DE102013221421A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Emission von Distickstoffmonoxid - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Emission von Distickstoffmonoxid während oder nach einer Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren im Abgaskanal eines überwiegend mager betriebenen Ottomotors, wobei dem Ottomotor eine Abgasnachbehandlungsanlage in Form eines Y-Systems mit zwei Drei-Wege-Katalysatoren, zwei nachfolgenden Stickoxid-Speicherkatalysatoren, einem gemeinsamen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion und einem hinteren Stickoxid-Speicherkatalysator zugeordnet ist. Dabei ist es vorgesehen, dass zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren in einer ersten Regenerationsphase ein erster Teil des Abgases in der ersten Abgasbank fett und ein zweiter Teil des Abgases in der zweiten Abgasbank mager eingestellt wird, bis der erste Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert ist und dass anschließend in einer zweiten Regenerationsphase der zweite Teil des Abgases in der zweiten Abgasbank fett und der erste Teil des Abgases in der ersten Abgasbank mager eingestellt wird, bis der zweite Stickoxid-Speicherkatalysator und der dritte Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen die Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren in einer als Y-System ausgeführten Abgasanlage eines Ottomotors bei reduzierter Emission von Distickstoffmonoxid.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Emission von Distickstoffmonoxid während oder nach einer Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren im Abgaskanal eines überwiegend mager betriebenen Ottomotors, wobei ein erster Teil des Abgases des Ottomotors in einer ersten Abgasbank einem ersten Drei-Wege-Katalysator und einem anschließenden ersten Stickoxid-Speicherkatalysator zugeführt wird, wobei ein zweiter Teil des Abgases des Ottomotors in einer zweiten Abgasbank einem zweiten Drei-Wege-Katalysator und einem anschließenden zweiten Stickoxid- Speicherkatalysator zugeführt wird und wobei das Abgas anschließend in einem gemeinsamen Abgaskanal zusammengeführt und einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und einem anschließenden dritten Stickoxid-Speicherkatalysator zugeführt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Für mager betriebene Ottomotoren ist es bekannt, eine Abgasnachbehandlung mit einem Dreiwegekatalysator und einem nachfolgenden Stickoxid-Speicherkatalysator vorzusehen. Durch den Dreiwegekatalysator erfolgt die Abgasreinigung im stöchiometrischen Betrieb des Ottomotors. Der Stickoxid-Speicherkatalysator, auch Stickoxid-Speicher-/Reduktionskatalysator oder NSC genannt, speichert im Magerbetrieb anfallende Stickoxide ein. Stickoxid-Speicherkatalysatoren arbeiten diskontinuierlich in einem aus zwei Phasen bestehenden Modus: In der ersten, längeren Phase, der so genannten Magerphase (Lambda > 1), werden die im Abgas enthaltenen Stickoxide des Motors eingespeichert. In der zweiten, kürzeren Phase, der so genannten Fettphase (Lambda < 1) werden die gespeicherten Stickoxide mittels innermotorisch erzeugtem fetten Ab- gas regeneriert. Bei der Regeneration entstehen bei der gewöhnlichen Betriebsweise eines NSC aus den eingespeicherten Stickoxiden nur Stickstoff (N2), Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2).
  • Während der Regenerationsphase (Lambda < 1) des Stickoxid-Speicherkatalysators kann unter bestimmten motorischen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei einer niedrigen Temperatur des Dreiwegekatalysators, an diesem über Sekundärreaktionen Ammoniak (NH3) gebildet werden. Das Ammoniak führt dazu, dass im Stickoxid-Speicherkatalysator Distickstoffmonoxid (Lachgas, N2O) gebildet wird. Distickstoffmonoxid hat ein sehr hohes Treibhauspotential. Daher unterliegt die Emission von Distickstoffmonoxid, beispielsweise in den USA, einem strengen Grenzwert.
  • Eine bekannte Möglichkeit zur Reduktion der Emission von Distickstoffmonoxid ist die zusätzliche Verwendung eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator. Das in dem Dreiwegekatalysator generierte Ammoniak wird in dem SCR-Katalysator gespeichert und im Magerbetrieb mit dem anfallenden NOx beziehungsweise direkt mit vorhandenem NOx umgesetzt.
  • Aus der Schrift DE 10 2010 014 468 A1 ist ein Verfahren zur Verminderung schädlicher Abgase eines mager betriebenen Verbrennungsmotors unter Einsatz eines Abgasnachbehandlungssystems aufweisend einen ersten stromaufwärts positionierten NOx-Speicherkatalysator gefolgt von einem N2O-Verminderungskatalysator bekannt, umfassend die Schritte:
    • a) Leiten eines mageren Abgases über den NOx-Speicherkatalysator während des Normalbetriebs;
    • b) Zuleiten eines Abgases mit λ ≤ 1 zum N2O-Verminderungskatalysator kurz vor oder zeitgleich zum Einleiten des Schrittes c);
    • c) Leiten eines Abgasgemisches mit λ ≤ 1 über den NOx-Speicherkatalysator, bis dieser ausreichend regeneriert ist;
    • d) Einstellen des Normalbetriebs.
  • Dabei ist das Abgas in den gezeigten Ausführungsbeispielen in einem einflutigen Abgaskanal durch einen Drei-Wege-Katalysator, einen NOx-Speicherkatalysator sowie ei- nen abschließenden N2O-Verminderungskatalysator geleitet. Der N2O-Verminderungskatalysator kann als Drei-Wege-Katalysator, als NOx-Reduktionskatalysator, als NOx-Speicherkatalysator oder als Oxidationskatalysator ausgebildet sein. Erfindungsgemäße wird zeitgleich oder kurz vor der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators fettes Abgas an dem NOx-Speicherkatalysator vorbei zu dem N2O-Verminderungskatalysator geleitet. Damit steht an dem N2O-Verminderungskatalysator ausreichend Reduktionsmittel zur Verfügung, um das bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators auftretende Distickstoffmonoxid zu reduzieren.
  • Im Gegensatz dazu sind Abgassysteme bekannt, die in einem so genannten Y-System aufgebaut sind. Die Abgasanlage ist dabei in zwei motornahe, zwei Zylindergruppen der Brennkraftmaschine zugeordnete Abgaskanäle (Bänke) und einen nachfolgenden vereinten Abgaskanal ausgeführt. In den motornahen Abgaskanälen kann jeweils ein Drei-Wege-Katalysator (TWC) und ein Stickoxid-Speicherkatalysator, in dem vereinten Abgaskanal ein SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von NOx mit Ammoniak als Reduktionsmittel sowie ein nachfolgender Stickoxid-Speicherkatalysator angeordnet sein.
  • In solch einem Y-System entsteht beim Regenerieren der Stickoxid-Speicherkatalysatoren mit einem fetten Abgasgemisch and den beiden Drei-Wege-Katalysatoren Ammoniak. An den beiden vorderen Stickoxid-Speicherkatalysatoren entsteht daraus kein oder nur sehr wenig Distickstoffmonoxid, da sie im Betrieb relativ heiß sind. Das Ammoniak wird in dem SCR-Katalysator gespeichert, wodurch es auch bei einem kalten hinteren Stickoxid-Speicherkatalysator zu keiner oder nur zu einer geringen Erzeugung von Distickstoffmonoxid kommt. Erfolgt in einem solchen System jedoch nach der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren kein weiterer Magerbetrieb, bleibt bei niedrigen SCR-Temperaturen Ammoniak gespeichert, welches dann bei höheren SCR-Temperaturen ausgetragen wird. Dieses Ammoniak reagiert im nachfolgenden Stickoxid-Speicherkatalysator zu Distickstoffmonoxid. Insbesondere bei Ottomotoren ist es möglich, dass nach der Regeneration eine reguläre Betriebsphase bei einem stöchiometrischem oder fetten Luft-/Kraftstoff-Gemisch folgt, was zur beschriebenen Bildung von Distickstoffmonoxid führt.
  • Die Schrift DE 103 93 184 T5 beschreibt ein System zur Behandlung von Abgasen, die von einem Fahrzeug ausgestoßen werden, umfassend:
    • a) einen Mehrzylinder-Dieselmotor mit einem ersten Abgaskrümmer in fließender Verbindung mit einer ersten Mehrzahl von Zylindern und einem zweiten Abgaskrümmer in Strömungsverbindung mit einer abweichenden, zweiten Mehrzahl von Zylindern,
    • b) einen ersten NOx-Absorberkatalysator in einem ersten Abgaszweig in Strömungsverbindung mit dem ersten Krümmer,
    • c) einen zweiten NOx-Absorberkatalysator in einem zweiten Abgaszweig in Strömungsverbindung mit dem zweiten Krümmer,
    • d) einen gemeinsamen Abgaszweig mit einem Einlass in Strömungsverbindung mit dem ersten und dem zweiten Abgaszweig stromabwärts des ersten und des zweiten NOx-Katalysators, wobei sich im gemeinsamen Abgaszweig ein Oxidationskatalysator befindet, durch den Abgase aus dem ersten und dem zweiten Zweig strömen, nachdem sie in dem gemeinsamen Abgaszweig vereint wurden, und
    • e) ein ECU-Mittel, das die Zusammensetzung von Abgasen in dem ersten Abgaskrümmer unabhängig von der Zusammensetzung der Abgase in dem zweiten Abgaskrümmer gemäß einer programmierten Routine steuert, um periodisch fette Gase in dem einem Abgaskrümmer und magere Gase in dem anderen Abgaskrümmer zu erzeugen.
  • Die Schrift offenbart somit ein System und ein Verfahren zur Regenerierung von Stickoxid-Speicherkatalysatoren bei Mehrzylinder-Dieselmotoren mit einem Y-Abgassystem mit zwei Abgaskrümmern, in welchen jeweils ein Stickoxid-Speicherkatalysator vorgesehen ist. Den Abgaskrümmern folgt ein gemeinsamer Abgaszweig mit einem Oxidationskatalysator. Zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren wird in einem ersten Schritt eine erste Zylinderbank fett und eine zweite Zylinderbank mager betrieben, so dass in einem Abgaskrümmer ein fettes und in dem zweiten Abgaskrümmer ein mageres Abgas vorliegt. Der dem fetten Abgas ausgesetzte Stickoxid-Speicherkatalysator wird dabei regeneriert, während NOx aus dem mageren Abgas von dem zweiten Stickoxid-Speicherkatalysator aufgenommen wird. In einem nächsten Schritt wird die erste Zylinderbank mager und die zweite fett betrieben und der zweite Stickoxid- Speicherkatalysator regeneriert. Die Steuerung der Abgaszusammensetzung erfolgt in beiden Schritten derart, dass der vereinte Abgasstrom mager bleibt, so dass der Oxidationskatalysator überschüssiges Reduktionsmittel (HC, CO) oxidieren und so einen Reduktionsmittelschlupf verhindern kann.
  • Entsprechend der Beschreibung können das Verfahren und das System auch für benzinbetriebene Magermotoren angewendet werden.
  • Das Verfahren ermöglicht es somit, den Ausstoß von HC und CO während der Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren bei einem Y-Abgassystem zu reduzieren. Nicht beschrieben ist die Vermeidung der Emission von Distickstoffmonoxid in einem Y-Abgassystem, welches sich an einem Stickoxid-Speicherkatalysator aus an einem vorgeschalteten Drei-Wege-Katalysator erzeugtem Ammoniak während der Regenerationsphase der Stickoxid-Speicherkatalysatoren bildet.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem die Emission von Distickstoffmonoxid bei überwiegend mager betriebenen Ottomotoren mit Y-Abgassystemen reduziert werden kann.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren in einer ersten Regenerationsphase der erste Teil des Abgases in der ersten Abgasbank fett und der zweite Teil des Abgases in der zweiten Abgasbank mager eingestellt wird, bis der erste Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert ist und dass anschließend in einer zweiten Regenerationsphase der zweite Teil des Abgases in der zweiten Abgasbank fett und der erste Teil des Abgases in der ersten Abgasbank mager eingestellt wird, bis der zweite Stickoxid-Speicherkatalysator und der dritte Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert sind.
  • Während der ersten Regenerationsphase wird der erste Stickoxid-Speicherkatalysator vollständig und der dritte, gemeinsame Stickoxid-Speicherkatalysator zumindest teilweise regeneriert. Dabei bildet sich an dem ersten Drei-Wege-Katalysator Ammoniak. An dem direkt an den ersten Drei-Wege-Katalysator anschließenden ersten Stickoxid- Speicherkatalysator kommt es auf Grund der relativ hohen Temperaturen zu keiner oder nur zu einer geringen Bildung von Distickstoffmonoxid. Die zweite Abgasbank wird leicht mager betrieben und somit ein NOx-Massenstrom auf der Bank generiert. In dem folgenden Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion reagiert das Ammoniak aus der ersten Abgasbank mit dem Stickoxid aus der zweiten Abgasbank. In der Folge gelangt so kein Ammoniak zu dem dritten Stickoxid-Speicherkatalysator, wodurch die Emission von Distickstoffmonoxid weitestgehend vermieden wird. Die Abgaszusammensetzung in der ersten Abgasbank muss dabei ausreichend fett sein um auch eine Regeneration des dritten Stickoxid-Speicherkatalysators zu ermöglichen und einen Stickoxid-Schlupf zu vermeiden.
  • Nach der Regeneration des ersten Stickoxid-Speicherkatalysators und einer zumindest teilweisen Regeneration des dritten Stickoxid-Speicherkatalysators während der ersten Regenerationsphase wird zur Durchführung der zweiten Regenerationsphase zunächst die erste Abgasbank mager und dann die zweite Abgasbank fett gestellt. Während der zweiten Regenerationsphase erfolgen analog zur ersten Regenerationsphase die Regeneration des zweiten Stickoxid-Speicherkatalysators und die abschließende Regeneration des dritten Stickoxid-Speicherkatalysators. Die zweite Regeneration ist abgeschlossen, wenn alle drei Stickoxid-Speicherkatalysatoren regeneriert sind.
  • Durch das sequentielle Vorgehen kann die Emission von Distickstoffmonoxid bei dem beschriebenen Y-Abgassystem weitestgehend vermieden werden.
  • Dabei kann es vorgesehen sein, dass während der ersten Regenerationsphase die Zusammensetzungen des ersten Teils des Abgases und des zweiten Teils des Abgases so gewählt werden, dass nach Abschluss der ersten Regenerationsphase zumindest eine Restmenge Ammoniak in dem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion gespeichert bleibt. Während der Umstellung von der ersten Regenerationsphase zu der zweiten Regenerationsphase wird vorzugsweise zunächst die zuerst regenerierte Abgasbank leicht mager gestellt. Das jetzt bereitgestellt Stickoxid reagiert mit dem in dem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion gespeicherten Ammoniak.
  • Um die Regeneration des dritten, gemeinsamen Stickoxid-Speicherkatalysators zu gewährleisten kann es vorgesehen sein, dass während der ersten Regenerationsphase und der zweiten Regenerationsphase die Abgaszusammensetzungen in der ersten Abgasbank und in der zweiten Abgasbank derart gewählt werden, dass in dem gemeinsamen Abgaskanal ein fettes Abgasgemisch vorliegt.
  • Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft bei einer vergleichsweise geringen Speicherfähigkeit des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion für Ammoniak anwenden, wie dies bei hohen Temperaturen des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion vorliegt. Daher kann es vorgesehen sein, dass die nacheinander erfolgende Regeneration des ersten Stickoxid-Speicherkatalysator und des zweiten Stickoxid-Speicherkatalysators nur oberhalb einer vorgegebenen ersten Temperatur des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion erfolgt.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass bei einer Temperatur des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion unterhalb einer vorgegebenen zweiten Temperatur zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren der erste Teil des Abgases in der ersten Abgasbank und der zweite Teil des Abgases in der zweiten Abgasbank fett eingestellt werden und dass der Ottomotor unmittelbar nach der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren für einen vorgegebenen Zeitraum zwingend mager betrieben wird.
  • Die zweite Temperatur kann dabei der oben genannten ersten Temperatur entsprechen.
  • Während der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren wird in beiden Abgasbänken ein fettes Abgas mit einem Lambda < 1 eingestellt, wodurch alle drei Stickoxid- Speicherkatalysatoren gleichzeitig regeneriert werden. Während der Regenerationsphase wird an den beiden Drei-Wege-Katalysatoren Ammoniak gebildet. An den unmittelbar an die Drei-Wege-Katalysatoren anschließenden Stickoxid- Speicherkatalysatoren wird auf Grund der dort herrschenden hohen Temperaturen kein oder nur eine geringe Menge an Distickstoffmonoxid gebildet. In dem nachfolgenden Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion wird das an den Drei-Wege- Katalysatoren entstandene Ammoniak eingespeichert, so dass am dritten Stickoxid- Speicherkatalysator kein Ammoniak vorliegt und somit kein Distickstoffmonoxid gebildet wird. Die Regenerationsphase wird so lange fortgesetzt, bis alle drei Stickoxid- Speicherkatalysatoren regeneriert sind.
  • In der nun folgenden und erfindungsgemäß zwingend vorgegebenen Magerphase reagiert ein Teil der dabei erzeugten Stickoxide mit dem in dem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion gespeicherten Ammoniak. Das Ammoniak wird somit nicht, beispielsweise durch eine Temperaturerhöhung des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion während einer der Regeneration folgenden fetten Betriebsphase des Ottomotors, ausgetrieben und zum dritten Stickoxid-Speicherkatalysator geleitet, womit die Bildung von Distickstoffmonoxid vermieden wird.
  • Die Verfahrensvariante ist besonders bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion mit der damit verbundenen hohen Ammoniak-Speicherfähigkeit vorteilhaft und ergänzt sich somit mit der zuvor beschriebenen, sequentiellen Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in der Steuereinheit ein Schaltkreis oder ein Programmablauf zur Einstellung eines fetten Abgases in der ersten Abgasbank und eines mageren Abgases in der zweiten Abgasbank während einer ersten Regenerationsphase der Stickoxid-Speicherkatalysatoren und zur Einstellung eines mageren Abgases in der ersten Abgasbank und eines fetten Abgases in der zweiten Abgasbank während einer zweiten Regenerationsphase der Stickoxid-Speicherkatalysatoren vorgesehen ist. Die Vorrichtung ermöglicht somit die Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 in einer schematischen Darstellung einen Ottomotor mit einer einflutigen Abgasnachbehandlungsanlage,
  • 2 in einer schematischen Darstellung einen Ottomotor mit einer Abgasnachbehandlungsanlage in der Ausführung eines Y-Systems.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen überwiegend mager betriebenen Ottomotor 10 mit einer einflutigen Abgasnachbehandlungsanlage 20. Dabei ist das Abgas des Ottomotors 10 in einem Abgaskanal 21 zunächst einem Drei-Wege-Katalysator 22 und anschließend einem Stickoxid-Speicherkatalysator 23 zugeleitet.
  • Das Ausführungsbeispiel zeigt den prinzipiellen Ablauf bei der Bildung von Distickstoffmonoxid am Beispiel eines bekannten, einflutigen Abgassystems.
  • Der Drei-Wege-Katalysator 22 dient der Abgasreinigung bei stöchiometrischem Betrieb des Ottomotors 10. In dem Stickoxid-Speicherkatalysator 23 werden im Magerbetrieb des Ottomotors 10 entstehende Stickoxide eingespeichert. Ist die Speicherkapazität des Stickoxid-Speicherkatalysators 23 ausgeschöpft, wird dieser durch einen Betrieb des Ottomotors 10 mit einem fetten Luft-/Kraftstoffgemisch bei einem Lambda-Wert < 1 regeneriert.
  • Während der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 23 bei Lambda < 1 kann unter bestimmten motorischen Bedingungen, beispielsweise bei einer vergleichsweise geringen Temperatur des Drei-Wege-Katalysators 22, an dem Drei-Wege-Katalysator 22 über Sekundärreaktionen Ammoniak (NH3) gebildet werden. Das Ammoniak führt dazu, dass im nachfolgenden Stickoxid-Speicherkatalysator 23 Distickstoffmonoxid (Lachgas, N20) gebildet wird. Distickstoffmonoxid hat ein sehr hohes Treibhauspotential, seine Emission unterliegt daher beispielsweise in den USA einem strengen Grenzwert.
  • Für Dieselmotoren ist es bekannt, zwischen dem Drei-Wege-Katalysator 22 und dem Stickoxid-Speicherkatalysator 23 einen hier nicht dargestellten Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) vorzusehen. Der SCR-Katalysator dient der Reduzierung der Stickoxid-Emissionen, welche bei dem vorgesehenen mageren Betrieb von Dieselmotoren anfallen. Dazu wird aus einer dem Abgas zugeführten Harnstoff-Wasserlösung Ammoniak gebildet, welches in dem SCR-Katalysator mit den in dem Abgas geführten Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser umgesetzt wird. Der SCR-Katalysator verhindert somit ebenfalls, dass das an dem Drei-Wege-Katalysator 22 gebildete Ammoniak zu dem Stickoxid-Speicherkatalysator 23 gelangt und dort zu Distickstoffmonoxid umgewandelt wird.
  • 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ottomotor 10 mit einer Abgasnachbehandlungsanlage 30 in der Ausführung eines Y-Systems.
  • Die Abgasnachbehandlungsanlage 30 ist als Y-System in zwei motornahe, zwei Zylindergruppen des Ottomotors 10 zugeordnete Abgasbänke 31, 34 und einen nachfolgenden, gemeinsamen Abgaskanal 37 ausgeführt. In der ersten Abgasbank 31 sind ein erster Drei-Wege-Katalysator 32 und direkt anschließend ein erster Stickoxid-Speicherkatalysator 33 angeordnet. In der zweiten Abgasbank 34 sind ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 35 und direkt anschließend ein zweiter Stickoxid-Speicherkatalysator 36 angeordnet. In dem gemeinsamen Abgaskanal 37 sind ein Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak als Reduktionsmittel sowie ein nachfolgender dritter Stickoxid-Speicherkatalysator 39 als Haupt-Stickoxid-Speicherkatalysator vorgesehen.
  • In einem solchen Y-System entsteht beim Regenerieren der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 mit Lambda < 1 an den beiden Drei-Wege-Katalysatoren 32, 35 Ammoniak. An dem Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion reagiert das Ammoniak ab, wodurch es in dem dritten Stickoxid-Speicherkatalysator 39 zu keiner oder nur zu einer geringen Erzeugung von Distickstoffmonoxid kommt. Damit das Ammoniak in dem Stickoxid-Speicherkatalysator 39 umgesetzt wird sind Stickoxide aus dem Abgas notwendig, wie sie im Magerbetrieb des Ottomotors 10 erzeugt werden. Erfolgt nach der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 kein Magerbetrieb, wie dies bei Ottomotoren in Abhängigkeit von der Betriebssituation möglich ist, bleibt insbesondere bei niedriger Temperatur des Katalysators 38 zur selektiven katalytischen Reduktion Ammoniak gespeichert. Dieses wird dann bei höheren Temperaturen des Katalysators 38 zur selektiven katalytischen Reduktion ausgetragen und mit dem Abgas zu dem dritten Stickoxid-Speicherkatalysator 39 geführt, wo es zu Distickstoffmonoxid umgewandelt wird.
  • Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, während der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 eine Abgasbank 31, 34 fett und gleichzeitig die andere Abgasbank 31, 34 mager zu betreiben. Dazu wird während der Regeneration zunächst beispielsweise die erste Abgasbank 31 fett betrieben und dabei der erste Stickoxid-Speicherkatalysator 33 und der dritte Stickoxid-Speicherkatalysator 39 regeneriert. An dem ersten Drei-Wege-Katalysator 32 entsteht dabei Ammoniak. An dem direkt dem ersten Drei-Wege-Katalysator 32 folgenden ersten Stickoxid-Speicherkatalysator 33 kommt es auf Grund der relativ hohen Temperaturen zu keiner oder nur zu einer geringen Bildung von Distickstoffmonoxid. Die zweite Abgasbank 34 wird leicht mager betrieben und somit ein Stickoxid-Massenstrom auf der zweiten Abgasbank 34 generiert. Im folgenden Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion reagiert das Ammoniak der ersten Abgasbank 31 mit dem Stickoxid der zweiten Abgasbank 34. Als Folge davon kann am dritten Stickoxid-Speicherkatalysator 39 kein Distickstoffmonoxid entstehen. Das in der ersten Abgasbank 31 geführte Abgas muss ausreichend fett sein, um auch eine Regeneration des dritten Stickoxid-Speicherkatalysators 39 zu erlauben und um einen Stickoxid-Schlupf zu vermeiden. Nach der Regeneration des ersten Stickoxid-Speicherkatalysators 32 und einer zumindest teilweisen Regeneration des dritten Stickoxid-Speicherkatalysators 39 wird zunächst das Abgas der ersten Abgasbank 31 leicht mager gestellt. Vorteilhaft ist in dem Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion noch eine Restmenge Ammoniak aus der Fettphase der ersten Abgasbank 31 gespeichert, um mit dem jetzt vorliegenden Stickoxid zu reagieren. Die zuvor mager betriebene zweite Abgasbank 34 wird nun mit einem fetten Abgas betrieben und damit der zweite Stickoxid-Speicherkatalysator 36 und der dritte Stickoxid-Speicherkatalysator 39 regeneriert. Dabei entsteht an dem zweiten Drei-Wege-Katalysator 35 Ammoniak, welches an dem nachfolgenden zweiten Stickoxid-Speicherkatalysator auf Grund der relativ hohen Temperaturen nicht zu Distickstoffmonoxid reagiert. Das Ammoniak reagiert in dem Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion mit dem Stickoxid der ersten Abgasbank 34, so dass auch jetzt an dem dritten Stickoxid-Speicherkatalysator 39 kein Ammoniak zur Bildung von Distickstoffmonoxid vorliegt. Die Regeneration ist abgeschlossen, wenn alle drei Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 regeneriert sind.
  • Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft bei vergleichsweise hoher Temperatur mit einer entsprechend geringen Ammoniak-Speicherfähigkeit des Katalysators 38 zur selektiven katalytischen Reduktion einsetzen.
  • Um auch bei niedrigen Temperaturen mit einer entsprechend hohen Ammoniak-Speicherfähigkeit des Katalysators 38 zur selektiven katalytischen Reduktion die Bildung von Distickstoffmonoxid effektiv zu reduzieren oder zu vermeiden ist es in einer Verfahrensvariante vorgeschlagen, unterhalb einer vorgegebenen Temperatur des Katalysators 38 zur selektiven katalytischen Reduktion zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 beide Abgasbänke 31, 34 fett zu betreiben und nach der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 eine Magerphase des Ottomotors 10 zwingend vorzugeben.
  • Dabei werden zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 zunächst beide Abgasbänke 31, 34 fett regeneriert. An beiden Drei-Wege-Katalysatoren 32, 35 wird dabei Ammoniak in einer Sekundärreaktion erzeugt. An den direkt an den Drei-Wege-Katalysatoren 32, 35 folgenden Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36 erfolgt auf Grund der relativ hohen Temperaturen keine oder nur eine geringe Bildung von Distickstoffmonoxid. In dem nachfolgenden Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion wird das an den Drei-Wege-Katalysatoren 32, 35 entstandene Ammoniak eingespeichert, so dass zunächst kein Distickstoffmonoxid an dem dritten Stickoxid-Speicherkatalysator 39 entsteht. Die Regeneration ist, nachdem alle drei Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 regeneriert wurden, beendet. In einer nachfolgenden, zwingend vorgegebenen Magerphase des Ottomotors 10 wird ein Teil der dabei entstehenden Stickoxide an dem Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion mit dem eingespeicherten Ammoniak reduziert. Es kann somit im weiteren Betrieb kein Ammoniak aus dem Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion ausgetrieben und zu dem dritten Stickoxid-Speicherkatalysator 39 weiter geleitet werden. Die Bildung von Distickstoffmonoxid kann damit weitestgehend unterbunden werden.
  • Durch das sequentielle Vorgehen bei der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 kann die Emission von Distickstoffmonoxid deutlich reduziert werden. Dabei wird die sequentielle Regeneration des ersten Stickoxid-Speicherkatalysators 33 in dem ersten Abgasstrang 31 und des zweiten Stickoxid-Speicherkatalysators 36 in dem zweiten Abgasstrang 32 vorteilhaft bei hoher Temperatur und entsprechend geringer Ammoniak-Speicherfähigkeit des Katalysators 38 zur selektiven katalytischen Reduktion eingesetzt, während alternativ bei geringer Temperatur und entsprechend hoher Ammoniak-Speicherfähigkeit des Katalysators 38 zur selektiven katalytischen Reduktion die gleichzeitige Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren 33, 36, 39 mit anschließender vorgeschriebener Magerphase des Ottomotors erfolgt.
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    • DE 102010014468 A1 [0006]
    • DE 10393184 T5 [0010]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Verminderung der Emission von Distickstoffmonoxid während oder nach einer Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren (33, 36, 39) im Abgaskanal eines überwiegend mager betriebenen Ottomotors (10), wobei ein erster Teil des Abgases des Ottomotors (10) in einer ersten Abgasbank (31) einem ersten Drei-Wege-Katalysator (32) und einem anschließenden ersten Stickoxid-Speicherkatalysator (33) zugeführt wird, wobei ein zweiter Teil des Abgases des Ottomotors (10) in einer zweiten Abgasbank (34) einem zweiten Drei-Wege-Katalysator (35) und einem anschließenden zweiten Stickoxid-Speicherkatalysator (36) zugeführt wird und wobei das Abgas anschließend in einem gemeinsamen Abgaskanal (37) zusammengeführt und einem Katalysator (38) zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und einem anschließenden dritten Stickoxid-Speicherkatalysator (39) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren (33, 36, 39) in einer ersten Regenerationsphase der erste Teil des Abgases in der ersten Abgasbank (31) fett und der zweite Teil des Abgases in der zweiten Abgasbank (34) mager eingestellt wird, bis der erste Stickoxid-Speicherkatalysator (33) regeneriert ist und dass anschließend in einer zweiten Regenerationsphase der zweite Teil des Abgases in der zweiten Abgasbank (34) fett und der erste Teil des Abgases in der ersten Abgasbank (31) mager eingestellt wird, bis der zweite Stickoxid-Speicherkatalysator (36) und der dritte Stickoxid-Speicherkatalysator (39) regeneriert sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der ersten Regenerationsphase die Zusammensetzungen des ersten Teils des Abgases und des zweiten Teils des Abgases so gewählt werden, dass nach Abschluss der ersten Regenerationsphase zumindest eine Restmenge Ammoniak in dem Katalysator (38) zur selektiven katalytischen Reduktion gespeichert bleibt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der ersten Regenerationsphase und der zweiten Regenerationsphase die Abgaszusammensetzung in der ersten Abgasbank (31) und in der zweiten Abgasbank (34) derart gewählt werden, dass in dem gemeinsamen Abgaskanal (37) ein fettes Abgasgemisch vorliegt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nacheinander erfolgende Regeneration des ersten Stickoxid-Speicherkatalysator (33) und des zweiten Stickoxid-Speicherkatalysators (36) nur oberhalb einer vorgegebenen ersten Temperatur des Katalysators (38) zur selektiven katalytischen Reduktion erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Temperatur des Katalysators (38) zur selektiven katalytischen Reduktion unterhalb einer vorgegebenen zweiten Temperatur zur Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren (33, 36, 39) der erste Teil des Abgases in der ersten Abgasbank (31) und der zweite Teil des Abgases in der zweiten Abgasbank (34) fett eingestellt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor (10) unmittelbar nach der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren (33, 36, 39) für einen vorgegebenen Zeitraum zwingend mager betrieben wird.
  7. Vorrichtung zur Verminderung der Emission von Distickstoffmonoxid während oder nach einer Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren (33, 36, 39) im Abgaskanal eines überwiegend mager betriebenen Ottomotors (10), wobei ein erster Teil des Abgases des Ottomotors (10) in einer ersten Abgasbank (31) einem ersten Drei-Wege-Katalysator (32) und einem anschließenden ersten Stickoxid-Speicherkatalysator (33) zugeführt ist, wobei ein zweiter Teil des Abgases des Ottomotors (10) in einer zweiten Abgasbank (34) einem zweiten Drei-Wege-Katalysator (35) und einem anschließenden zweiten Stickoxid-Speicherkatalysator (36) zugeführt ist, wobei das Abgas anschließend in einem gemeinsamen Abgaskanal (37) zusammengeführt und einem Katalysator (38) zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und einem anschließenden dritten Stickoxid-Speicherkatalysator (39) zugeführt ist mit einer Steuereinheit zur Einstellung eines Luft-/Kraftstoffgemischs während der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren (33, 36, 39), dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit ein Schaltkreis oder ein Programmablauf zur Einstellung eines fetten Abgases in der ersten Abgasbank (31) und eines mageren Abgases in der zweiten Abgasbank (32) während einer ersten Regenerationsphase der Stickoxid-Speicherkatalysatoren (33, 36, 39) und zur Einstellung eines mageren Abgases in der ersten Abgasbank (31) und eines fetten Abgases in der zweiten Abgasbank (34) während einer zweiten Regenerationsphase der Stickoxid-Speicherkatalysatoren (33, 36, 39) vorgesehen ist.
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