DE102015213617A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgaskanal (12), einem im Abgaskanal (12) angeordneten Drei-Wege-Katalysator (14), einem diesem nachgeschalteten SCR-Katalysator (16) sowie einem diesem nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator (18). Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei NOx-Emissionen in den NOx-Speicherkatalysator (18) in Form von Nitraten eigelagert werden; Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators (18) durch Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei im Drei-Wege-Katalysator (14) stromauf des NOx-Speicherkatalysators (18) Ammoniak gebildet wird und das Ammoniak in den SCR-Katalysator (16) eingespeichert wird; und erneutes Betreiben des Verbrennungsmotos (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei die NOx-Emissionen durch das im SCR-Katalysator (16) eingespeicherte Ammoniak reduziert werden und/oder in den NOx-Speicherkatalysator (18) eingelagert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
  • Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Weiterhin sind die Fahrzeug- und Motorenhersteller angehalten, den Verbrauch der Verbrennungsmotoren und die damit verbundenen CO2-Emissionen zu reduzieren. Dies führt unter anderem dazu, dass für Verbrennungsmotoren verbrauchsoptimierte Brennverfahren entwickelt werden. Eine Möglichkeit den Verbrauch eines Ottomotors zu reduzieren, ist ein Magerbrennverfahren, also ein Brennverfahren, bei dem der Verbrennungsmotor weitestgehend mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Da bei einem Magerbrennverfahren die NOx-Emissionen nicht mehr hinreichend mit einem konventionellen Drei-Wege-Katalysator aus dem Abgas umgesetzt werden können, sind zusätzliche Katalysatoren wie NOx-Speicherkatalysatoren erforderlich. Dabei werden die NOx-Emissionen als Nitrate im NOx-Speicherkatalysator eingelagert. Diese NOx-Speicherkatalysatoren müssen periodisch mit Hilfe einer motorischen Fettphase regeneriert werden. Die Gestaltung dieser Fettphase beeinflusst maßgeblich die Endrohremissionen. Darüber hinaus sind Abgasnachbehandlungsvorrichtungen und Abgasnachbehandlungsverfahren bekannt, bei denen in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors stromab eines NOx-Speicherkatalysators ein SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction) angeordnet ist.
  • So offenbart die DE 103 15 593 B4 eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, bei der ein NOx-Speicherkatalysator stromauf eines SCR-Katalysators angeordnet ist, wobei das im SCR-Katalysator für die selektive katalytische Reduktion benötigte Ammoniak auf dem NOx-Speicherkatalysator gebildet wird.
  • Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass die Ammoniak-Bildung auf dem NOx-Speicherkatalysator zu unerwünschten Sekundäremissionen führen kann.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches zu einer verbesserten Abgasnachbehandlung führt und schädliche Emissionen weitestgehend vermeidet. Es soll ferner eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung bereitgestellt werden.
  • Die Aufgabe wird durch Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
    • – Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen (mageren, λ > 1) Verbrennungsluftverhältnis, wobei NOx-Emissionen in einen NOx-Speicherkatalysator in Form von Nitraten eingelagert werden,
    • – Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators durch Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen (fetten, λ < 1) Verbrennungsluftverhältnis, wobei in einem Drei-Wege-Katalysator stromauf des NOx-Speicherkatalysators Ammoniak gebildet wird und das Ammoniak in einen SCR-Katalysator, welcher in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors zwischen dem Drei-Wege-Katalysator und dem NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist, eingespeichert wird, und
    • – erneutes Betreiben des Verbrennungsmotos mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei die NOx-Emissionen durch das im SCR-Katalysator eingespeicherte Ammoniak reduziert werden und/oder in den NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden.
  • Unter einem SCR-Katalysator ist in diesem Zusammenhang ein Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden zu verstehen, d.h. insbesondere ein Katalysator, der unter selektiver Verwendung Ammoniak NH3 als Reduktionsmittel Stickoxide (NOx) des Abgases im Wesentlichen zu Stickstoff N2 reduziert. Dabei kann das Reduktionsmittel oder eine chemische Vorläufersubstanz von diesem, insbesondere Harnstoff, stromauf des SCR-Katalysators dem Abgas zudosiert werden. Der SCR-Katalysator ist vorliegend vorzugsweise jedoch als passiver SCR-Katalysator ausgebildet, der also ohne die Eindosierung eines zusätzlichen Reduktionsmittels, wie beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, auskommt.
  • Erfindungsgemäß kann mit diesem Verfahren das während des unterstöchiometrischen Betriebs des Verbrennungsmotors gewonnene und im SCR-Katalysator zwischengespeicherte Ammoniak in dem darauffolgenden überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors zusätzlich zur Reduktion der NOx-Emissionen genutzt werden, wodurch eine seltenere Regeneration des NOx-Speicherkatalysators notwendig ist und der Motor länger im überstöchiometrischen Betrieb betrieben werden kann. Hierdurch wird der Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors in der Regenerationsphase reduziert.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dauer der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators so gewählt wird, dass ein unvollständiger Abbau der Nitrate im NOx-Speicherkatalysator erfolgt, d.h. am Ende der Regeneration noch eine gewisse Menge an Nitraten im Speicherkatalysator vorliegt. Bei einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, welche beispielsweise durch Detektion eines Abfalls der Sauerstoffkonzentration im Abgas nach dem NOx-Speicherkatalysator mittels einer dem NOx-Speicherkatalysator nachgeschalteten Lambda-Sonde festgestellt werden könnte, kann es nämlich zu unerwünschten Sekundäremissionen an HC, CO und NH3 kommen. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und das Kohlenstoffmonoxid (CO) werden nämlich bei fortschreitender Regeneration nicht mehr vollständig mit dem sich verringernden Nitrat im Speicherkatalysator umgesetzt und durchbrechen den Speicherkatalysator folglich unkonvertiert. Bei einer unvollständigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators hingegen, d.h. einem unvollständigen Abbau der Nitrate im NOx-Speicherkatalysator, können solche Sekundäremissionen weitestgehend vermieden werden, so dass die Gesamtemissionen reduziert werden.
  • In bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird das Ende der Regeneration durch Erreichen einer vorbestimmten unteren Beladungsschwelle des NOx-Speicherkatalysators mit Nitrat bestimmt, die größer als 0% der maximal möglichen Beladung ist, beispielsweise größer als 10 %, insbesondere größer als 20 % der maximal möglichen Beladung mit Nitraten.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Dauer der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators so gewählt wird, dass ca. 60 bis 90% der insgesamt im NOx-Speicherkatalysator einlagerbaren oder eingelagerten Nitrate abgebaut werden, insbesondere ca. 60 bis 80 %. Dadurch kann eine hinreichend große Menge an Nitraten in den jeweiligen Regenerationsphasen des NOx-Speicherkatalysators abgebaut werden, so dass ausreichend NOx-Speicherkapazität für eine anschließende Magerphase wiederhergestelllt wird. Gleichzeitig wird bei einem Abbau von max. 90% der eingelagerten Nitrate das Entstehen von Sekundäremissionen bereits deutlich reduziert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Bestimmung des Endes der Regeneration die Beladung des NOx-Speicherkatalysators bilanziert. Auf diese Weise kann das Erreichen der oben genannten minimalen Beladungsschwelle ermittelt werden. Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, da der bevorzugte „vorzeitige“ Regenerationsabbruch nicht oder nur ungenau durch eine nachgeschaltete Lambdasonde gesteuert werden kann, da diese erst den bereits einsetzenden Reduktionsmitteldurchbruch zuverlässig anzeigt. Die Bilanzierung der Beladung des Speicherkatalysators kann beispielsweise durch kontinuierliche Ermittlung und Integration der NOx-Rohemissionen des Verbrennungsmotors im Magerbetrieb erfolgen, die als eingespeicherte NOx- bzw. Nitrat-Masse erfasst wird. Die NOx-Rohemissionen kann insbesondere kennfeldbasiert modelliert werden. Zudem wird die in Fettintervallen aus dem Speicherkatalysator ausgetragene NOx- bzw. Nitrat-Masse ermittelt und beladungsreduzierend in der Bilanz berücksichtigt. Die ausgetragene NOx- bzw. Nitrat-Masse kann beispielsweise in Abhängigkeit von den kennfeldmäßig modellierten Rohemissionen an Reduktionsmitteln und deren Integration (Aufsummierung) erfasst werden.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ von 0,9 bis 0,95 betrieben wird. Ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis ist zum Abbau der Nitrate im NOx-Speicherkatalysator notwendig. Bei diesem Verbrennungsluftverhältnis kann einerseits das Entstehen von größeren Mengen an Ruß verhindert werden, was zu einer starken Beladung eines Partikelfilters oder zu entsprechenden Endrohremissionen führen würde. Andererseits entsteht bei diesem Verbrennungsluftverhältnis Ammoniak, welches in dem SCR-Katalysator eingespeichert werden kann und somit in einem nachfolgenden Magerbetrieb, also einer Phase, in der der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, zum Abbau von NOx-Emissionen genutzt wird.
  • Erfindungsgemäß wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgaskanal und einem im Abgaskanal angeordneten Drei-Wege-Katalysator sowie mit einem in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal dem Drei-Wege-Katalysator nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator vorgeschlagen, wobei zwischen dem Drei-Wege-Katalysator und dem NOx-Speicherkatalysator ein SCR-Katalysator angeordnet ist. Mit einer solchen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Drei-Wege-Katalysator motornah und der SCR-Katalysator sowie der NOx-Speicherkatalysator in einem Abschnitt des Abgaskanals angeordnet sind, welcher weiter vom Verbrennungsmotor beabstandet ist und vorzugsweise im Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
  • Dabei wird unter einer motornahen Anordnung ein mittlerer Abgaslaufweg von höchstens 50 cm, insbesondere von höchstens 30 cm, nach einem Zylinderauslass verstanden. Durch diese Nähe zum Verbrennungsmotor wird ein besonders schnelles Anspringen des Drei-Wege-Katalysators nach einem Kaltstart erreicht, so dass dieser auch als Startkatalysator fungiert. Hingegen verhindert die motorferne Anordnung des SCR-Katalysators und des NOx-Speicherkatalysators, dass diese Komponenten mit sehr heißen Abgasen in Kontakt kommen und spontan eine Desorptionstemperatur von Ammoniak bzw. NOx erreichen. Zudem steht im Unterbodenbereich relativ viel Bauraum zur Verfügung. Unter einer motorfernen Anordnung wird ein mittlerer Abgaslaufweg von mindestens 80 cm, insbesondere von mindestens 100 cm, nach Zylinderauslass verstanden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Drei-Wege-Katalysator zusätzlich einen weiteren NOx-Speicherkatalysator umfasst. Durch einen zusätzlichen NOx-Speicherkatalysator, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator, können zusätzliche NOx-Emissionen aus dem Abgas eliminiert werden. Da NOx-Speicherkatalysatoren in der Regel ein begrenztes Temperaturfenster aufweisen, in denen die NOx-Emissionen sicher zwischengespeichert werden können, kann durch einen zweiten NOx-Speicherkatalysator der Temperaturbereich erweitert werden, in dem die NOx-Emissionen eingelagert werden können. Die ist insbesondere dann möglich, wenn der erste NOx-Speicherkatalysator motornah, vorzugsweise in den Drei-Wege-Katalysator integriert, angeordnet ist und ein zweiter NOx-Speicherkatalysator motorfern, insbesondere in Unterbodenposition eines Kraftfahrzeuges verbaut wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal stromab des NOx-Speicherkatalysators ein Partikelfilter angeordnet ist. Durch einen Partikelfilter können zusätzlich die Rußemissionen des Verbrennungsmotors, insbesondere beim Betrieb des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, aus dem Abgas entfernt werden. Zusätzlich wird damit eine Doppelfunktion eines Bauteils vermieden und bei der Regeneration des Partikelfilters besteht keine Gefahr der thermischen Schädigung einer katalytisch wirksamen Beschichtung.
  • Gemäß einer alternativen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der SCR-Katalysator als eine SCR-wirksame Beschichtung auf einem Partikelfilter ausgebildet ist. Dadurch werden Bauraum und Gewicht eingespart und die Montage erleichtert, da SCR-Katalysator und Partikelfilter durch ein gemeinsames Bauteil ersetzt werden können.
  • Vorzugsweise ist der SCR-Katalysator als ein passiver SCR-Katalysator ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht den Verzicht einer externen Zuführung von Ammoniak oder einer chemischen Vorstufe von diesem in das Abgas. Der Einsatz eines passiven SCR-Katalysators wird durch die erfindungsgemäß zwischengeschalteten Fettphasen zum Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators ermöglicht, in denen im Drei-Wege-Katalysator Ammoniak gebildet wird, welches im passiven SCR-Katalysator mit Stickoxiden umgesetzt wird.
  • Vorzugsweise ist die Vorrichtung ausgebildet und eingerichtet, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck kann etwa eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, in der ein computerlesbarer Algorithmus zur Ausführung des Verfahrens und gegebenenfalls notwendige Kennfelder gespeichert vorliegen. Die Steuereinrichtung kann insbesondere eine Routine zur Bilanzierung der Beladung des NOx-Speicherkatalysators mit Nitrat aufweisen, um die Einleitung sowie das Ende der Regeneration zu bestimmen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal stromab des NOx-Speicherkatalysators eine Lambda-Sonde im Abgaskanal angeordnet ist. Durch eine Lambda-Sonde kann eine Onboard-Diagnose des NOx-Speicherkatalysators erfolgen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors,
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors,
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors,
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors,
  • 6 ein weiteres Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors,
  • 7 zeitliche Verläufe verschiedener Abgaskomponenten vor, während und nach einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators in 1 und
  • 8 zeitliche Verläufe verschiedener Abgaskomponenten vor, während und nach einer vollständigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators wie in 7 sowie Strategie mit verkürzter Fettphase zur unvollständigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 10. Bei dem Verbrennungsmotor 10 handelt es sich insbesondere um einen Ottomotor, der überwiegend stöchiometrisch oder überstöchiometrisch, also mit Luftüberschuss λ > 1 betrieben wird.
  • Die Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung umfasst einen Abgaskanal 12, wobei in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 12 ein Drei-Wege-Katalysator 14, stromab des Drei-Wege-Katalysators 14 ein SCR-Katalysator 16 und stromab des SCR-Katalysators 16 ein NOx-Speicherkatalysator 18 angeordnet sind. Der Drei-Wege-Katalysator 14 ist bevorzugt motornah verbaut, während der SCR-Katalysator 16 und der NOx-Speicherkatalysator 18 bevorzugt in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges verbaut sind.
  • Der Drei-Wege-Katalysator weist eine katalytische Beschichtung auf, die in der Lage ist, sowohl Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenmonoxid CO zu Kohlendioxid CO2 und Wasser zu oxidieren als auch Stickoxide NOx zu Stickstoff N2 zu reduzieren. Zu diesem Zweck weist die Beschichtung insbesondere ein Element der Platingruppe, insbesondere Pt oder Pd, auf als auch ein weiteres Element, wie Rhodium Rh. Eine vollständige Umsetzung aller drei Abgaskomponenten ist jedoch nur bei einem stöchiometrischen Abgas (λ = 1) möglich. Der SCR-Katalysator 16 ist in der Lage, ein Reduktionsmittel, insbesondere Ammoniak NH3, zu speichern und unter Verbrauch des Reduktionsmittels Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors 10 selektiv zu reduzieren. Der NOx-Speicherkatalysator 18 weist in seiner Beschichtung eine NOx-Speicherkomponente auf, insbesondere ein Alkali- oder Erdalkalimetallcarbonat, beispielsweise Bariumcarbonat BaCO3, welches unter mageren Bedingungen NOx in Form von Nitrat, beispielsweise Bariumnitrat Ba(NO3)2 speichert. In fetten Betriebsphasen setzt das Nitrat die Stickoxide wieder frei. Um diese zu reduzieren, enthält der NOx-Speicherkatalysator 18 zudem ein katalytisches Metall, beispielsweise Pt oder Rh, welches diese Reduzierung katalysiert.
  • Stromauf und stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 kann zusätzlich ein NOx-Sensor im Abgaskanal 12 angeordnet werden, welcher eine Bilanzierung der Beladung über die gemessene NOx-Konzentration ermöglicht. Dieser NOx-Sensor zeigt auch ein Lambdasignal zur Luftmassensteuerung des Verbrennungsmotors 10 an. Zusätzlich können weitere Lambda-Sonden 26 im Abgaskanal 12, insbesondere in Strömungsrichtung stromauf oder stromab des Drei-Wege-Katalysators 14 und stromab des SCR-Katalysators 16 vorgesehen sein. Durch die weiteren Lambda-Sonden 26 wird die modellbasierte Berechnung des Beladungszustands des NOx-Speicherkatalysators 18 erleichtert. Die vorderste Lambda-Sonde 26 dient zudem der Lambdaregelung des Verbrennungsmotors 10.
  • In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede gegenüber 1 eingegangen. In diesem Beispiel weist der motornahe Drei-Wege-Katalysator 14 einen integrierten NOx-Speicherkatalysator 22 auf. Beispielsweise kann zu diesem Zweck die drei-wege-katalytische Beschichtung des Drei-Wege-Katalysators 14 um eine NOx-Speicherkomponente ergänzt sein.
  • In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Gegenüber der Ausgestaltung gemäß 1 ist hier der SCR-Katalysator in Form einer SCR-wirksamen Beschichtung 24 auf einem Partikelfilter 20 realisiert.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Im Abgaskanal 12 der Brennkraftmaschine 10 sind in Strömungsrichtung des Abgases ein Drei-Wege-Katalysator 14 mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 (wie in 2), stromab des Drei-Wege-Katalysators 14 mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 ein SCR-Katalysator 16 in Form einer SCR-wirksamen Beschichtung 24 eines Partikelfilters 20 (wie in 3) sowie weiter stromab ein NOx-Speicherkatalysator 18 angeordnet.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie in 1 ist hier stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 ein Partikelfilter 20 angeordnet.
  • In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie in 1 sind im Abgaskanal 12 in Strömungsrichtung des Abgases ein Drei-Wege-Katalysator 14 mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22, stromab des Drei-Wege-Katalysators 14 mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 ein SCR-Katalysator 16, weiter stromab ein NOx-Speicherkatalysator 18 und stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 ein Partikelfilter 20 angeordnet. Wie in 5 und 6 dargestellt, kann ein Partikelfilter 20 auch nach dem NOx-Speicherkatalysator 18 eingesetzt werden. Hierdurch wird im Vergleich zu einem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung 24 das Risiko vermieden, dass bei einer unkontrollierten Partikelfilterregeneration die SCR-wirksame Beschichtung 24 thermisch geschädigt wird.
  • Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 entstehen Emissionen, die durch die Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung aus dem Abgas des Verbrennungsmotors 10 konvertiert werden müssen. Das hierzu dienende erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung wie im Folgenden anhand der Verläufe verschiedener Abgasgrößen in den 7 und 8 dargestellt und kann in drei Phasen unterteilt werden.
  • In einer ersten Phase, welche den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 10 darstellt und als Beladephase des NOx-Speicherkatalysators 18 bezeichnet werden kann, wird der Verbrennungsmotor 10 in einem Magerbetrieb, mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis, betrieben. In dieser ersten Phase liegt das Luftverhältnis λ vor und hinter dem NOx-Speicherkatalysator 18 oberhalb von 1, im dargestellten Beispiel bei 1,85. Im Magerbetrieb können die entstehenden NOx-Emissionen nicht durch den Drei-Wege-Katalysator 14 reduziert werden, so dass hinter dem Drei-Wege-Katalysator 14 und auch hinter dem SCR-Katalysator 16 relative hohe NOx-Konzentrationen im Abgas vorliegen (s. Verläufe NOx_nTWC und NOx_nSCR). Daher passieren die NOx-Emissionen den Drei-Wege-Katalysator 14 unkonvertiert und werden auf dem NOx-Speicherkatalysator 18 in Form von Nitraten eingespeichert. Stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 wird somit keine, oder nur eine sehr geringe NOx-Konzentration im Abgas gemessen. Der NOx-Speicherkatalysator 18 hat nur eine begrenzte Speicherkapazität, so dass er periodisch regeneriert werden muss. Ist dies der Fall, schließt eine zweite Phase an.
  • In der zweiten Phase wird der NOx-Speicherkatalysator 18 regeneriert und der SCR-Katalysator 16 beladen. Die zweite Phase beginnt, vorzugsweise wenn die Beladungsgrenze des NOx-Speicherkatalysators 18 erreicht ist, was beispielsweise durch die Messung eines NOx-Schlupfes hinter dem NOx-Speicherkatalysator 18 oder durch ein in einem nicht dargestellten Steuergerät des Verbrennungsmotors 10 abgelegtes Bilanzierungsmodell erfasst werden kann. Um in dieser zweiten Phase die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 einzuleiten, wird der Verbrennungsmotor 10 fett, also mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis von beispielsweise λ = 0,92, betrieben (s. Verlauf λ_nSCR). Während dieser Betriebsphase des Verbrennungsmotors 10 werden die Nitrate im NOx-Speicherkatalysator 18 zersetzt und das NOx wieder freigesetzt (desorbiert) und mit den im Abgas vorliegenden Reduktionsmitteln, insbesondere HC, CO oder H2, reduziert. Solange diese Prozesse stattfinden, liegt das Luftverhältnis hinter dem NOx-Speicherkatalysator 18 bei λ = 1 (s. Verlauf λ_nNSK). In den für eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 typischen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors 10 wird in dem motornahen Drei-Wege-Katalysator 14 Ammoniak gebildet (s. Verlauf NH3_nTWC). Dieses Ammoniak wird nahezu vollständig in den SCR-Katalysator 16 eingespeichert, weswegen stromab von diesem kein NH3 detektiert wird (Verlauf NH3_nNSK). Die Dauer der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 kann so gewählt werden, dass die im NOx-Speicherkatalysator 18 eingespeicherten Nitrate vollständig abgebaut werden und der NOx-Speicherkatalysator 18 als vollständig regeneriert angesehen wird. Diese vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 lässt sich durch eine Lambda-Sonde 26 stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 detektieren. Sobald keine Nitrate mehr vorhanden sind, zeigt die Lambda-Sonde 26 eine unterstöchiometrische Abgaszusammensetzung an und fällt unterhalb λ = 1 ab, was in 7 anhand des Verlaufs λ_nNSK dargestellt ist. In diesem Fall können aber auch unerwünschte Sekundäremissionen in Form von Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) in Form eines Durchbruchs durch den NOx-Speicherkatalysator 18 auftreten. Zudem wird Ammoniak (NH3) GEGEN Ende der Regeneration auf dem NOx-Speicherkatalysator gebildet (Verlauf NH3_NSK).
  • Gemäß einer Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, die Dauer der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 nur so lange zu wählen, bis eine vorbestimmte untere Beladungsschwelle von zum Beispiel 20 % der maximal möglichen Beladung des NOx-Speicherkatalysators 18 mit Nitraten erreicht ist. Diese Strategie ist in 8 bei gleichen Messdaten wie in 7 angedeutet. Durch die verkürzte Regenerationszeit des NOx-Speicherkatalysators 18 werden die unerwünschten Sekundäremissionen von NH3 nahezu vollständig vermieden. Die Steuerung der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18, insbesondere des Endes derselben, erfolgt dabei bevorzugt mit Hilfe eines bilanzierten Beladungsmodells, bei dem die in den NOx-Speicherkatalysator 18 ein- und ausströmenden NOx-Massen gemessen oder modelliert sowie integriert werden und die aktuelle Beladung des NOx-Speicherkatalysators 18 ermittelt wird.
  • In einer dritten Phase des erfindungsgemäßen Verfahren wird der NOx-Speicherkatalysator 18 erneut beladen, wobei die NOx-Emissionen zusätzlich im SCR-Katalysator 16 reduziert werden. In dieser an die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 anschließenden Phase wird der Verbrennungsmotor 10 wieder auf Magerbetrieb umgeschaltet und es beginnt eine erneute Beladung des NOx-Speicherkatalysators 18. Zu Beginn dieser erneuten Beladungsphase kann das in dem SCR-Katalysator 16 eingespeicherte Ammoniak über ein passives SCR-Verfahren, also ein Verfahren ohne zusätzliche Einbringung eines Reduktionsmittels wie wässriger Harnstofflösung, zur Reduktion der NOx-Emissionen beitragen (s. schraffierter Bereich in 7). Dadurch wird die Beladung des NOx-Speicherkatalysators 18 verlangsamt, wodurch weniger Nitrate gebildet werden. Dies führt zu einer möglichen Verlängerung der Magerphase des Verbrennungsmotors 10 und somit zu einer Kraftstoffersparnis. Durch die Verlängerung der Magerphase bei konstanter Länge der Regenerationsdauer des NOx-Speicherkatalysators 18 kann der durch die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 verursachte Mehrverbrauch im Vergleich zu einem Verfahren ohne passiven SCR-Katalysator reduziert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Abgaskanal
    14
    Drei-Wege-Katalysator
    16
    SCR-Katalysator
    18
    NOx-Speicherkatalysator
    20
    Partikelfilter
    22
    weiterer NOx-Speicherkatalysator/Drei-Wege-Katalysator mit NOx-Speicherfunktion
    24
    SCR-Beschichtung
    26
    Lambda-Sonde
    λ
    Verbrennungsluftverhältnis
    λ_nSCR
    Lambda stromab des SCR-Katalysators
    λ_nNSK
    Lambda stromab des NOx-Speicherkatalysators
    NOx_nTWC
    Stickoxidmassenstrom stromab des Drei-Wege-Katalysators
    NOx_nSCR
    Stickoxidmassenstrom stromab des SCR-Katalysators
    NOx_nNSK
    Stickoxidmassenstrom stromab des NOx-Speicherkatalysators
    NH3_nTWC
    Ammoniakmassenstrom stromab des Drei-Wege-Katalysators
    NH3_nSCR
    Ammoniakmassenstrom stromab des SCR-Katalysators
    NH3_nNSK
    Ammoniakmassenstrom stromab des NOx-Speicherkatalysators
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10315593 B4 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), umfassend folgende Schritte: – Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei NOx-Emissionen in einen NOx-Speicherkatalysator (18) in Form von Nitraten eingelagert werden; – Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators (18) durch Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei in einem Drei-Wege-Katalysator (14) stromauf des NOx-Speicherkatalysators (18) Ammoniak gebildet wird, und das Ammoniak in einen zwischen dem Drei-Wege-Katalysator (14) und dem NOx-Speicherkatalysator (18) angeordneten SCR-Katalysator (16) eingespeichert wird, und – erneutes Betreiben des Verbrennungsmotos (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei die NOx-Emissionen durch das im SCR-Katalysator (16) eingespeicherte Ammoniak reduziert werden und/oder in den NOx-Speicherkatalysator (18) eingelagert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (18) so gewählt wird, dass ein unvollständiger Abbau der Nitrate im NOx-Speicherkatalysator (18) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration beendet wird, wenn eine untere Beladungsschwelle des NOx-Speicherkatalysators erreicht ist, die größer als 0 % der maximal möglichen Beladung ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Ende der Regeneration die Beladung des NOx-Speicherkatalysators (18) bilanziert wird.
  5. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgaskanal (12) und einem im Abgaskanal (12) angeordneten Drei-Wege-Katalysator (14) und einem in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal (12) dem Drei-Wege-Katalysator (14) nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator (18), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Drei-Wege-Katalysator (14) und dem NOx-Speicherkatalysator (18) ein SCR-Katalysator (16) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drei-Wege-Katalysator (14) motornah und der SCR-Katalysator (16) sowie der NOx-Speicherkatalysator (18) in einem Abschnitt des Abgaskanals (12) angeordnet sind, welcher weiter vom Verbrennungsmotor (10) beabstandet ist und vorzugsweise im Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drei-Wege-Katalysator (12) zusätzlich einen weiteren NOx-Speicherkatalysator (22) umfasst.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal (12) stromab des NOx-Speicherkatalysators (18) ein Partikelfilter (20) angeordnet ist und/oder der SCR-Katalysator (16) als eine SCR-wirksame Beschichtung (24) auf einem Partikelfilter (20) ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (16) als ein passiver SCR-Katalysator ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
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