebsweise erfolgt beispielsweise beim Annähern an eine rote Ampel oder beim schnellen Annähern an ein langsamer fahrendes Fahrzeug.
  • Bei Hybridantrieben, bei denen neben dem Verbrennungsmotor auch Elektromotoren zum Antrieb des Fahrzeuges zum Einsatz kommen, kann der Schleppbetrieb des Verbrennungsmotors auch in anderen Fahrzuständen erzeugt werden, um diesen zur erfindungsgemäßen Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysator zu nutzen. Hier kann auch während des Stillstandes oder Antriebs des Fahrzeugs der Verbrennungsmotor mitgedreht werden, indem dieser und eventuell zusätzlich das Fahrzeug vom Elektromotor angetrieben werden. Es wird also der Schleppbetrieb des Motors durch den Elektromotor bewerkstelligt. Bei Hybridantrieben kann somit die erfindungsgemäße Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators auf alle Fahrsituationen erweitert werden, bei denen die Antriebsleistung des Elektromotors für den Antrieb des Fahrzeuges und des Verbrennungsmotors ausreichen. Dies ist im Besonderen bei innerstädtischen Fahrsituationen gegeben.
  • Unter Schleppbetrieb ist ebenfalls eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zu verstehen, bei der zum Abschalten oder während des Abschaltens des Motors erfolgt. Dabei wird auf fettes Abgas und eine hohe Niederdruck-AGR-Rate in der oben beschriebenen Weise umgestellt, um den Stickoxid-Speicherkatalysator mit fettem Abgas während der Motorabschaltung zu spülen und somit zumindest teilweise zu regenerieren. Zum Abschalten eines Motors muss die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit (indizierter Leistung) soweit reduziert werden, dass diese Leistung nicht mehr zur vollständigen Überwindung der Reibleistung des Motors ausreicht. Dies geschieht im Allgemeinen dadurch, dass im Zylinder die Entstehung von Wärme während des Arbeitstakes unterbunden wird. Bei Ottomotoren wurde dies früher durch Abschalten der Zündung (Zündfunken) realisiert. Bei Dieselmotoren und modernen Ottomotoren wird dies durch Abschalten der Kraftstoffzufuhr realisiert. Im erfindungsgemäßen Fall wird die Entstehung von Wärme im Zylinder durch Abschalten der Luft-/Sauerstoffzufuhr erreicht, bei vorerst weiter bestehender Kraftstoffzufuhr. Hierbei kann das Weiterdrehen des Motors, bei entkoppeltem Getriebe, entweder durch den Anlasser oder einen Elektromotor (Hybridantrieb) zusätzlich unterstützt und verlängert werden. Dies kann entweder während des Abschaltens des Motors geschehen oder bei einem Fahrzeug mit Stop/Start-Funktion während des Stillstand des Fahrzeuges, in der sich der Motor automatisch abstellt. Das Anfetten bei hoher Niederdruck-AGR-Rate, wie zuvor beschrieben, kann daher während des Schubbetriebs des Motors begonnen werden und ggf. nahtlos in das Abschalten des Motors übergehen.
  • Erfindungsgemäß bevorzugt wird in diesen Phasen der Regeneration im Schleppbetrieb das Niederdruck-AGR-Ventil komplett geöffnet, um einen möglichst grollen Abgasstrom von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 80% und besonders bevorzugt zu annähernd 100% über die Niederdruck-AGR-Leitung (14) den Motor (1) und den Stickoxid-Speicherkatalysator (5) im Kreis zu führen. Um eine hohe Niederdruck-AGR-Rate zu erreichen, können gleichzeitig die anderen Ventile (10) und/oder (11) mehr oder minder weit geschlossen werden. Alternativ kann der nicht über die Niederdruck-AGR-Leitung geführte Abgasstrom über die Hochdruck-AGR-Leitung (15 – 2) zurückgeführt werden. Die Rückführung des Abgases über die Niederdruck- und Hochdruck-AGR-Leitung kann dann vorteilhaft angewendet werden, wenn der Strömungswiderstand des Abgases verringert werden soll, um das Abbremsen des Motors möglichst gering zu halten.
  • Das während der Regeneration einzustellende Luft-Kraftstoffverhältnis (Lambda) sollte einen Wert von kleiner oder gleich 1 betragen (λ ≤). Die Messung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses kann über bekannte Lambdasensoren oder Sauerstoffsensoren oder NOx-Sensoren (Handbuch Verbrennungsmotor, van Basshuysen/Schäfer, ISBN 3-528-13933-1) erfolgen oder kann vom Motorsteuergerät berechnet werden. Je nach Lambdasensor wir das Signal in mV oder als Lambda-Wert ausgegeben. Als Definition des Wertes Lambda (λ) ist erfindungsgemäß eine Zahl anzusehen, mit der die Gemischzusammensetzung bestehend aus Luft und Kraftstoff beschrieben wird. Andere Begriffe in diesem Zusammenhang sind Luftverhältnis, Luftverhältniszahl, Luftzahl, Luftüberschuss und Luftüberschusszahl.
  • Das Verbrennungsluftverhältnis setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse mL,tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse mL,st, die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird:
    Figure 00080001
  • Ist λ = 1, so gilt das Verhältnis als stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis mit mL,tats = mL,st; das ist der Fall, wenn alle Brennstoff-Moleküle theoretisch vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren können, ohne dass Sauerstoff fehlt oder unverbrannter Sauerstoff übrig bleibt.
  • Für Verbrennungsmotoren gilt:

    λ < 1 (z. B. 0,9) bedeutet „Luftmangel”: fettes oder auch reiches Gemisch

    λ > 1 (z. B. 1,1) bedeutet „Luftüberschuss”: mageres oder auch armes Gemisch

    Aussage: λ = 1,1 bedeutet, dass 10% mehr Luft an der Verbrennung teilnimmt, als zur stöchiometrischen Reaktion notwendig wäre. Dies ist gleichzeitig der Luftüberschuss. Vorzugsweise wird während der Regeneration jedoch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch aufrechterhalten, welches einem Lambda-Wert von 0,8 bis 1 entspricht. Besonders bevorzugt liegt dieser Wert zwischen 0,85 und 0,99, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,95 und 0,99.
  • In einer besonderen Ausführungsform werden Umgebungsdaten des Fahrzeugs zur Berechnung des Einsetzens und der Dauer des Schleppbetriebes und der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysator herangezogen, z. B. beim Annähern des Fahrzeugs an eine rote Ampel oder Geschwindigkeitsbegrenzung. Ferner können beispielsweise Navigationsdaten (GPS) oder Abstandssensoren dazu dienen, das Einsetzen bzw. Ende des Schleppbetriebs vorherzusehen und die Regeneration so effizient wie möglich zu gestalten.
  • Die Temperatur während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators im Hinblick auf gespeicherte Stickoxide kann vom Fachmann entsprechend gewählt werden. Sie sollte bevorzugt zwischen 150°C und 500°C, besonders bevorzugt zwischen 200°C und 450°C liegen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regeneration kann mit folgendem System zur Reinigung der Abgase eines Magermotors besonders vorteilhaft durchgeführt werden. Das System weist dabei folgende Merkmale auf:
    • – Einheit zur Steuerung des Motors und der Regeleinrichtungen des Systems (ECU);
    • – eine Vorrichtung zur Drosselung der Ansaugluft (11);
    • – einen ersten Sensor zur Erfassung des Luft-Kraftstoffverhältnisses (12);
    • – einen Stickoxid-Speicherkatalysator (5);
    • – einen Partikelfilter (6);
    • – einen zweiten Sensor zur Erfassung des Luft-Kraftstoffverhältnisses (13);
    • – eine Niederdruck-AGR-Leitung (14) mit einem Niederdruck-AGR-Ventil (9);
    • – optional eine Vorrichtung zur Verminderung des Ausstoßes des Abgases (10);
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Partikelfilter (6) mit einer Katalysatorformulierung beschichtet, welche Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysator, Schwefelwasserstoff (H2S)-Sperrkatalysator, SCR-Katalysator, NOx-Speicherkatalysator, Kohlenwasserstoffspeicher, TWC-Katalysator besitzt. Die Beschichtung kann aus einem oder mehreren Beschichtungsmaterialien und katalytischen Eigenschaften bestehen und kann entweder über die gesamte Länge des Filters aufgebracht sein oder in Form einer Zonierung auf der Einlassseite und/oder Auslassseite. Ferner kann die Beschichtung auch in mehreren Schichten übereinander aufgebracht werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist hinter (stromab) dem Partikelfilter (6) und vor (stromauf) der Niederdruck-AGR-Leitung (14) ein Katalysator (7) mit Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysator, H2S-Sperrkatalysator, SCR-Katalysator, NOx-Speicherkatalysator, Kohlenwasserstoffspeicher angeordnet. Dieser optionale Katalysator (7) befindet sich wie auch der Partikelfilter (6) noch innerhalb des Niederdruck-AGR-Kreislaufes und kann somit während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysator die Regenerationsprodukte weiter katalytisch umsetzen bzw. adsorbieren. Besonders bevorzugt ist der Katalysator (7) ein SCR-Katalysator mit Ammoniakspeicherfunktion.
  • Ganz besonderes bevorzugt ist ein System, bei dem der Partikelfilter (6) und der Katalysator (7) einen SCR-Katalysator mit Ammoniakspeicherfunktion aufweist. Hieraus ergibt sich eine weitere Möglichkeit zur verbesserten Reduktion der Stickoxide, durch die erhöhte Bildung von Ammoniak über dem Stickoxid-Speicherkatalysator während der Regeneration mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieser Sachverhalt kann genutzt werden, um den Ammoniak in einem Ammoniakspeicher während der Regeneration aufzufüllen und in dem anschließenden Magerbetrieb zur zusätzlichen NOx-Reduktion z. B. über einem SCR-Katalysator zu nutzen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Partikelfilter (6) eine Beschichtung mit Oxidationsfunktion und evtl. Kohlenwasserstoffspeicherfunktion auf, da dieser Katalysator nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator (5) am schnellsten seine Arbeitstemperatur erreicht und somit den Stickoxid-Speicherkatalysator bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen und CO unterstützen kann und eine erhöhte Emission dieser Abgaskomponenten auch während der Regeneration des Filters verhindert.
  • Eine H2S-Sperrkatalysatorfunktion auf dem Partikelfilter (6) und/oder dem optionalen Katalysator (7), verhindert, dass evtl, während der Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysator (5) gebildetes H2S an die Umgebungsluft abgegeben wird, indem es das H2S einspeichert und unter mageren Abgasbedingungen als Schwefeldioxid (SO2) wieder abgibt. Welche von den genannten Funktionen in den Partikelfilter (6) und/oder Katalysator (7) integriert werden, kann je nach Anwendung variieren und ist vom Fachmann festzulegen.
  • Besonders bevorzugt ist ein System, bei dem sich nach der Niederdruck-AGR-Leitung (14) im Abgasstrang ein weiterer Katalysator (8) mit Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysator, H2S-Sperrkatalysator, SCR-Katalysator, NOx-Speicherkatalysator, Kohlenwasserstoffspeicher, TWC-Katalysator befindet. Dieser optionale Katalysator (8) befindet sich außerhalb des Niederdruck-AGR-Kreislaufes und kann, wenn er beispielsweise als Oxidationskatalysator ausgestaltet ist, dazu dienen, unvollständig verbranntes Reduktionsmittel nach der NSC-Regeneration aufzuoxidieren. Dafür sollte der Katalysator (8) katalytische Eigenschaften aufweisen, die sowohl die Oxidation der Reduktionsmittel ermöglicht, wie z. B. Pt, Pd, Rh, Ag, Au, Fe, Cu, Co und Ni, als auch Sauerstoffspeichermaterialien, wie Seltenerdmetallverbindungen z. B. des Cer, Praseodym, Neodym, und Yttrium, die den eingespeicherten Sauerstoff nutzen können, um Reduktionsmittel auch in kurzzeitig unterstoichiometrischem Abgas umzusetzen.
  • Durch die motorfern angeordnete Lage dieses Katalysators (8) und den daraus resultierenden geringeren Abgastemperaturen ist ebenfalls eine Beschichtung besonders vorteilhaft, die eine Adsorption von Abgaskomponenten bewirkt, wie beispielsweise:
    • • die Adsorption von H2S im H2S-Sperrkatalysator während einer Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators;
    • • die Adsorption von Kohlenwasserstoffen z. B. im Kohlenwasserstoffspeicher oder Oxidationskatalysator während des Kaltstarts des Motors oder während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators oder Partikelfilters;
    • • die Adsorption von Stickoxiden z. B. im SCR-Katalysator oder Stickoxid-Speicherkatalysator, um eine weitere Verbesserung des NOx-Umsatzes zu erzielen, vor allem in Motorbetriebspunkten mit erhöhten Abgastemperaturen, bei denen die NOx-Speicheraktivität des Stickoxid-Speicherkatalysator (5) für eine effiziente Abgasreinigung nicht mehr ausreichend ist;
    • • Die Adsorption von Ammoniak z. B. im SCR Katalysator, um während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysator gebildeten Ammoniak abzufangen.
  • Ganz besonders bevorzugt weist der Katalysator (8) einen Oxidationskatalysator und/oder H2S-Sperrkatalysator auf.
  • Auf den optionalen Katalysatoren (7) und (8) sowie auf dem NOx-Speicherkatalysator (5) können wahlweise ebenfalls katalytisch aktive Beschichtungen mit unterschiedlichen Funktionen zoniert und/oder in Schichten aufgebracht sein, wobei hier die Beschichtungen bevorzugt auf einen wabenförmigen Tragkörper aufgebracht sind, der im Gemeinen als Durchfluss-Monolith bezeichnet wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, wird ein Oxidationskatalysator oder ein Drei-Wege-Katalysator (TWC) stromauf des Stickoxid-Speicherkatalysator (5) angeordnet, um einen verbesserten Umsatz von Kohlenwasserstoffen und CO zu erreichen. Ferner kann dieser optionale Katalysator zusätzlich auch noch eine Beschichtung enthalten, die während der Regeneration zugeführten Kohlenwasserstoffe partiell oxidiert und in Reduktionsmittel wie partiell oxidierte Kohlenwasserstoffe, CO und Wasserstoff überführt, die eine verbesserte Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysator ermöglichen. Diese Reaktionen werden vor allem durch Pt und Pd haltige Katalysatoren katalysiert.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stickoxid-Speicherkatalysator (5) auch in dem Partikelfilter (6) integriert sein und/oder auf dem Katalysator (7), wodurch der Stickoxid-Speicherkatalysator (5) entfallen könnte.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist ein System, bei dem – wie in 2 gezeigt – zusätzlich zu den oben stehenden Maßnahmen eine HD-AGR-Leitung (15) vorhanden ist.
  • Die hier genannten Katalysatoren und Funktionen der Bauteile können dem Stand der Technik entnommen werden. Z. B. zeigt die EP 2112339 vorteilhafte Oxidationskatalysatoren und Partikelfilter auf. Die DE102009039249 und DE102008048854 zeigt bevorzugt einzusetzende Stickoxidkatalysatoren und die WO2011/023332 bezieht sich allgemein auf für die Erfindung vorteilhafte Speichermaterialien.
  • Besonders bevorzugt wird in der vorliegenden Erfindung als Magermotor ein Dieselmotor eingesetzt.
  • Zur Verbesserung der Regenerationseffizienz eines mit NOx beladenen Stickoxid-Speicherkatalysator bei niedrigen Abgastemperaturen (≤ 350°C, vorzugsweise ≤ 250°C, besonders bevorzugt ≤ 200°C) wird erfindungsgemäß die Dauer der Regeneration verlängert, ohne den Kraftstoffverbrauch bzw. die HO/CO Emissionen maßgeblich zu erhöhen, indem beispielsweise folgendes erfindungsgemäßes Verfahren angewendet wird:
    Ein Abgassystem eines Magermotors enthaltend einen Stickoxid-Speicherkatalysator und einen ggf. beschichteten DPF (Partikelfilter) sowie eine Vorrichtung für Niederdruck-Abgasrückführung (AGR – Abgasrückführung) wird folgendermaßen betrieben:
    • 1. Der Magermotor wird mit einem mager abgestimmten Verbrennungsgemisch betrieben (Normalbetrieb) und das Abgas wird durch einen Stickoxid-Speicherkatalysator und einen ggf. beschichteten DPF geleitet, wobei ein Teil der Stickoxide im Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert und ein Teil der Russpartikel im DPF abgeschieden werden.
    • 2. Wenn der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert werden muss, um seine Reinigungseffizienz weiter aufrecht zu erhalten, so wird dafür eine Phase des Fahrbetriebs ausgenutzt, in der sich der Motor im Schleppbetrieb befindet. Während dieser Phase (Betrieb, bei dem üblicher Weise kein Kraftstoff in den Motor eingespritzt wird) wird das Abgas vorteilhafter Weise zu 100% zum Motor zurückgeführt. Dies wird erreicht, indem zu Beginn der Phase das Niederdruck-AGR Ventil (9) geöffnet wird, die Kraftstoffzufuhr zur Erzeugung von Arbeit beendet und gleichzeitig entweder die Drosselklappe (11) der Ansaugluft oder auch die Abgasklappe (10) nahezu vollständig geschlossen wird. Die Reihenfolge und Geschwindigkeit der Änderung der Stellglieder erfolgt in Abstimmung mit der jeweiligen Fahrsituation bevorzugt so, dass unerwünschte Druckstöße, Geräusche und Schwingungen vermieden oder verringert werden. Gleichzeitig wird vorteilhafter Weise die notwendige Kraftstoffmenge zur Erlangung des Regenerationslambdas aus den Größen: Volumen der Kreislaufstrecke, aktueller Zustand des in der Kreislaufstrecke befindlichen Gases (wie Druck, Temperatur und Lambda) berechnet. Weiterhin wird bevorzugt die notwendige Kraftstoffmenge berechnet, die zur Reduktion der aktuell im Stickoxid-Speicherkatalysator (5) und ggf. weiteren Katalysatoren (6) und (7) gespeicherten Stickoxide und des evtl. gespeicherten Sauerstoff benötigt wird. Die beiden berechneten Kraftstoffmengen werden teilweise und/oder schrittweise oder vollständig bevorzugt über ein oder mehrere Kraftstoffdüsen in die Kreislaufstrecke dosiert. Das einzustellende Regenerationslambda sollte Werte von Lambda ≤ 1 aufweisen. Dann wird die Einspritzung von Kraftstoff abgeschaltet.
    • 3. Das fette Abgas wird nun über den Stickoxid-Speicherkatalysator und den Filter im Kreis geleitet, und bei Bedarf, z. B. beim Anstieg von Lambda auf Werte über 1, kann weiterer Kraftstoff eingespritzt werden. Die notwendige Kraftstoffmenge kann aus dem Lambdawert vor Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder nach Stickoxid-Speicherkatalysator, sowie dem Volumen der Kreislaufstrecke und der Abgasrückführrate ermittelt werden. Das Ende der Regeneration wird erreicht bei vollständiger Reduktion der im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide, beim Erreichen der Leerlaufdrehzahl, Erreichen des Motorstops, Anforderung von Leistung vom Motor.
    • 4. Wenn das Ende der Regeneration erreicht ist, wird die Abgas- (10) und/oder Drosselklappe (11) wieder geöffnet, die Niederdruck-AGR-Rate durch Stellen des Ventils (9) verringert und das Verbrennungsgemisch wieder auf Magerbetrieb umgestellt. Um zu verhindern, dass dabei das im Kreis geführte, mit Reduktionsmitteln angereicherte Abgas vollständig und schlagartig an die Umgebungsluft abgegeben wird, wodurch die HO und CO Emissionen stark ansteigen würden, wird folgendes Verfahren vorgeschlagen: Es wird nach dem Ende der Regeneration nur SO viel Frischluft in den Niederdruck-Gaskreislauf zugemischt, dass das Gemisch gerade leicht mager wird, wobei weiterhin eine hohe AGR-Rate von über 50%, bevorzugt über 80%, besonders bevorzugt etwa 100% solange aufrecht erhalten wird, bis vorteilhafter Weise das überschüssige Reduktionsmittel größtenteils über den Katalysatoren (5, 6, 7) aufoxidiert ist. Erst danach erfolgt die vollständige Umstellung auf den normalen Magerbetrieb. Die Reihenfolge und Geschwindigkeit der Änderung der Stellglieder erfolgt bevorzugt in Abstimmung mit der jeweiligen Fahrsituation so, dass unerwünschte Druckstöße, Geräusche und Schwingungen vermieden oder verringert werden.
  • Zusätzlich sollten die Fahreigenschaften während der Regeneration möglichst nicht negativ beeinträchtigt werden, da die Regeneration erfindungsgemäß dann erfolgt, wenn der Motor keine eigene Arbeit verrichten muss. Dadurch sinkt auch das Risiko der Ölverdünnung während der Regeneration nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Es ist ferner möglich, die OBD (On Board Diagnose) des Stickoxid-Speicherkatalysator während des Verfahrens durchzuführen.
  • Des Verfahren kann auch bei höheren Abgastemperaturen angewandt werden. Vorteile dabei sind:
    • • Geringerer Kraftstoffverbrauch während der Regeneration
    • • Zusätzliche Betriebszustände, in denen eine Regeneration möglich ist.
    • • Geringere Exothermiebildung während der Regeneration und dadurch besseres Einspeicherverhalten des Stickoxid-Speicherkatalysator nach der Regeneration
    • • Verringerung des NOx-Desorptionspeaks zu Begin der Regeneration, da das desorbierte NOx mehrfach über die Nierderdruck-AGR über den Stickoxid-Speicherkatalysator geleitet und dann im Fetten reduziert wird.
    • • Verringerung der N2O Emission während der Regeneration durch mehrfaches Leiten des N2O über den Stickoxid-Speicherkatalysator im Fettbetrieb.
    • • Hohe NH3 Ausbeute durch die Möglichkeit NOx mehrfach über dem Stickoxid-Speicherkatalysator zu NH3 zu reduzieren.
    • • Verminderung der Kohlenwasserstoff- und CO-Emission während der Regeneration durch effizienteres Umsetzen der Reduktionsmittel.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und das System kann neben der NOx-Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren auch zur Entschwefelung (= Schwefel-Regeneration) von NOx-Speicherkatalysatoren benutzt werden. Unter dem Begriff Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators ist erfindungsgemäß daher sowohl die Wiederherstellung der Speicherfähigkeit des Katalysators durch Entfernung der Stickoxide als auch der gespeicherten Schwefeloxide zu verstehen. Beides muss nicht notwendigerweise gleichzeitig erfolgen.
  • Stickoxid-Speicherkatalysatoren werden in ihrer Funktion durch im Kraftstoff und Motoröl enthaltenen Schwefel beeinträchtigt, da sie den in das Abgas gelangten Schwefel in Form von sehr stabilen Sulfaten binden, was zu Lasten der Stickoxid-Speicherkapazität geht. Unter einer Entschwefelung werden im Rahmen dieser Erfindung die Zersetzung der gebildeten Sulfate und ihre Emission als Schwefelwasserstoff oder bevorzugt als Schwefeldioxid verstanden. Hierzu muss das Abgas auf Entschwefelungsbedingungen gebracht werden, das heißt, es muss angefettet und seine Temperatur angehoben werden.
  • Dem Fachmann ist geläufig, dass Schwefeloxide im Stickoxid-Speicherkatalysator wesentlich fester gebunden werden als Stickoxide. Demzufolge sind die Bedingungen, unter denen eine Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators im Hinblick auf die Schwefeloxide erfolgt, drastischer zu wählen, als sie für die oben für die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators im Hinblick auf die Stickoxide beschrieben ist. Eine detaillierte Beschreibung ist unter: „Untersuchungen zum Einsatz eines NOx-Speicherkatalysators am Dieselmotor", P. Kattwinkel, VDI, Reihe 12, Nr. 638, ISBN 978-3-18-363812-3, zu finden. Im Prinzip kann das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren als auch das erfindungsgemäße System auch auf die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators im Hinblick auf die Schwefeloxide herangezogen werden. Die dort dargestellten bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsformen gelten unter Berücksichtigung der einzuhaltenden Bedingungen demzufolge entsprechend für die Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators.
  • Bei Belastung eines Stickoxid-Speicherkatalysators mit einem schwefelhaltigen Abgas muss der Speicherkatalysator also neben der regelmäßigen Regeneration zur Entfernung der gespeicherten Stickoxide auch von Zeit zu Zeit entschwefelt werden, um eine kontinuierliche Verschlechterung der Stickoxid-Speicherkapazität durch gebildete Sulfate rückgängig zu machen. Das Intervall zwischen zwei Entschwefelungen hängt natürlich vom Schwefelgehalt des Kraftstoffs ab, ist jedoch auch bei hohen Schwefelgehalten wesentlich größer als das Intervall zwischen zwei Regenerationen zur Entfernung der gespeicherten Stickoxide und beträgt in der Regel normalerweise mehrere Stunden oder Tage bzw. einer Fahrstrecke von etwa 1.000–6.000 km.
  • Die Luftzahl Lambda λ des Abgases sollte hierzu auf einen Wert zwischen 1 und 0,7, bevorzugt auf 0,99 bis 0,8 und besonders bevorzugt auf 0,97 bis 0,90 abgesenkt werden. Die Abgastemperatur liegt während der Entschwefelung bei einem Wert von > 500°C, bevorzugt zwischen 500°C und 850°C und besonders bevorzugt zwischen 550°C und 750°C.
  • Für die Entschwefelung wird gewöhnlich eine Zeit von 2 bis 15 Minuten benötigt, je nach Verschwefelungsgrad und Temperatur während der Entschwefelung. Gewöhnlich wird die Entschwefelung so durchgeführt, dass bei Erreichen der Entschwefelungstemperatur fett/mager Wechsel gefahren werden, um den Schwefel möglichst als SO2 und nicht als H2S zu desorbieren und um den Katalysator auf Entschwefelungstemperatur zu halten (siehe hierzu auch die zuvor erwähnte Literaturstelle). Ferner ist es aus Fahrbarkeitsgründen bei Dieselmotoren schwierig, längere Zeiten fett zu fahren. Daher werden in der Praxis Fett-/Magerwechsel von 5–10 s fett und 5–20 s mager gefahren. Die gesamte Entschwefelung dauert somit ebenfalls wesentlich länger als die Stickoxid-Regeneration des Speicherkatalysators, welche nur einige Sekunden dauert Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es jedoch möglich, die Fettzeiten während der Entschwefelung über die gesamte Dauer des Schleppbetrieb des Motors auszudehnen, welche wesentlich länger als die sonst üblichen maximal 10 s dauern können. Eine verlängerte Fettzeit hilft wiederum, den Schwefel möglichst schnell aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator auszutreiben.
  • Eine Entschwefelung geht zu Lasten des Kraftstoffverbrauchs und kann wegen der notwendigen höheren Abgastemperaturen zu einer schnellen Alterung der Katalysatoren führen. Deshalb werden Kraftfahrzeuge mit mager betriebenen Verbrennungsmotoren bevorzugt auf dem europäischen Markt angeboten, da hier Kraftstoffe mit einem Schwefelgehalt von weniger als 10 ppm angeboten werden. In den USA ist die Abgasgesetzgebung zwar besonders streng, der Schwefelgehalt im Kraftstoff für Ottomotoren liegt jedoch hier zurzeit noch bei bis zu 30 ppm. in anderen Regionen liegt der Schwefelgehalt im Kraftstoff noch deutlich höher.
  • Die Entwicklung von Kraftfahrzeugen mit Magermotoren für Märkte mit hohem Schwefelgehalt im Kraftstoff muss also berücksichtigen, dass in diesem Fall die Stickoxid-Speicherkatalysatoren häufig entschwefelt werden müssen. Zu den schon erwähnten Nachteilen der häufigen Entschwefelung, nämlich dem erhöhten Kraftstoffverbrauch und der hohen Temperaturbelastung der Katalysatoren, tritt als weiterer Nachteil die erhöhte Emission von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden während der Entschwefelung in Erscheinung. Die Emissionen bei einer Entschwefelung sind sehr hoch, weil für die Entschwefelung ein fettes Abgasgemisch benötigt wird, um den Schwefel als Schwefelwasserstoff oder Schwefeldioxid aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator austreiben zu können. Fettes Abgas enthält hohe Konzentrationen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden sowie an den Katalysatoren aus den Stickoxiden gebildeten Ammoniak. Da im fetten Abgas nicht genug Sauerstoff vorliegt, um diese Komponenten an den Katalysatoren umzusetzen, werden diese Schadstoffe daher normalerweise ungereinigt in die Atmosphäre abgegeben.
  • Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems ebenfalls zur Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators kann die erhöhte Schadstoffemission während der Entschwefelung weitgehend unterdrückt werden, da die Komponenten während der Entschwefelung analog der Regeneration im Hinblick auf die Stickoxide während dieses Prozesses nicht emittiert werden. Bevorzugt ist hierfür eine Anordnung gemäß 1 oder 2. Als Besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn stromab des NOx-Speicherkatalysators (5) aber noch innerhalb des Niederdruck-AGR Kreislaufes, also auf dem Partikelfilter (6) und/oder dem optionalen Katalysator (7), ein H2S-Sperrkatalysatorfunktion angeordnet ist, die in der Lage ist, unter fetten Abgasbedingungen Schwefelwasserstoff (H2S) aus dem Abgas herauszufiltern und anschließend unter mageren Abgasbedingungen in Form von Schwefeldioxid (SO2) wieder an das Abgas freizugeben. Besonders bevorzugt ist daher ein Abgasreinigungssystem, bei dem der Partikelfilter (6) und/oder der Katalysator (7) mit einer H2S-Sperrkatalysatorfunktion beschichtet ist.
  • Zur Schwefelregeneration (Entschwefelung) des NOx-Speicherkatalysators (5) wird das erfindungsgemäße System prinzipiell mit dem gleichen erfindungsgemäßen Verfahren wie eingangs beschrieben betrieben. Die zu beachtenden Besonderheiten sind weiter oben dargelegt worden. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass bei der Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators die gespeicherten Schwefelverbindungen zu flüchtigen Schwefelkomponenten wie z. B. H2S und SO2 zersetzt und vom NOx-Speicherkatalysator desorbiert werden. Das H2S wird auf der vorteilhaft stromab angeordneten H2S-Sperrkatalysatorfunktion eingespeichert und das SO2 wird im Kreis geführt, solange bis es im fetten Abgas ebenfalls zu H2S reduziert wurde und im H2S-Sperrkatalysator eingelagert wird. Das Ende der Entschwefelung wird erreicht bei vollständiger Reduktion der im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherten Schwefeloxide, beim Erreichen der Leerlaufdrehzahl, Erreichen des Motorstops, Anforderung von Arbeit vom Motor.
  • Wenn das Ende der Entschwefelung erreicht ist, wird die Abgas- (10) und/oder Drosselklappe (11) wieder geöffnet, die Niederdruck-AGR-Rate durch Stellen des Ventils (9) verringert und das Verbrennungsgemisch wieder auf Magerbetrieb umgestellt. Um zu verhindern, dass dabei das im Kreis geführte, mit Reduktionsmitteln angereicherte Abgas vollständig und schlagartig an die Umgebungsluft abgegeben wird, wodurch die HC und CO Emissionen stark ansteigen würden, wird folgendes Verfahren vorgeschlagen:
    • 1. Es wird nach dem Ende der Regeneration nur so viel Frischluft in den Niederdruck-Gaskreislauf zugemischt, dass das Gemisch nur noch minimal fett gehalten wird (z. B. Lambda = 0,98–0,999), wobei weiterhin eine hohe AGR-Rate von über 80%, bevorzugt über 90%, besonders bevorzugt über 95% solange aufrecht erhalten wird, bis vorteilhafter Weise das überschüssige Reduktionsmittel größtenteils über den Katalysatoren (5, 6, 7) aufoxidiert ist.
    • 2. Erst danach erfolgt die vollständige Umstellung auf den normalen Magerbetrieb. Die Reihenfolge und Geschwindigkeit der Änderung der Stellglieder erfolgt bevorzugt in Abstimmung mit der jeweiligen Fahrsituation so, dass unerwünschte Druckstöße, Geräusche und Schwingungen vermieden oder verringert werden.
    • 3. Nach dem Umstellen auf den Magerbetrieb werden die vom H2S-Sperrkatalysator eingespeicherten Schwefelkomponenten in Form von SO2 an das Abgas abgegeben.
  • Es ist vorteilhaft, sicherzustellen, dass während der Entschwefelung der Lambdawert nicht über 1 steigt, um zu vermeiden, dass bei dem Verfahren im H2S-Sperrkatalysator gespeicherte Schwefelkomponenten wieder als SO2 desorbieren und über die Niederdruck-AGR wieder dem NOx-Speicherkatalysator zugeführt und als Sulfate erneut eingespeichert werden. Ferner ist es vorteilhaft, dass nach Beendigung der Entschwefelung und direkt nach Umstellung auf Lambda > 1 die Niederdruck-AGR solange möglichst vollständig abgeschaltet wird, bis der H2S-Sperrkatalysator durch desorbierendes SO2 vollständig von H2S entleert worden ist, um zu verhindern, dass SO2 erneut durch die Niederdruck-AGR dem NOx-Speicherkatalysator in magerer Atmosphäre zugeführt wird.
  • Vorteilhafter Weise wird das Verfahren zur Entschwefelung von Stickoxidspeicherkatalysatoren so angewandt, dass immer, wenn die Temperatur im Stickoxid-Speicherkatalysator Werte oberhalb der Entschwefelungstemperatur erreicht, das Verfahren in den Schleppbetriebsphasen ausgeführt wird. Da meist Temperaturen über 500°C nötig sind, um den Stickoxid-Speicherkatalysator zu entschwefeln, bieten sich Möglichkeiten zur Entschwefelung beispielsweise bei einer Abfahrt (Schleppbetrieb) nach einer längeren Steigung (erhöhte Lastanforderung und Temperaturanstieg) an oder vor/nach bzw. während einer DPF-Regeneration, wenn Schleppbetrieb erfolgt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Entschwefelung auch so durchgeführt werden, dass nach erreichen der Entschwefelungstemperatur im Stickoxid-Speicherkatalysator zuerst das Abgas auf Werte von Lambda ≤ 1 eingestellt wird und anschließend nach etwa 5–30 s die Niederdruck-AGR-Rate auf Werte nahe 100% eingestellt wird. Dies hat ggf. den Vorteil, dass zu Begin der Entschwefelung gebildetes SO2 noch an die Atmosphäre abgegeben werden kann, ohne bereits im Kreis geführt werden zu müssen und nur das später bei der Entschwefelung gebildete H2S im Kreis geführt und im H2S-Sperrkatalysator eingelagert wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators bietet die folgenden Vorteile gegenüber einer üblichen Entschwefelung ohne Verwendung des Verfahrens:
    • 1. erheblich Verringerte HC, CO, NH3, NOx und Partikel-Emissionen während der Entschwefelung, dadurch dass das Fettabgas nicht kontinuierlich erzeugt und emittiert wird, sondern im Kreis geführt wird;
    • 2. Die Entschwefelung kann während der DPF-Regeneration durchgeführt werden, sobald Schleppbetrieb vorliegt;
    • 3. Die Entschwefelung kann in zusätzliche Betriebszustände des Motors erfolgen;
    • 4. Erheblich reduzierter Kraftstoffverbrauch während der Entschwefelung, da nur wenig Kraftstoff benötigt wird, um das Abgas im Niederdruck-AGR Kreislauf auf Fett zu stellen;
    • 5. Verringerung der thermischen Alterung des NOx-Speicherkatalysators durch Verlängerung der Fettphasen und damit Verringerung der fett/mager-Wechsel, welche für die Katalysatoralterung ausschlaggebend sind;
    • 6. Verringerung des Effektes der Ölverdünnung während der Entschwefelung;
    • 7. Effizientere Entschwefelung durch die Möglichkeit längere Zeit konstant fett zu fahren, was im normalen Fahrbetrieb nur schwer zu verwirklichen ist aus Gründen wie z. B. Fahrkomfort, Emissionen und Ölverdünnung.
  • Die Regelung der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators wird durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) im Fahrzeug bewerkstelligt. Der Fachmann ist mit dem Aufbau und Ablauf solcher elektronischen Regelungen sehr gut vertraut.
  • Durch das effizientere Regenerieren des Stickoxid-Speicherkatalysator gemäß vorliegender Erfindung kann Edelmetall im System eingespart werden, da ansonsten höhere Edelmetallmengen notwendig sind, um den Stickoxid-Speicherkatalysator auch bei niedrigen Temperaturen regenerieren zu können. Zusätzlich werden die Fahreigenschaften während der Regeneration nicht negativ beeinträchtigt und die Ölverdünnung wird minimiert. Dies war so vor dem Hintergrund des bekannten Standes der Technik nicht zu erwarten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Motor
    2
    Zylinder
    3
    Abgasanlage
    4
    Ansaugluftanlage
    5
    NOx-Speicherkatalysator
    6
    Partikelfilter
    7
    Optionaler Katalysator
    8
    Optionaler Katalysator (kann auch abstromseitig von (10) angeordnet sein)
    9
    Niederdruck-AGR-Ventil
    10
    Abgasklappe
    11
    Drosselklappe
    12
    Sensor zur Erfassung des Luft-Kraftstoffverhältnisses, z. B. Lambda-Sensor
    13
    Sensor zur Erfassung des Luft-Kraftstoffverhältnisses, z. B. Lambda-Sensor oder NOx-Sensor (kann auch abstromseitig von (5) oder (7) angeordnet sein)
    14
    Niederdruck-AGR-Leitung
    15
    Hochdruck-AGR-Leitung
    16
    Hochdruck-AGR-Ventil
    17
    Verdichter des Turboladers
    18
    Turbine des Turboladers
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (17)

  1. Verfahren zur Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators (5), der in der Abgasleitung (3) eines Magermotors (1) angeordnet ist, wobei der Motor (1) mit einer Vorrichtung zur Niederdruck-Abgasrückführung versehen ist und in der Niederdruck-AGR-Leitung (14) ein Niederdruck-AGR-Ventil (9) sowie ggf. eine Vorrichtung zur Verminderung des Abgasausstoßes (10) und/oder eine Vorrichtung zur Verminderung der Ansaugluft (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration während eines Schleppbetriebes des Motors in der Weise durchgeführt wird, dass bei Drosselung der Ansaugluft über das Ventil (11) und/oder Verminderung des Ausstoßes der Abgase über das Ventil (10) das Abgas im wesentlichen durch das Niederdruck-AGR-Ventil (9) über den Motor (1) und den Stickoxid-Speicherkatalysator (5) im Kreis geleitet wird und währenddessen ein Luft-Kraftstoff-Gemisch eingestellt wird, welches einem Lambda-Wert von ≤ 1 entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleppbetrieb des Motors durch die träge oder schwere Masse des Fahrzeugs erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleppbetrieb des Motors durch einen Elektromotor erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleppbetrieb während des Abschalten des Motors durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederdruck-AGR-Ventil (9) während der Regeneration komplett geöffnet ist.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch während der Regeneration aufrecht erhalten wird, welches einem Lambda-Wert von 0,8 bis 1 entspricht.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Umgebungsdaten des Fahrzeugs zur Berechnung des Einsatzes und der Dauer des Schleppbetriebes des Motors und der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators herangezogen werden.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (5) im Hinblick auf Stickoxide bei Temperaturen zwischen 150 und 500°C im Stickoxid-Speicherkatalysator durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (5) im Hinblick auf Schwefeloxide bei Temperaturen oberhalb von 500°C im Stickoxid-Speicherkatalysator durchgeführt wird.
  10. System zur Reinigung der Abgase eines Magermotors enthaltend: – Einheit zur Steuerung des Motors und der Regeleinrichtungen des Systems – eine Vorrichtung zur Drosselung der Ansaugluft (11); – einen ersten Sensor zur Erfassung des Luft-Kraftstoffverhältnisses (12); – einen Stickoxid-Speicherkatalysator (5); – einen Partikelfilter (6); – einen zweiten Sensor zur Erfassung des Luft-Kraftstoffverhältnisses (13); – eine Niederdruck-AGR-Leitung (14) mit einem Niederdruck-AGR-Ventil (9); – optional eine Vorrichtung zur Verminderung des Ausstoßes des Abgases (10).
  11. Abgasreinigungssystem gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (6) mit einer Katalysatorformulierung beschichtet ist, welcher Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysator, H2S-Sperrkatalysator, SCR-Katalysator, Stickoxid-Speicherkatalysator, Kohlenwasserstoffspeicher, TWC-Katalysator besitzt.
  12. Abgasreinigungssystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Partikelfilters (6) und stromauf der Niederdruck-AGR-Leitung (14) ein Katalysator (7) angeordnet ist, welcher Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysator, H2S-Sperrkatalysator, SCR-Katalysator, Stickoxid-Speicherkatalysator, Kohlenwasserstoffspeicher, TWC-Katalysator besitzt.
  13. Abgasreinigungssystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromab der Niederdruck-AGR-Leitung (14) im Abgasstrang ein weiterer Katalysator (8) mit Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysator, H2S-Sperrkatalysator, SCR-Katalysator, NOx-Speicherkatalysator, Kohlenwasserstoffspeicher, TWC-Katalysator befindet.
  14. Abgasreinigungssystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere im Falle der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators im Hinblick auf Schwefeloxide der Partikelfilter (6) und/oder der Katalysator (7) mit einer H2S-Sperrkatalysatorfunktion beschichtet ist.
  15. Abgasreinigungssystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (7) ein SCR-Katalysator mit Ammoniakspeicherfunktion ist.
  16. Abgasreinigungssystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (8) ein Oxidationskatalysator und/oder H2S-Sperrkatalysator ist.
  17. Abgasreinigungssystem gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Stickoxid-Speicherkatalysators (5) ein Oxidationskatalysator oder TWC-Katalysator im Abgasstrang angeordnet ist.
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