DE102019116774A1 - Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, Steuereinheit für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, Steuereinheit für eine Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist, Steuereinheit für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, von Zeit zu Zeit eine Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators durchzuführen, indem die Brennkraftmaschine während der Nitratregeneration Abgas mit einer reduzierenden Zusammensetzung erzeugt, sowie Brennkraftmaschine mit einer solchen Steuereinheit.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist. Bei einer oxidierenden Zusammensetzung eines Abgases der Brennkraftmaschine werden dem Abgas in dem Stickoxid-Speicherkatalysator Stickoxide und Schwefeloxide entzogen und darin gespeichert. Eine Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators wird durchgeführt, indem eine reduzierende Zusammensetzung des Abgases eingestellt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuereinheit für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, von Zeit zu Zeit eine Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators durchzuführen, indem die Brennkraftmaschine während der Nitratregeneration Abgas mit einer reduzierenden Zusammensetzung erzeugt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist, wobei ferner eine Steuereinheit vorgesehen ist.
  • Bei der Nachbehandlung von Abgasen von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, mehrere unterschiedliche Systeme einzusetzen, um den Ausstoß unerwünschter Bestandteile des Abgases zu reduzieren. Zu diesen Systemen gehören unter anderem Stickoxid-Speicherkatalysatoren und SCR-Katalysatoren, durch welche der Anteil der Stickoxide (NOx) im Abgas verringert wird. Beim Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung in das sauerstoffreiche Abgas eingeführt. Im SCR-Katalysator reagiert die Harnstoff-Wasser-Lösung zu Ammoniak, welches sich anschließend mit den Stickoxiden verbindet, woraus Wasser und Stickstoff entstehen. In einem Stickstoff-Speicherkatalysator werden Stickoxide bei magerem, also ebenfalls sauerstoffreichem Abgas gespeichert. Die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine werden kurzzeitig so verändert, dass ein Sauerstoffmangel im Abgas, daher fettes Abgas, vorherrscht. Nun können die gespeicherten Stickoxide zu unschädlichem Stickstoff reduziert werden, welcher dann ausgestoßen wird. Die Systeme werden unabhängig voneinander, beispielsweise jeweils anhand von Kennfeldern betrieben, welche einen Katalysatorbetriebszustand, eine Abgassensorik und Betriebspunkte der Brennkraftmaschine abbilden.
  • In der Druckschrift DE 10 2013 021 156 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Motors in mageren und fetten Verbrennungsmodi offenbart, wobei der Motor in einem fetten Verbrennungsmodus mit früher Einspritzung betrieben wird, um in einem Stickstoff-Speicherkatalysator, der auch als LNT für Lean NOx Trap bezeichnet wird, Ammoniak zur Speicherung in einem SCR, der sich stromabwärts des LNT befindet, zu erzeugen. In dem SCR reagiert das gespeicherte Ammoniak mit geschlüpftem NOx von dem LNT, um zweiatomigen Stickstoff zu erzeugen, wenn der Motor in dem mageren Verbrennungsmodus betrieben wird. Die Verwendung des fetten Verbrennungsmodus mit früher Einspritzung reduziert die Menge an Ruß, die erzeugt wird, wenn der Motor fett betrieben wird, was den Betrieb des Motors in dem fetten frühen Verbrennungsmodus über einen längeren Zeitraum als bei Verwenden der herkömmlichen fetten Verbrennung zulässt. Der längere Zeitraum des fetten Betriebs bietet das Potential für die Verwendung von weniger PGM-Material in dem LNT, während eine Möglichkeit vorgesehen wird, mehr Ammoniak zu erzeugen, das für die folgende Nutzung als Reduktionsmittel in dem SCR während eines mageren Verbrennungsbetriebs erforderlich ist.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei der Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einem SCR-Katalysator in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zu betreiben, wobei eine Regelung der Abgasnachbehandlungseinrichtung mehrere Systeme berücksichtigt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Steuereinheit gemäß der nebengeordneten Ansprüche gelöst. In den jeweiligen Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist. Bei einer oxidierenden Zusammensetzung eines Abgases der Brennkraftmaschine werden dem Abgas in dem Stickoxid-Speicherkatalysator Stickoxide und Schwefeloxide entzogen und darin gespeichert. Eine Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators wird durchgeführt, indem eine reduzierende Zusammensetzung des Abgases eingestellt wird. Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsluftverhältnis während der Nitratregeneration unter Berücksichtigung eines Zustands des SCR-Katalysators geregelt.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass je nach Zustand des SCR-Katalysators, das Verbrennungsluftverhältnis an der Brennkraftmaschine so eingestellt werden kann, dass eine in stärkerem oder geringerem Maße reduzierende Zusammensetzung des Abgases ausgestoßen wird. Dazu wird die Brennkraftmaschine auf ein mehr oder weniger fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt. Erlaubt der Zustand des SCR-Katalysators ein weniger fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch, sinkt vorteilhaft der Kraftstoffverbrauch während der Nitratregeneration. Erfordert der Zustand des SCR-Katalysators hingegen ein fetteres Kraftstoff-Luft-Gemisch, wird dadurch vorteilhaft, trotz eines schwachen Umsatzes von Stickoxiden in dem SCR-Katalysator, insgesamt durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung ein ausreichender Umsatz von Stickoxiden erreicht.
  • Stickoxid-Speicherkatalysatoren sind im Stand der Technik bekannt. Diese werden auch als NOx-Speichekatalysator (NSK), NOx-Trap oder Lean NOx Trap (LNT) bezeichnet. NOx bezeichnet dabei sowohl Stickstoffmonoxid NO, als auch Stickstoffdioxid NO2. Bei Verwendung eines Stickoxid-Speicherkatalysators wird die Brennkraftmaschine in der Regel mager betrieben, was einen geringen Kraftstoffverbrauch ermöglicht. Dadurch hat das Abgas eine oxidierende Zusammensetzung mit einem Luftüberschuss. Das stickoxidhaltige Abgas wird dem Stickoxid-Speicherkatalysator zugeführt, der dem Abgas die Stickoxide durch Speicherung, vorwiegend als Nitrat, entzieht. Je nach Menge der gespeicherten Stickoxide wird von Zeit zu Zeit die Nitratregeneration des Speicherkatalysators durchgeführt. Hierzu wird die Brennkraftmaschine für kurze Zeit auf Fettbetrieb umgesteuert, wodurch ein fettes Abgas erzeugt wird, welches einen Überschuss an Reduktionmitteln wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe aufweist, also eine reduzierende Zusammensetzung. Dies hat eine Freisetzung der im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide zur Folge.
  • Der Begriff SCR-Katalysator umfasst im Sinne der Erfindung generell Katalysatorsysteme, welche das Prinzip der selektiven katalytischen Reaktion anwenden und wirkt darüber hinaus nicht einschränkend. Der Begriff schließt insbesondere sogenannte SCRF oder SDPF Katalysatoren mit ein, bei denen eine SCR Beschichtung auf einem Partikelfilter funktionsintegriert ist.
  • Bevorzugt wird eine wässrige Harnstoff-Lösung oder Harnstoff-Wasser-Lösung vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang, z. B. mittels Dosierpumpe oder Injektor, eingesprüht. Aus der Harnstoff-Wasser-Lösung entstehen durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak und CO2. Das so erzeugte Ammoniak (NH3) reagiert im Wesentlichen in dem SCR-Katalysator bei entsprechender Temperatur mit den Stickoxiden im Abgas. Auch in dem Stickoxid-Speicherkatalysator entsteht bei der Nitratregeneration Ammoniak, welches in dem SCR-Katalysator aufgefangen und mit umgesetzt wird.
  • Das Verbrennungsluftverhältnis wird hier auch synonym als Luft-Kraftstoffverhältnis mit dem Kurzzeichen Lambda (λ) bezeichnet. Auch die Bezeichnungen Luftverhältnis oder Luftzahl sind für die dimensionslose Kennzahl gängig, die das Massenverhältnis aus Luft und Brennstoff in einem Verbrennungsprozess angibt. Ein Verbrennungsluftverhältnis kleiner als 1 (λ < 1) bedeutet Luftmangel, bei Brennkraftmaschinen spricht man von einem fetten oder auch reichen Gemisch, es entsteht Abgas mit einer reduzierenden Zusammensetzung. Ein Verbrennungsluftverhältnis größer als 1 (λ > 1) bedeutet Luftüberschuss, bei Verbrennungsmotoren spricht man von einem mageren oder auch armen Gemisch, es entsteht Abgas mit einer reduzierenden Zusammensetzung. Die auch als Lambdaregelung bezeichnete Regelung erfolgt bei einem Ottomotor vorzugsweise durch einen direkten Eingriff auf die eingespritzte Kraftstoffmenge, beim Dieselmotor bevorzugt über das Luftsystem durch Regulierung einer Abgasrückführrate über eine Abgasrückführung.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsluftverhältnis während der Nitratregeneration unter Berücksichtigung eines Zustands des SCR-Katalysators geregelt. Bevorzugt wird der Zustand des SCR-Katalysators dabei nach einem oder mehreren der folgenden Merkmale des SCR-Katalysators bewertet:
    • - Effizienz einer Stickoxid-Umsetzung,
    • - thermisches Alter,
    • - Temperatur,
    • - Ammoniak-Füllstand.
  • Der Lambda-Sollwert während der Nitratregeneration (LNT NOx-Regeneration) wird also bevorzugt mittels einer Funktion ermittelt, welche den aktuellen SCR-Wirkungsgrad und/oder die aktuelle SCR-Temperatur und/oder den aktuellen SCR-NH3-Füllstand und/oder das thermische Alter des SCR-Katalysators berücksichtigt. Besonders bevorzugt wird der Zustand des SCR-Katalysators dabei nach allen zuvor genannten Merkmalen des SCR-Katalysators bewertet.
  • Dabei ist dem Fachmann bekannt, dass das Verbrennungsluftverhältnis während der Nitratregeneration in der Regel so eingestellt wird, dass eine reduzierende Zusammensetzung des Abgases entsteht. Erfindungsgemäß wird einerseits ein mehr oder weniger fettes Gemisch eingestellt, wobei im Rahmen der Erfindung das Verbrennungsluftverhältnis während der Nitratregeneration auch über das stöchiometrische Verhältnis hinaus angehoben werden kann, um Stickoxide zu desorbieren, welche dann am SCR-Katalysator umgesetzt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einer effizienteren Stickoxid-Umsetzung des SCR-Katalysators das Verbrennungsluftverhältnis von einem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators optimalen Wert abweichend eingestellt wird. Als optimaler Wert für das Verbrennungsluftverhältnis für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators ist dabei im Sinne der Erfindung derjenige Wert anzusehen, bei dem die Nitratregeneration nur unter Berücksichtigung des Stickoxid-Speicherkatalysators optimal verläuft. Erfindungsgemäß soll das Verbrennungsluftverhältnis für die Nitratregeneration auf Grund des Einflusses des SCR-Katalysators davon abweichen, und zwar entweder nach oben oder nach unten.
  • Beispielsweise wird bei einer effizienteren Stickoxid-Umsetzung des SCR-Katalysators das Verbrennungsluftverhältnis erhöht, insbesondere, wenn die Effizienz des SCR-Katalysators es zulässt, bis über das stöchiometrische Verhältnis hinaus, um eine Desorption von Stickoxiden zu provozieren, welche dann am SCR-Katalysator umgesetzt werden. Durch den weniger fetten Betrieb der Brennkraftmaschine wird bei der Nitratregeneration vorteilhaft Kraftstoff gespart. Umgekehrt kann eine Desorption von Stickoxiden auch durch ein Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses provoziert werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einem geringen thermischen Alter des SCR-Katalysators das Verbrennungsluftverhältnis von dem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators optimalen Wert abweichend eingestellt wird, wobei mit zunehmendem thermischen Alter des SCR-Katalysators das Verbrennungsluftverhältnis dem für die Nitratregeneration optimalen Wert angenähert wird.
  • Beispielsweise wird bei geringen thermischen Alter des SCR-Katalysators das Verbrennungsluftverhältnis erhöht, insbesondere, wenn das thermische Alter des SCR-Katalysators es zulässt, bis über das stöchiometrische Verhältnis hinaus, um eine Desorption von Stickoxiden zu provozieren, welche dann am SCR-Katalysator umgesetzt werden. Durch den weniger fetten Betrieb der Brennkraftmaschine wird bei der Nitratregeneration vorteilhaft Kraftstoff gespart. Umgekehrt kann eine Desorption von Stickoxiden auch durch ein Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses provoziert werden. Ein sinkender Wirkungsgrad durch ein höheres thermisches Alter des SCR-Katalysators wird vorteilhaft durch das Annähern an den für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators optimalen Wert für das Verbrennungsluftverhältnis ausgeglichen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einer höheren Temperatur des SCR-Katalysators das Verbrennungsluftverhältnis das Verbrennungsluftverhältnis von einem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators optimalen Wert abweichend eingestellt wird.
  • Bei einer höheren Temperatur des SCR-Katalysators wird das Verbrennungsluftverhältnis beispielsweise erhöht, insbesondere, wenn die Temperatur des SCR-Katalysators es zulässt, bis über das stöchiometrische Verhältnis hinaus, um eine Desorption von Stickoxiden zu provozieren, welche dann am SCR-Katalysator umgesetzt werden. Durch den weniger fetten Betrieb der Brennkraftmaschine wird bei der Nitratregeneration vorteilhaft Kraftstoff gespart. Umgekehrt kann eine Desorption von Stickoxiden auch durch ein Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses provoziert werden. Ein erhöhter Umsatz des SCR-Katalysators bei höheren Temperaturen wird dadurch vorteilhaft ausgenutzt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einem höheren Ammoniak-Füllstand in dem SCR-Katalysator das Verbrennungsluftverhältnis das Verbrennungsluftverhältnis von einem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators optimalen Wert abweichend eingestellt wird.
  • Beispielsweise wird bei einem höheren Ammoniak-Füllstand in dem SCR-Katalysator das Verbrennungsluftverhältnis erhöht wird, insbesondere, wenn der Ammoniak-Füllstand des SCR-Katalysators es zulässt, bis über das stöchiometrische Verhältnis hinaus, um eine Desorption von Stickoxiden zu provozieren, welche dann am SCR-Katalysator umgesetzt werden. Durch den weniger fetten Betrieb der Brennkraftmaschine wird bei der Nitratregeneration vorteilhaft Kraftstoff gespart. Umgekehrt kann eine Desorption von Stickoxiden auch durch ein Absenken des Verbrennungsluftverhältnisses provoziert werden.
  • Bei hohem Ammoniak-Füllstand in dem SCR-Katalysator wird vorteilhaft die Bildung zusätzlichen Ammoniaks durch die Nitratregeneration reduziert, so dass ein Schlüpfen, also ein unerwünschter Ausstoß von überschüssigem Ammoniak (NH3), vorteilhaft vermieden wird.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Steuereinheit für eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, von Zeit zu Zeit eine Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators durchzuführen, indem die Brennkraftmaschine während der Nitratregeneration Abgas mit einer reduzierenden Zusammensetzung erzeugt, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet ist, ein Verbrennungsluftverhältnis während der Nitratregeneration unter Berücksichtigung eines Zustands des SCR-Katalysators zu regeln.
  • Vorzugsweise ist der Zustand des SCR-Katalysators dabei durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale gekennzeichnet ist:
    • - Effizienz einer Stickoxid-Umsetzung,
    • - thermisches Alter,
    • - Temperatur,
    • - Ammoniak-Füllstand.
  • Weiterhin vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist, wobei ferner eine Steuereinheit, wie zuvor beschrieben, vorgesehen ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Ausführungen betreffen alle Erfindungsgegenstände gleichermaßen, sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
  • Figurenliste
    • 1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 2 ein schematisches Blockbild einer Variante der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
    • 3 ein schematisches Blockbild einer weiteren Variante der Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform dient ein Dieselmotor als Brennkraftmaschine 1. Der Brennkraftmaschine 1 wird über die Ansaugluftleitung 3 Verbrennungsluft zugeführt. Der Brennkraftmaschine 1 ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 zugeordnet, welche in der Abgasleitung 4 einen Oxidationskatalysator 5, einen Partikelfilter 6, einen Stickoxid-Speicherkatalysator 7 und einen SCR-Katalysator 8 aufweist. Im vorliegenden Fall ist einerseits der Partikelfilter 6 unmittelbar dem Oxidationskatalysator 5 nachgeschaltet und andererseits der SCR-Katalysator 8 unmittelbar dem Stickoxid-Speicherkatalysator 7 nachgeschaltet. Stromauf des Oxidationskatalysators 5 ist in der Abgasleitung 4 ein Abgasturbolader 12 untergebracht, welcher zur Verdichtung der Verbrennungsluft dient, welche nach der Verdichtung von einem in der Ansaugluftleitung 3 angeordnetem Ladeluftkühler 14 gekühlt wird. Der Brennkraftmaschine 1 ist ferner eine Steuereinheit 9 zugeordnet, welche u.a. zur Steuerung der Verbrennung dient. Zur Übertragung der dazu notwendigen Steuersignale ist eine Steuer- bzw. Signalleitung 10 vorhanden. Weitere der Messung und Kontrolle von Betriebsparametern dienende Bauteile wie Sauerstoffsonden, Temperaturfühler, Drosselklappen, weitere Signalleitungen und dergleichen sind der Übersichtlichkeit halber nicht in der Zeichnung dargestellt.
  • Die Brennkraftmaschine 1 wird primär mager betrieben. Im Abgas enthaltene Partikel werden im Partikelfilter 6 zurückgehalten. Beim Durchgang des Abgases durch den Oxidationskatalysator 5 wird im Abgas enthaltenes NO zu NO2 oxidiert und kann dann im nachgeschalteten Partikelfilter 6 seinerseits dort abgelagerte kohlenstoffhaltige Partikel oxidieren, wodurch eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters 6 erfolgt. Das dem Partikelfilter entströmende, weiterhin stickoxidhaltige Abgas wird dem Stickoxid-Speicherkatalysator 7 zugeführt, der dem Abgas die Stickoxide durch Speicherung, vorwiegend als Nitrat, entzieht. Je nach Menge der gespeicherten Stickoxide wird von Zeit zu Zeit eine Nitratregeneration des Speicherkatalysators 7 durchgeführt. Hierzu wird die Brennkraftmaschine 1 für kurze Zeit auf Fettbetrieb umgesteuert, wodurch ein fettes Abgas erzeugt wird, welches einen Überschuss an Reduktionmitteln wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe aufweist. Dies hat eine Freisetzung der im Stickoxid-Speicherkatalysator 7 gespeicherten Stickoxide zur Folge, die an den in der katalytischen Schicht des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 vorhandenen Edelmetallzentren von den Reduktionsmitteln des Abgases reduziert werden. Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsluftverhältnis während der Nitratregeneration unter Berücksichtigung eines Zustands des SCR-Katalysators 8 geregelt wird.
  • Das Verbrennungsluftverhältnis wird hier auch synonym als Luft-Kraftstoffverhältnis mit dem Kurzzeichen Lambda (λ) bezeichnet. Die daher auch Lambdaregelung genannte Regelung erfolgt bei einem Ottomotor durch einen direkten Eingriff auf die eingespritzte Kraftstoffmenge, was beim Dieselmotor jedoch nicht üblich ist, da beim Dieselmotor das Motormoment über die Änderung der Kraftstoffmenge gesteuert wird. Die Lambdaregelung beim Dieselmotor erfolgt stattdessen über das Luftsystem durch Regulierung der Abgasrückführrate über eine Abgasrückführung 11.
  • Als Reduktionsprodukt der Stickoxidreduktion entsteht hauptsächlich Stickstoff. Zusätzlich werden je nach den Bedingungen unter denen die Nitratregeneration durchgeführt wird, auch mehr oder weniger große Mengen des Reduktionsproduktes Ammoniak (NH3) gebildet, dessen Freisetzung in die Umgebung unerwünscht ist. Mit Hilfe des erfindungsgemäß stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 angeordneten SCR-Katalysators 8 wird das Ammoniak durch Einlagerung abgefangen. Dieses eingelagerte NH3 steht in dem auf die Nitratregeneration folgenden mageren Brennkraftmaschinenbetrieb als zusätzliches Reduktionsmittel zur selektiven Stickoxid-Reduktion im SCR-Katalysator 8 zur Verfügung. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Stickoxidentfernung in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 zusätzlich in vorteilhafter Weise gesteigert.
  • Der Lambda-Sollwert während der Nitratregeneration (LNT NOx-Regeneration) wird bevorzugt mittels einer Funktion ermittelt, welche den aktuellen SCR-Wirkungsgrad und/oder die aktuelle SCR-Temperatur und/oder den aktuellen SCR-NH3-Füllstand und/oder das thermische Alter des SCR-Katalysators berücksichtigt:
  • Lambda setpoint der LNT NOx-Regeneration = f(aktueller SCR-Wirkungsgrad und/oder aktuelle SCR-Temperatur und/oder aktueller SCR-NH3-Füllstand und/oder thermisches Alter des SCR).
  • Bevorzugt wird bei einer effizienteren Stickoxid-Umsetzung des SCR-Katalysators 8 das Verbrennungsluftverhältnis von einem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 optimalen Wert abweichend eingestellt. Als optimaler Wert für das Verbrennungsluftverhältnis für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 ist dabei im Sinne der Erfindung derjenige Wert anzusehen, bei dem die Nitratregeneration nur unter Berücksichtigung des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 optimal verläuft. Erfindungsgemäß soll das Verbrennungsluftverhältnis für die Nitratregeneration auf Grund des Einflusses des SCR-Katalysators 8 davon abweichen, und zwar entweder nach oben oder nach unten.
  • Bei der Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff enthält das Abgas der Brennkraftmaschine 1 Schwefeldioxid, das vom Katalysatormaterial des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 unter Bildung von stabilen Sulfaten aufgenommen wird, was dessen Stickoxidspeicherfähigkeit im Laufe der Zeit zunehmend vermindert. Der Stickoxid-Speicherkatalysator 7 wird daher in einer Entschwefelung wiederholt von eingelagertem Schwefel befreit, d.h. regeneriert. Dazu wird die Brennkraftmaschine 1 in einem Entschwefelungsbetriebsmodus betrieben. Dieser Entschwefelungsbetriebsmodus beinhaltet eine z.B. durch Kraftstoffnacheinspritzung bewirkte Anhebung der Abgastemperatur auf über 500 °C und die Einstellung einer reduzierenden Abgaszusammensetzung auf Werte von ca. 0,95 oder weniger für das Luft-Kraftstoffverhältnis (λ), ähnlich wie zum Zwecke der Nitratregeneration. Unter diesen Bedingungen gelingt es, die relativ stabilen Sulfate im Stickoxid-Speicherkatalysator 7 reduktiv zu zersetzen. Dabei entstehen je nach Temperatur, Stärke der Anfettung und Menge des im Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherten Schwefels mehr oder weniger große Mengen an Schwefelwasserstoff (H2S). Dieses H2S wird jedoch an dem erfindungsgemäß stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 angeordneten SCR-Katalysators 8 unter den reduzierenden Bedingungen der Entschwefelung zu weniger geruchsintensivem Stickstoffdioxid (SO2) umgesetzt. Dadurch wird das üblicherweise mit der Entschwefelung, hier auch als Desulfatisierung bezeichnet, von Stickoxid-Speicherkatalysatoren verbundene Geruchsproblem vermieden. Ein besonderer Vorteil des Einsatzes des SCR-Katalysators 8 stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 zum Zwecke der H2S-Umwandlung zu SO2 unter reduzierenden Bedingungen liegt darin, dass dadurch die Prozessführung der Desulfatisierung vereinfacht werden kann, da diese nicht auf die Minimierung des unerwünschten Desulfatisierungsproduktes H2S hin ausgerichtet sein muss. Z.B. lässt sich die Desulfatisierung durch eine stärkere Anfettung mit λ-Werten unterhalb 0,95 und damit verbundener stärkerer und schnellerer H2S-Freisetzung aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator 7 deutlich verkürzen.
  • Die Einsatzmöglichkeit des SCR-Katalysators 8 stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 7 zur Umsetzung von H2S in SO2 unter reduzierenden Bedingungen ist nicht von der Anwesenheit der vorgeschalteten Reinigungskomponenten wie z.B. Partikelfilter 6 und Oxidationskatalysator 5 abhängig.
  • In den 2 und 3 sind Varianten der Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 gezeigt, welche typischerweise mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verwendet werden. Die Ausführungen bezüglich der nicht dargestellten Elemente der Brennkraftmaschine beziehen sich auf die 1.
  • In der 2 ist ein schematisches Blockbild einer Variante der Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 gezeigt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander der Stickoxid-Speicherkatalysator 7 und ein erster kombinierter SCR-Katalysator 8 mit Filter 6 angeordnet sind. Das Bezugszeichen 6+8 bezeichnet dabei einen sogenannten SCRF (Selective Catalytic Reduction/Filter), bei dem eine SCR Beschichtung auf einem Partikelfilter funktionsintegriert ist und welcher im Sinne der Erfindung zu den SCR-Katalysatoren zu zählen ist. Weiter stromab kann optional ein zweiter SCR-Katalysator 8 angeordnet sein. Jeweils vor dem SCRF 6+8 und dem SCR-Katalysator 8 ist eine Einleitung von wässriger Harnstofflösung 16 vorgesehen. Die stromabwärts gelegene zweite Einleitung von wässriger Harnstofflösung 16 und der zweite SCR-Katalysator sind optional.
  • In der 3 ist ein schematisches Blockbild einer weiteren Variante der Abgasnachbehandlungseinrichtung 2 gezeigt, wobei in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander der Stickoxid-Speicherkatalysator 7, der Partikelfilter 6 und der SCR-Katalysator 8 angeordnet sind. Vor dem SCR-Katalysator 8 ist eine Einleitung von Wasser-Harnstoff-Lösung 16 vorgesehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgasnachbehandlungseinrichtung
    3
    Ansaugluftleitung
    4
    Abgasleitung
    5
    Oxidationskatalysator
    6
    Partikelfilter
    7
    Stickoxid-Speicherkatalysator
    8
    SCR-Katalysator
    9
    Steuereinheit
    10
    Signalleitung
    11
    Abgasrückführung
    12
    Abgasturbolader
    14
    Ladeluftkühler
    16
    Einleitung der Harnstoff-Wasser-Lösung
    A
    Pfeil, Strömungsrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013021156 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Stickoxid-Speicherkatalysator (7) und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators (7) angeordneten SCR-Katalysator (8), wobei bei einer oxidierende Zusammensetzung eines Abgases der Brennkraftmaschine in dem Stickoxid-Speicherkatalysator (7) dem Abgas Stickoxide und Schwefeloxide entzogen und gespeichert werden, wobei eine Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (7) durchgeführt wird, indem eine reduzierende Zusammensetzung des Abgases eingestellt wird, wobei ein Verbrennungsluftverhältnis während der Nitratregeneration unter Berücksichtigung eines Zustands des SCR-Katalysators (8) geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand nach einem oder mehreren der folgenden Merkmale des SCR-Katalysators (8) bewertet wird: Effizienz einer Stickoxid-Umsetzung, thermisches Alter, Temperatur, Ammoniak-Füllstand.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer effizienteren Stickoxid-Umsetzung des SCR-Katalysators (8) das Verbrennungsluftverhältnis von einem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (7) optimalen Wert abweichend eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem geringen thermischen Alter des SCR-Katalysators (8) das Verbrennungsluftverhältnis von einem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (7) optimalen Wert abweichend eingestellt wird, wobei mit zunehmendem thermischen Alter des SCR-Katalysators das Verbrennungsluftverhältnis dem für die Nitratregeneration optimalen Wert angenähert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer höheren Temperatur des SCR-Katalysators (8) das Verbrennungsluftverhältnis das Verbrennungsluftverhältnis von einem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (7) optimalen Wert abweichend eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem höheren Ammoniak-Füllstand in dem SCR-Katalysator (8) das Verbrennungsluftverhältnis das Verbrennungsluftverhältnis von einem für die Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (7) optimalen Wert abweichend eingestellt wird.
  7. Steuereinheit (9) für eine Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator (7) und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator (8) aufweist, wobei die Steuereinheit (9) dazu ausgebildet ist, von Zeit zu Zeit eine Nitratregeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (7) durchzuführen, indem die Brennkraftmaschine (1) während der Nitratregeneration Abgas mit einer reduzierenden Zusammensetzung erzeugt, wobei die Steuereinheit (9) ferner dazu ausgebildet ist, ein Verbrennungsluftverhältnis während der Nitratregeneration unter Berücksichtigung eines Zustands des SCR-Katalysators (8) zu regeln.
  8. Steuereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale des SCR-Katalysators (8) gekennzeichnet ist: Effizienz einer Stickoxid-Umsetzung, thermisches Alter, Temperatur, Ammoniak-Füllstand.
  9. Steuereinheit nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (9) dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
  10. Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickoxid-Speicherkatalysator (7) und mindestens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator (8) aufweist, wobei ferner eine Steuereinheit (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 vorgesehen ist.
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