DE10242303A1 - Abgasreinigungsanlage und Verfahren zur Reinigung von Absagen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, mit einer Abgasnachbehandlungseinheit, die zumindest einen Partikelfilter umfasst. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (4) weiterhin wenigstens einen NO¶x¶-Speicher (44) aufweist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine (2).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage mit einer regenerierbaren Abgasnachbehandlungseinheit. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen, bei dem ein Abgasstrom durch eine regenerierbare Abgasnachbehandlungseinheit geleitet wird.
  • Stand der Technik
  • Zur Einhaltung zukünftiger Abgasgrenzwerte von Brennkraftmaschinen sind die bekannten konstruktiven Maßnahmen wie bspw. eine günstige Brennraumgestaltung nicht mehr ausreichend. Insbesondere Brennkraftmaschinen, deren Abgas einen hohen Anteil an Sauerstoff aufweist, bspw. Dieselmotoren oder Benzinmotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung, verlangen einen höheren Aufwand zur Schadstoffreduktion, insbesondere zur Verminderung von NOx-Emissionen. Eine zusätzliche Problematik beim Dieselmotor besteht darin, dass dessen Partikelemissionen reduziert werden müssen.
  • Die im Abgas von Dieselmotoren enthaltenen Partikel bestehen zu großen Teilen aus Ruß, der bspw. in ei nem Partikelfilter zurück gehalten und gesammelt werden kann. Ein solches Filter muss allerdings jeweils nach Erreichen einer bestimmten Partikelbeladung regeneriert, d.h. üblicherweise freigebrannt werden. Eine Möglichkeit zur Regeneration besteht darin, die Abgase auf eine Temperatur von ca. 450 bis 650 °C aufzuheizen, was bspw. durch Zudosierung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von verdampftem oder zerstäubtem Kraftstoff in das Abgassystem stromaufwärts eines Oxidationskatalysators erfolgen kann. Die exotherme Umsetzung zu CO, CO2 und H2O setzt die zum Freibrennen benötigte Wärme frei. Der Ruß wird dabei mit Hilfe von dem im Abgas befindlichen Sauerstoff abgebrannt. Dieses Verfahren führt aufgrund der dabei entstehenden relativ hohen Temperaturen Nachteile mit sich.
  • Neben Sauerstoff eignet sich Stickstoffdioxid (NO2) als Oxidationsmittel für den kohlenstoffhaltigen Ruß zur Regeneration des Diesel-Partikelfilters. Dieses Verfahren eignet sich zur Oxidation von Ruß bei wesentlich geringeren Temperaturen. Üblicherweise wird das benötigte NO2 von einem Oxidations-Katalysator, der Edelmetalle und insbesondere Platin enthält, aus dem im Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxid (NO) bereitgestellt.
  • Eine weitere Möglichkeit, die für die Regeneration des Diesel-Partikelfilters notwendige Temperatur zu senken, besteht darin, katalytisch beschichtete Diesel-Partikelfilter zu verwenden. Die für solche Verfahren geeigneten Katalysator-Beschichtungen können prinzipiell auch NO zu NO2 oxidieren.
  • Ein Katalysator zur Herabsetzung der Zündtemperatur von Dieselruß ist in der DE 31 41 713 A1 beschrieben. Die aktive Substanz dieses bekannten Katalysators besteht aus Silbervanadat, das auf einem als struktureller Verstärker dienenden Filterelement aufgebracht sein kann. Als struktureller Verstärker wird dabei insbesondere ein monolithischer Keramikkörper vorgeschlagen.
    •
  • Eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, weist eine Abgasnachbehandlungseinheit mit zumindest einem Partikelfilter auf. Erfindungsgemäß weist die Abgasnachbehandlungseinheit weiterhin wenigstens einen NOx-Speicher auf. Dieser kann in den wenigstens einen Partikelfilter integriert oder diesem vorgeschaltet sein. Mit einer solchen Konfiguration ist es möglich, ohne von außen zugeführte Hilfsstoffe und ohne nennenswerten Kraftstoffmehrverbrauch der Brennkraftmaschine sowie unter geringem technischen Mehraufwand den am Filter angesammelten Ruß wieder abzubrennen. Die Desorption von NOx erfolgt in erster Linie thermisch und weniger dadurch, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des brennbaren Gemischs der Brennkraftmaschine angefettet, d.h. gesenkt wird.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Partikelfilter eine Beschichtung mit einer Speicherkomponente zur Speicherung von NOx aufweist. Der NOx-Speicher kann aus einem Trägermaterial, einem sogenannten washcoat bestehen, welches aus Al2O3, SiO2 oder aus anderen für einen solchen Zweck üblicherweise verwendeten Materialien bestehen kann und bspw. auf einen Wabenkörper aufgebracht ist.
  • Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass sich der NOx-Speicher auf einem Oxidationskatalysator, welcher dem Partikelfilter vorgeschaltet ist, befindet.
  • Vorzugsweise weist der NOx-Speicher stickoxidspeichernde Komponenten bzw. Verbindungen auf, bspw. basische Oxide und/oder Edelmetalle, bspw. Platin. Im NOx-Speicher können Stickoxide gespeichert werden, wobei diese Speicherung vorzugsweise insbesondere bei Temperaturen, bei denen NO2 nicht signifikant mit dem im Partikelfilter befindlichen Ruß reagiert, stattfindet. Solche Temperaturen liegen typischerweise unter 300°C. Bei Temperaturen, bei denen ein signifikanter Umsatz von NO2 mit Ruß stattfindet, werden die Stickoxide aus dem NOx-Speicher freigesetzt und stehen für die Rußoxidation zur Verfügung. Dabei kann die NOx-Speicherkomponente stromaufwärts vor den Partikelfilter geschaltet oder in den Partikelfilter integriert sein. Mit der Erfindung ist es möglich, im Abgas befindliches NOx zu Zwecken der Partikelfilterregeneration wesentlich besser zu nutzen.
  • Der NOx-Speicher enthält gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Hauptkomponenten basische Oxide oder Verbindungen, welche Stickoxide speichern können. Beispiele hierfür sind Alkali- und Erdalkalimetalle, die Lanthaniden einschließlich Yttrium und Scandium, sowie TiO2, ZrO2, Bi2O3, Kupferoxide, Silber bzw. Silberoxide und Bleioxide. Komponenten, die neben NOx auch größere Mengen Sauerstoff speichern können, stellen für diese Applikation im Gegensatz zum NOx-Speicherkatalysator keinen Nachteil dar. Der NOx-Speicher kann ferner ein oder mehrere Edelmetallkomponenten, vorzugsweise Platin, enthalten.
  • Der NOx-Speicher speichert unter magerem, d.h. sauerstoffreichem Abgas NOx. Eine hohe Speicherkapazität besitzt er vorzugsweise bei mittleren Temperaturen zwischen ca. 150-350°C. Bei höheren Temperaturen oberhalb von 250-400°C, vorzugsweise 300-350°C, beginnt der NOx-Speicher das gespeicherte NOx zu desorbieren, welches dann für die Regeneration des Partikelfilters zur Verfügung steht.
  • Das Speicherverhalten kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch eine Aufwärmvorrichtung beeinflusst werden. Eine solche Aufwärmvorrichtung kann bspw. eine elektrische Heizung sein. Damit lässt sich die Abgastemperatur gezielt in Bereiche über 350 °C bringen, bspw. unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine, wo diese noch Abgas mit relativ geringen Temperaturen emittiert.
  • Der Partikelfilter, der ein Oberflächenfilter oder ein Tiefenfilter sein kann, kann weiterhin mit einer aktiven Komponente versehen sein, deren Aufgabe es ist, die Oxidation von Stickstoffmonoxid und/oder des eingefangenen Rußes zu unterstützen.
  • Auf diese Weise ist eine sehr effektive Abgasreinigung möglich.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Abgasnachbehandlungsanlage weiterhin wenigstens einen Oxidationskatalysator aufweisen, der bspw. vor dem wenigstens einen Partikelfilter bzw. dem wenigstens einen NOx-Speicher angeordnet sein kann. Alternativ kann der Oxidationskatalysator dem Partikelfilter bzw. dem NOx-Speicher auch nachgeschaltet sein. Mit einem solchen Oxidationskatalysator ist eine weitere Minderung der Stickoxidanteile im Abgas möglich, da der Oxidationskatalysator beim Dieselmotor eine deutliche Senkung der Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemission bewirkt. Da die Kohlenwasserstoffemission zur Partikelemission beträgt, kann auch diese in begrenztem Maße durch den Katalysator reduziert werden. Optional kann der Oxidationskatalysator neben der Oxidationsfunktion auch die Speicherfunktion enthalten.
  • Weiterhin kann die Abgasnachbehandlungsanlage eine zusätzliche Vorrichtung zur Minderung von NOx aufweisen, die dem wenigstens einen Partikelfilter nachgeschaltet ist. Eine solche Vorrichtung kann bspw. ein weiterer NOx-Speicher, bspw. ein NOx-Speicherkatalysator sein.
  • Die Abgasnachbehandlungsanlage kann gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine zusätzliche Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion aufweisen. Diese Vorrichtung kann der Abgasnachbehandlungsanlage nachgeschaltet oder in diese integriert sein. Die Vorrichtung zur selekti ven katalytischen Reduktion (sog. SCR-Verfahren) kann vorzugsweise eine Dosiervorrichtung zur Zuführung von Reduktionsmitteln in den Abgasstrom vor der Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion aufweisen. Auch hiermit ist nochmals eine Minderung der Stickoxidanteile im Abgas möglich. Beim sog. SCR-Verfahren wird ein Reduktionsmittel über ein Dosiersystem in den Katalysator eingebracht. Gebräuchliche Reduktionsmittel sind bspw. eine wässrige Harnstofflösung oder auch Dieselkraftstoff.
  • Ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, bei dem ein Abgasstrom durch eine Abgasnachbehandlungseinheit geleitet wird, die zumindest einen Partikelfilter umfasst, sieht erfindungsgemäß vor, dass der Abgasstrom durch wenigstens einen NOx-Speicher geleitet wird. Der Abgasstrom kann dabei wahlweise durch einen im Partikelfilter integrierten NOx-Speicher, oder nacheinander durch den NOx-Speicher bzw. den Partikelfilter geleitet werden. Beide Ausgestaltungen können Vorteile aufweisen, je nachdem ob ein modularer Aufbau oder eine maximale Integration der Abgasnachbehandlungseinheit auf kleinstem Raum gewünscht ist.
  • Vorzugsweise werden die im Abgas enthaltenen Stickoxide bei niedrigen Abgastemperaturen zwischen ca. 150°C und ca. 350°C im NOx-Speicher gespeichert. Weiterhin werden die im Abgas enthaltenen Stickoxide vorzugsweise bei höheren Abgastemperaturen oberhalb von etwa 300-350°C im NOx-Speicher freigesetzt und reagieren exotherm mit Rußpartikeln im Parti kelfilter. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters erfolgen. Die Desorption der Stickoxide im NOx-Speicher kann gezielt initiiert werden, indem der NOx-Speicher bei Bedarf mittels einer externen Heizung aufgeheizt wird, so dass Abgastemperaturen über 350°C erreicht werden können.
  • Weiterhin kann eine Oxidation von Stickstoffmonoxid und/oder der gespeicherten Rußpartikel durch auf dem Partikelfilter aufgebrachte aktive Komponenten unterstützt werden.
  • Die Abgase können weiterhin durch einen zusätzlichen Oxidationskatalysator geleitet werden. Dieser kann dem Partikelfilter bzw. dem NOx-Speicher vor- oder nachgeschaltet sein. Mittels einer sehr kompakten Abgasreinigungsvorrichtung kann eine sehr weit gehende Reinigungswirkung erreicht werden.
  • Die Abgase können weiterhin durch eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion geleitet werden, wobei den Abgasen vor bzw. in der Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion ein Reduktionsmittel zugesetzt wird. Auf diese Weise kann eine weitere Reduzierung der Stickoxidanteile im Abgas erreicht werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
    •
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinheit in einem Abgaskanal und
  • 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konfiguration der Abgasnachbehandlungsanlage.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Einlasskanal 21, in dem ggf. eine verstellbare Drossel-Klappe 22 zur Regulierung einer Zufuhr von Frischgas 23 angeordnet sein kann. Die Brennkraftmaschine kann ein Dieselmotor (mit Selbstzündung) oder bspw. ein Benzinmotor (mit Fremdzündung) mit Kraftstoff-Direkteinspritzung sein. Beide weisen einen relativ hohen NOx-Anteil im Abgas auf. Der Dieselmotor emittiert zudem Rußpartikel in nennenswertem Umfang.
  • In einem Abgaskanal 24 der Brennkraftmaschine ist eine Abgasnachbehandlungseinheit 4 in einem Gehäuse 43 oder in mehreren separaten Gehäusen angeordnet. Ein Abgasstrom 41 vor der Abgasnachbehandlungseinheit 4 wird in dieser von Rußpartikeln und Stickoxiden gereinigt und verlässt als gereinigter Abgasstrom 42 den Abgaskanal 24. Die Abgasnachbehandlungseinheit 4 weist zumindest einen NOx-Speicher 44 sowie einen Partikelfilter 45 auf. Weiter Komponenten können optional vorgesehen sein und werden anhand der schematischen Darstellung der 2 näher erläutert.
  • Wie die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinheit 4 der 2 deutlich macht, kann der NOx-Speicher 44 vor dem Partikelfilter 45 angeordnet sein. Wahlweise können beide Module 44, 45 in einer Baueinheit integriert sein. So kann der Partikelfilter 45 wahlweise mit einer Komponente beschichtet sein, die in der Lage ist, bei den genannten Temperaturen NOx zu speichern bzw. wieder zu desorbieren.
  • Ein dem NOx-Speicher vorgeschalteter Oxidationskatalysator 47 ist optional und kann sich ebenso hinter dem Partikelfilter 45 befinden. Ein weiteres optionales Modul ist ein NOx-Speicherkatalysator 46 bzw. eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion des Abgases. Vor dem NOX-Speicherkatalysator 46 bzw. vor der erwähnten Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion kann eine Zuführeinrichtung 6 zur Zuführung einer aktiven Substanz 61 zur Regeneration des Katalysators vorgesehen sein, so dass die aktive Substanz 61 mittels einer Dosiereinrichtung 62 in der jeweils gewünschten Menge dem Abgas zugeführt wird.
  • Im NOx-Speicher 44 werden Stickoxide gespeichert. Diese Speicherung erfolgt insbesondere bei Temperaturen, bei denen Stickstoffdioxid nicht signifikant mit dem im Partikelfilter 45 befindlichen Ruß reagiert. Solche Temperaturen liegen zwischen ca. 150 und 350 °C. Bei Temperaturen, bei denen ein signifikanter Umsatz von Stickstoffdioxid mit Ruß stattfindet, wird NOx aus dem NOx-Speicher freigesetzt und für die Rußoxidation im Partikelfilter 45 verwendet. Dieser wird dabei regeneriert. Auf diese Weise ist es möglich, im Abgas befindliches NOx für Zwecke der Partikelfilterregeneration zu nutzen.
  • Der Rußabbrand erfolgt dabei auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau, bspw. 300 bis 450 °C, da eine Oxidation von Ruß mit Hilfe von NO2 bei deutlich niedrigeren Temperaturen erfolgt als mittels O2.

Claims (25)

  1. Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, mit einer Abgasnachbehandlungseinheit, die zumindest einen Partikelfilter umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinheit (4) weiterhin wenigstens einen NOx-Speicher (44) aufweist.
  2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine NOx-Speicher (44) in den wenigstens einen Partikelfilter (45) integriert ist.
  3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (45) eine Beschichtung mit einer Speicherkomponente zur Speicherung von NOx aufweist .
  4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine NOx-Speicher (44) dem wenigstens einen Partikelfilter (45) vorgeschaltet ist.
  5. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicher (44) ein keramisches Trägermaterial aufweist.
  6. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicher (44) Stickoxid speichernde Komponenten bzw. Verbindungen aufweist.
  7. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanlage (4) bzw. der NOx-Speicher (44) eine Aufwärmvorrichtung aufweist.
  8. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine elektrische Heizung als Aufwärmvorrichtung.
  9. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanlage (4) weiterhin wenigstens einen Oxidationskatalysator (47) aufweist.
  10. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen vor dem wenigstens einen Partikelfilter (45) bzw. dem wenigstens einen NOx-Speicher (44) angeordneten Oxidationskatalysator (47) .
  11. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen dem wenigstens einen Partikelfilter (45) bzw. dem wenigstens einen NOx-Speicher (44) nachgeschalteten Oxidationskatalysator (47).
  12. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanlage (4) eine zusätzliche Vorrichtung zur Minderung von NOx aufweist, die dem wenigstens einen Partikelfilter (45) nachgeschaltet ist.
  13. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen der Abgasnachbehandlungsanlage (4) nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator (46).
  14. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanlage (4) eine zusätzliche Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion aufweist.
  15. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine der Abgasnachbehandlungsanlage (4) nachgeschaltete Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion.
  16. Verfahren zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, bei dem ein Abgasstrom durch eine Abgasnachbehandlungseinheit geleitet wird, die zumindest einen Partikelfilter umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom (41) weiterhin durch wenigstens einen NOx-Speicher (44) geleitet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom (41) durch einen im Partikelfilter (45) integrierten NOx-Speicher (44) geleitet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom (41) nacheinander durch den NOx-Speicher (44) bzw. den Partikelfilter (45) geleitet wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) bei niedrigen Abgastemperaturen zwischen ca. 150 °C und ca. 350 °C im NOx-Speicher (44) gespeichert werden.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) bei höheren Abgastemperaturen oberhalb von ca. 350 °C im NOx-Speicher (44) freigesetzt werden und exotherm mit Rußpartikeln im Partikelfilter (45) reagieren.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicher (44) wahlweise extern geheizt wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas im NOx-Speicher (44) auf Temperaturen von mehr als 350 °C aufgeheizt wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidation von NO und/oder der gespeicherten Rußpartikel durch auf dem Partikelfilter (45) aufgebrachte aktive Komponenten unterstützt wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase durch einen Oxidationskatalysator (47) geleitet werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase durch eine Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion geleitet werden.
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