DE102012200039A1 - Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, umfassend ein erstes SCR-Katalyseelement (23), welches in einem ersten Katalysator (2) angeordnet ist, und ein zweites SCR-Katalyseelement (31), welches in einem zweiten Katalysator (3) angeordnet ist, welcher stromabwärts des ersten Katalysators (2) in einem Abgasstrang angeordnet ist, und mindestens eine Dosiervorrichtung (22) zum Eindosieren einer Reduktionsmittellösung, welche stromaufwärts des ersten SCR-Katalyseelements (23) angeordnet ist. In dem Verfahren wird beim Kaltstart einer Verbrennungskraftmaschine (1), die mit dem SCR-Katalysatorsystem verbunden ist, ein Reduktionsmittel durch die Dosiervorrichtung (22) in das erste SCR-Katalyseelement (23) eindosiert und anschließend die Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements (23) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2 °C/s erhöht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Schließlich betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät ausgeführt wird.
  • Stand der Technik
  • Um die immer strengeren Absatzgesetzgebungen (Euro6, Tier2Bin5 und weiterführende Emissionsvorschriften) zu erfüllen, ist es notwendig, Stickstoffoxide bzw. Stickoxide (NOx) im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, zu verringern. Hierzu ist bekannt, im Abgasbereich von Verbrennungskraftmaschinen einen SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) anzuordnen, der im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Stickoxide in Gegenwart eines Reduktionsmittels zu Stickstoff reduziert. Hierdurch kann der Anteil von Stickoxiden im Abgas erheblich verringert werden. Bei Ablauf der Reduktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, das dem Abgas zugemischt wird. Daher werden NH3 bzw. NH3-abspaltende Reagenzien in den Abgasstrang eindosiert. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (HWL = Harnstoffwasserlösung) verwendet, die vor dem SCR-Katalysator im Abgasstrang eingespritzt wird. Aus dieser Lösung bildet sich Ammoniak, das als Reduktionsmittel wirkt. Eine 32,5%iger wässriger Harnstofflösung ist unter dem Markennamen AdBlue® kommerziell erhältlich. Um in einem SCR-Katalysatorsystem hohe Umsatzraten der zu reduzierenden Stickoxide zu erzielen, muss der SCR-Katalysator so betrieben werden, dass er ständig bis zu einem gewissen Niveau mit dem Reduktionsmittel Ammoniak befüllt ist.
  • Aufgrund der immer weiter verschärften Abgasgesetzgebungen (Euro 6, Tier2Bin5, etc.) ist eine Steigerung des SCR-Wirkungsgrades dringend erforderlich. Dies kann durch eine schnelle Aufheizung des SCR-Katalysators erreicht werden. Eine klassische Aufheizstrategie verbraucht jedoch mehr Kraftstoff und steigert somit die Kohlendioxidemission. Neuste Abgasanlagen setzen daher einen Partikelfilter mit SCR-Beschichtung ein, welcher als SCRoF (SCR on filter) bezeichnet wird. Dadurch, dass die SCR-Funktionalität auf dem Filter angeordnet ist und dieser schneller aufgeheizt wird als ein gewöhnlicher SCR-Katalysator stromabwärts eines Partikelfilters, ist eine potentielle Steigung des Wirkungsgrades realisierbar. Allerdings ist die Menge an katalytisch wirksamer Beschichtung (Washcoat) beschränkt, sodass weiterhin ein zusätzlicher SCR-Katalysator stromabwärts des SCRoF notwendig ist. Dies gilt insbesondere für den Einsatz derartiger Systeme in den USA, da zertifizierungsrelevante Zyklen dort schon heute hohe Lastpunkte enthalten. Allerdings sind auch in der Europäischen Union neue Hochlastzyklen in der Diskussion.
  • Für einen hohen Stickoxidumsatz ist ebenfalls eine hohe Reduktionsmittelbefüllung des SCR-Katalysators entscheidend. Prozessführungen für SCR-Katalysatorsysteme mit zwei hintereinandergeschalteten SCR-Katalysatoren sind beispielsweise in der DE 10 2004 031 624 und in der FR 28 72 544 A1 beschrieben. Dabei werden die beiden SCR-Katalysatoren wie ein einziges Bauteil modelliert, um ihren Reduktionsmittelfüllstand zu regeln bzw. zu steuern, selbst dann, wenn die beiden SCR-Katalysatoren in unterschiedlichen Gehäusen angeordnet sind. Dies beruht darauf, dass die beiden SCR-Katalysatoren eng miteinander verbunden sind, sodass von keinem großen Temperaturgradienten zwischen ihnen auszugehen ist. Eine derartige Prozessführung ist allerdings nicht auf ein Denoxierungssystem anwendbar, welches aus einem SCRoF-Katalysator und einem weiteren stromabwärts im Abgasstrang angeordneten SCR-Katalysator (sogenannter Unterflur-SCR-Katalysator) besteht. In diesem Fall kann der Unterflur-SCR-Katalysator meist nicht direkt stromabwärts des SCRoF-Katalysators angeordnet werden. Dementsprechend ist von großen Temperaturgradienten und zeitlichen Verschiebungen in der Aufheiz- und Abkühlphase auszugehen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems umfassend ein SCR-Katalyseelement, welches im ersten Katalysator angeordnet ist, und ein zweites SCR-Katalyseelement, welches in einem zweiten Katalysator angeordnet ist, welcher stromabwärts des ersten Katalysators im Abgasstrang angeordnet ist, und mindestens eine Dosiervorrichtung zum Eindosieren einer Reduktionsmittellösung, die stromaufwärts des ersten SCR-Katalyseelements angeordnet ist. Unter einem SCR-Katalyseelement wird erfindungsgemäß der katalytisch aktive Bestandteil eines SCR-Katalysators verstanden. Unter einem Katalysator wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung verstanden, welche ein Katalysatorgehäuse, mindestens ein SCR-Katalyseelement sowie gegebenenfalls weitere Bauteile aufweist. Bei dem ersten SCR-Katalyseelement handelt es sich insbesondere um ein SCRoF-Katalyseelement. Es ist nicht notwendig, dass das SCR-Katalysatorsystem eine Vorrichtung zum Eindosieren einer Reduktionsmittellösung in das zweite SCR-Katalyseelement aufweist. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass auf eine solche Dosiervorrichtung verzichtet wird.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Kaltstart einer Verbrennungskraftmaschine, die mit dem SCR-Katalysatorsystem verbunden ist, ein Reduktionsmittel durch die Dosiervorrichtung in das erste SCR-Katalyseelement eindosiert und anschließend die Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2 °C/s erhöht. Bevorzugt wird hierbei die Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements mindestens auf 200 °C erhöht. Dies ermöglicht ein gezieltes Befüllen des zweiten SCR-Katalyseelements mit Reduktionsmittel, sodass es bereits zu Beginn eines Betriebszyklusses der Verbrennungskraftmaschine einen Beitrag zur Stickoxidkonvertierung leisten kann. Das Eindosieren eines Reduktionsmittels durch die Dosiervorrichtung in das erste SCR-Katalyseelement führt noch nicht zu einem Reduktionsmittelschlupf. Die erfindungsgemäße schnelle Erhöhung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements bewirkt dann allerdings einen Schlupf am ersten SCR-Katalyseelement, was auf die steigende Temperatur bei abnehmender Reduktionsmittel-Speicherfähigkeit des SCR-Katalyseelements zurückzuführen ist. Auf diese Weise kann eine definierte Menge Reduktionsmittel am zweiten SCR-Katalysator zudosiert werden. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Reduktionsmittelmenge, mit welcher das zweite SCR-Katalyseelement befüllt wird, unter definierten Randbedingungen am ersten SCR-Katalysator, wie beispielsweise der Änderung des Reduktionsmittelfüllstandes des SCR-Katalyseelements und/oder der Änderung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements, ermittelt wird.
  • Die Erhöhung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Erfindungsgemäß ist beispielsweise eine Erhöhung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements innermotorisch, d. h. durch Veränderung der Einspritzparameter, die eine verschleppte Verbrennung zur Folge haben, durch die Verbrennungskraftmaschine möglich. Dies ist beispielsweise durch eine Verzögerung des Einspritzzeitpunktes in der Verbrennungskraftmaschine oder durch eine Änderung eines Öffnungszeitpunktes eines Auslassventils in der Verbrennungskraftmaschine möglich. Weiterhin ist es möglich, dass die Erhöhung der Temperatur durch eine Kraftstoffnacheinspritzung in der Verbrennungskraftmaschine erfolgt, so dass in einem Dieseloxidationskatalysator (DOC) stromaufwärts des ersten SCR-Katalyseelements eine exotherme Reaktion erfolgt, d.h. durch einen sogenannten Kat-Burner. Weiterhin ist möglich, dass die Erhöhung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements durch elektrische Beheizung jenes SCR-Katalyseelements erfolgt oder durch eine elektrische Heizvorrichtung erfolgt, die stromaufwärts des SCR-Katalyselements angeordnet ist. Da die Aufheizung des ersten SCR-Katalyseelements nur die Befüllung des zweiten SCR-Katalyseelements bewirken soll, ist die zu erzeugende Wärmemenge und damit auch der Mehrverbrauch der Verbrennungskraftmaschine an Kraftstoff bzw. die Zusatzenergie, welche für eine elektrische Beheizung aufgewandt werden muss, deutlich geringer, als dies bei einer Aufheizung eines SCRoF gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Dies ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren in vorhandenen SCR-Katalysatorsystemen zu implementieren, ohne hieran baulich Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu kann das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät ausgeführt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem, welches mit dem Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden kann.
  • Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • 1 zeigt ein SCR-Katalysatorsystem mit zwei SCR-Katalyseelementen, welches in einem Abgasstrang angeordnet ist. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mit einem Pfeil markiert. Stromabwärts einer Verbrennungskraftmaschine 1 sind in einem Abgasstrang aufeinanderfolgend ein erster Katalysator 2 und ein zweiter Katalysator 3 angeordnet. Im Gehäuse des ersten Katalysators 2 ist stromabwärts eines Dieseloxidationskatalysators (DOC) 21 ein Partikelfilter angeordnet, welcher an seiner Oberfläche eine Katalysatorbeschichtung aufweist, durch welche er als ein erstes SCR-Katalyseelement 23 fungieren kann (SCRoF). Zwischen dem DOC 21 und dem ersten SCR-Katalyseelement 23 ist ein Magnetventil als Dosiervorrichtung 22 zum Eindosieren einer Harnstoffwasserlösung angeordnet. Im Gehäuse des zweiten Katalysators 3 ist stromabwärts eines zweiten SCR-Katalyseelements 31 (Unterflur-SCR-Katalysator) ein Clean-up-Katalyseelement 32 angeordnet.
  • Mit herkömmlichen Prozessführungen ist es nicht möglich, das zweite SCR-Katalyseelement 31 zielgerichtet mit Ammoniak zu befüllen. Wird Harnstoffwasserlösung mittels der Dosiervorrichtung 22 in den ersten Katalysator 2 eindosiert, so wird zuerst das erste Katalyseelement 23 vollständig mit Ammoniak befüllt. Erst wenn es an diesem zu einem Ammoniakschlupf kommt, kann das zweite SCR-Katalyseelement 31 befüllt werden. Daher muss eine sehr große Menge an Harnstoffwasserlösung eindosiert werden, um eine Befüllung des zweiten SCR-Katalyseelements 31 zu bewirken. Insbesondere beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 ist die Menge an Ammoniak, die an dem ersten SCR-Katalyseelement 23 eingespeichert werden kann besonders groß. Wird dennoch so viel Harnstoffwasserlösung eindosiert, dass auch dem stromabwärtigen SCR-Katalyseelement 31 Ammoniak zur Verfügung gestellt werden kann, besteht die Gefahr eines Ammoniakdurchbruchs durch das zweite SCR-Katalyseelement 31, weil dann zu viel Ammoniak im SCR-Katalysatorsystem gespeichert ist. Erwärmt sich die Abgasanalage während des Betriebs, kann diese große Ammoniakmenge weder vom ersten SCR-Katalyseelement 23 noch vom zweiten SCR-Katalyseelement 31 gespeichert werden und es kommt zum Ammoniakschlupf des zweiten SCR-Katalyseelements 31. Selbst das Clean-up-Katalyseelement 32, das diesen Ammoniakschlupf durch Oxidation verhindern soll, kann in so kurzer Zeit desorbierte Ammoniakmengen nicht zurückhalten.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 1 Harnstoffwasserlösung durch die Dosiervorrichtung 22 in das erste SCR-Katalyseelement 23 eindosiert, sodass das erste SCR-Katalyseelement 23 soweit befüllt wird, dass es noch nicht zu einem Ammoniakschlupf kommt. Anschließend wird die Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements 23 mit einer Geschwindigkeit von 2 °C/s auf mindestens 200 °C erhöht. Hierdurch kommt es zu einem Ammoniakschlupf am ersten SCR-Katalyseelement 23, und das zweite SCR-Katalyseelement 31 wird mit Ammoniak versorgt. Das erste SCR-Katalyseelement 23 fungiert auf diese Weise als Ammoniakquelle. Selbst bei einer Aufheizung des SCR-Katalysatorsystems durch einen Temperaturanstieg des Abgasstrangs besteht im erfindungsgemäßen Verfahren nicht die Gefahr, dass es am zweiten SCR-Katalyseelement 31 zu einem so großen Ammoniakschlupf kommt, dass dieser nicht durch den Clean-up-Katalysator 32 oxidiert werden kann, bevor er in die Umgebungsluft gelangt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004031624 [0004]
    • FR 2872544 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines SCR-Katalysatorsystems, umfassend ein erstes SCR-Katalyseelement (23), welches in einem ersten Katalysator (2) angeordnet ist, und ein zweites SCR-Katalyseelement (31), welches in einem zweiten Katalysator (3) angeordnet ist, welcher stromabwärts des ersten Katalysators (2) in einem Abgasstrang angeordnet ist, und mindestens eine Dosiervorrichtung (22) zum Eindosieren einer Reduktionsmittellösung, welche stromaufwärts des ersten SCR-Katalyseelements (23) angeordnet ist, wobei beim Kaltstart einer Verbrennungskraftmaschine (1), die mit dem SCR-Katalysatorsystem verbunden ist, ein Reduktionsmittel durch die Dosiervorrichtung (22) in das erste SCR-Katalyseelement (23) eindosiert wird und anschließend die Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements (23) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2 °C/s erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste SCR-Katalyseelement (23) ein SCRoF-Katalyseelement ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements (23) mindestens auf 200 °C erhöht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reduktionsmittelmenge, mit welcher das zweite SCR-Katalyseelement (31) befüllt wird, aus der Änderung eines Reduktionsmittelfüllstandes des ersten SCR-Katalyseelements (23) und/oder der Änderung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements (23) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements (23) innermotorisch durch die Verbrennungskraftmaschine (1) erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements (23) durch eine Verzögerung des Einspritzzeitpunktes in der Verbrennungskraftmaschine (1) oder durch eine Änderung eines Öffnungszeitpunktes eines Auslassventils in der Verbrennungskraftmaschine (1) erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements (23) durch eine Kraftstoffnacheinspritzung in der Verbrennungskraftmaschine (1) erfolgt, wobei eine exotherme Reaktion an einem Dieseloxidationskatalysator (21) stromaufwärts des ersten SCR-Katalyseelements (23) stattfindet.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur des ersten SCR-Katalyseelements (23) durch eine elektrische Beheizung des ersten SCR-Katalyseelements (23) erfolgt oder stromaufwärts jenes SCR-Katalyseelements (23) eine elektrische Heizvorrichtung angeordnet ist.
  9. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät (4) abläuft.
  10. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Rechengerät oder Steuergerät (4) ausgeführt wird.
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