DE10392476T5

DE10392476T5 - Anlage und Verfahren zum Entziehen von Stickoxiden aus Fahrzeugabgasen

Info

Publication number: DE10392476T5
Application number: DE10392476T
Authority: DE
Inventors: Brad Deerfield Adelman; Per Gosta Edvin Downers Grove Andersson
Original assignee: Ricardo Inc
Current assignee: Ricardo Inc
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2005-02-17
Also published as: GB0422424D0; GB2402089B; GB2402089A; JP2006509137A; AU2003222118A1; WO2003082446A1; US20030182933A1; US6964157B2

Abstract

Emissionssteuervorrichtung zum Entziehen von NO_X aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine bei einer niedrigeren Temperatur vor dem Eintritt in einen katalytischen Konverter, und Freisetzen von NO_X zur Rückgabe in den Abgasstrom bei einer höheren Temperatur, welche folgendes aufweist:
einen Brennkraftmaschinen-Steuermodul, welcher einen Eingang hat und derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden kann, wobei der Modul ein Verhältnis von NO₂/NO in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Empfang eines Eingangssignals am Eingang anhebt, welches eine Temperatur des Abgasstroms wiedergibt;
ein Gehäuse, welches einen Einlaß und einen Auslaß hat, wobei der Einlaß derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er mit einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine verbunden werden kann, und der Auslaß derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er in kommunizierender Verbindung mit einem katalytischen Konverter einer Brennkraftmaschine bringbar ist; und
ein Adsorbtionsmittel, welches in einem Innern des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Adsorbtionsmittel...

Description

ANWENDUNGSGEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung befaßt sich allgemein mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Entziehen (Entfernen) und zum Speichern von Stickoxiden in Fahrzeugabgasen während der kalten Betriebsphase. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit dem Einsatz eines Zeoliten zum Einschließen (Absorbieren) von Stickoxiden aus dem Abgas eines Fahrzeugs während der kalten Betriebsphase, wobei die Stickoxide später von dem Zeoliten freigesetzt werden, um anschließend mittels eines katalytischen Konverters bearbeitet zu werden, wenn sich die Fahrzeugbrennkraftmaschine aufgewärmt hat.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Betreiben einer Brennkraftmaschine, wie einer Brennkraftmaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, erzeugt viele gasförmige Abgasnebenprodukte. In diesen Nebenprodukten sind Schadstoffe, wie unverbrannte Wasserstoffe und Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und verschiedene Stickstoff Sauerstoffverbindungen enthalten, welche auf diesem Gebiet als NO_X bekannt sind. NO_X im Abgas einer Brennkraftmaschine umfaßt hauptsächlich Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). NO_X ist ein Schadstoff (Umweltschadstoff), welcher viele Probleme verursachen kann, welche ohne Beschränkung die Augen, die Nase und den Halsbereich hinsichtlich Entzündungen umfassen können. NO_X kann auch mit Wasser kombiniert werden, um Säuren zu erzeugen, welche eine Komponente von Säureausscheidungen sind. Moderne Kraftfahrzeuge sind mit einem Abgasbehandlungssystem für die Brennkraftmaschine ausgestattet, um diesen Schwierigkeiten entgegen zu wirken, und die Umweltbestimmungen einhalten zu können.
Häufig umfaßt ein Brennkraftmaschinen-Abgasbehandlungssystem ein Adsorptionsmittel zur Aufnahme von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Abgas. Das Adsorptionsmittel ist in einer Abgasleitung angeordnet, welche von der Brennkraftmaschine abgeht. Das Adsorptionsmittel zieht die unverbrannten Kohlenwasserstoffe an und sammelt diese in Zwischengitterräumen auf den Oberflächen des Adsorptionsmittels. Das Adsorptionsmittel adsorbiert physikalisch die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, bis die Oxidationsfunktion des anschließenden katalytischen Konverters bei der Zündtemperatur erreicht ist, wobei zu diesem Zeitpunkt das Adsorptionsmittel auch eine erhöhte Temperatur annimmt, bei der es die unverbrannten Kohlenwasserstoffe frei gibt, und zu dem stromabgelegenen katalytischen Konverter weiter leitet. Der katalytische Konverter oxidiert und konvertiert anschließend die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas zu nicht schädlichen Gasen.
Eine übliche Bauart eines katalytischen Konverters ist auf diesem Gebiet als eine abgemagerte NO_X-Abscheideeinrichtung (LNT) bekannt. Wie der Name schon besagt, wandelt die LNT NO_X in ein nicht schädliches Gas um. Die LNT jedoch arbeitet mit einer hohen Effizienz und entzieht die größte Menge an NO_X nur dann, wenn sie eine kritische Zündtemperatur, etwa oberhalb 200°C erreicht hat. Wenn ein Kraftfahrzeug an einem Ort in Betrieb genommen wird, an dem niedrige Umgebungstemperaturen herrschen, kann man einige Minuten benötigen, bis die LNT diese kritische Zündtemperatur erreicht. Während dieser Zeit entweicht NO_X in unerwünschter Weise zur Umgebung. In diesem Fall können über 50 % aller NO_X Abgasemissionen während eines Antriebszyklusses erzeugt werden, der in der Zeit durchlaufen werden kann, bis die LNT die Temperatur von etwa 200°C erreicht.
Es ist erwünscht, eine Vorrichtung zur Reduzierung der Menge an NO_X zu haben, welche zur Umgebung während der kalten Betriebsphase einer Brennkraftmaschine entweicht, wenn die LNT oder eine andere NO_X-Entzugseinrichtung sich auf einer Temperatur von unterhalb etwa 200°C befindet.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung befaßt sich mit einer Anlage zur Steuerung der Stickoxidemissionen von Fahrzeugabgasen während der kalten Betriebsphase. Die Anlage umfaßt eine Steuerung zum Verändern des NO₂-/NO-Verhältnisses, eine Einschließeinrichtung zum Speichern und Freisetzen von NO_X, und einen katalytischen Konverter für die NO_X Reduktion. Die Steuerung kann das Verhältnis von NO₂/NO unter Einsatz von Techniken wählen, bei denen es sich beispielsweise um ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil, eine Zylinderdeaktivierungseinrichtung, einen Oxidationskatalysator, eine nicht thermische Plasmaeinrichtung oder dergleichen handeln kann. Die Einschließeinrichtung kann von einem Absorber auf Zeolitbasis gebildet werden, und der katalytische Konverter kann irgendeine geeignete Einrichtung sein, wie eine LNT, eine SCR (selektive katalytische Reduktion mit Reduktionsmitteln auf N-Basis), NO_X-Katalysatoren (entweder passiv oder mit aktiver HC-Einspritzung), und dergleichen. Die Anlage integriert gewünschte Steuercharakteristika, die die Einschließeinrichtung und den katalytischen Konverter einschließt, um eine beträchtliche Reduktion von NO_X während der Kaltlaufphase eines Fahrzeugs zu erreichen.
Nach der Erfindung wurde in überraschender Weise eine Vorrichtung zum Reduzieren von NO_X aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen und zum Abgeben von NO_X an den Abgasstrom bei hohen Temperaturen aufgefunden. Die Vorrichtung weist folgendes auf: Ein Adsorbergehäuse, welches einen Einlaß und einen Auslaß hat, wobei der Einlaß in kommunizierender Verbindung mit dem Abgasstrom einer Brenn kraftmaschine steht, und der Auslaß in kommunizierender Verbindung mit einem katalytischen Konverter der Brennkraftmaschine steht, und das Adsorbtionsmittel im Innern des Gehäuses angeordnet ist. Das Adsorbtionsmittel kann selektiv NO_X bei Temperaturen unterhalb einer vorbestimmten, gewünschten hoch effizienten Temperatur (vorzugsweise etwa 200°C) adsorbieren, und das Adsorbtionsmittel kann NO_X bei Temperaturen oberhalb der vorbestimmten Temperatur abgeben. Der katalytische Konverter kann in dem Adsorbergehäuse oder in einem separaten Gehäuse angeordnet sein. Während eine Temperatur von etwa 200°C hier als Beispiel angenommen wird, ist die Erfindung nicht auf diesen näherungsweise angegebenen Temperaturwert beschränkt. Der obere Temperaturbereich für Zeonite zur Aufnahme von NO_X beträgt etwa 170°C bis 200°C, und einige Katalysatormaterialien zünden in diesem Bereich. Durch Anpassen der Freisetzungstemperaturcharakteristik des Materials der Einschließeinrichtung und der Entzündungstemperaturcharakteristik des Katalysatormaterials können beliebige, vorbestimmte hoch effiziente Temperaturen für den Betriebsablauf ausgewählt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zum Entzug von NO_X aus einem Abgasstrom bei einer Brennkraftmaschine und zum Speichern desselben während der kalten Betriebsphase einer Brennkraftmaschine geeignet, und dann wird NO_X wiederum in den Abgasstrom bei der Betriebstemperatur des katalytischen Konverters abgegeben. Der Brennkraftmaschinen-Steuermodul (ECM) empfängt Sensorsignale von einer Mehrzahl von Sensoren, welche Informationen für die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und des Emissionssteuersystems liefern. Beispielsweise können die Sensoren einen Luft-Masse-Sensor (MAF), einen Ansaugleitungs-Absolutdrucksensor (MAP), einen Drosselpositionssensor (TPS), einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (VSS), einen Brennkraftmaschinendrehzahlsensor (RPM), einen Kühlmitteltemperatursensor (TMP), einen Warmabgas-Sauerstoffsensor (HEGO), einen Abgastemperatursensor (EGT) und einen Katalysator-Überwachungssensor (CMS) umfassen. Basierend auf den Signalen von den Sensoren kann der ECM das Abgasrückführungs(EGR)-Ventil und die Kraftstoffsteuerung steuern, um zu bewirken, daß die Brennkraftmaschine während der kalten Betriebsphase Abgase abgibt, welche ein erhöhtes Verhältnis von NO₂/NO haben, bis die Entzündungstemperatur der LNT erreicht ist.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin gilt:
1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Behandlung eines Abgases, welches von einer Brennkraftmaschine abströmt und welche nach der Erfindung ausgelegt ist;
2 ist eine schematisches Ansicht einer alternativen bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Behandeln eines Abgases, welches in einem Strömungsweg strömt, welcher von einer Brennkraftmaschine kommt; und
3 ist ein Blockdiagramm eines Brennkraftmaschine-Emissionssteuersystems nach der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zum Entziehen von NO_X aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen und zum Freisetzen von NO_X und zur Wiederabgabe in den Abgasstrom bei hohen Temperaturen, welche folgendes aufweist: Ein Gehäuse, welches einen Einlaß und einen Auslaß hat, der Einlaß in kommunizierender Verbindung mit dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, und der Auslaß in kommunizierender Verbindung mit einem katalytischen Konverter einer Brennkraftmaschine ist; und ein Adsorbtionsmittel, welches im Innern des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Adsorbtionsmittel selektiv NO_X bei Temperaturen unterhalb einer hoch wirksamen Temperatur, vorzugsweise etwa 200°C, adsorbieren kann, und das Adsorbtionsmittel NO_X bei Temperaturen oberhalb der hoch wirksamen Temperatur abgeben kann.
Das Adsorbtionsmittel nach der Erfindung weist einen Zeoliten auf, bei dem es sich um ein kristallines, anorganisches Polymer handelt, welches auf einem infinit verlaufenden tetraedrischen Gerüst aus Aluminium und Siliziumoxiden basiert. Das tretraedrische Gerüst umfaßt Kanäle oder als Zwischenverbindungen dienende Zwischengitterdurchgänge, welche von Kationen eingenommen werden. Das Einschließen und Speichern von NO_X läßt sich nach der Erfindung verbessern, wenn das Verhältnis von Silizium zu Aluminium niedrig ist.
Es hat sich gezeigt, daß Zeolite, welche ausgetauschte zweiwertige Erdalkalimetallkationen, wie Ca²⁺ enthalten, die Fähigkeit besitzen, NO_X Moleküle bei Temperaturen unterhalb von beispielsweise etwa 200°C zu speichern, und bei Temperaturen darüber abzugeben. Die Austauschkationen, welche zur Durchführung der Erfindung zweckmäßig sind, umfassen Wasserstoff , Alkalimetall-, Erdalkalimetall- und Übergangsmetall-Ionen. Erdalkalimetalle, von denen die Kationen gebildet werden, werden bevorzugt, und hierbei kommen insbesondere Kalzium, Barium, Strontium und Radium in Betracht. Zweckmäßige natürliche Zeolite können Chabazit, Erionit und Faujasit umfassen, während zweckmäßige synthetische Zeolite A, X und Y Zeolite umfassen können. Ein bevorzugtes Adsorbtionsmittel ist ein Y-Zeolit mit Kalziumaustauschionen. Das erfindungsgemäße Adsorbtionssystem arbeitet am besten bei einem Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Stickstoffoxid mit größer oder gleich eins, basierend auf der Bildung eines Ionenpaars (NO⁺NO₂ ^–), welche mit dem Ionennetzwerk der Zeolite zusammenwirken.
Die Erfindung gibt eine Vorrichtung an, welche derart beschaffen und ausgelegt ist, daß in das Rohrleitungssystem einer Abgaseinrichtung typischerweise stromauf von einem katalytischen Konverter eingesetzt werden kann, wie beispielsweise einer abgemagerten NO_X Abscheideeinrichtung (LNT) zum Behandeln des Abgases, welches vom Ausgang einer Brennkraftmaschine abströmt. Das Abgas von einer üblichen Brennkraftmaschine umfaßt Mengen an Stickstoffdioxiden und Stickstoffoxiden, welche von den Abgasen mitgerissen werden, wenn das Verhältnis von Stickstoffdixod zu Sticksstoffoxid kleiner als zuvor angegeben ist.
Im Betriebszustand tritt Abgas in den Einlaß des Gehäuses ein, und das Adsorbtionsmittel befindet sich auf einer Temperatur von etwa 200°C. Die Zwischenräume in dem Adsorbtionsmittel ziehen NO_X an und schließen dieses ein. Somit bewirkt das Adsorbtionsmittel, daß eine Abscheidung von NO_X aus dem Abgasstrom erfolgt. Wenn das Adsorbtionsmittel auf eine Temperatur von oberhalb etwa 200°C erwärmt wird, so daß sich der Abgasstrom der Brennkraftmaschine erwärmt, gibt das Adsorbtionsmittel NO_X, welches in den Zwischenräumen des Adsorbtionsmittels gespeichert worden ist, ab, so daß NO_X frei gesetzt wird, und dieses anschließend in unschädliche Produkte durch einen stromabwärts angeordneten katalytischen Konverter umgewandelt wird. Somit ist das Adsorbtionsmittel einem thermischen Zyklus von Adsorbtion und Desorbtion jedes mal dann unterworfen, wenn die Brennkraftmaschine ausgehend vom Kaltstart betrieben wird.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Abgasanlage, welche beispielsweise für eine Brennkraftmaschine bestimmt ist, insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Abgasanlage 10 umfaßt eine Abgasquelle (nicht gezeigt), wie eine Benzin-Brennkraftmaschine oder eine Diesel-Brennkraftmaschine, welche Abgase (nicht gezeigt) an einem stormaufwärtigen Ende 14 einer Abgasleitung 12 liefert. Das Abgas strömt in der Abgasleitung 12 in einem Gasströmungsweg, welcher mit 18 bezeichnet ist, und zwar von dem stromaufwärtigen Ende 14 der Abgasleitung 12 zu einem stromabwärtigen Ende 16 der Abgasleitung 12.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist insgesamt mit 20 bezeichnet, und ist mit der Abgasleitung 12 zwischen dem stromaufwärtigen Ende 14 der Abgasleitung 12 und einem katalytischen Konverter angeschlossen, wie beispielsweise einer abgemagerten NO_X-Abscheideeinrichtung (LNT) 22. Die Vorrichtung 20 umfaßt ein Gehäuse 24, welches ein Einlaßende 26 und ein Auslaßende 28 hat. Wenigstens ein Adsorbtionsmittel 30 mit einer Adsorbtionsfläche 32 ist in dem Strömungsweg 18 des Abgases im Innern des Gehäuses 24 angeordnet.
Wenn im Betriebszustand Abgas an dem Einlaß des Gehäuses eintritt, und das Adsorbtionsmittel 30 eine Temperatur von unter etwa 200°C hat, entzieht das Adsorbtionsmittel 30 NO_X aus dem Abgas und speichert dieses, wenn das Abgas die Adsorbtionsfläche 32 kontaktiert. Wenn das Adsorptionsmittel 30 sich über eine Temperatur von etwa 200°C erwärmt, setzt das Adsorptionsmittel NO_X zu LNT 22 frei.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Abgasanlage, welche beispielsweise für eine Brennkraftmaschine bestimmt ist, insgesamt mit 40 bezeichnet. Die Abgasanlage 40 umfaßt eine Abgasquelle (nicht gezeigt), wie eine Benzin-Brennkraftmaschine oder eine Diesel-Brennkraftmaschine, welche Abgas (nicht gezeigt) zu einem stromaufwärtigen 44 einer Abgasleitung 42 liefert. Das Abgas strömt in der Abgasleitung 42 auf einem Strömungsweg, welcher mit einem Pfeil 48 angedeutet ist, und zwar von dem stromaufwärtigen Ende 44 der Abgasleitung 42 zu einem stromabwärtigen Ende 46 der Abgasleitung 42.
Eine alternative, bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung ist insgesamt mit 50 bezeichnet und ist an einer Zwischenstelle in der Abgasleitung 42 zwischen dem stromaufwärtigen Ende 44 der Abgasleitung 42 und einem katalytischen Konverter eingebunden, wie beispielsweise einer abgemagerten NO_x-Abscheideeinrichtung (LNT) 52. Die Vorrichtung 50 umfaßt ein Absorbtionsmittelgehäuse 54, welches ein Einlaßende 56 und ein Auslaßende 58 hat. Das Adsorbtionsmittelgehäuse 54 und die LNT 52 sind von einem gemeinsamen Gehäuse 64 umschlossen. Wenigstens ein Adsorbtions mittel 60, welches eine Adsorbtionsfläche 62 hat, ist in dem Strömungsweg 48 des Abgases im Innern des Gehäuses 54 angeordnet.
Wenn in dem Betriebszustand Abgas an dem Einlaß des Gehäuses eintritt, und das Adsorbtionsmittel 60 eine niedrigere Temperatur als etwa 200°C hat, entzieht das Adsorbtionsmittel 60 NO_X und speichert dieses, wenn das Abgas die Adsorbtionsfläche 62 kontaktiert. Wenn das Adsorbtionsmittel 60 eine Temperatur von über etwa 200°C hat, gibt das Adsorptionsmittel 60 NO_X zu LNT 52 ab.
In 3 ist eine Brennkraftmaschinen-Emissionssteuereinrichtung 70 nach der Erfindung gezeigt. Eine Brennkraftmaschine 72 ist mit einer Ansaugleitung 74 und einer Auslaßleitung 76 versehen. Eine Drosselklappe (nicht gezeigt) steuert die der Brennkraftmaschine 72 von einer Luftquelle 78 zugeführte Frischluftmenge, wobei es sich bei der Luftquelle 78 beispielsweise um die Atmosphäre handeln kann. Ein kleiner Anteil des Abgases, welcher aus der Brennkraftmaschine 72 über die Abgasleitung 76 ausströmt, wird zu der Einlaßleitung 74 über einen Durchgang 78 zurückgeführt, welcher eine Zwischenverbindung zwischen den Versorgungsleitungen herstellt. Die Menge eines zirkulierenden Abgases wird dadurch gesteuert, daß ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil 82 entsprechend eingestellt wird. Das Ventil 82 spricht auf ein Steuersignal von einem Brennkraftmaschinen-Steuermodul (ECM) 84 an, welcher mit dem Ventil verbunden ist. Der ECM 84 ist auch mit einer Kraftstoffsteuerung 86 verbunden, um ein Steuersignal zum Bestimmen der Kraftstoffmenge zu erzeugen, welche der Brennkraftmaschine 72 zugeführt wird.
Eine Auslaßleitung 76 ist mit einem Einlaß einer Einschließeinrichtung 88 verbunden, welche von einem der Adsorber 30 und 60 der vorstehend beschriebenen Art gebildet werden kann. Ein Auslaß der Einschlußeinrichtung 88 ist mit einem Einlaß eines katalytischen Konverters 90, wie abgemagerten NO_X-Abscheideeinrichtungen 22 und 52, verbunden, welche zuvor beschrieben worden sind, oder mit irgendeiner anderen geeigneten Einrichtung verbunden. Der EMC 84 empfängt Sensorsignale von einer Mehrzahl von Sensoren 92, welche Informationen über die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 72 und des Emissionssteuersystems 70 bereitstellen. Beispielsweise können die Sensoren 92 einen Luft-Massestrom-Sensor (MAF), einen Einlaßleitungs-Absolutdrucksensor (MAP), einen Drosselklappensensor (TPS), einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (VSS), einen Brennkraftmaschinen-Drehzahlsensor (RPM), einen Kühlmitteltemperatur-Sensor (TMP), einen erwärmten Abgas-Sauerstoffsensor (HEGO), einen Abgastemperatursensor (EGT) und einen Katalysator-Überwachungssensor (CMS) umfassen. In typischer Weise liegt der HEGO-Sensor im Abgasstrom stromauf von dem Einlaß zu dem Konverter 90, der EGT-Sensor ist im Konverter angeordnet, und der CMS-Sensor ist stromab von dem Auslaß von dem Konverterauslaß angeordnet. Basierend auf den Signalen von den Sensoren 92 kann der ECM 84 das Abgasrückführungsventil 82 und die Kraftstoffsteuerung 86 steuern, um zu erreichen, daß die Brennkraftmaschine während des kalten Betriebszustands derart betrieben wird, daß Abgase abgegeben werden, welche ein größeres Verhältnis von NO₂/NO haben, bis der Konverter 90 seine Zünd- oder Aktivierungstemperatur erreicht hat.
Das Wärmemanagementvermögen der Anlage nach der Erfindung ist insbesondere unter zwei Umständen vorteilhaft. Bei einem Umstand wird das Zeolitmaterial in der Einschließeinrichtung 88 mit NO_X aufgefüllt, bevor die Aktivierungstemperatur des Konverters 90 erreicht wird, so daß kein NO_X mehr dem Abgas entzogen werden kann. Bei den anderen Umständen kann mit zunehmendem Alter der Anlage 70 die Desorbtionstemperatur des Zeolitmaterials in der Einschließeinrichtung 88 abnehmen, während die Aktivierungstemperatur des Katalysators im Konverter 90 mit der Zeit ansteigt. Bei den zweiten Umständen wird ein Temperaturbereich erzeugt, bei dem NO_X nicht mehr gebunden werden kann, aber der Katalysator noch nicht die Aktivierungstemperatur erreicht hat. In beiden Fällen kann der Betrieb der Brennkraftmaschine 72 derart durchgeführt werden, daß man einen schnellen Temperaturanstieg im Abgas erhält, um die Menge an NO_X möglichst gering zu halten, welche durch den katalytsische Konverter 90 geht. Beispielsweise ist der EMC 84 mit einem Zylinderdeaktivierungseinrichtung 94 verbunden, welche der Brennkraftmaschine 72 zugeordnet ist, um ein oder mehrere Einlaßventile auszuschalten, wodurch bewirkt wird, daß die restlichen Zylinder stärker arbeiten, und der Temperaturanstieg im Abgas beschleunigt wird.
Zusammenfassend integriert die Anlage 70 nach der Erfindung eine Steuerung, eine Einschließeinrichtung und einen katalytischen Konverter, um Stickoxidemissionen während der Kaltlaufphase bei einer Brennkraftmaschine zu reduzieren. Die Steuereinrichtung 84 nutzt die Brennkraftmaschinen-Managementtechnologie, um das Verhältnis von NO₂/NO des Abgases anzuheben, welches die Brennkraftmaschine verläßt. Eine Methode zur Verhältnissteuerung ist der Einsatz des EGR-Ventils 82. Eine weitere Methode für die Steuerung des Verhältnisses ist der Einsatz einer Zylinderdeaktivierungseinrichtung 94. Bei weiteren Verfahren zur Steuerung des Verhältnisses kann der ECM 84 eingesetzt werden, um die Brennstoffsteuerung 86 und/oder die Luftversorgung 78 einzustellen, oder um einen Zusatz, wie einen Oxidationskatalysator oder ein nicht thermisches Plasma einzubringen. Die Einschlußeinrichtung 88 auf Zeolitbasis hält NO_X unterhalb einer vorbestimmten Temperatur fest, und setzt NO_X oberhalb der vorbestimmten Temperatur frei. Der katalytische Konverter 90 wird bei oder oberhalb der vorbestimmten Temperatur aktiv, um NO_X zu reduzieren, und es kann sich um eine LNT, SCR oder eine aktive Katalysatoreinrichtung zum Entzug von NO_X handeln.
Das NO₂NO-Verhältnis muß nicht notwendiger Weise gleich oder größer als 1 sein. Wenn das Abgas die Brennkraftmaschine 72 verläßt, ist der NO-Anteil der Dominate bei den Stickoxiden. Jegliche Zunahme des NO₂-Gehalts führt zu einer Herabsetzung der Effizienz der Zeolit-Einschließeinrichtung 88. Ein Y-Zeolit mit Kalziumaustauschionen hat den optimalen Wirkungsgrad, wenn das Verhältnis NO₂/NO etwa 1 ist. Die Anlage 70 arbeitet jedoch auch bei Verhältnissen oberhalb und unterhalb von 1. Immer dann, wenn der katalytische Konverter 90 auf eine Temperatur niedriger als die Aktivienrungstemperatur (Zündtemperatur) abnimmt, arbeitet die Anlage 70, wenn die Temperatur der Einschließeinrichtung 88 unterhalb der Adsorbtionstemperatur von NO_X ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Einzelheiten beschränkt, welche an Hand von bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurden. Selbstverständlich kann der Fachmann Änderungen und Modifikationen vornehmen, die nicht speziell dargestellt sind, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Beispielsweise kann nach der Erfindung ein separater Behälter in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, oder die Erfindung kann in einem Teil desselben Gehäuses bei einer LNT vorgesehen sein.
Zusammenfassung
Anlage und Verfahren zum Entziehen von Stickoxiden aus Fahrzeugabgasen
Eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zum Entziehen von NO_X aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine bei niedrigeren Temperaturen und zum Abgeben von NO_X zurück in den Abgasstrom bei höheren Temperaturen umfaßt eine Einschließeinrichtung, welche ein Adsorbtionsmittel (30) hat, welches selektiv NO_X bei Temperaturen unterhalb einer vorbestimmten Temperatur adsorbieren und NO_X bei Temperaturen oberhalb der vorbestimmten Temperatur desorbiert oder freisetzen kann. Die Anlage umfaßt ein Brennkraftmaschinensteuermodul, welcher die Brennkraftmaschine während der Kaltlaufphase derart betreibt, daß ein erhöhtes Verhältnis von NO₂/NO eingestellt werden kann. Die Anlage umfaßt auch einen katalytischen Konverter (22), wie eine abgemagerte NO_X-Abscheideeinrichtung.

Claims

Emissionssteuervorrichtung zum Entziehen von NO_X aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine bei einer niedrigeren Temperatur vor dem Eintritt in einen katalytischen Konverter, und Freisetzen von NO_X zur Rückgabe in den Abgasstrom bei einer höheren Temperatur, welche folgendes aufweist: einen Brennkraftmaschinen-Steuermodul, welcher einen Eingang hat und derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden kann, wobei der Modul ein Verhältnis von NO₂/NO in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Empfang eines Eingangssignals am Eingang anhebt, welches eine Temperatur des Abgasstroms wiedergibt; ein Gehäuse, welches einen Einlaß und einen Auslaß hat, wobei der Einlaß derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er mit einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine verbunden werden kann, und der Auslaß derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er in kommunizierender Verbindung mit einem katalytischen Konverter einer Brennkraftmaschine bringbar ist; und ein Adsorbtionsmittel, welches in einem Innern des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Adsorbtionsmittel selektiv NO_X bei Temperaturen unterhalb einer vorbestimmten Temperatur adsorbieren kann, und das Adsorptionsmittel NO_X bei Temperaturen oberhalb der vorbestimmten Temperatur desorbieren bzw. freisetzen kann, wobei dann, wenn der Brennkraftmaschinensteuermodul mit der Brennkraftmaschine verbunden ist, und das Gehäuse als Zwischenverbindung zwischen der Brennkraftmaschinenabgasleitung und dem katalytischen Konverter angeordnet ist, der Brennkraftmaschinensteuermodul am Eingang auf den Empfang des Signals durch Erhöhen des Verhältnisses von NO₂/NO in dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die vorbestimmte Temperatur etwa 200°C beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Adsorptionsmittel einen Zeoliten aufweist, welcher Austauschkationen von Wasserstoff, Alkalimetallen, Erdalkalimetallen oder Übergangsmetallen hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Adsorptionsmittel einen Zeoliten aufweist, welcher Austauschkationen von Erdalkalimetallen hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Adsorbtionsmittel einen Zeoliten aufweist, welcher Austauschkationen von Kalzium hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Adsorbtionsmittel Chabazit, Erionit, Faujasit, einen synthetischen A-Zeoliten, einen synthetischen X-Zeoliten oder synthetischen Y-Zeoliten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Adsorbtionsmittel einen kaliziumausgetauschten, synthetischen Y-Zeoliten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Adsorbtionsmittel einen synthetischen kaliziumausgetauschten Y-Zeoliten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche einen katalytischen Konverter umfaßt, welcher im Innern des Gehäuses hydrodynamisch stromabwärts von dem Adsorbtionsmittel in kommunizierrender Verbindung mit dem Auslaß angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der katalytische Konverter eine LNT-Einrichtung, eine SCR-Einrichtung oder eine aktive NO_X-Katalysatoreinrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche einen Sensor umfaßt, welcher mit dem Brennkraftmaschinensteuermoduleingang zum Erzeugen des Signals verbunden ist, welches eine Temperatur des Abgasstromes wiedergibt.
Vorrichtung zum zeitweisen Entziehen von NO_X aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine bei einer niedrigeren Temperatur und zum Freisetzen von NO_X und zum Zurückleiten in den Abgasstrom bei einer höheren Temperatur, welche folgendes aufweist: einen Brennkraftmaschinensteuermodul, welcher einen Eingang hat, und derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er mit einer Brennkraftmaschine verbunden werden kann, wobei der Modul ein Verhältnis von NO₂/NO in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem Empfang eines Signals am Eingang erhöht, welches eine Temperatur des Abgasstroms wiedergibt; eine Einschließeinrichtung, welche einen Einlaß hat, welcher derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er in kommunizierender Verbindung mit dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine gebracht werden kann, und einen Auslaß hat, wobei die Einschließeinrichtung ein Adsorbtionsmittel umfaßt, welches selektiv NO_X bei Temperaturen unterhalb einer vorbestimmten Temperatur adsorbieren und NO_X bei Temperaturen oberhalb der vorbestimmten Temperatur desorbieren bzw. freisetzen kann; und einen katalytischen Konverter, welcher mit denn Auslaß der Einschließeinrichtung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Adsorbtionsmittel einen Zeoliten aufweist, welcher Austauschkationen von Wasserstoff, Alkalimetallen, Erdalkalimetallen oder Übergangsmetallen umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Adsorbtionsmittel einen Zeoliten aufweist, welcher Austauschkationen von Erdalkalimetallen umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Adsorbtionsmittel einen Zeoliten aufweist, welcher Austauschkationen von Kalzium umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Adsorbtionsmittel Chabrazit, Erionit, Faujasit, einen synthetischen A-Zeoliten, einen synthetischen X-Zeoliten oder einen synthetischen Y-Zeoniten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Adsorbtionsmittel einen kalziumausgetauschten synthetischen Y-Zeoniten umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der katalytische Konverter eine Einrichtung ist, welche eine LNT, eine SCR und eine aktive NO_X-Entzugskatalysatoreinrichtung umfaßt.
Verfahren zum Entziehen von NO_X aus einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine bei Temperaturen unterhalb einer vorbestimmten Temperatur und zum Freisetzen von NO_X und zum Zurückgeben zum Abgasstrom bei Temperaturen oberhalb der vorbestimmten Temperatur, welches die folgenden Schritte aufweist: a) Erfassen einer Temperatur eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine; b) Steuern der Brennkraftmaschine derart, daß ein erhöhtes Verhältnis von NO₂/NO im Abgasstrom erzeugt wird, wenn die ermittelte Temperatur unterhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt; und c) Durchleiten des Abgasstroms durch eine Einschließeinrichtung, welche ein Adsorbtionsmittel enthält, welches selektiv NO_X bei Temperaturen unterhalb der vorbestimmten Temperatur adsorbieren und NO_X bei Temperaturen oberhalb der vorbestimmten Temperatur desorbieren (freisetzen) kann.
Verfahren nach Anspruch 19, welches einen Schritt umfaßt, gemäß welchem der Abgasstrom von der Einschließeinrichtung zu einem katalytischen Konverter geleitet wird, welcher eine Aktivierungstemperatur (Zündtemperatur) von größer als der vorbestimmten Temperatur hat, und Betreiben der Brennkraftmaschine zum schnellen Erhöhen der Temperatur des Abgasstroms, wenn die ermittelte Temperatur zwischen der vorbestimmten Temperatur und der Aktivierungstemperatur liegt.