DE19626835A1 - Dieselbrennkraftmaschine mit NOx-Speicher - Google Patents
Dieselbrennkraftmaschine mit NOx-SpeicherInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine mit NOx-
Speicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Anordnung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Für Otto-Magermotoren sind NOx-Speicherkatalysatoren bekannt, die im mageren Betrieb
die Stickoxide zunächst bis zur von der Katalysatorauslegung abhängigen Belastungsgrenze
einlagern. Anschließend erfolgt ein kurzer stöchiometrischer oder leicht fetter Betrieb zur
Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, mit nachfolgend wieder magerer Betriebs
weise. Der Rückhaltegrad dieser NOx-Speicherkatalysatoren ist sehr hoch, die gesamte
NOx-Reduktion mit Speicherentladung und NOx-Umsetzung bei λ 1 beträgt bei Mager-
Ottomotoren im Neuzustand < 90%. Prinzipiell sind solche NOx-Speicherkatalysatoren auch
bei Dieselfahrzeugen einsetzbar, wobei eine gewisse größere Dimensionierung zur
Kompensation der SOx-Einlagerungen vorteilhaft ist. Im Gegensatz zu Ottomotoren arbeiten
Dieselmotoren jedoch stets mit Luftüberschuß, so daß während allen Betriebszuständen λ<
1 ist. Eine Beladung des NOx-Speicherkatalysators wäre somit zwar problemlos möglich,
eine Regeneration durch Anfetten des Abgases mittels beispielsweise Einspritzung von
Kraftstoff in den Abgasstrang würde aber einerseits zu einem nicht tolerierbaren Ver
brauchsanstieg und andererseits, wegen des hohen Sauerstoffgehalts der Dieselabgase, zu
einer hohen Oxidationswärme führen, da vor der Umsetzung des gespeicherten NOx der
eingedüste Kraftstoff oxidiert wird. Hierdurch besteht die Gefahr einer Zerstörung des Kata
lysators.
Aus der DE 43 42 062 A ist eine Abgasreinigungsvorrichtung für Dieselbrennkraftmaschinen
bekannt, bei der der NOx-Speicher zum Regenerieren vom Abgasstrom abgesperrt wird.
Dies geschieht regelmäßig dann, wenn der Speicher seine Kapazität erreicht hat. Um
während des Regenerierens weiterhin keine NOx-Emissionen zu haben, wird der Abgas
strom über einen zweiten NOx-Speicher geführt. Alternativ wird der Abgasstrom gedrosselt
und ein komplizierter Regenerierungsalgorithmus eingeleitet. Hierbei ist die Funktionssicher
heit problematisch. Außerdem bedingt die Verdoppelung des NOx-Speichers einen erhebli
chen Aufwand, wobei trotz des Aufwands nur bedingt eine gute Abgasreinigung erreicht
wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dieselbrennkraftmaschine mit einem
einfachen NOx-Speichersystem auszurüsten, wobei gute Abgasreinigungswerte erzielt wer
den sollen. Aufgabe ist auch ein entsprechendes Verfahren.
Bei dem eingangs beschriebenen Verfahren wird diese Aufgabe gelöst mit den kennzeich
nenden Maßnahmen der Ansprüche 1, und/oder 2; bei der Dieselbrennkraftmaschine wird
die Aufgabe gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12.
NOx-Speicherkatalysatoren enthalten beispielsweise Oxide bzw. Carbonate der Alkali,
Erdalkali und/oder Seltenerdmetallen, die bei Durchströmung mit einem mageren Abgas
Stickoxide in Form von Nitrat oder Nitrit einlagern und bei Durchströmung mit stöchiometri
schem oder fettem Abgas diese wieder freisetzen, wobei in einer mit 3-Wege-Katalysatoren
vergleichbaren Arbeitsweise bei der Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff Kohlenwasser
stoffe zu Wasser und Kohlendioxid oxidiert werden. Ein solcher üblicher NOx-Speicher
katalysator, wie er auch in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, ist in der
DE 43 42 062 A beschrieben.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform sitzt der NOx-Speicher in einem ersten Zweig
der Abgasanlage und bei der Regeneration wird der zumindest überwiegende Teil des vorlie
genden Abgasstroms über einen zweiten Zweig unter Umgehung des NOx-Speichers
geführt. In einer günstigen Ausgestaltung können die beiden Abgaszweige wieder nach dem
NOx-Speicher vereinigt werden, wobei vorteilhaft in dem wiedervereinigten Teil der
Abgasanlage weitere Abgasbehandlungen hinsichtlich Geräusch und/oder Abgasentgiftung
vorgenommen werden. Insbesondere lassen sich in diesem wiedervereinigten Teil ein
Oxidationskatalysator und/oder ein Rußfilter unterbringen. In dem zweiten Zweig kann
vorteilhaft ein zweiter NOx-Speicher untergebracht sein, der gleich dem ersten NOx-Spei
cher ausgebildet sein kann, vorzugsweise jedoch, insbesondere wenn die Regeneration des
ersten NOx-Speichers bei geringem NOx-Gehalt im Abgasstrom je Zeiteinheit erfolgt, kann
der zweite NOx-Speicher kleiner ausgeführt sein. Dieser zweite NOx-Speicher läßt sich
analog dem ersten NOx-Speicher regenerieren, wenn durch den ersten NOx-Speicher
überwiegende Teile (analog wie oben beschrieben) des Abgasstroms geführt werden. In
einer weiteren Ausgestaltung kann in dem zweiten Zweig auch ein Oxidationskatalysator
untergebracht sein, der dann aufgrund seiner Nähe zum Motor schneller anspringt als ein in
dem zusammengeführten Teil der Abgasanlage untergebrachter Oxidationskatalysator. Da
auch der NOx-Speicher im mageren Abgas eine Wirkung als Oxidationskatalysator hat, ist
eine Oxidation von CO und HC während des NOx-Speicherns und der Regeneration des
NOx-Speichers stets sichergestellt. Die Verwendung eines Oxidationskatalysators im
zusammengeführten Teil der Abgasanlage bringt insbesondere bei der Regeneration und bei
hoher Motorlast den Vorteil, daß zwei Oxidationskatalysatoren (NOx-Speicher und Oxida
tionskatalysator im zusammengeführten Teil) hintereinander geschaltet sind und somit eine
besonders effektive CO- und HC-Reinigung stattfindet.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine, bei dem
der Abgasstrom der Dieselbrennkraftmaschine über einen NOx-Speicher geschickt wird,
erfolgt die Regeneration vorteilhaft unter einem Teilabgasstrom oder unter völligem Aus
schluß des Dieselabgasstroms, d. h. zumindest der überwiegende Anteil des Abgasstroms
der Dieselbrennkraftmaschine wird bei der Regeneration des NOx-Speichers vor diesem
abgezweigt.
Vorteilhaft werden maximal 25% der während der Regeneration von der Dieselbrennkraft
maschine ausgestoßenen Abgase und insbesondere werden maximal 10% des Abgas
stroms bei der Regeneration durch den NOx-Speicher geleitet.
Erfindungsgemäß wird der NOx-Speicher - anders als im Stand der Technik - vorteilhaft
nicht erst dann regeneriert, wenn seine NOx-Speicherfähigkeit droht zu erschöpfen, sondern
bereits gezielt bei bestimmten Betriebsbedingungen der Dieselbrennkraftmaschine. Diese
Betriebsbedingungen sind solche mit einem durchschnittlich geringen NOx-Gehalt im
Abgasstrom, wobei insbesondere Schubphasen, aber auch Leerlaufphasen geeignet sind.
Ebenso kann die Regeneration auch temperaturbestimmt sein, wobei hier zwei Kriterien eine
Rolle spielen, nämlich zum einen abnehmende Abgastemperatur und zum anderen das
Unterschreiten eines vorbestimmten Temperaturwertes. Der vorbestimmte Temperaturwert
kann ein Erfahrungswert sein, wobei insbesondere Temperaturwerte 200°C geeignet sind,
er kann jedoch auch ein Wert sein, der sich nach der Speicherfähigkeit des NOx-Speichers
in Abhängigkeit der Temperatur bestimmt, wobei hier auf die abnehmende NOx-Speicher
fähigkeit mit abnehmender Temperatur abgestellt wird. Vorzugsweise erfolgt das Regene
rieren bei oder unterhalb einer Temperatur, bei der die NOx-Speicherfähigkeit auf 90%
und insbesondere 80% der NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speichers bei 300°C
abgesunken ist. Vorteilhafterweise liegt die Temperatur nicht unterhalb der Temperatur, bei
der der NOx-Speicher noch mindestens 30% und insbesondere noch mindestens 40%
seiner NOx-Speicherfähigkeit (bezogen auf 300°C) hat.
Bei einem Regenerieren unter diesen Betriebsbedingungen kann für den von dem NOx-
Speicher gesperrten Abgasstrom auf eine NOx-Speicherung oder Drosselung in aller Regel
verzichtet werden, da dieser Abgasstrom kaum NOx enthält. Ein Verzicht auf einen NOx-
Speicher herkömmlicher Art kann hierbei sogar vorteilhaft sein, da der kalte Abgasstrom zu
einer Abkühlung des NOx-Speichers führt, der hierdurch in seiner NOx-Speicherfähigkeit
stark nachläßt. Aus diesem Grunde kann es auch vorteilhaft sein, wenn das Absperren
andauert, bis mindestens eine der oben beschriebenen Bedingungen für das Absperren
nicht mehr vorliegt.
Neben den oben beschriebenen Auswahlkriterien für den Beginn der Regeneration kann -
wie bisher üblich - auch ein Regenerieren erfolgen, wenn die oben genannten Kriterien nicht
vorliegen, der NOx-Speicher jedoch weitgehend oder vollständig erschöpft ist. Dies kann
beispielsweise bei einer anhaltenden hohen Last der Dieselbrennkraftmaschine der Fall sein.
Vorteilhaft fallen jedoch mindestens 50% und insbesondere mindestens 75% der Regene
rierzeit beim durchschnittlichen Betrieb der Brennkraftmaschine unter die erfindungs
gemäßen Kriterien.
Mit den besonderen Regenerierungsbedingungen der vorliegenden Erfindung wird erreicht,
daß die kalten Abgase des an sich betriebswarmen Motors, die einen nur sehr geringen
NOx-Anteil enthalten, den NOx-Speicher nicht auskühlen, so daß dieser seine NOx-
Speicherfähigkeit behält, um bei einem anschließenden Anstieg des NOx im Abgas eine
hohe Wirksamkeit zu besitzen.
Zweckmäßigerweise wird zur Regeneration des NOx-Speichers vor diesen in die Abgas
anlage Kraftstoff eingespritzt, der beim Durchströmen des NOx-Speichers wie oben
beschrieben reagiert. Vorteilhaft wird hierbei der Abgasstrom so weit reduziert, daß er als
Trägerstrom für den eingedüsten Kraftstoff ausreicht. Statt des Abgasstroms oder zusätzlich
können auch Luft oder beispielsweise Brennerabgase als Trägerstrom für den eingedüsten
Kraftstoff diesem und dem NOx-Speicher zugeführt werden. Statt der Kraftstoffeindüsung
kann ein NOx-Reduktionsmittel auch auf andere Weise zugeführt werden, beispielsweise in
Form von fetten Abgasen einer Brennvorrichtung, beispielsweise eines Brenners.
Vorzugsweise wird jedoch die Kraftstoffeindüsung zur Regeneration eingesetzt, da diese
verhältnismäßig wenig aufwendig und gut dosierbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform wird beim Eindüsen von Kraftstoff (oder
Durchleiten von Abgasen mit hohem oxidierbaren Anteil) die Oxidationskatalysatorwirkung
des NOx-Speichers ausgenutzt oder diesem ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet, in dem
in Gegenwart von Sauerstoff die oxidierbaren Bestandteile (Kraftstoff) unter Wärmeentwick
lung oxidiert werden, um den NOx-Speicher aufzuheizen. Dies ist insbesondere bei
wirkungsgradoptimierten Dieselmotoren und besonders bei Turboaufladung zweckmäßig, da
hier hohe Abgasmassenströme bei geringen Temperaturen vorliegen. Bei solchen Diesel
motoren kann während Schwachlastphasen die für die NOx-Speicherung erforderliche
Mindesttemperatur (üblicherweise mindestens 200°C) unterschritten werden. Ferner ver
streicht auch beim Kaltstart (kalter Katalysator) stets eine gewisse Zeit bis zum Erreichen
dieser Mindesttemperatur. Durch die beschriebene Maßnahme wird eine zusätzliche NOx-
Speicherheizung zur Verfügung gestellt, die sowohl die Aufheizzeit verkürzt als auch bei zu
geringen Abgastemperaturen beim Betrieb der Brennkraftmaschine hinreichende Kataly
satortemperaturen gewährleistet. In einer weiteren Ausführungsform kann dies auch mit
einem Brenner erreicht werden. Üblicherweise haben Brenner für Dieselkraftstoff eine leicht
magere Abstimmung, so daß zur Regeneration des NOx-Speichers eine zusätzliche Kraft
stoffeindüsung erforderlich ist. Falls durch brennerseitige Maßnahmen auch ein Betrieb bei λ
<1 zumindest kurzzeitig möglich ist, kann diese Eindüsung entfallen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die NOx-Speicherbeheizung auch mit einem E-Kat
(elektrisch beheizter Katalysator) erfolgen. Elektrisch beheizte Vorkatalysatoren sind bei
Ottomotoren seit längerem bekannt und erprobt. Bei Dieselmotoren ist die Verwendung
eines Vollstrom-E-Kats nicht sinnvoll, da zum einen der Abgasmassenstrom wesentlich
höher ist als bei Ottomotoren und überdies vergleichsweise geringe CO- und HC-Rohemis
sionen zur katalytischen Verbrennung bereitstehen. Zur Erzielung der gleichen Wirksamkeit
wie bei vergleichbaren Ottomotoren sind wegen der Auskühlung durch den hohen Abgas
massenstrom sowie als Folge der geringen katalytischen Umsetzung insbesondere bei auf
geladenen direkt einspritzenden Dieselmotoren E-Kat-Ströme von 300 bis 500 A bei 12 V
erforderlich. Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch der Einsatz einer E-Kat-Beheizung
des NOx-Speichers möglich. In diesem Fall kann der E-Kat einerseits bei der Regeneration
des NOx-Speichers betrieben werden, d. h. dem E-Kat werden über einen geringen Teil
strom des Abgasstromes und/oder durch eine zusätzliche Lufteinblasung sauerstoffhaltige
Gase zugeführt, die er mit zusätzlich eingedüstem Kraftstoff katalytisch unter
Wärmeentwicklung umsetzt. Die Gesamtheizleistung sowie das eventuell vorliegende Luft-
Abgasteilstrom-Verhältnis wird durch die Kraftstoffeindüsung bestimmt. Durch diese Maß
nahme wird einerseits der Sauerstoffanteil bei der Regeneration gesenkt (die Regeneration
ist nur bei einem geringen Sauerstoffanteil im Gasstrom durch den Katalysator möglich) und
andererseits wird die zur Regeneration erforderliche Temperatur sichergestellt. Darüber hin
aus kann der E-Kat auch beim Durchführen des überwiegenden Teils des Abgasmassen
stroms durch den NOx-Speicher (NOx-Speicher wirkt als Speicher) eingesetzt werden,
hierbei ebenfalls mit Kraftstoffeindüsung, wobei bei dieser Verfahrensweise der E-Kat nur
eine solche Temperatur erreichen muß, daß der eingedüste Kraftstoff oxidiert wird, wobei
wiederum die entstehende Wärme zur Sicherung der notwendigen NOx-Speicherungs
temperatur dient. Die Stromaufnahme eines solchen E-Kats, insbesondere im Teilstrom
betrieb, kann mit ca. 30-60 A angesetzt werden und stellt somit gegenüber
Otto-E-Kats geringere Anforderungen an das Bordnetz und die Ansteuerung.
Die Heizsysteme bieten den Vorteil, daß neben der Beheizung des NOx-Speichers auch das
Aufheizverhalten eines nachgeschalteten Oxidationskatalysators verbessert wird. Vorteilhaft
können beide Heizsysteme auch Wärme zur Regeneration möglicher Sulfateinlagerungen in
dem NOx-Speicher und zum Regeneration eines nachgeschalteten Partikelfilters (Rußfilter)
zur Verfügung stellen. So kann beispielsweise durch den Brenner bzw. den E-Kat mit
Kraftstoffeindüsung eine Temperatur von oberhalb 700°C im Gasstrom durch den NOx-
Speicher erreicht werden, wodurch Sulfateinlagerungen bei Lambden < 1 entfernt werden.
Zweckmäßigerweise wird eine so hohe Temperatur nur bei Bedarf oder, falls der nur schwer
feststellbar ist, nach einer festgelegten Zahl von NOx-Speicherregenerationen (NOx-Entfer
nung) durchgeführt werden. Hierdurch wird das System nicht zu stark belastet. Die Sulfat
regeneration kann beispielsweise bei jeder zehnten, zwanzigsten oder auch fünfzigsten
NOx-Regeneration stattfinden.
Vorteilhaft erfolgt die Regeneration des NOx-Speichers - wie oben ausgeführt - bei einem
geringen NOx-Gehalt im Abgasstrom je Zeiteinheit, d. h. insbesondere in Schubphasen und
ggf. (je nach Dieselkraftmaschine) auch/oder in Leerlaufphasen. Diese Phasen machen bei
dem üblichen Betrieb eines Kraftfahrzeuges einen hohen Zeitanteil aus, wobei hier die NOx-
Emissionen nur bei etwa 10% liegen. Die nachfolgende Tabelle zeigt den Zeitanteil und die
NOx-Emissionen bei einem VW Golf III mit 66 kW Turbodiesel-Direkteinspritzermotor im
MVEG-Zyklus.
Hieraus ist ersichtlich, daß wenn ausschließlich im Schubbetrieb der NOx-Speicher regene
riert wird (ggf. auch mit gewissen Anteilen im Leerlaufbetrieb), praktisch keine NOx-Emis
sionen bzw. zumindest eine Reduzierung der NOx-Emissionen um etwa 90% erreichbar
sind.
Die zu der Erfindung gehörende Dieselbrennkraftmaschine weist eine Abgasanlage auf, in
der ein NOx-Speicher angeordnet ist. In Strömungsrichtung vor dem NOx-Speicher ist eine
Abzweigung vorgesehen, durch die wahlweise zumindest ein Teil des Abgasstromes führbar
ist. Der durch die Abzweigung geführte (Teil-)Strom strömt nicht durch den NOx-Speicher.
Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die den Abgasstrom an der Abzweigung aufteilen. Diese
Mittel enthalten eine Steuerung, die in Zusammenwirkung mit den Mitteln den Abgasstrom
bei einer NOx-Speicherung zumindest überwiegend, vorzugsweise zu mindestens 75% und
insbesondere zu mindestens 90% über den NOx-Speicher führt und zumindest zeitweilig bei
der Regeneration des NOx-Speichers den überwiegenden Anteil des Abgasstroms,
vorteilhaft zu mindestens 75% und insbesondere mindestens 90% des Abgasstromes über
die Abzweigung an dem NOx-Speicher vorbeiführt. Erfindungsgemäß ist für den durch den
NOx-Speicher geführten und den an diesem vorbeigeführten Abgasstrom ein gemeinsamer,
nachgeschalteter Oxidationskatalysator vorgesehen. Die Kriterien für das Abzweigen des
Abgasstromes sind hierbei vorteilhaft die des oben beschriebenen Verfahrens.
Die Dieselbrennkraftmaschine enthält vorteilhaft weiterhin noch die oben beim Verfahren
beschriebenen Elemente. Die Vorrichtung und das Verfahren finden vorzugsweise Einsatz in
einem Kraftfahrzeug.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher
beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine Abgasreinigung mit NOx-Speicher und Oxidationskatalysator;
Fig. 2 die Abgasreinigung gemäß Fig. 1 mit einem Brenner;
Fig. 3 die Abgasreinigung gemäß Fig. 1 mit einem E-Kat;
Fig. 4 eine Abgasreinigung mit zwei NOx-Speichern;
Fig. 5 die Abgasreinigung gemäß Fig. 4 mit einem Brenner;
Fig. 6 die Abgasreinigung gemäß Fig. 4 mit E-Kat; und
Fig. 7 ein NOx-Abgastemperatur-Diagramm.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Abgasanlage 1 werden die Abgase von einer (nicht dargestellten)
Dieselbrennkraftmaschine (Selbstzünder) über einen Turbolader 2 zu einer Abgasweiche 3
geführt. Die Abgasweiche 3 weist zwei Klappen auf, die wechselseitig offen bzw.
geschlossen sind. Hierdurch werden ein erster Zweig 4 oder ein zweiter Zweig 5 der
Abgasanlage 1 für den Abgasstrom freigegeben. Dargestellt ist eine Freigabe des ersten
Zweigs 4, in den in Strömungsrichtung gesehen (Pfeil) nach der Abgasweiche 3 eine Kraft
stoffeindüsung 6 mündet. Weiter in Strömungsrichtung abwärts von der Kraftstoffeindüsung
6 ist ein NOx-Speicherkatalysator in den ersten Zweig 4 eingesetzt, der in Strömungsrich
tung für den Abgasstrom durchlässig ist und im wesentlichen vom gesamten Abgasstrom,
der durch den ersten Zweig 4 geführt wird, durchströmt wird. Weiter stromabwärts ist nach
dem NOx-Speicherkatalysator 7 eine Lambda- und/oder Temperatursonde in den ersten
Zweig 4 geführt. Stromabwärts von der Sonde 8 werden die beiden Zweige 4 und 5 wieder
vereinigt 9 (auch hier könnte die Abgasweiche vorgesehen sein), so daß der gesamte
Abgasstrom durch ein Endrohr 10 der Abgasanlage geführt wird. Nach dem Endrohr 10 kön
nen noch Schalldämpfer oder andere Teile von Abgasanlagen angeschlossen sein.
In dem zweiten Zweig 5 und/oder im Endrohr 10 können Oxidationskatalysatoren 11 und 12
vorgesehen sein.
Bei dieser Abgasanlage 1 wird über die zwei alternierend gekoppelten Klappen 3 jeweils nur
ein Zweig der parallel laufenden Abgasstränge 4 und 5 freigegeben. Während Beschleu
nigungsvorgängen der Brennkraftmaschine und in Konstantfahrphasen ist der erste Zweig 4
geöffnet, so daß der Abgasstrom zunächst den NOx-Speicherkatalysator 7 durchströmt, in
dem anfallende Stickoxide eingelagert werden. Über dies wirkt der NOx-Speicherkat in dem
mageren Dieselabgas als Oxidationskatalysator, so daß gleichzeitig eine CO- und HC-
Umsetzung stattfindet. Sofern diese nicht ausreichend ist, wird zusätzlich noch der Oxida
tionskatalysator 12 vorgesehen. In einer anschließenden Schub- und ggf. auch Leerlauf
phase der Dieselbrennkraftmaschine wird die Abgasweiche 3 umgeschaltet, so daß der
erste Zweig 4 geschlossen und der zweite Zweig 5 geöffnet ist. Sofern bei diesen
Betriebsphasen zuviel CO und/oder HC im Abgas ist, kann hier in den zweiten Zweig 5 der
Oxidationskatalysator 11 - insbesondere wenn kein Oxidationskatalysator 12 vorgesehen ist
- eingesetzt werden.
Die Abgasweiche 3 schließt zumindest den zweiten Zweig 5 möglichst vollständig vom
Abgasstrom ab wenn der erste Zweig 4 geöffnet ist, anders herum wird der erste Zweig 4
vorzugsweise nur weitgehend vom Abgasstrom abgeschlossen, so daß auch bei offenem
zweiten Zweig 5 ein kleiner Teilstrom des Abgasstroms durch den ersten Zweig 4 strömt.
Diese Grundströmung dient als Raumgeschwindigkeit (Mindestdurchströmung) um über die
Kraftstoffeindüsung 6 eingedüsten Kraftstoff durch den NOx-Speicherkatalysator 7 zu beför
dern. Alternativ oder zusätzlich kann mit der Kraftstoffeindüsung auch eine Luftzufuhr erfol
gen, die wiederum zum Erreichen der Mindestdurchströmung des NOx-Speicherkatalysators
7 dient. Der eingedüste Kraftstoff setzt sich in dem NOx-Speicherkatalysator 7 zum Teil
unter Erwärmung desselben mit dem im Grundstrom noch vorhandenen Sauerstoff um, die
verbleibenden Kraftstoffanteile (HC) reagieren mit dem eingelagerten NOx zu Stickstoff,
Wasser und Kohlendioxid. Das Ende dieser NOx-Umsetzung (und entsprechender Kraft
stoftzudüsung) wird mit der Sonde 8 erkannt, die als Lambdasonde ein λ < 1 und als Tempe
ratursonde einen Temperaturabfall (die Reaktion ist exotherm) registriert. Vorteilhaft werden
beide Sonden eingesetzt und abgefragt. Eventuell bei dieser Umsetzung nicht verbrauchte
HC-Bestandteile vermischen sich wieder mit dem Hauptabgasstrom, der durch den zweiten
Zweig 5 strömt, und werden mit dem hierin enthaltenen Sauerstoff in dem Oxidationskataly
sator 12 zu Wasser und CO₂ umgesetzt.
Nach der Regeneration des NOx-Speichers 7 kann die Abgasweiche 3 wieder umgestellt
werden, so daß der Abgasstrom durch den ersten Zweig 4 strömt, auch wenn die Diesel
brennkraftmaschine sich noch im Schubbetrieb oder in einer Leerlaufphase befindet, so daß
auch die hier gering anfallenden Stickoxide wieder gespeichert werden. Da der Regenerati
onsvorgang in ca. 0,2 bis 20 sec. beendet ist, insbesondere in 0,5 bis 10 sec., besteht in
einem normalen Kraftfahrzeugbetrieb genügend Zeit zur Regeneration im Schubbetrieb. Um
auch bei lang anhaltenden Beschleunigungs- und Konstantfahrten eine weitgehende
Beseitigung der Stickoxide sicherzustellen, kann eine Zeit- und/oder Dieselbrennkraft
maschine-Betriebszustand-Steuerung vorgesehen werden, die dazu führt, daß zusätzlich zu
dem oben beschriebenen Verfahren Regenerationszyklen stattfinden (beispielsweise auch
während Konstantfahrten und/oder Beschleunigungen). Da die Regenerationszeit wesentlich
kürzer ist als die Beladungszeit des NOx-Speicherkatalysators 7, wird auch hier eine
weitgehende Säuberung von den Stickoxiden erreicht.
Die in Fig. 2 dargestellte Abgasanlage 101 hat, wie auch an den Bezugszeichen zu erken
nen ist, prinzipiell den gleichen Aufbau wie in Fig. 1 beschrieben. Zusätzlich ist hier ein
Brenner 113 vorgesehen, dessen erhitzte Brennergase (Doppelpfeil) in Strömungsrichtung
gesehen nach der Abgasweiche 3 in den ersten Zweig 4 eingeleitet werden. Mit dem Bren
ner kann einerseits bei einem Fahrzeugkaltstart der kalte NOx-Speicherkatalysator 7 und der
eventuell vorhandene Oxidationskatalysator 12 schnell auf Betriebstemperatur gebracht
werden, andererseits kann auch bei Schwachlastphasen der Dieselbrennkraftmaschine (hier
kann die Abgastemperatur deutlich unter 200° liegen) die für die NOx-Speicherung erforder
liche Mindesttemperatur sichergestellt werden. Für den letzteren Zweck ist nur eine sehr
geringe Brennerleistung erforderlich.
Da beim Betrieb des Brenners 113 mit Dieselkraftstoff eine leicht magere Abstimmung üblich
ist, ist zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 7 eine zusätzliche Kraftstoff
eindüsung 106 - wie oben beschrieben - erforderlich. Falls durch brennerseitige Maßnahmen
auch ein zumindest kurzfristiger Betrieb bei λ < 1 möglich ist, kann diese Eindüsung
entfallen.
Die in Fig. 3 dargestellte Abgasanlage 201 unterscheidet sich wiederum von der Abgas
anlage 1 aus Fig. 1 nur geringfügig. Hier ist der Oxidationskatalysator 11 (der grundsätzlich
optional ist) weggelassen und als Abgasweiche kommt eine Einklappenlösung 203 zum Ein
satz. Außerdem ist vor dem NOx-Speicherkatalysator 7 ein E-Kat 214 (elektrisch geheizter
Oxidationskatalysator) vorgesehen, der die Funktion des in Fig. 2 beschriebenen Brenners
113 übernimmt. Der E-Kat 214 kommt mit einer geringen Heizleistung (ca. 40 A bei 12 V)
aus, da er im Betrieb nur die Temperatur erreichen muß, die notwendig ist damit zugedüster
Kraftstoff oxidiert wird. Hierdurch tritt dann eine Selbsterwärmung ein, die mit dem Abgas
strom an die nachfolgenden Katalysatoren abgegeben wird. Bei dieser Ausführungsform
sollte bei der Regeneration möglichst wenig Sauerstoff in der Grundströmung vorhanden
sein, damit sich der E-Kat hier nicht überhitzt, grundsätzlich kann der E-Kat (die Strom
versorgung) bei der Regeneration abgeschaltet sein.
Bei den oben und nachfolgend beschriebenen Heizsystemen (Brenner und E-Kat) für den
NOx-Speicherkatalysator 7 werden üblicherweise so wenig Brennergase und oder Kraftstoff
zugeführt, daß die resultierende Temperatur im Abgas bei 250° bis 400°, insbesondere 300°
bis 350° liegt.
In Fig. 4 ist eine Abgasanlage 301 dargestellt, die in beiden Zweigen 4 und 5 einen
Speicherkatalysator 7 mit Kraftstoffeindüsung 6 und nachgeschalteter Sonde 8 aufweist; ein
im Endrohr 10 nachgeschalteter Oxidationskatalysator (12) ist nicht dargestellt, kann aber
vorgesehen werden. Auch hier ist der prinzipielle Ablauf wie in Fig. 1 beschrieben, mit dem
Unterschied, daß bei einer gleichwertigen Auslegung der NOx-Katalysatoren 7 die Umschal
tung der Abgasweiche 3 nicht durch die Fahrphasen, sondern allein durch Zeit und/oder
dieselbrennkraftmaschinenbetriebszustandsabhängig erfolgt. Hinsichtlich der Speicher
kapazität kann einer der NOx-Speicherkatalysatoren 7 auch schwächer ausgelegt werden,
unter Berücksichtigung dieser geringeren Kapazität kann dann ebenfalls wie oben beschrie
ben, aber auch nach der in Fig. 1 beschriebenen Regeneration in unterschiedlichen
Betriebsphasen der Brennkraftmaschine verfahren werde, wobei der schwächer ausgelegte
NOx-Speicherkatalysator vorteilhaft in den Schub- und/oder Leerlaufphasen der Diesel
brennkraftmaschine die NOx-Speicherung übernimmt, während der stärker ausgelegte NOx-
Speicherkatalysator regeneriert wird.
Auch eine solche Abgasanlage kann, wie in Fig. 5 mit 401 dargestellt, mit einem Brenner
system 413 ausgerüstet werden. Zur getrennten Versorgung der beiden Zweige 4 und 5 mit
den erhitzten Brennergasen werden diese über ein Klappensystem 415 je nach Betriebs
zustand in den Zweigen 4 und 5 diesen getrennt zugeführt. Hierdurch kommt man mit einer
Kraftstoffeindüsung 406 aus. Sofern der Brenner nicht nur zur Regeneration der NOx-
Speicherkatalysator 7 eingesetzt wird (falls hierbei auch Sulfateinlagerungen entfernt werden
sollen, muß die Regenerationstemperatur auf oberhalb 700°C angehoben werden), erfolgt
die Steuerung der Verteilerklappen 415 entsprechend so, daß jeder Zweig die für ihn
günstige Wärme und Kraftstoffmenge bekommt.
In Fig. 6 ist eine entsprechend Fig. 4 und 5 aufgebaute Abgasanlage 501 dargestellt, die
statt mit einem Brennersystem mit E-Katalysatoren 414 ausgerüstet ist. Prinzipiell ist die
Funktion hier wie in Fig. 5 beschrieben, wobei hier wiederum individuelle Kraftstoff
eindüsungen 6 vorgesehen sind. Auch wird hier nur eine Lambdasonde 8 eingesetzt, die die
in Fig. 1 beschriebene Funktion erfüllt. Hier ist außerdem wiederum ein Oxidationskatalysa
tor 12 in dem Endrohr 10 vorgesehen um insbesondere eine Oxidation von eventuell zuviel
eingedüstem Kraftstoff sicherzustellen.
Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Abgastempera
tur und dem NOx-Ausstoß der Dieselbrennkraftmaschine besteht. Bei einem Absinken der
Abgastemperatur auf 200°C (dieser Wert kann je nach Dieselbrennkraftmaschine etwas
variieren, wobei bei kleinen Temperaturen immer der beschriebene Effekt vorliegt) ist der
NOx-Ausstoß besonders gering (bei betriebswarmer Brennkraftmaschine), so daß hier eine
weitere Befreiung der Abgase von den Stickoxiden bezüglich der Gesamtemission an
Stickoxiden nahezu ohne Bedeutung ist ( 10%). Entsprechen kann bei einem Absinken der
Abgastemperatur unterhalb 200°C, bzw. auf Werte, bei denen eine nur geringe NOx-
Emission gegeben ist, der NOx-Speicher vom Abgasstrom getrennt und regeneriert werden.
Im normalen Fahrbetrieb liegen genügend solcher Phasen mit niedrigeren Abgastemperatu
ren vor, insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen mit einem hohen Wirkungsgrad, wie
es bei Turbodieseldirekteinspritzern der Fall ist. Entsprechend eignet sich die vorliegende
Erfindung insbesondere bei solchen Dieselaggregaten.
Claims (15)
1. Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem NOx-Speicher, der
zur NOx-Speicherung von dem Abgasstrom durchströmt wird, und Regeneration des
NOx-Speichers, bei der der NOx-Speicher bei laufendem Betrieb der
Dieselbrennkraftmaschine zumindest überwiegend von dem Abgasstrom abgesperrt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicher in einem ersten Zweig der
Abgasanlage ist und der von diesem zumindest überwiegend abgesperrte Abgasstrom
über einen zweiten Zweig unter Umgehung des NOx-Speichers geführt wird, und daß
in dem zweiten Zweig kein NOx-Speicher und/oder ein nicht als NOx-Speicher
fungierender Oxidationskatalysator ist.
2. Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem NOx-Speicher, der
zur NOx-Speicherung von dem Abgasstrom durchströmt wird, und Regeneration des
NOx-Speichers, bei der der NOx-Speicher bei laufendem Betrieb der
Dieselbrennkraftmaschine zumindest überwiegend von dem Abgasstrom abgesperrt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicher in einem ersten Zweig der
Abgasanlage ist und der von diesem zumindest überwiegend abgesperrte Abgasstrom
über einen zweiten Zweig unter Umgehung des NOx-Speichers geführt wird, und daß
in Strömungsrichtung nach dem NOx-Speicher ein Oxidationskatalysator angeordnet
ist, der von dem durch den NOx-Speicher geführten Abgasstrom und von dem von
dem NOx-Speicher gesperrten Abgasstrom durchströmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Zweig kein
NOx-Speicher und/oder ein nicht als NOx-Speicher fungierender Oxidationskatalysator
ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem NOx-Speicher
zumindest überwiegend abgesperrte Abgasstrom in dem zweiten Zweig über einen
zweiten NOx-Speicher geführt wird, der im Wechsel zu dem (ersten) NOx-Speicher
regeneriert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Absperren gezielt bei einem durchschnittlich geringen NOx-Gehalt im Abgasstrom je
Zeiteinheit und/oder in Schubphasen und/oder in Leerlaufphasen der
Dieselbrennkraftmaschine erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrdauer zu
mindestens 50%, insbesondere mindestens 75%, erfolgt, wenn ein durchschnittlich
geringer NOx-Gehalt im Abgasstrom je Zeiteinheit und/oder eine Schubphase
und/oder eine Leerlaufphase der Dieselbrennkraftmaschine vorliegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Regeneration des oder der NOx-Speicher ein Kraftstoff in diese eingeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Brenner zum Erwärmen des/der NOx-Speicher und/oder des/der
Oxidationskatalysator/en vorgesehen ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Absperren erfolgt, wenn die Temperatur des Abgasstroms auf einen
vorbestimmten Wert, insbesondere 200°C, sinkt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Absperren gezielt erfolgt, wenn die Temperatur des Abgasstroms auf einen so
niedrigen Wert sinkt, daß die NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speichers
temperaturbedingt auf 90% der NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speichers bei 300°C
abnimmt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Absperren andauert, bis die Schubphase oder die Leerlaufphase beendet ist
und/oder bis die Abgastemperatur wieder einen Wert oberhalb des vorbestimmten
Wertes, insbesondere < 200°C, bzw. < 90% der NOx-Einspeicherkapazität, bezogen
auf die NOx-Einspeicherkapazität bei 300°C, erreicht hat.
12. Dieselbrennkraftmaschine mit einer Abgasanlage (1, 101 bis 501), in der ein
regenerierbarer NOx-Speicher (7), eine in Strömungsrichtung (Pfeil) vor dem NOx-
Speicher (7) angeordnete Abzweigung für den Abgasstrom und Mittel (3, 203)
angeordnet sind, die zumindest während einer Regeneration während des Betriebs der
Dieselbrennkraftmaschine zumindest einen überwiegenden Anteil des Abgasstroms
durch die Abzweigung schicken, so daß der überwiegende Anteil nicht durch den NOx-
Speicher strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicher in einem ersten
Zweig der Abgasanlage angeordnet ist, und daß der von diesem zumindest
überwiegend abgesperrte Abgasstrom über einen zweiten Zweig (5) unter Umgehung
des NOx-Speichers (7) geführt ist, und daß nach dem NOx-Speicher ein
Oxidationskatalysator angeordnet ist, der von dem durch den NOx-Speicher geführten
Abgasstrom und von dem von dem NOx-Speicher gesperrten Abgasstrom
durchströmbar ist.
13. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem
zweiten Zweig ein zweiter NOx-Speicher angeordnet ist, der im Wechsel zu dem
(ersten) NOx-Speicher regenerierbar ist.
14. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß
vor dem/den NOx-Speicher/n eine Kraftstoffeindüsung vorgesehen ist.
15. Dieselbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet,
durch einen elektrisch beheizbaren Oxidationskatalysator, der vor dem/den NOx-
Speicher/n und ggf. hinter der Kraftstoffeindüsung angeordnet ist.
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