DE102016218348A1 - Reduction of desorbed nitrogen oxides in the exhaust gas tract - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren für den Betrieb Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Stickoxidspeicherkatalysator und einem zweiten Katalysator bereitgestellt, wobei der zweite Katalysator zur Reduktion von aus dem Stickoxidspeicherkatalysator desorbierten Stickoxiden ausgebildet ist, mit dem beim Umschalten von Mager- auf Fettbetrieb der Brennkraftmaschine durch Schlupf aus dem Stickoxidspeicherkatalysator desorbierte Stickoxide aus dem Abgas entfernt werden. Es wird weiterhin eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens bereitgestellt.A method is provided for operating the arrangement of an internal combustion engine with a nitrogen oxide storage catalyst and a second catalyst, wherein the second catalyst is designed to reduce nitrogen oxide storage catalyst desorbed nitrogen oxides with which when switching from lean to rich operation of the internal combustion engine by slipping from the nitrogen oxide storage catalyst desorbed nitrogen oxides are removed from the exhaust gas. There is further provided an arrangement for carrying out the method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von aus dem Stickoxidspeicherkatalysator desorbierten Stickoxiden in einer Anordnung mit einem Stickoxidspeicherkatalysator und einem weiteren Katalysator.The present invention relates to a process for the reduction of nitrogen oxides desorbed from the nitrogen oxide storage catalyst in an arrangement with a nitrogen oxide storage catalyst and a further catalyst.
Stickoxidspeicherkatalysatoren (auch Mager-NOx-Falle genannt, auf Englisch lean NOx trap, LNT) werden zur temporären Adsorption von Stickoxiden aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen verwendet. Daneben erfüllen sie ihre Aufgaben der oxidativen Nachbehandlung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC). Im Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine entstehende Stickoxide können in einem LNT gespeichert werden; dazu oxidiert der LNT das im mageren Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) und speichert es anschließend in Form von Nitraten. Als Adsorptionsmittel, die in die Beschichtung des LNT eingebaut sind, dienen z. B. Barium- und/oder andere Oxide. Mit steigender Stickoxid-Beladung des LNT nimmt seine Speicherkapazität zunehmend ab. Dabei steigt in gleichem Maße die Neigung des LNT, Stickoxide durch Schlupf freizusetzen. Um die Speicherkapazität des LNT wieder zu erhöhen, muss der LNT regeneriert werden. Bei der Regeneration werden die gespeicherten Stickoxide wieder desorbiert und an katalytisch aktiven Komponenten des LNT mit Hilfe der fetten Abgasbestandteile (CO, HC) zu Stickstoff reduziert. Dazu wird das Abgas angefettet, z. B. durch ein Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch. Der LNT wird auch regeneriert, wenn das Abgas durch einen fetten Betrieb der Brennkraftmaschine, z. B. wegen einer Leistungsanforderung, fetter wird. Nitrogen oxide storage catalysts (also called lean NOx trap, LNT) are used for the temporary adsorption of nitrogen oxides from the exhaust gas of internal combustion engines. In addition, they fulfill their tasks of oxidative aftertreatment of carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC). In the lean operation of an internal combustion engine resulting nitrogen oxides can be stored in a LNT; For this purpose, the LNT oxidizes the nitrogen monoxide (NO) contained in the lean exhaust gas to nitrogen dioxide (NO 2 ) and then stores it in the form of nitrates. As adsorbents which are incorporated in the coating of the LNT serve, for. B. barium and / or other oxides. As the nitrogen oxide loading of the LNT increases, its storage capacity is increasingly decreasing. At the same time, the tendency of the LNT to release nitrogen oxides by slipping increases to the same extent. To increase the storage capacity of the LNT again, the LNT must be regenerated. During regeneration, the stored nitrogen oxides are desorbed again and reduced to nitrogen on catalytically active components of the LNT with the aid of the rich exhaust gas constituents (CO, HC). For this purpose, the exhaust gas is enriched, z. B. by operating the internal combustion engine with a rich mixture. The LNT is also regenerated when the exhaust gas is removed by a rich operation of the engine, e.g. B. due to a performance requirement, gets fatter.
Die Menge an durch Schlupf eingeleiteten Stickoxiden ist von der Beladung mit Stickoxiden und der Speicherkapazität des LNT abhängig. Die Speicherkapazität des LNT ist während des Übergangs vom Mager- zum Fettbetrieb besonders schwach, wodurch es beim Übergang von Magerbetrieb zu Fettbetrieb auf Grund einer Leistungsanforderung oder einer notwendigen Regeneration des LNT häufig zu einem Freisetzen, auch Desorption genannt, von Stickoxiden durch Schlupf kommt. Dadurch gelangen ungewollt Stickoxide ins Abgas. Es besteht darum die Aufgabe, stromabwärts eines LNT vorhandene Stickoxide aus dem Abgas zu entfernen. The amount of nitrogen oxides introduced by slip depends on the nitrogen oxide load and the storage capacity of the LNT. The storage capacity of the LNT is particularly weak during the transition from lean to rich operation, whereby there is often a release, also called desorption, of nitrogen oxides due to slip during the transition from lean operation to rich operation due to a power requirement or a necessary regeneration of the LNT. This unintentionally lead to nitrogen oxides in the exhaust gas. It is therefore the task of removing existing nitrogen oxides from the exhaust gas downstream of an LNT.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. This object is achieved by a method having the features of
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regulieren eines Stickoxid-Schlupfes aus einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine unter Verwendung einer Anordnung umfassend einen ersten, als LNT ausgebildeten Katalysator, mindestens einen stromabwärts vom ersten Katalysator angeordneten zweiten, mindestens ein Edelmetall umfassenden Katalysator, und mindestens ein Reservoir für mindestens ein Reduktionsmittel, das zwischen dem ersten und zweiten Katalysator in den Abgastrakt eingeleitet werden kann, mit den Schritten:
- – S1) Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem mageren Gemisch, wobei Stickoxide im dem ersten Katalysator gespeichert werden,
- – S2) Umschalten auf ein Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch,
- – S3) Einleiten einer bestimmten Menge des Reduktionsmittels aus dem Reservoir in den Abgastrakt,
- – S4) Reduktion von desorbierten Stickoxiden im zweiten Katalysator,
- - S1) operating the internal combustion engine with a lean mixture, wherein nitrogen oxides are stored in the first catalyst,
- S2) switching to operating the internal combustion engine with a rich mixture,
- S3) introducing a certain amount of the reducing agent from the reservoir into the exhaust gas tract,
- S4) reduction of desorbed nitrogen oxides in the second catalyst,
Das Verfahren ist vorteilhaft, weil es die sofortige Entfernung von aus dem LNT eingeleiteten Stickoxiden ermöglicht. Dadurch gelangen weniger Stickoxide in das in die Umwelt abgeleitete Abgas. Zudem bewirkt das sofortige Einleiten des Reduktionsmittels in den Abgastrakt unmittelbar nach Beginn des Umschaltens durch die geringere Sauerstoffkonzentration eine effiziente Reduktion der Stickoxide.The method is advantageous because it allows the immediate removal of nitrogen oxides introduced from the LNT. As a result, less nitrogen oxides get into the exhaust gas derived in the environment. In addition, the immediate introduction of the reducing agent into the exhaust gas immediately after the start of the switching by the lower oxygen concentration causes an efficient reduction of nitrogen oxides.
Reduktionsmittel für die Reduktion von Stickoxiden sind handelsüblich und dem Fachmann bekannt. Reducing agents for the reduction of nitrogen oxides are commercially available and known in the art.
Als Gemisch wird in der vorliegenden Anmeldung ein Brennstoff-Luft-Gemisch bezeichnet. Die Begriffe mageres und fettes Gemisch beziehen sich auf Gemische mit Luftüberschuss bzw. Brennstoffüberschuss. Entsprechend wird das Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem mageren Gemisch auch als Magerbetrieb und mit einem fetten Gemisch auch als Fettbetrieb bezeichnet.A mixture is referred to in the present application, a fuel-air mixture. The terms lean and rich mixture refer to mixtures with excess air or excess fuel. Accordingly, the operation of an internal combustion engine with a lean mixture is also referred to as lean operation and with a rich mixture also as rich operation.
Bevorzugt ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Menge des eingeleiteten Reduktionsmittels von einem Sauerstoffgehalt stromabwärts vom ersten Katalysator abhängig ist. Dies ist vorteilhaft, weil sich der Sauerstoffgehalt im Abgas im zeitlichen Verlauf des Umschaltens vom Mager- zum Fettbetrieb ändert.Preferably, in the method according to the invention, the amount of the introduced reducing agent is dependent on an oxygen content downstream of the first catalyst. This is advantageous because the oxygen content in the exhaust gas changes over the course of the switchover from lean to rich operation.
Bevorzugt ist die Menge des eingeleiteten Reduktionsmittels von einem Stickoxidgehalt stromabwärts vom ersten Katalysator abhängig. Das ist vorteilhaft, weil dadurch eine Menge eingespeist wird, die entsprechend einer gemessenen Stickoxidkonzentration wirklich erforderlich ist. Die Menge des eingeleiteten Reduktionsmittels kann sowohl vom Stickoxidgehalt als auch vom Sauerstoffgehalt abhängig sein.Preferably, the amount of the introduced reducing agent is dependent on a nitrogen oxide content downstream of the first catalyst. This is advantageous because it feeds an amount that is really required according to a measured nitrogen oxide concentration. The amount of introduced reducing agent may be dependent on both the nitrogen oxide content and the oxygen content.
Ebenfalls bevorzugt wird die Menge des eingeleiteten Reduktionsmittels auf der Basis einer Modell-basierten Abfolge beim Umschalten auf ein fettes Gemisch ermittelt wird. Idealerweise wird diese Ausführungsform beim Umschalten auf Grund einer Leistungsanforderung oder Drehmomentanforderung durchgeführt. Ein entsprechendes Modell kann auf der Basis von empirischen Werten und/oder Berechnungen auf der Basis ermittelter Parameter (z. B. eingespritzte Brennstoffmenge, im ersten Katalysator gespeicherte Stickoxidmenge) erstellt werden. Die Modell-basierte Ermittlung kann mit den oben erwähnten Ausführungsformen zur Abhängigkeit des eingeleiteten Reduktionsmittels vom Sauerstoffgehalt und/oder Stickstoffgehalt kombiniert sein.Also preferably, the amount of the introduced reducing agent is determined on the basis of a model-based sequence when switching to a rich mixture. Ideally, this embodiment is performed when switching due to a power request or torque request. A corresponding model can be created on the basis of empirical values and / or calculations on the basis of determined parameters (eg injected fuel quantity, amount of nitrogen oxide stored in the first catalytic converter). The model-based determination can be combined with the abovementioned embodiments for the dependence of the introduced reducing agent on the oxygen content and / or nitrogen content.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in dem Verfahren in Schritt S2 eine hohe Last an die Brennkraftmaschine angelegt wird. Idealerweise wird diese Ausführungsform beim Umschalten auf Grund einer Leistungsanforderung oder Drehmomentanforderung durchgeführt.Furthermore, it is preferred if in the method in step S2 a high load is applied to the internal combustion engine. Ideally, this embodiment is performed when switching due to a power request or torque request.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in dem Verfahren in Schritt S2 eine Regeneration des ersten Katalysators eingeleitet wird. Die Regeneration des ersten Katalysators wird routinemäßig zur Entfernung von gespeicherten Stickoxiden durchgeführt, wenn die Speicherkapazität annähernd erschöpft ist. Dazu wird die Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch betrieben, bis der erste Katalysator regeneriert ist.Furthermore, it is preferred if regeneration of the first catalyst is initiated in the method in step S2. The regeneration of the first catalyst is routinely carried out to remove stored nitrogen oxides when the storage capacity is nearly exhausted. For this purpose, the internal combustion engine is operated with a rich mixture until the first catalyst is regenerated.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend mindestens einen ersten, als LNT ausgebildeten Katalysator, stromabwärts vom ersten Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases mindestens ein Reservoir für mindestens ein Reduktionsmittel, eine Einleiteinrichtung für das Reduktionsmittel in den Abgastrakt, und mindestens einen zweiten, mindestens ein Edelmetall umfassenden Katalysator, der ausgebildet ist, vom ersten Katalysator freigesetzte Stickoxide zu reduzieren.A second aspect of the invention relates to an arrangement for carrying out the method according to the invention, comprising at least one first, designed as LNT catalyst, downstream of the first catalyst in the flow direction of the exhaust gas at least one reservoir for at least one reducing agent, a reducing agent introduction means in the exhaust tract, and at least one second catalyst, comprising at least one noble metal, which is designed to reduce nitrogen oxides released from the first catalyst.
In der Beschichtung der Katalysatoren sind katalytisch aktive Edelmetalle eingelagert. Dazu werden besonders Platin, Rhodium und/oder Palladium verwendet. Es ist bevorzugt, dass das Edelmetall des zweiten Katalysators der erfindungsgemäßen Anordnung Platin ist.In the coating of the catalysts catalytically active precious metals are incorporated. For this purpose, especially platinum, rhodium and / or palladium are used. It is preferred that the noble metal of the second catalyst of the inventive arrangement is platinum.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in der Anordnung mindestens ein Sauerstoffsensor und mindestens ein Stickstoffsensor angeordnet sind. Furthermore, it is preferred if at least one oxygen sensor and at least one nitrogen sensor are arranged in the arrangement.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Anordnung der Sauerstoffsensor ein universeller Restsauerstoffsensor (UEGO sensor, universal exhaust gas oxygen sensor). Dieser ermöglicht vorteilhaft die Messung einer Sauerstoffkonzentration, weil die Menge an eingeleitetem Reduktionsmittel in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Abgastrakt hinter dem LNT bemessen wird.In the arrangement according to the invention, the oxygen sensor is preferably a universal residual oxygen sensor (UEGO sensor, universal exhaust gas oxygen sensor). This advantageously makes it possible to measure an oxygen concentration because the amount of reducing agent introduced is dimensioned as a function of the oxygen concentration in the exhaust tract downstream of the LNT.
Weiterhin ist in der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich eine Steuereinrichtung vorhanden, die ausgebildet ist, Signale von dem Sauerstoffsensor und dem Stickoxidsensor zu empfangen und zu verarbeiten und Steuersignale an das Reservoir zur Freisetzung des Reduktionsmittels zu erteilen. Die Steuereinrichtung ermöglicht damit vorteilhaft die Steuerung der Reduktion von aus dem LNT durch Schlupf eingeleiteten Stickoxiden.Furthermore, in the arrangement according to the invention, a control device is additionally provided, which is designed to receive and process signals from the oxygen sensor and the nitrogen oxide sensor and to issue control signals to the reservoir for releasing the reducing agent. The control device thus advantageously makes it possible to control the reduction of nitrogen oxides introduced from the LNT by slippage.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. A third aspect of the invention relates to a motor vehicle with an inventive arrangement.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to FIGS. Show it:
In einer Anordnung
Zur Steuerung einer Reduktion von Stickoxiden im zweiten Katalysator ist eine Steuereinrichtung
In der in
Das Freisetzen von Reduktionsmittel bewirkt eine effiziente Reduktion von durch Schlupf aus dem ersten Katalysator
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Anordnung arrangement
- 2 2
- Brennkraftmaschine Internal combustion engine
- 3 3
- Abgastrakt exhaust tract
- 4 4
- erster Katalysator first catalyst
- 5 5
- Sauerstoffsensor oxygen sensor
- 6 6
- Stickstoffsensor nitrogen sensor
- 7 7
- zweiter Katalysator second catalyst
- 8 8th
- Reservoir für Reduktionsmittel Reservoir for reducing agent
- 9 9
- Auspuff Exhaust
- 10 10
- Steuereinrichtung control device
Claims (9)
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Legal Events
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