DE102014204429A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanordnung,sowie Abgasnachbehandlungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanordnung sowie eine Abgasnachbehandlungsanordnung, wobei die Abgasnachbehandlungsanordnung einen passiven NOx-Adsorber zur Speicherung von im dem NOx-Adsorber zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden (NOx) sowie einen stromabwärts hiervon angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NOx) nach deren Desorption von dem NOx-Adsorber aufweist. Dabei wird die Desorption von Stickoxiden (NOx) von dem NOx-Adsorber (11) zeitweise durch Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom herbeigeführt, wobei die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom zumindest zeitweise in einer Betriebsphase erfolgt, in welcher ohne eine solche Zufuhr keine Desorption von Stickoxiden (NOx) von dem NOx-Adsorber (11) erfolgen würde.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanordnung, sowie eine Abgasnachbehandlungsanordnung.
  • Die Einführung immer strengerer NOx-Grenzwerte hat zur Entwicklung diverser Abgasnachbehandlungstechnologien geführt, um eine Kontrolle der NOx-Emissionen (= Stickoxid-Emissionen) im Abgas eines Dieselmotors zu erzielen.
  • Sogenannte passive NOx-Adsorber, welche auch als Magerbetrieb-NOx-Speicherund Desorptionsvorrichtungen bezeichnet werden können, sind Katalysatoren, die für eine Anwendung in Kombination mit SCR-Katalysatoren (SCR = "Selective Catalytic Reduction" = "selektive katalytische Reduktion") dazu geeignet sind, von einem Verbrennungsmotor bei niedrigen Temperaturen abgegebene Stickoxide (NOx) zu speichern. Am SCR-Katalysator können im Abgas enthaltene Stickoxide unter Harnstoffeinspritzung mittels Ammoniak zu Stickstoff (N2) reduziert werden. Bei dem NOx-Adsorber kann es sich z. B. um eine NOx-Speichervorrichtung handeln, welche auf Cer (Ce)-, Aluminium (Al)- und/oder Barium (Ba)-Mischoxiden in Kombination mit mindestens einem Element der Platingruppe basiert.
  • Idealerweise werden die in einem passiven NOx-Adsorber gespeicherten Stickoxide (NOx) zu einem Zeitpunkt freigesetzt, zu dem sich die Abgastemperatur am SCR-Katalysator innerhalb eines Temperaturfensters befindet, in welchem der SCR-Katalysator aktiv ist. In diesem Falle kann die erforderliche Reaktion am SCR-Katalysator in Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie z. B. Harnstoff, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen, stattfinden, so dass die freigesetzten Stickoxide (welche anderenfalls den SCR-Katalysator ohne Umwandlung passieren würden) umgewandelt werden. Typischerweise wird somit ein passiver NOx-Adsorber derart betrieben, dass eine natürliche Desorption der adsorbierten Stickoxide (NOx) stattfindet, wenn die Katalysatortemperatur einen bestimmten Schwellenwert z.B. im Bereich von 180°C–250°C übersteigt, wobei zu diesem Zeitpunkt der SCR-Katalysator bei Verfügbarkeit von Ammoniak in der Lage sein sollte, die desorbierten Stickoxide (NOx), d. h. die von dem NOx-Adsorber freigesetzten bzw. diesen verlassenden Stickoxide (NOx), umzuwandeln.
  • Hierbei tritt jedoch in der Praxis das Problem auf, dass die NOx-Desorption zwar bei einer bestimmten Temperatur einsetzt, jedoch in einer Weise abläuft, die nicht exakt mit einer Steigerung der Aktivität des SCR-Katalysators korrespondiert und zudem von der konkreten Ausgestaltung der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen sowie der Anordnung der Katalysatoren innerhalb des Abgassystems abhängig ist. Insbesondere kann beispielsweise der Fall eintreten, dass ein in motornaher Bauweise vorhandener NOx-Adsorber die Desorptionstemperatur zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem sich ein in motorferner Bauweise vorgesehener SCR-Katalysator noch nicht auf optimaler Betriebstemperatur befindet.
  • Aus DE 10 2012 220 016 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei u.a. eine mit einem NOx-Adsorber sowie einer selektiv aktivierbaren Heizung ausgestattete EHC-Vorrichtung vorgesehen ist, wobei diese Heizung über eine Steuerlogik aktiviert wird, wenn das Temperaturprofil eines stromabwärts angeordneten SCR-Katalysators oberhalb einer SCR-Aktivierungstemperatur liegt. Dabei kann ferner auch eine Kohlenwasserstoffversorgung zur Lieferung von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen an die EHC-Vorrichtung vorgesehen sein.
  • Des Weiteren ist aus DE 10 2010 023 820 A1 ein Abgasnachbehandlungssystem bekannt, in welchem stromaufwärts eines LNT-Katalysators z.B. Kohlenwasserstoff als Reduktionsmittel periodisch in die Abgasströmung injiziert wird.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanordnung sowie eine Abgasnachbehandlungsanordnung bereitzustellen, welche eine wirksame Reduzierung der Stickoxidemissionen bei vergleichsweise geringem Aufwand (z. B. der Kalibrierung) sowie relativ geringem Kraftstoff- und Energieaufwand ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die Abgasnachbehandlungsanordnung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 8 gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanordnung, welche einen passiven NOx-Adsorber zur Speicherung von im zugeführten Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden (NOx) sowie einen stromabwärts hiervon angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden nach deren Desorption von dem NOx-Adsorber aufweist, wird die Desorption von Stickoxiden von dem NOx-Adsorber zeitweise durch Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom herbeigeführt, wobei die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom zumindest zeitweise in einer Betriebsphase erfolgt, in welcher ohne eine solche Zufuhr keine Desorption von Stickoxiden (NOx) von dem NOx-Adsorber erfolgen würde.
  • Im Ergebnis wird erfindungsgemäß eine wirksame Reduzierung der Stickoxidemissionen bei vergleichsweise geringem Aufwand (sowohl hinsichtlich der Kalibrierung als auch hinsichtlich des Kraftstoff- und Energieaufwandes) ermöglicht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einem Abgassystem, welches einen NOx-Adsorber aufweist, die Stickoxid-Desorption unter Einspritzung von Kohlenwasserstoffen (HC-Einspritzung) in den Abgasstrom aktiv zu steuern. Hierdurch wird erreicht, dass sich der NOx-Adsorber hinsichtlich der Desorption nicht mehr nur rein passiv verhält und ein größeres Fenster zur Katalysatoroptimierung in dem Abgassystem bereitgestellt wird.
  • Erfindungsgemäß erfolgt insbesondere die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom zumindest zeitweise in einer Betriebsphase, in welcher ohne eine solche Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) keine Desorption von Stickoxiden (NOx) von dem NOx-Adsorber erfolgen würde. Damit unterscheidet sich Erfindung insbesondere von dem eingangs beschriebenen Verfahren, bei welchem Stickoxide (NOx) aus einem NOx-Adsorber dadurch freigesetzt werden, dass der NOx-Adsorber elektrisch aufgeheizt wird.
  • Erfindungsgemäß erfolgt somit insbesondere die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom, ohne dass hierbei eine aktive (z. B. elektrische Aufheizung) des NOx-Adsorber durchgeführt wird.
  • Ferner erfordert die erfindungsgemäße HC-Einspritzung im Vergleich zu einem aktiven NOx-Speicherkatalysator (LNT-System), welcher Stickoxide (NOx) unter Einstellung eines fetten, reduzierenden Abgasgemischs umwandelt, eine weniger komplexe Kalibrierung. Des Weiteren fällt bei dem erfindungsgemäßen Konzept auch der zusätzliche Kraftstoffverbrauch geringer aus.
  • Durch die HC-Einspritzung wird insbesondere erreicht, dass zum einen Stickoxide (NOx) von dem NOx-Adsorber bereits bei mageren Betriebsbedingungen desorbiert werden und zum anderen auch Temperatur, Zeitpunkt sowie Menge der Desorption besserer kontrolliert bzw. vorhergesagt werden können, um eine maximale Stickoxid (NOx)-Umwandlung durch den SCR-Katalysator unter Harnstoffeinspritzung zu erreichen.
  • Durch die Erfindung wird es weiter ermöglicht, dass Stickoxide (NOx), welche in dem NOx-Adsorber unter Betriebsbedingungen gespeichert werden, bei denen der SCR-Katalysator die Stickoxide (NOx) nicht umwandeln kann (z. B. bei Temperaturen unterhalb von 200°C), mittels einer kurzzeitigen HC-Einspritzung am NOx-Adsorber freigesetzt werden können, wodurch erreicht wird, dass die Stickoxide (NOx) bei einem Temperaturniveau desorbiert werden, bei dem der SCR-Katalysator zur Umwandlung der von dem NOx-Speicherkatalysator desorbierten Stickoxide (NOx) in der Lage ist. Die Erfindung ist somit insbesondere in einem Abgassystem mit einem NOx-Adsorber vorteilhaft realisierbar, welcher noch keine Stickoxide (NOx) bis zu Temperaturen oberhalb eines Temperaturwertes (z. B. von 220°C) freisetzen würde, bei denen der SCR-Katalysator bereits funktionsfähig ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird dem Abgasstrom Harnstoff zugeführt, wobei diese Harnstoffzufuhr mit der Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom zeitlich koordiniert wird. Die HC-Einspritzung einerseits und die Harnstoff-Dosierung andererseits können somit zeitlich aufeinander abgestimmt werden bzw. gegebenenfalls simultan ablaufen. Des Weiteren können die HC-Einspritzung einerseits und die Harnstoff-Dosierung andererseits zur Umwandlung der desorbierten Stickoxide (NOx) basierend auf einer modellgestützt berechneten NOx-Speicherung des NOx-Adsorbers und auf dem Ammoniak (NH3)-Speicherzustand des SCR-Katalysators erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom in einer Betriebsphase, in welcher das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda-Wert) einen Wert größer als Eins besitzt.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom in einer Betriebsphase, in welcher der SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NOx) in der Lage ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom in einer Betriebsphase, in welcher der Abgasstrom am NOx-Adsorber eine Temperatur von weniger als 220°C, insbesondere weniger als 200°C, aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der SCR-Katalysator auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat unter Ausbildung eines SDPF-Systems angeordnet. In einer solchen Ausgestaltung kann die infolge der mit der Verbrennung der eingespritzten Kohlenwasserstoffe einhergehenden exothermen Reaktion bereitgestellte thermische Energie zu dem SDPF-System (d.h. einem SCR-Washcoat auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat) weitergeleitet werden, was zu einer Erhöhung der Temperatur sowie der Umwandlungseffizienz des SDPF-Systems führt.
  • Die Erfindung betrifft ferner auch eine Abgasnachbehandlungsanordnung, welche dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auszuführen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines möglichen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Abgassystems;
  • 2a–d Diagramme zur Erläuterung eines beispielhaften Verhaltens eines NOx-Adsorbers auf einem Motorprüfstand; und
  • 3a–b Diagramme zur Erläuterung des Einflusses einer Reduzierung des Sauerstoff (O2)-Gehalts auf die NOx-Desorption.
  • 1 zeigt in lediglich schematischer Darstellung einen möglichen Aufbau eines Abgassystems eines Dieselmotors 10 mit einem passiven NOx-Adsorber 11 und einem stromabwärts hiervon angeordneten SDPF-System 12 aus einem Dieselpartikelfilter (DPF) und einem SCR-Katalysator. Der SCR-Katalysator kann als entsprechend beschichteter Dieselpartikelfilter (DPF) ausgestaltet sein. Auch ein SCR-Katalysator ohne Dieselpartikelfilter (DPF) ist an dieser Stelle denkbar. Der SCR-Katalysator dient u.a. dazu, unter Harnstoffeinspritzung die im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide mittels Ammoniak (NH3) zu Stickstoff (N2) zu reduzieren. Erfindungsgemäß erfolgt in diesem Abgassystem eine Kohlenwasserstoff (HC)-Zufuhr, was unter Verwendung einer Abgas-Einspritzvorrichtung ("Exhaust Injector"), eines Vaporisators oder einer spät erfolgenden bzw. stark verzögerten Kraftstoff-Nacheinspritzung realisiert werden kann.
  • Im Weiteren wird unter Bezugnahme auf 2a–d ein beispielhaftes Verhalten eines NOx-Adsorbers auf einem Motorprüfstand beschrieben. Hierbei wurde eine HC-Einspritzvorrichtung (HC-Injektor) dazu verwendet, reinen bzw. unvermischten Dieselkraftstoff vor dem NOx-Adsorber einzuspritzen. In 2a ist jeweils das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda-Wert) aufgetragen, welches mit einer zustromseitigen Lambdasonde ("LSU feed") bzw. einer abstromseitigen Lambdasonde ("LSU post") ermittelt wurde. In 2b mit "THC" die pro Zeiteinheit zugeführte Gesamtmasse an Kohlenwasserstoffen (in Einheiten von g/s) bezeichnet.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, wird unter HC-Zufuhr bzw. HC-Einspritzung bei Lambda-Werten größer als 1 (entsprechend einem mageren Gemisch) die Desorption der im NOx-Adsorber 11 gespeicherten Stickoxide (NOx) beobachtet. Die HC-Einspritzung bei Lambda-Werten oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses kann somit dazu genutzt werden kann, Stickoxide (NOx) aus einem NOx-Adsorber 11, welcher stromaufwärts eines aktiv mit Harnstoff betriebenen SCR-Katalysators angeordnet ist, zu desorbieren.
  • In 3a–b sind Ergebnisse eines Experiments unter Laborbedingungen dargestellt, wobei hier der Sauerstoff (O2)-Gehalt des zugeführten Gases reduziert und der Zustrom sämtlicher übriger Gase konstant gehalten wurde. Wie aus 3a–b ersichtlich ist, werden die im NOx-Adsorber 11 gespeicherten Stickoxide (NOx) freigesetzt, wenn der Sauerstoffgehalt ausgehend von einem Wert von 10% auf einen Wert von 2% reduziert wird. Gemäß 3b zeigt sich infolge der o.g. Reduzierung des Sauerstoffgehalts insbesondere ein ausgeprägter Anstieg der Stickstoffmonoxid (NO)-Konzentration im Vergleich zur Stickstoffdioxid (NO2)-Konzentration. Es zeigt sich, dass das mit der Desorption von Stickoxiden (NOx) in einem Betriebszustand mit hoher Kohlenwasserstoff (HC)-Konzentration auftretende Phänomen ähnlich demjenigen in einem Betriebszustand mit geringem Sauerstoffgehalt ist.
  • Das vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebene Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass in einem Betriebszustand mit niedrigem Sauerstoffgehalt im zugeführten Gas (z. B. infolge der Reduzierung des Sauerstoffgehalts im zugeführten Gas oder infolge der Bereitstellung eines reaktiven Reduktionsmittels im zugeführten Gas) Sauerstoff aus dem gespeicherten Stickstoffdioxid (NO2) entfernt wird, was zu einer Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO) aus dem NOx-Adsorber 11 führt. Da jedoch die Reduzierung des Sauerstoffgehalts im Abgas eines Verbrennungsmotors schwierig zu realisieren ist, ist das erfindungsgemäße Konzept der HC-Einspritzung demgegenüber mit geringerem Aufwand durchführbar und auch insofern besonders vorteilhaft.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012220016 A1 [0006]
    • DE 102010023820 A1 [0007]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanordnung, wobei die Abgasnachbehandlungsanordnung einen passiven NOx-Adsorber zur Speicherung von im zugeführten Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden (NOx) sowie einen stromabwärts hiervon angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NOx) nach deren Desorption von dem NOx-Adsorber aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorption von Stickoxiden (NOx) von dem NOx-Adsorber (11) zeitweise durch Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom herbeigeführt wird, wobei diese Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) zumindest zeitweise in einer Betriebsphase erfolgt, in welcher ohne eine solche Zufuhr keine Desorption von Stickoxiden (NOx) von dem NOx-Adsorber (11) erfolgen würde.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgasstrom ein Reduktionsmittel zugeführt wird, wobei diese Reduktionsmittelzufuhr mit der Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom zeitlich koordiniert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel Ammoniak oder Harnstoff enthält.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom in einer Betriebsphase erfolgt, in welcher das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda-Wert) einen Wert größer als Eins besitzt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom in einer Betriebsphase erfolgt, in welcher der SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NOx) in der Lage ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom in einer Betriebsphase erfolgt, in welcher der Abgasstrom am NOx-Adsorber (11) eine Temperatur von weniger als 220°C, insbesondere weniger als 200°C, aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator auf einem Dieselpartikelfiltersubstrat unter Ausbildung eines SDPF-Systems (12) angeordnet ist.
  8. Abgasnachbehandlungsanordnung, mit einem passiven NOx-Adsorber (11) zur Speicherung von im dem NOx-Adsorber zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden (NOx) sowie einem stromabwärts hiervon angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (NOx) nach deren Desorption von dem NOx-Adsorber, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanordnung dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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