DE10242302A1

DE10242302A1 - Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine und Verfahren hierzu

Info

Publication number: DE10242302A1
Application number: DE2002142302
Authority: DE
Inventors: Karsten Vom Bruch; Frank Schweizer; Stefan Scherer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-03-18
Also published as: WO2004027229A1

Abstract

Es wird eine Anordnung bzw. ein Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei der bzw. bei dem das Abgas speicherkatalytisch entstickt wird, wobei das Abgas zunächst zumindest einen speicherkatalytisch wirksamen Bereich durchströmt, anschließend ein Sensorelement zur Registrierung von Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen passiert und in einem weiteren Schritt einen weiteren Katalysatorbereich durchströmt. Die Anordnung dient zur verbesserten Schadstoffreduktion, insbesondere zur Beseitigung gegebenenfalls anfallenden Regeneriergases.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung bzw. einem Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Speicherkatalysatoren zur Abgasentstickung sind bereits bekannt. Bei diesen Speicherkatalysatoren besteht jedoch der Nachteil, dass nach dem Ende der Regeneration eine gewisse Menge an noch im Abgastrakt verbliebenen Reduktionsmittel bzw. verbliebenen Kohlenmonoxiden unbehandelt den Bereich des Speicherkatalysators verläßt.

Die erfindungsgemäße Anordnung bzw, das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass während der Regeneration des Speicherkatalysators weniger Schadstoff ausgestoßen wird, indem Regeneriergasschlupf oxidiert werden kann. Es kann rechtzeitig ein Ende der Regeneration erkannt und eine Totzeit des Systems kompensiert werden. Insbesondere die Kohlenmonoxid- und die Kohlenwasserstoffemissionen können drastisch reduziert werden, was insbesondere im Hinblick auf zukünftige Abgasnormen wie EU5 und folgende Normen insbesondere für selbstzündende Brennkraftmaschinen von Bedeutung ist. Der weitere Katalysatorbereich bildet darüber hinaus in vorteilhafter Weise einen Puffer für den Regeneriergasdurchbruch, so dass an die Erkennungsgüte des verwendeten Sensorelements geringere Anforderungen gestellt werden können. Der Speicherkatalysator wird in vorteilhafter Weise über eine Anfettung des Abgases geregelt und vollständig regeneriert, ohne einen Fettgasdurchbruch in Kauf nehmen zu müssen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Anordnung bzw. des angegebenen Verfahrens möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, den weiteren Katalysatorbereich so auszugestalten, dass er ebenfalls speicherkatalytisch aktiv ist. Dann kann ein Kohlenwasserstoff-Schlupf nach Regenerationsende nicht nur teilweise verbrannt werden, sondern auch dazu genutzt werden, aus dem Hauptspeicherkatalysator desorbierte, aber nicht reduzierte Stickoxide, die sich im weiteren Katalysatorbereich eingelagert haben, zu reduzieren. Das zusätzliche Speicherkatalysatorvolumen kann daher in Abhängigkeit von dessen Größe und in Abhängigkeit von der Menge der nach dem Regenerationsende noch im Abgastrakt verbliebenen Kohlenwasserstoffe gesteuert regeneriert werden. Dadurch können die Regenerationsphasen des Hauptkatalysators verkürzt werden und/oder ein geringerer Kraftstoffverbrauch erzielt werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, der Katalysatoranordnung einen Oxidationskatalysator vorzuschalten, der die Emissionen der Brennkraftmaschine unmittelbar nach dem Start reduzieren kann und darüber hinaus in vorteilhafter Weise das Reaktionsgleichgewicht zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid auf die Seite des Stickstoffdioxids verschiebt, so dass die Einlagerung von Stickoxiden im nachgeordneten Speicherkatalysator effektiv unterstützt werden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus weiteren in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmalen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen
1 eine erste Katalysatoranordnung
2 eine zweite Katalysatoranordnung und
3 eine weitere alternative Ausführungsform.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine mit einer Abgasleitung 3 verbundene Katalysatoranordnung 7. Die Abgasleitung 3 ist hierbei mit einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine verbunden, und der Katalysatoranordnung 7 ist ein Oxidationskatalysator 5 vorgeschaltet. Die Katalysatoranordnung 7 der Abgasnachbehandlungsanordnung 1 umfasst einen Speicherkatalysator 9. Stromabwärts des Speicherkatalysators 9 ist innerhalb der Katalysatoranordnung 7 ein zweiter Speicherkatalysator 15 vorgesehen. Zwischen den zwei Speicherkatalysatoren 9 und 15 befindet sich ein Sensorelement 11, dessen Messkopf 13 in den Zwischenraum zwischen den beiden Speicherkatalysatoren hineinragt. Das Sensorelement 11 dient zur Registrierung von Änderungen im Kohlenmonoxidanteil bzw. im Kohlenwasserstoffanteil des Abgases und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Lambdasonde ausgeführt. Das Sensorelement 11 ist in nicht näher dargestellter Weise mit einer Auswerteelektronik bzw. mit einem Steuergerät verbunden. Stromabwärts des zweiten Speicherkatalysators 15 ist die Katalysatoranordnung 7 mit einer zu einem Schalldämpfer führenden Abgasleitung 20 verbunden.
Der Speicherkatalysator 9 funktioniert in an sich bekannter Weise, indem er Stickoxide, insbesondere in der Form von Stickstoffdioxid, einlagert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Die Einlagerung wird dadurch unterstützt, dass in dem vorgeschalteten Oxidationskatalysator 5 das chemische Gleichgewicht zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid im Abgas zu Stickstoffdioxid hin verschoben wird, so dass die Stickoxidform bevorzugt vorliegt, die im Speicherkatalysator 9 bevorzugt eingelagert wird. In gewissen Zeitabständen wird durch eine innermotorische Kraftstoffzufuhr in Form einer Nacheinspritzung das Abgas angefettet, so dass der Speicherkatalysator 9 regeneriert werden kann, indem die Stickoxide chemisch reduziert werden. Der nachgeschaltete zweite Speicherkatalysator 15 wird während der Einspeicherphase des Speicherkatalysators 9 im mageren Motorbetrieb mit Sauerstoff beladen, der in großen Mengen zur Verfügung steht. Nach einer gewissen Zeit wird in den Regenerierbetrieb umgeschaltet und in Folge des fetten Abgases werden zunächst überwiegend der den Speicherkatalysator 9 vorgeschaltete Oxidationskatalysator 5 und der Speicherkatalysator 9 selbst von Sauerstoff geleert, bis in diesen kein Sauerstoff mehr enthalten ist. Der dem Speicherkatalysator 9 nachgeschaltete Speicherkatalysator 15 wird während dieser Zeit nur gering mit Regeneriergas beaufschlagt und ändert seine Sauerstoffbeladung nur wenig. Als Regeneriergas wird hierbei im Folgenden mit Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid angereichertes Abgas verstanden, das zusätzlich auch noch mit Stickoxiden angereichert sein kann, die von einem Desorptionspeak zu Beginn der Regenerationsphase stammen. Sobald das Sensorelement 11 eine Erhöhung des Kohlenmonoxidanteils und/oder des Kohlenwasserstoffanteils im Abgas hinter dem Speicherkatalysator 9 registriert, weil der Lambdawert unter den Wert 1 abfällt, wird die innermotorische Nacheinspritzung zur Abgasanfettung beendet und somit das Regenerationsende eingeleitet. Das im Abgastrakt vor dem Sensorelement 11 noch vorhandene Regeneriergas wird in diesem Stadium im nachgeschalteten zweiten Speicherkatalysator 15 nachbehandelt. In dem Speicherkatalysator 15 ist noch ausreichend Sauerstoff zur Verfügung, um diesen Regeneriergasschlupf zu Kohlendioxid zu oxidieren bzw. den Kohlenwasserstoffanteil zu verbrennen. Insbesondere zu Beginn der Regenerierphase wurde auch ein Teil der eingelagerten Stickoxide desorbiert, ohne dass sie reduziert werden konnten. Dies liegt daran, dass infolge des fetten Abgases, gerade zu Beginn der Regenerierphase, sich lokal unterschiedliche Erwärmungen ergeben können, die zu einer thermischen Austreibung von Stickoxiden führen, ohne dass sie zu Stickstoff reduziert werden. Diese desorbierten Stickoxide wurden aber durch den zweiten Speicherkatalysator 15 aufgefangen und in ihm eingelagert. Unmittelbar nach Regenerationsende können so im Bereich des zweiten Speicherkatalysators 15 nicht nur die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid des Regeneriergases verbrannt, sondern gleichzeitig die sozusagen entschlüpften Stickoxide nachträglich reduziert werden. Dabei ist das Volumen des zweiten Speicherkatalysators 15 den normalerweise umgesetzten Masseströmen angepasst, um eine Nachbehandlung des Regeneriergases nach dem Regenerationsende beim Speicherkatalysator 9 zu gewährleisten. Darüber hinaus kann in gewissen Grenzen nach der Detektion des Regenerationsendes durch das Sensorelement 11 eine gewisse Verzögerung in der Unterbindung der innenmotorischen Kraftstoffzufuhr eingestellt werden, um für die Entgiftung des Regeneriergases eine ausreichende Menge an Kohlenwasserstoffen zur Verfügung zu stellen. Falls die Regeneration des zweiten Speicherkatalysators nach dem Regenerationsende des Speicherkatalysators 9 nicht vollständig erfolgt, so wirkt der zweite Speicherkatalysator 15 immerhin als Oxidationskatalysator hinsichtlich der Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidanteile des Regeneriergases. In der sich anschließenden mageren Abgasphase werden die Sauerstoffspeicher sowohl des Oxidationskatalysators 5, als auch der Speicherkatalysatoren 9 und 15 wieder gefüllt und der Zyklus kann von neuem beginnen.
2 illustriert eine alternative Abgasnachbehandlungsanordnung 21 mit einer alternativen Katalysatoranordnung 27. Anstelle des Speicherkatalysators 9 (siehe 1) ist ein Speicherkatalysator 29 mit vergleichsweise größerem Volumen vorgesehen. Dafür ist der zweite Katalysatorbereich der Katalysatoranordnung 27 nicht als weiterer Speicherkatalysator, sondern als zweiter Oxidationskatalysator 31 ausgebildet.
Auch hier dient der zweite Katalysatorbereich 31 zur Oxidation des Regeneriergasschlupfes; die Einlagerung und nachträgliche Reduktion aus dem Speicherkatalysator 29 zu Beginn der Regeneration desorbierten Stickoxids entfällt jedoch, da der Oxidationskatalysator 31 nicht speicherkatalytisch aktiv ist.
3 zeigt eine weitere alternative Katalysatoranordnung 47, die in aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bekannter Art und Weise mit einem Oxidationskatalysator 5 kombiniert werden kann. Die Katalysatoranordnung weist im Unterschied zu den Ausführungsformen nach 1 und 2 nicht voneinander räumlich völlig getrennte Katalysatorbereiche auf, sondern es ist lediglich eine beispielsweise quaderförmige oder zylinderförmige Aussparung 40 im stromabwärtigen Bereich des Speicherkatalysators 9 vorgesehen. In diese Aussparung 40 ragt das Messelement 11 mit seinem Messkopf 13 hinein. Durch die Aussparung 40 wird der Speicherkatalysatorkörper 9 in einem ersten speicherkatalytisch wirksamen Bereich 51 und in einen weiteren speicherkatalytisch wirksamen Bereich 53 aufgeteilt.
Die Wirkungsweise der Katalysatoranordnung 47 entspricht der der Anordnung nach 1.
In den in den 1 bis 3 illustrierten Ausführungsbeispielen kann alternativ zu einem Lambdasensor auch ein Kohlenmonoxidsensor verwendet werden. Auch kann statt einer innermotorischen Kraftstoffzufuhr per Nacheinspritzung vorgesehen sein, die für die Regeneration des Speicherkatalysators notwendigen Reduktionsmittel nachmotorisch zuzuführen, indem beispielsweise zwischen dem Oxidationskatalysator 5 und der Katalysatoranordnung 7 bzw. 27 bzw. 47 Mittel zur dosierten Zufuhr von Kraftstoff in den Abgastrakt vorgesehen sind. Auch diese Kraftstoffzufuhr wird in Abhängigkeit von dem Ablauf gewisser Zeitintervalle und des Signals des Messelements 11 gesteuert. Alternativ zum Abwarten einer gewissen Zeitspanne im Magergasbetrieb kann auch vorgesehen sein, über einen weiteren Stickoxidsensor einen Anstieg des Stickoxidgehalts im Speicherkatalysator 9 bzw. 29 bzw. im Bereich 41 zu detektieren, um daraufhin die Regenerationsphase einzuleiten.

Claims

Anordnung zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, mit einer Katalysatoranordnung zur Entstickung des Abgases, wobei die Katalysatoranordnung einen Speicherkatalysator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoranordnung (7; 27) ein Sensorelement (11, 13) zur Registrierung von Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen und/oder Stickoxiden aufweist und daß das Sensorelement derart angeordnet ist, daß das Abgas nach Durchströmen zumindest eines speicherkatalytisch wirksamen Bereichs (9; 29; 51) das Sensorelement (11, 13) passieren und anschließend einen weiteren Katalysatorbereich (15; 31; 53) durchströmen kann.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine katalytisch wirksame Bereich durch zumindest einen Teilbereich (51) des Speicherkatalysators (9) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine katalytisch wirksame Bereich durch den Speicherkatalysator gebildet ist und daß der weitere Katalysatorbereich durch einen vom Speicherkatalysator getrennten weiteren Katalysator (15; 31) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnete, daß der weitere Katalysator einen zweiten Speicherkatalysator (15) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Katalysator einen Oxidationskatalysator (31) aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatoranordnung ein Oxidationskatalysator (5) vorgeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als Lambdasonde ausgebildet ist.
Verwendung einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase einer selbstzündenden Brennkraftmaschine und/oder einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, insbesondere Benzindirekteinspritzung, und/oder einer im Magerbetrieb betriebenen Brennkraftmaschine entstickt werden.
Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases einer Brennkraftmaschine, bei dem das Abgas speicherkatalytisch entstickt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas zunächst zumindest einen speicherkatalytisch wirksamen Bereich durchströmt, anschließend ein Sensorelement zur Registrierung von Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen und/oder Stickoxiden passiert und in einem weiteren Schritt einen weiteren Katalysatorbereich durchströmt.