DE102019211990A1 - Otto-Motor mit im Abgasstrang angeordnetem NH3-Sperrkatalysator zur Ammoniak-Konvertierung - Google Patents

Otto-Motor mit im Abgasstrang angeordnetem NH3-Sperrkatalysator zur Ammoniak-Konvertierung Download PDF

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Johannes Schmalzl
Claus Stephani
Michael Wirkowski
Patrick Borsch
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Vitesco Technologies GmbH
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Abstract

Es wird ein als Otto-Motor (1) ausgebildeter Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang (2), mit dem NH3-Emissionen enthaltendes Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird, beschrieben. Im Abgasstrang (2) ist ein als NH3-Sperrkatalysator (6) ausgebildeter Oxidationskatalysator angeordnet, vor dem sich im Abgasstrang (2) eine Frischlufteinleitstelle (4) mit Sekundärluftquelle befindet. Auf diese Weise lassen sich die NH3-Emissionen reduzieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen als Otto-Motor ausgebildeten Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang, mit dem NH3-Emissionen enthaltendes Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird.
  • Um die NOx-Emissionen von Dieselmotoren zu reduzieren, ist es bekannt, eine sogenannte selektive katalytische Reduktion (SCR) durchzuführen. Hierbei wird kontinuierlich eine wässrige Harnstofflösung beispielsweise mit einer Dosierpumpe in den Abgasstrom eingespritzt, aus welcher durch Hydrolyse Kohlenstoffdioxid und Ammoniak entstehen. Das so entstandene Ammoniak reagiert mit den Stickoxiden im Abgas zu elementarem Stickstoff (N2) und Wasser. Hierbei kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch geringe Emissionen von Ammoniak (NH3) in die Atmosphäre gelangen.
  • Auch bei Otto-Motoren sind NH3-Emissionen im Abgas vorhanden, die insbesondere auf im Abgasstrang angeordnete Katalysatoren oder Partikelfilter zurückgehen. Derartige Emissionen sind schädlich, und es ist allgemeine Zielsetzung, diese so niedrig wie möglich zu halten bzw. (noch einzuführende) Grenzwerte einzuhalten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Otto-Motor zur Verfügung zu stellen, der sich durch einen besonders geringen Anteil an NH3-Emissionen im Abgas auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Otto-Motor der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass im Abgasstrang ein als NH3-Sperrkatalysator ausgebildeter Oxidationskatalysator angeordnet ist, vor dem sich im Abgasstrang eine Frischlufteinleitstelle mit Sekundärluftquelle befindet.
  • Die Erfindung geht davon aus, dass im Abgas des Otto-Motors NH3-Anteile vorhanden sind, die aus bestimmten Motorbetriebszuständen und/oder Katalysatoren oder Partikelfiltern im Abgasstrang resultieren. Solche NH3-Emissionen entstehen daher nicht nur durch den bekannten Ammoniakschlupf bei SCR-Systemen (selektive katalytische Reduktion), sondern auch bei Otto-Motoren aus den vorstehend aufgezeigten Gründen. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sollen diese NH3-Emissionen reduziert werden.
  • Hierzu sieht die Erfindung einen als NH3-Sperrkatalysator ausgebildeten Oxidationskatalysator im Abgasstrang vor, mit dem die NH3-Emissionen im Abgas zu N2 und H2O oxidiert werden. Ferner sieht die Erfindung vor, vor dem NH3-Sperrkatalysator eine Frischlufteinleitstelle mit Sekundärluftquelle anzuordnen, um im Betrieb des Otto-Motors Frischluft in das Abgas einzuleiten, damit in jedem Falle, d. h. auch in fetten Betriebspunkten, ein Luftüberschuss im Abgas vorhanden ist und der nachfolgende Oxidationskatalysator eine korrekte NH3-Oxidation durchführen kann.
  • Dabei kann der NH3-Sperrkatalysator als einzelner Katalysator, Katalysatorscheibe oder Katalysatorbeschichtung ausgebildet sein. Für den erfindungsgemäßen Einsatz sind daher alle möglichen Katalysatorbauarten geeignet. Ferner kann der erfindungsgemäß vorgesehene Katalysator an den verschiedensten Positionen im Abgasstrang angeordnet sein, wenn sichergestellt ist, dass stromauf des NH3-Sperrkatalysators Frischluft über eine entsprechende Frischlufteinleitstelle zugeführt wird.
  • Auch kann der NH3-Sperrkatalysator mit einem anderen Katalysator und/oder einem Partikelfilter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, so dass auf diese Weise mehrere Einheiten zusammengefasst werden können.
  • Es ist heute üblich, den Abgasstrang eines Otto-Motors mit einem 3-Wege-Katalysator (TWC) auszustatten. Die Erfindung betrifft daher insbesondere den Fall, bei dem im Abgasstrang des Ottomotors ein 3-Wege-Katalysator (TWC) vorgesehen ist, dem die Frischlufteinleitstelle und der NH3-Sperrkatalysator nachgeschaltet sind.
  • Auch können die erfindungsgemäßen Maßnahmen in der Kombination mit einem unbeschichteten oder beschichteten Partikelfilter (GPF, gasoline partikel filter; OPF, Otto-Partikelfilter) für Benzinmotoren eingesetzt werden. So kann hierbei vorzugsweise zwischen 3-Wege-Katalysator (TWC) und Frischlufteinleitstelle mit NH3-Sperrkatalysator ein unbeschichteter oder beschichteter Partikelfilter angeordnet sein. Dieser Partikelfilter kann aber auch bei anderen Lösungen stromauf des 3-Wege-Katalysators oder stromab des NH3-Sperrkatalysators angeordnet sein.
  • Die Frischlufteinleitstelle im Abgasstrang weist vorzugsweise ein Ventil zur Steuerung/Regelung der Frischluftzufuhr auf. Hiermit kann die Frischluftzufuhr in den Abgasstrom gesteuert bzw. geregelt werden, so dass eine dauerhafte NH3-Oxidation durch den nachfolgenden NH3-Sperrkatalysator sichergestellt werden kann.
  • Wenn ein Ottopartikelfilter (OPF) im Abgasstrang vorgesehen ist und Frischluft vor dem Partikelfilter eingeleitet wird, kann hierdurch eine aktive Regeneration des Partikelfilters angestoßen werden, ohne hierbei auf eine Schubphase des Otto-Motors angewiesen zu sein oder den Motor über lange Zeit im extrem mageren Betrieb zu betreiben.
  • Bei einer besonders bevorzugten Lösung sind mehrere Katalysatorscheiben in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Bei einer anderen bevorzugten Lösung ist zur Ausbildung von mehreren Katalysatoren in einem gemeinsamen Gehäuse ein einziges Trägermaterial mit verschiedenen nacheinander oder parallel angeordneten Beschichtungen vorgesehen.
  • Dabei kann eine dieser Katalysatorscheiben oder Katalysatorbeschichtungen durch den erfindungsgemäß vorgesehenen NH3-Sperrkatalysator gebildet sein.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist stromab des NH3-Sperrkatalysators ein NH3-Sensor (NH3-empfindlicher Sensor) im Abgasstrang vorgesehen. Dieser Sensor kann für Diagnosezwecke eingesetzt werden und hierbei den verbleibenden NH3-Anteil im Abgas messen. Übersteigt dieser Anteil einen Grenzwert, kann auf einen Defekt des NH3-Sperrkatalysators geschlossen und ein Signal für einen Austausch desselben abgegeben werden.
  • Was die Bauweise des Verbrennungsmotors bzw. dessen Abgasstrang anbetrifft, so können beispielsweise ein Katalysator nahe am Verbrennungsmotor und der NH3-Sperrkatalysator im Unterboden eines den Verbrennungsmotor aufnehmenden Fahrzeugs angeordnet sein. Hierbei wird die vom Verbrennungsmotor abgegebene Wärme für den Betrieb des Katalysators genutzt, während der NH3-Sperrkatalysator entfernt hiervon an einem geeigneten Ort im Unterboden angeordnet werden kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Abgasstrang; und
    • 2 eine schematische Darstellung von diversen Abgassträngen von Otto-Motoren.
  • Im schematischen Blockbild der 1 ist ein Otto-Motor 1 mit einem Abgasstrang 2 dargestellt. Im Abgasstrang 2 sind in dieser Reihenfolge vom Otto-Motor 1 ausgehend ein 3-Wege-Katalysator (TWC) 3 und ein als NH3-Sperrkatalysator 6 ausgebildeter Oxidationskatalysator angeordnet. Zwischen dem 3-Wege-Katalysator 3 und dem NH3-Sperrkatalysator 6 befindet sich eine Frischlufteinleitstelle 4, die über ein geeignetes Ventil (nicht gezeigt) mit einer Sekundärluftquelle 5 in Verbindung steht. Stromab des NH3-Sperrkatalysators 6 ist im Abgasstrang ein NH3-Sensor 7 angeordnet.
  • Das hier dargestellte Abgasreinigungssystem funktioniert auf folgende Weise:
    • Das vom Otto-Motor 1 über den Abgasstrang 2 abgegebene Abgas wird im 3-Wege-Katalysator entsprechend gereinigt. Hierbei entstehen zumindest bei bestimmten Motorbetriebszuständen NH3-Emissionen, die im den 3-Wege-Katalysator 3 verlassenden Abgasstrom enthalten sind. Über die Frischlufteinleitstelle 4 wird auf dosierte Weise Frischluft in den Abgasstrom eingeführt, der dann in den NH3-Sperrkatalysator 6 gelangt. In diesem erfolgt eine Oxidation des NH3-Anteils in N2 und H2O, welche mit dem verbleibenden Abgas in die Atmosphäre abgegeben werden. Hierbei misst der NH3-Sensor 7 den noch verbleibenden NH3-Anteil im Abgas, und ein Steuer/Regelsystem (nicht gezeigt) sorgt dafür, dass ein entsprechender Grenzwert nicht überschritten wird.
  • 2 zeigt in schematischer Weise diverse Ausgestaltungen von Abgassträngen von Otto-Motoren, welche einen NH3-Sperrkatalysator 6 aufweisen. Dabei sind Ottopartikelfilter (OPF) als GPF gekennzeichnet. Die oberste Darstellung zeigt einen 3-Wege-Katalysator (TWC) 3 und einen nachgeschalteten NH3-Sperrkatalysator (NH3) 6, die als Einzelkatalysatoren ausgebildet und nacheinander im Abgasstrang angeordnet sind, wobei dazwischen eine Frischlufteinleitstelle 4 angeordnet ist. Nach dem NH3-Sperrkatalysator 6 befindet sich ein NH3-Sensor 7.
  • Bei der zweiten Darstellung von oben sind der 3-Wege-Katalysator (TWC) und der NH3-Sperrkatalysator (NH3) als Einheit 8 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei sich zwischen beiden Katalysatoren eine Frischlufteinleitstelle 4 befindet.
  • Die dritte Darstellung von oben zeigt einen 3-Wege-Katalysator (TWC) 3 und einen NH3-Sperrkatalysator (NH3) 6, die als Einzelkatalysatoren ausgebildet sind. Zwischen beiden befindet sich ein Partikelfilter (GPF) 9 für Ottomotoren. Eine Frischlufteinleitstelle 4 ist zwischen dem Partikelfilter 9 und dem NH3-Sperrkatalysator 6 angeordnet.
  • Bei der vierten Darstellung von oben sind ebenfalls zwei Einzelkatalysatoren mit einem Partikelfilter angeordnet, die hierbei folgende Reihenfolge ausgehend vom Verbrennungsmotor haben: TWC - NH3 - GPF.
  • Bei der fünften Ausführungsform ist die Reihenfolge umgekehrt: GPF - TWC - NH3.
  • Die sechste Ausführungsform von oben zeigt eine Einheit 10 aus 3-Wege-Katalysator (TWC) und NH3-Sperrkatalysator (NH3), die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei sich dazwischen eine Frischlufteinleitstelle 4 befindet. Nach dieser Einheit 10 ist ein Partikelfilter (GPF) 9 als Einzelelement angeordnet.
  • Die siebte Ausführungsform von oben zeigt einen als Einzelelement ausgebildeten Partikelfilter 9 mit einer nachfolgenden Einheit 11, bei der in einem gemeinsamen Gehäuse ein 3-Wege-Katalysator und ein nachfolgender NH3-Sperrkatalysator angeordnet sind, die zwischen sich eine Frischlufteinleitstelle 4 aufweisen.
  • Bei der achten Ausführungsform von oben ist eine Einheit 12 aus TWC und GPF in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, die hier als Scheiben oder Beschichtungen ausgebildet sind. Danach folgt ein als Einzelkatalysator ausgebildeter NH3-Sperrkatalysator 6.
  • Die neunte Ausführungsform von oben weist eine Einheit 13 aus GPF und TWC als Beschichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse auf, der ein NH3-Sperrkatalysator 6 nachgeschaltet ist.
  • Die folgenden drei Ausführungsformen besitzen jeweils eine Einheit 14, 15, 16 aus drei Elementen, die in unterschiedlicher Reihenfolge angeordnet sind und zwischen denen sich Frischlufteinleitstellen 4 befinden. Die einzelnen Elemente sind hierbei als Beschichtungen ausgebildet.
  • Es ist klar zu erkennen, dass der erfindungsgemäß vorgesehene NH3-Sperrkatalysator 6 in verschiedenartigen Kombinationen mit anderen Katalysatoren und/oder Partikelfiltern angeordnet sein kann.

Claims (10)

  1. Als Otto-Motor ausgebildeter Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang, mit dem NH3-Emissionen enthaltendes Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) ein als NH3-Sperrkatalysator (6) ausgebildeter Oxidationskatalysator angeordnet ist, vor dem sich im Abgasstrang (2) eine Frischlufteinleitstelle (4) mit Sekundärluftquelle (5) befindet.
  2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der NH3-Sperrkatalysator (6) als einzelner Katalysator, Katalysatorscheibe oder Katalysatorbeschichtung ausgebildet ist.
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der NH3-Sperrkatalysator (6) mit einem anderen Katalysator und/oder einem Partikelfilter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist.
  4. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) ein 3-Wege-Katalysator (TWC)(3) vorgesehen ist, dem die Frischlufteinleitstelle (4) und der NH3-Sperrkatalysator (6) nachgeschaltet sind.
  5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 3-Wege-Katalysator (TWC) (3) und Frischlufteinleitstelle (4) mit NH3-Sperrkatalysator (6) ein unbeschichteter oder beschichteter Partikelfilter (OPF) (9) angeordnet ist.
  6. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischlufteinleitstelle (4) im Abgasstrang (2) ein Ventil zur Steuerung/Regelung der Frischluftzufuhr aufweist.
  7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Katalysatorscheiben in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
  8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung von mehreren Katalysatoren in einem gemeinsamen Gehäuse ein einziges Trägermaterial mit verschiedenen nacheinander oder parallel angeordneten Beschichtungen vorgesehen ist.
  9. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des NH3-Sperrkatalysator (6) ein NH3-Sensor (7) am Abgasstrang (2) für Diagnosezwecke angeordnet ist.
  10. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator nahe am Verbrennungsmotor (1) und der NH3-Sperrkatalysator (6) im Unterboden eines den Verbrennungsmotor (1) aufweisenden Fahrzeugs angeordnet sind.
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