DE102021119149A1 - Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Ottomotors und Kraftfahrzeug - Google Patents

Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Ottomotors und Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) eines Ottomotors, umfassend ein Drei-Wege-Katalysatorsystem (2), das zumindest einen Drei-Wege-Katalysator (3a-3e) aufweist, und einen Ammoniaksperrkatalysator (6), der in Strömungsrichtung der während des Betriebs des Ottomotors generierten Abgase hinter dem Drei-Wege-Katalysatorsystem (2) angeordnet ist, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) einen NOx-Speicherkatalysator (5) umfasst, der zwischen dem Drei-Wege-Katalysatorsystem (2) und dem Ammoniaksperrkatalysator (6) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Ottomotors, umfassend ein Drei-Wege-Katalysatorsystem, das zumindest einen Drei-Wege-Katalysator aufweist, und einen Ammoniaksperrkatalysator, der in Strömungsrichtung der während des Betriebs des Ottomotors generierten Abgase hinter dem Drei-Wege-Katalysatorsystem angeordnet ist.
  • Abgasnachbehandlungseinrichtungen der eingangs genannten Art für die Nachbehandlung der während des Betriebs eines Ottomotors entstehenden Abgase, wobei der Ottomotor stets mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ sehr nahe bei 1 betrieben wird, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Diese Abgasnachbehandlungseinrichtungen umfassen ein Drei-Wege-Katalysatorsystem mit zumindest einem Drei-Wege-Katalysator, der dazu eingerichtet ist, die während des Verbrennungsprozesses eines Brennstoff-Luft-Gemischs entstehenden Luftschadstoffe Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide sowie Kohlenwasserstoffe in einem katalytischen Prozess in Kohlenstoffdioxid, Stickstoff sowie Wasser umzuwandeln. Darüber hinaus weisen die Drei-Wege-Katalysatorsysteme moderner Abgasnachbehandlungseinrichtungen häufig zumindest einen Ottopartikelfilter auf, mittels dessen Rußpartikel, welche im Abgas des Ottomotors enthalten sind, zumindest teilweise gefiltert werden können. Bei einem Magermotor, bei dem es sich um einen Ottomotor handelt, der stets mit einem Luftüberschuss (λ> 1) betrieben wird, ist ein Drei-Wege-Katalysator nicht verwendbar, da ein Magermotor einen hohen Sauerstoffüberschuss im Abgas aufweist, so dass mittels eines Drei-Wege-Katalysators keine Entstickung möglich ist.
  • Während des Betriebs des Ottomotors kommt es auch zu Emissionen von NH3 (Ammoniak). Diese NH3-Emissionen werden dabei weitestgehend vom Drei-Wege-Katalysator erzeugt. Die Entstehung der NH3-Emissionen im Drei-Wege-Katalysator kann hierbei in zwei wesentliche Pfade unterteilt werden:
    1. a) während der Kaltstartphase des Ottomotors beim Durchlaufen der so genannten „Light-Off“-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators,
    2. b) während des Betriebs des Drei-Wege-Katalysators bei einer Betriebstemperatur >350° C durch Gemischabweichungen (unterstöchiometrisch, λ <1) einer Gemischvorsteuerung des Ottomotors und der Lambdaregelung.
  • Um Ammoniak zwischenspeichern zu können, ist es möglich, die Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Ammoniaksperrkatalysator (kurz: ASC) auszustatten, der stromabwärts hinter dem Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist. Ein derartiger Ammoniaksperrkatalysator zeichnet sich durch eine Zeolith-Beschichtung aus, die dazu in der Lage ist, die während des Betriebs des Ottomotors auftretenden NH3 Emissionen zwischenzuspeichern. Die Speicherfähigkeit eines Ammoniaksperrkatalysators nimmt dabei insbesondere im gealterten Zustand über der Bauteiltemperatur stark ab. Bei Temperaturen > 300° C ist die Speicherfunktion nahezu nicht mehr nutzbar. Die Alterung des Zeoliths ist ebenfalls stark temperaturabhängig, wobei eine Bauteiltemperatur von 800° C dabei die zulässige Obergrenze darstellt, was insbesondere in einem Ottomotor aufgrund der hohen Abgastemperaturen nur schwer realisierbar ist.
  • Während des Betriebs und hinsichtlich der Wirkungsweise des Ammoniaksperrkatalysators sind ebenfalls zwei Fälle zu unterscheiden.
  • Fall 1 (T < ca. 300° C, Speicherfunktion aktiv):
  • Im Falle einer noch aktiven Speicherfunktion des Ammoniaksperrkatalysators können die anfallenden NH3-Emissionen (insbesondere aus der Kaltstartphase des Ottomotors) im Zeolith des Ammoniaksperrkatalysators zwischengespeichert werden. Eine Umsetzung (Oxidation) des NH3 in harmloses N2 findet dabei zeitlich entprellt zu einem späteren Betriebszeitpunkt statt. Die Oxidation des gespeicherten NH3 erfolgt dabei durch das im Motorbetrieb auftretende Stickstoffmonoxid (NO) und Sauerstoff (O2). Die chemische Reaktion über NO ist vorteilhaft und daher zu bevorzugen, da hierbei weniger Lachgas (N2O) als unerwünschtes Nebenprodukt entsteht als bei der Reaktion mit Sauerstoff. Stickstoffmonoxid (NO) und Sauerstoff (O2) treten bei einem Ottomotor nur dann auf, wenn es zu einem (kurzfristigen) überstöchiometrischen Betrieb (λ> 1) des Katalysators kommt, wobei Sauerstoff alleine nur in Schubabschaltphasen entsteht. NO selbst gelangt dabei immer nur in geringen, limitierten Mengen in den Ammoniaksperrkatalysator. Wenn ausschließlich Sauerstoff als Oxidationsmittel vorhanden ist, kommt es neben der Lachgasbildung noch zu einem Anstieg von Stickstoffmonoxid (NO). Bei Erreichen einer Bauteiltemperatur von etwa 300° C im Ammoniaksperrkatalysator nimmt nicht nur dessen Speicherfähigkeit ab, sondern auch die Neigung der Reaktion mit Sauerstoff zu, was zu einer erhöhten, unerwünschten Lachgasbildung beziehungsweise der Bildung von NO führt.
  • Fall 2 (T> ca. 300° C, Speicherfunktion inaktiv):
  • Bei Ottomotoren treten die Reaktanten NH3, NO und O2 in der Regel nie zeitgleich auf. Bei höheren Temperaturen und damit im Falle einer inaktiven bzw. nur noch begrenzt verfügbaren Speicherfunktion gewinnt die instantane Umwandlung des angebotenen Ammoniaks im Ammoniaksperrkatalysator an Bedeutung. Eine Einspeicherung (Zwischenspeicherung) und erst ein späterer Umsatz sind dann nicht mehr möglich. Mangels simultan nicht verfügbarem Oxidationsmittel (NO oder O2) ist die Wirksamkeit des Ammoniaksperrkatalysators in diesem Temperaturbereich sehr stark eingeschränkt
  • Beispielsweise kann Ammoniak, welches im Fahrbetrieb aufgrund fetter Gemischabweichungen (unterstöchiometrisch, λ <1) im Drei-Wege-Katalysator gebildet wird, somit nicht mehr umgewandelt werden. Eine mögliche Abhilfe stellt dabei die Einleitung von Zusatzluft vor dem Ammoniaksperrkatalysator dar. Hierdurch kann ein bewusster, dauerhafter Sauerstoffüberschuss im Ammoniaksperrkatalysator erzeugt werden, so dass das zuvor im Drei-Wege-Katalysator gebildete NH3 dann weiterhin im Ammoniaksperrkatalysator nachbehandelt und umgesetzt werden kann. Die zuvor beschriebenen Nachteile der Oxidation mit Sauerstoff sowie die erhöhte Bildung von NO und N2O kommen bei diesem Betrieb jedoch voll zum Tragen und werden daher einen solchen Einsatz ihrerseits stark limitieren.
  • Aus der US 9,453,443 B2 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für einen Dieselmotor oder einen Magermotor bekannt, die einen Ammoniaksperrkatalysator sowie einen in Strömungsrichtung der Abgase vor diesem angeordneten NOx-Speicherkatalysator aufweist. Ein Drei-Wege-Katalysator ist bei dieser Abgasnachbehandlungseinrichtung nicht verwendbar, da mittels eines Drei-Wege-Katalysators keine Entstickung möglich ist. Daher wird der NOx-Speicherkatalysator verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Ottomotors der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die negativen Auswirkungen der Oxidation des NH3 mit O2 auf einfache Weise wirksam umgangen werden können.
  • Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine gattungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen NOx-Speicherkatalysator aufweist, der zwischen dem Drei-Wege-Katalysatorsystem und dem Ammoniaksperrkatalysator angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es durch eine gezielte Kombination eines Ammoniaksperrkatalysators mit einem vorgelagerten NOx-Speicherkatalysator (kurz: NSC), die Oxidation des NH3 in vorteilhafter Weise über NO erfolgen zu lassen, so dass die negativen Auswirkungen der Oxidation mit O2 auf einfache Weise wirksam verhindert werden können.
  • Der dem Ammoniaksperrkatalysator vorgelagerte NOx-Speicherkatalysator kann bei geringeren Temperaturen, wie zum Beispiel nach dem Kaltstart des Ottomotors, NO2 beziehungsweise NO einspeichern. Dadurch wird erreicht, dass bereits in dieser Phase die Rohemissionen dieser Reaktanten abgesenkt werden können. Parallel während dieser Kaltstartphase entstehendes NH3 wird zeitgleich im Ammoniaksperrkatalysator eingelagert. Wie oben erläutert, würde ein zufällig und limitiert auftretendes Angebot an NO-Emissionen für die Auslagerung des NH3 sorgen. Findet dieses aber nicht statt, erfolgt bei höheren Temperaturen im Aufheizvorgang bevorzugt die Reaktion mit O2 statt mit den negativen Auswirkungen aus der N2O- und NO-Bildung im Ammoniaksperrkatalysator. Die innerhalb des NOx-Speicherkatalysators zwischengespeicherten NO- und NO2-Emissionen werden bei dessen Aufheizen mit zunehmender Temperatur desorbiert, insbesondere wenn der NOx-Speicherkatalysator bei Bedingungen um oder unter λ=1 betrieben wird. Die desorbierten NO-Emissionen gelangen nach ihrer Freisetzung in den Ammoniaksperrkatalysator und wirken dort als Oxidationsmittel für das dort eingelagerte NO. Dieses hat den Vorteil, dass der zuvor limitierte Umsatz von NH3 und NO somit erhöht wird, ohne dass zusätzlich unerwünschtes Lachgas (N2O) oder Stickstoffmonoxid (NO) gebildet wird. Für die ebenfalls unerwünschte Nebenreaktion mit O2 bei höheren Temperaturen steht weniger NH3 zur Verfügung, da der Speicher bereits durch die Reaktion mit NO entleert wurde. Die NO-Emissionen in der Kaltstartphase werden so ebenfalls reduziert.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Drei-Wege-Katalysatorsystem zumindest einen Ottopartikelfilter umfasst. Mittels des Ottopartikelfilters können Rußpartikel, die im Abgas des Ottomotors vorhanden sind, zumindest teilweise gefiltert werden.
  • In einer Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass der NOx-Speicherkatalysator als Drei-Wege-NOx-Speicherkatalysator ausgebildet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Luftzufuhrleitung aufweist, die in Strömungsrichtung der Abgase zwischen dem Drei-Wege-Katalysatorsystem und dem NOx-Speicherkatalysator in die Abgasnachbehandlungseinrichtung mündet. Dadurch ist in vorteilhafter Weise auch die Möglichkeit gegeben, über Zusatzluft, die über die Luftzufuhrleitung zugeführt wird und O2 enthält, bei höheren Temperaturen weiteres NH3 instantan umzusetzen. Der NOx-Speicherkatalysator kann seinerseits bei höheren Temperaturen ebenfalls kein NO mehr zwischenspeichern. Die N2O- und NO-Emissionen, die mit dem Einsatz des vorgelagerten NOx-Speicherkatalysators beim Umsatz der NH3-Kaltstartemissionen verbunden sind, verschaffen jedoch einen Vorteil, der später bei Bedarf die erhöhte Bildung von N2O und NO durch NH3-Umsatz mit O2 ermöglicht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Ottomotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, die an den Ottomotor angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgeführt ist und dass der Ottomotor für einen Betrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ sehr nahe bei 1 ausgelegt ist. Es handelt sich bei dem Ottomotor des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs somit nicht um einen Magermotor, der für einen dauerhaften Betrieb mit einem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 ausgelegt ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden 1, die eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 eines Ottomotors zeigt. Diese Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 ist für einen Ottomotor geeignet, der stets mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ sehr nahe bei 1 betrieben wird. Für einen Magermotor, der für einen Betrieb mit einem Luftüberschuss (λ> 1) ausgelegt ist, ist diese Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 nicht geeignet.
  • Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 weist ein Drei-Wege-Katalysatorsystem 2 mit zumindest einem Drei-Wege-Katalysator 3a-3e sowie einem Ottopartikelfilter 4a-4c auf. In 1 sind drei unterschiedliche Ausführungsvarianten des Drei-Wege-Katalysatorsystems 2 dargestellt. In einer ersten Ausführungsvariante I weist das Drei-Wege-Katalysatorsystem 2 einen Drei-Wege-Katalysator 3a und einen in Strömungsrichtung der Abgase nachgeschalteten Ottopartikelfilter 4a auf. In einer zweiten Ausführungsvariante II weist das Drei-Wege-Katalysatorsystem 2 einen ersten Drei-Wege-Katalysator 3b, einen zweiten Drei-Wege-Katalysator 3c und einen zwischen diesen angeordneten Ottopartikelfilter 4b auf. Gemäß einer dritten Ausführungsvariante III weist das Drei-Wege-Katalysatorsystem 2 einen ersten Drei-Wege-Katalysator 3d, einen diesem nachgeschalten zweiten Drei-Wege-Katalysator 3e und einen Ottopartikelfilter 4c auf, der in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem zweiten Drei-Wege-Katalysator 3e angeordnet ist. Andere konstruktive Ausgestaltungen des Drei-Wege-Katalysatorsystems 2 sind ebenfalls möglich.
  • Ein Drei-Wege-Katalysator 3a-3e ist dazu eingerichtet, die während des Verbrennungsprozesses des Kraftstoff-Luft-Gemischs innerhalb des Ottomotors entstehenden Luftschadstoffe Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide sowie Kohlenwasserstoffe in einem katalytischen Prozess in Kohlenstoffdioxid, Stickstoff sowie Wasser umzuwandeln. Der in allen drei Ausführungsvarianten I-III des Drei-Wege-Katalysatorsystems 2 vorgesehene Ottopartikelfilter 4a-4c ermöglicht es, die im Abgas des Ottomotors enthaltenen Rußpartikel zumindest teilweise zu filtern.
  • In Strömungsrichtung der Abgase ist hinter dem Drei-Wege-Katalysatorsystem 2 ein NOx-Speicherkatalysator 5 in einer Abgasleitung 7 der Abgasnachbehandlungsrichtung 1 angeordnet. Weiterhin ist in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem NOx-Speicherkatalysator 5 ein Ammoniaksperrkatalysator 6 in der Abgasleitung 7 angeordnet. Bei dem NOx-Speicherkatalysator 5 kann es sich gemäß einer Ausführungsvariante auch um einen Drei-Wege-NOx-Speicherkatalysator handeln. Dieses ist aber nicht zwingend.
  • Die hier vorgestellte Abgasnachbehandlungseinrichtung 1, die weder für einen Dieselmotor noch für einen Magermotor, sondern nur für einen Ottomotor, der mit einem Verbrennungsluftverhältnis sehr nahe bei 1 betrieben wird, geeignet ist, ermöglicht es durch die gezielte Kombination des Ammoniaksperrkatalysators 6 mit dem diesem vorgelagerten Nox-Speicherkatalysator 5, die Oxidation des NH3 in vorteilhafter Weise über NO erfolgen zu lassen, so dass negative Auswirkungen einer Oxidation mit O2 auf einfache Weise wirksam verhindert werden können.
  • Der dem Ammoniaksperrkatalysator 6 in Strömungsrichtung der Abgase vorgelagerte NOx-Speicherkatalysator 5 kann bei geringeren Temperaturen, wie zum Beispiel nach dem Kaltstart des Ottomotors, NO2 beziehungsweise NO einspeichern. Dadurch wird erreicht, dass bereits in dieser Phase die Rohemissionen dieser Reaktanten abgesenkt werden können. Parallel während dieser Kaltstartphase entstehendes NH3 wird zeitgleich im Ammoniaksperrkatalysator 6 eingelagert. Ein zufällig und limitiert auftretendes Angebot an NO-Emissionen würde für die Auslagerung des NH3 sorgen. Findet diese aber nicht statt, erfolgt bei höheren Temperaturen im Aufheizvorgang bevorzugt die Reaktion mit O2 statt mit den negativen Auswirkungen aus der N2O- und NO-Bildung im Ammoniaksperrkatalysator 6. Die innerhalb des NOx-Speicherkatalysators 5 zwischengespeicherten NO- und NO2- Emissionen werden bei dessen Aufheizen mit zunehmender Temperatur desorbiert, insbesondere wenn der NOx-Speicherkatalysator 5 bei Bedingungen um oder unter λ =1 betrieben wird. Die desorbierten NO-Emissionen gelangen nach ihrer Freisetzung in den Ammoniaksperrkatalysator 6 und wirken dort als Oxidationsmittel für das dort eingelagerte NO. Dieses hat den Vorteil, dass der zuvor limitierte Umsatz von NH3 und NO somit erhöht wird, ohne dass zusätzlich unerwünschtes Lachgas (N2O) oder Stickstoffmonoxid (NO) gebildet wird. Für die ebenfalls unerwünschte Nebenreaktion mit O2 bei höheren Temperaturen steht weniger NH3 zur Verfügung, da der Speicher bereits durch die Reaktion mit NO entleert wurde. Die NO-Emissionen während der Kaltstartphase werden so in vorteilhafter Weise ebenfalls reduziert.
  • Optional besteht die Möglichkeit, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 eine Luftzufuhrleitung 8 aufweist, die in Strömungsrichtung der Abgase zwischen dem Drei-Wege-Katalysatorsystem 2 und dem NOx-Speicherkatalysator 5 in die Abgasleitung 7 mündet. Durch diese Luftzufuhrleitung 8 wird die Möglichkeit geschaffen, dem Abgasnachbehandlungsprozess zusätzliche Luft, die auch O2 enthält, zuzuführen. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, über die Zusatzluft bei höheren Temperaturen weiteres NH3 instantan umzusetzen. Der NOx-Speicherkatalysator kann seinerseits bei höheren Temperaturen ebenfalls kein NO mehr zwischenspeichern. Der Vorteil in den N2O- und NO-Emissionen der mit dem Einsatz des vorgelagerten NOx-Speicherkatalysators 5 beim Umsatz der NH3-Kaltstartemissionen verbunden ist, verschafft jedoch einen Vorteil, der später bei Bedarf die erhöhte Bildung von N2O und NO durch NH3-Umsatz mit O2 ermöglicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 9453443 B2 [0009]

Claims (5)

  1. Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) eines Ottomotors, umfassend ein Drei-Wege-Katalysatorsystem (2), das zumindest einen Drei-Wege-Katalysator (3a-3e) aufweist, und einen Ammoniaksperrkatalysator (6), der in Strömungsrichtung der während des Betriebs des Ottomotors generierten Abgase hinter dem Drei-Wege-Katalysatorsystem (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) einen NOx-Speicherkatalysator (5) umfasst, der zwischen dem Drei-Wege-Katalysatorsystem (2) und dem Ammoniaksperrkatalysator (6) angeordnet ist.
  2. Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drei-Wege-Katalysatorsystem (2) zumindest einen Ottopartikelfilter (4a-4c) umfasst.
  3. Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (5) als Drei-Wege-NOx-Speicherkatalysator ausgebildet ist.
  4. Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) eine Luftzufuhrleitung (8) aufweist, die in Strömungsrichtung der Abgase zwischen dem Drei-Wege-Katalysatorsystem (2) und dem NOx-Speicherkatalysator (5) in die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) mündet.
  5. Kraftfahrzeug, umfassend einen Ottomotor und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (1), die an den Ottomotor angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgeführt ist und dass der Ottomotor für einen Betrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ sehr nahe bei 1 ausgelegt ist.
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