DE19731623A1 - Verfahren und Vorrichtung zur De-Sulfatierung von NOx-Speichern bei DI-Dieselmotoren - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur De-Sulfatierung von NOx-Speichern bei DI-Dieselmotoren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur De-Sulfatierung von NOx-Speichern bzw. Speicherkatalysatoren bei DI-Dieselmotoren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
NOx-Speicher bzw. Speicherkatalysatoren, die zur Speicherung von NOx bei Brennkraftmaschinen im Magerbetrieb dienen, werden während des Betriebs durch den im Kraftstoff enthaltenen Schwefel und dessen Einlagerung als Sulfat in dem NOx- Speicherkatalysator vergiftet, so daß die Sulfateinlagerung die NOx-Einlagerung blockiert. Es ist daher in periodischen Abständen eine Entschwefelung bzw. eine De-Sulfatierung des NOx-Speichers durchzuführen. Eine derartige Schwefelvergiftung des NOx-Speichers ist überwiegend oder vollständig reversibel, sofern in reduzierender Umgebung eine De- Sulfatierungs-Mindesttemperatur überschritten wird die größer als 600°C ist. Zur Reduzierung des NOx-Speichers wird dagegen nur eine Temperatur von größer als 200°C benötigt.
Die vollständige De-Sulfatierung eines vollkommenen mit Sulfat vergifteten NOx-Speichers mit CO als Reduktionsmittel ist bei Mager-Ottomotoren und DI-Ottomotoren für einen Betrieb mit λ < 1 und einer De-Sulfatierungstemperatur von (typisch) ≧ 700°C möglich, wobei die Mindest-De-Sulfatierungstemperatur je nach Speichermaterial 500-750°C betragen kann. Da bei Mager-Ottomotoren und DI-Ottomotoren ein Betrieb mit ≦ 1 auch über längere Zeiträume möglich ist, kann im allgemeinen eine Einstellung der Randbedingungen zur De- Sulfatierung problemlos realisiert werden.
Demgegenüber ist bei Dieselmotoren, insbesondere bei DI-Dieselmotoren, ein unterstöchiometrischer Motorbetrieb allenfalls im unteren und mittleren Teillastbereich möglich. Die Abgastemperaturen liegen in den Typprüf-Fahrzyklen und dem Realverkehr im allgemeinen unter 500°C und überschreiten höchstens bei Vollast die 700°C-Marke. Ein Regenerationsverfahren mittels eines längerfristigen Betriebes mit λ ≦ 1 wie bei Ottomotoren ist daher bei Dieselmotoren schwer zu realisieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur De-Sulfatierung von NOx-Speichern bei DI-Dieselmotoren, durch das während des Fahrbetriebs eine sichere De- Sulfatierung möglich ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur De-Sulfatierung einer Abgasreinigungsanlage eines Dieselmotors, enthaltend einen NOx-Speicher mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Einleiten abgastemperatursteigernder Maßnahmen am Oxidationskatalysator beim Erkennen der Notwendigkeit einer De-Sulfatierung und dem Vorliegen einer Mindestabgastemperatur, (b) Erzeugen eines nahezu sauerstoffreien Abgasstroms mit einem Gehalt von 5 bis 10% CO nach dem Erreichen der zur De-Sulfatierung notwendigen Mindest-De-Sulfatisierungstemperatur am NOx-Speicher, und (c) Rückkehr zu normalen Motorbetriebsbedingungen nach dem Ablauf der notwendigen Regenerationszeit des NOx-Speichers.
Vorzugsweise kann die temperatursteigernde Maßnahme durch Androsselung des Dieselmotors unter Beibehaltung eines Betriebs mit λ < 1 erzeugt werden.
Weiterhin kann die temperatursteigernde Maßnahme durch Verschieben des Spritzbeginns der Einspritzung in Richtung "spät" erreicht werden.
Unterstützend kann durch Variation der EGR-Rate, eine Abgasmassenstrom-Absenkung sowie durch eine Verbrennungsverschleppung die Abgas-Temperaturanhebung begünstigt werden.
Bei Dieselmotoren mit VE-Pumpen und PD-Elementen kann zusätzlich eine Kraftstoffeindüsung in das Abgas stromaufwärts des Oxidationskatalysators durchgeführt werden. Ferner kann bei Common-Rail-Dieselmotoren eine Nacheinspritzung als zusätzliche temperatursteigernde Maßnahme durchgeführt werden. Beide Maßnahmen dienen zur Erzeugung des notwendigen Reduktionsmittel-Gehalts des Abgases in dem Oxidationskatalysator. Weiterhin kann das Erzeugen des sauerstoffreien Abgases im Schritt (b) durch Drosselung des Dieselmotors auf einem Betrieb mit λ < 1 erzielt werden.
Der Oxidationskatalysator kann Steam-Reforming-Komponenten aufweisen, so daß der CO- Gehalt des sauerstoffreien Abgases durch zusätzliche Kraftstoffeinbringung vor dem Oxidationskatalysator gesteigert wird.
Vorzugsweise durchläuft das Abgas nach dem Verlassen des NOx-Speichers erneut eine Oxidationsstufe, um die bei der Regeneration freigesetzten Nebenprodukte, wie z. B. H2S, in weniger geruchsintensive Emissionen umzusetzen.
Weiterhin betrifft die Vorrichtung einen Dieselmotor mit einer Drossel im Ansaugbereich und eine Abgasanlage bestehend aus einem Oxidationskatalysator und einem nachfolgenden NOx-Speicher. Dabei kann bei PD- und VE-Motoren vor dem Oxidationskatalysator eine Kraftstoffeindüsung vorgesehen sein. Weiterhin kann der Oxidationskatalysator mit einer Schwefelfalle und/oder einem Steam-Reformer ausgerüstet sein.
Vorzugsweise ist stromabwärts des NOx-Speichers ein Oxidationskatalysator angeordnet, wobei der nachfolgende Oxidationskatalysator einen O2-speichernden Waschcoat aufweisen kann. Es ist auch möglich, den NOx-Speicher als Katalysator auszulegen.
Vorzugsweise ist jeweils vor dem ersten Oxidationskatalysator und zwischen dem ersten Oxidationskatalysator und dem NOx-Speicher oder zwischen dem NOx-Speicher und dem stromabwärtigen Oxidationskatalysator ein Temperaturfühler zur Messung der Abgastemperatur angeordnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erklärt, wobei Fig. 1 ein Schema einer Abgasanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren zeigt.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen DI-Dieselmotor 1 mit vorgeschaltetem Saugrohr 2 und darin eingebauter Drossel 3. Das Abgas des Dieselmotors 1 gelangt über eine Abgasleitung 4 in eine Abgasreinigungsanlage 5 bestehend aus einem ersten Katalysator 6, der als Oxidationskatalysator ausgelegt ist, einem zweiten Katalysator 7, der als NOx-Speicher ausgelegt ist, und einem dritten Katalysator 8, der ebenfalls als Oxidationskatalysator ausgelegt ist. Temperaturfühler 9, 10, 11 sind vor jedem der Katalysatoren angeordnet, wobei die Anordnung der Temperaturfühler 10 und 11 alternativ sein kann. Der erste Katalysator 6 kann optional mit einer Schwefelfalle oder optional mit einem Steam-Reformer versehen sein, was in der Fig. 1 durch unterschiedliche Schraffierung des ersten Katalysators 6 angedeutet ist. Ferner kann der dritte Katalysator 8 optional mit einer O2­ speichernden Waschcoat versehen sein, wobei das O2-speichernde Waschcoat zwingend ist, falls der zweite Katalysator 7 nur ein NOx-Speicher ist, während das O2-speichernde Waschcoat optional ist, falls der zweite Katalysator 7 ein NOx-Speicherkatalysator ist, was in der Fig. 1 durch die unterschiedliche Schraffierung des hinteren Teils des dritten Katalysators 8 angedeutet ist.
Der dem Motor 1 mit Ansaugluftdrossel 3 nachgeschaltete erste Katalysator 6, der als Oxidationskatalysator ausgelegt ist, kann auch auf einer HC-Wasserdampf-Reformierung zur CO-Bildung hin optimiert werden, beispielsweise durch Zugabe von Rh zur üblicherweise verwendeten Pt-Beschichtung. Zusätzlich kann auf demselben Träger des ersten Katalysators 6 eine Schwefelfalle (nicht dargestellt) auf einem hinteren Teilbereich oder auf dem gesamten Träger aufgebracht werden.
Der stromabwärts liegende zweite Katalysator 7 ist als NOx-Speicher ausgelegt, der bei Fehlen einer Schwefelfalle auf dem ersten Katalysator 6 auch noch sulfatspeichernde Funktionen übernimmt. Der zweite Katalysator 7 kann durch Zugabe einer Edelmetallkomponente (nicht dargestellt) auch als Speicherkatalysator arbeiten.
Falls der zweite Katalysator 7 ausschließlich als Speicher arbeitet, ist am Ende der Katalysatorkette ein dritter Katalysator 8 erforderlich, der ausschließlich als Oxidationskatalysator arbeitet. Im hinteren Abschnitt dieses dritten Katalysators 8 kann ein sauerstoffspeichernder Waschcoat (nicht dargestellt) vorgesehen werden. Falls der zweite Katalysator 7 mit Edelmetallkomponenten belegt ist, ist der dritte Katalysator 8 nicht unbedingt erforderlich. Wegen der nachfolgend beschriebenen Nebenproduktbildung bei der De-Sulfatierung ist ein Oxidationskatalysator 8 als dritter Katalysator mit teilweise oder vollständig sauerstoffspeicherndem Waschcoat jedoch sinnvoll.
Im folgenden wird nun anhand der Fig. 1 das Verfahren zur De-Sulfatierung des NOx- Speichers 7 bzw. -Speicherkatalysators 7 beschrieben. Um die zur De-Sulfatierung erforderliche Temperatur erreichen zu können, werden bei Vorliegen einer Mindest- Abgastemperatur von ca. 200°C am ersten Katalysator 6 abgastemperatursteigernde Maßnahmen eingeleitet. Dies kann durch Androsselung des Dieselmotors 1, wobei zunächst ein Betrieb mit λ < 1 beibehalten wird, und durch Verschieben des Spritzbeginns unter Beachtung der Partikelemissionen in Richtung "spät" geschehen. Bei Motoren 1 mit VE- Pumpen oder PD-Elementen (Pumpe - Düse) kann zusätzlich eine Kraftstoffeindüsung 12 in das Abgas stromaufwärts des ersten Katalysators 6 vorgenommen werden. Mit zunehmender Annäherung an λ = 1 steigt der Schadstoffanteil im Abgas stark an, so daß auf eine zusätzliche Kraftstoffeindüsung dann verzichtet werden kann. So steigt beim Androsseln von λ = 1,1 auf λ = 1,01 die chemisch gebundene Energie im Abgas von ca. 0,5 kW auf 5 kW an. Bei Common-Rail-Motoren kann durch Nacheinspritzung ebenfalls verdampfter, aber nicht verbrannter Kraftstoff vor dem ersten Katalysator 6 erzeugt werden. Die Oxidation des Kraftstoffes auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des ersten Katalysators 6 bewirkt eine Temperatursteigerung auf ein Niveau oberhalb der Mindest-De- Sulfatierungstemperatur von beispielsweise 700°C. Um eine vollständige Durchwärmung der schwefelvergifteten Katalysatoren 6, 7, 8 sicherzustellen, wird die eigentliche De- Sulfatierung erst dann eingeleitet, wenn der entsprechende Temperaturfühler 10, 11 ebenfalls eine Temperatur oberhalb der Mindest-De-Sulfatierungstemperatur anzeigt. Dabei ist im Falle, in dem auf dem ersten Katalysator 6 eine Schwefelfalle realisiert ist, der hinter dem ersten Katalysator 6 angeordnete Temperaturfühler 10 für das Verfahren wesentlich, während in dem Falle, in dem auf dem ersten Katalysator 6 keine Schwefelfalle angeordnet ist, der hinter dem zweiten Katalysator 7 angeordnete Temperaturfühler 11 für das Verfahren wesentlich ist.
Zur De-Sulfatierung durch Anfetten des Abgases wird der DI-Dieselmotor 1 in bekannter Weise auf einen λ < 1 Betrieb gedrosselt, so daß ein nahezu sauerstoffreier Abgasstrom mit 1 bis 10% CO entsteht. Bei dem Vorhandensein von Steam-Reforming-Komponenten auf dem ersten Katalysator 6 kann alternativ die zusätzliche Kraftstoffeinbringung in die Abgasanlage 5 so erhöht werden, daß über den Steam-Reformer des ersten Katalysators 6 die benötigte CO-Menge erzeugt wird. Die aus der Schwefelfalle und/oder dem NOx-Speicher 7 freigesetzten Sulfate und Nebenprodukte (z. B. H2S) strömen durch den NOx-Speicher 7, in dem sie aber weder oxidiert noch eingelagert werden können, da beide Prozesse im fetten Abgasstrom nicht ablaufen können. Erst in der sauerstoffspeichernden Zone des nachgeschalteten dritten Katalysators 8 können die Nebenprodukte zu weniger geruchsintensiven Emissionen umgesetzt werden. Für die gesamte De-Sulfatierung ist mit Aufheizzeiten von ca. 30 s und Regenerationszeiten von 15-30 s bei 700°C zu rechnen. Je nach Speichermaterial und Abmessungen der Katalysatoren 6, 7, 8 können die Werte nach oben und unten abweichen.
Bezugszeichenliste
1
DI-Dieselmotor
2
Saugrohr
3
Drossel
4
Abgasleitung
5
Abgasreinigungsanlage
6
Oxidationskatalysator
7
NOx-Speicher
8
Oxidationskatalysator
9
Temperaturfühler
10
Temperaturfühler
11
Temperaturfühler
12
Kraftstoffeindüsung

Claims (16)

1. Verfahren zur De-Sulfatierung einer Abgasreinigungsanlage (5) eines Dieselmotors (1) enthaltend einen NOx-Speicher (7) mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator (6), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
  • (a) Einleiten abgastemperatursteigernder Maßnahmen am Oxidationskatalysator (6) beim Vorliegen der Notwendigkeit einer De-Sulfatierung und dem Vorliegen einer Mindestabgastemperatur,
  • (b) Erzeugen eines nahezu sauerstoffreien Abgasstroms mit einem Gehalt von 1 bis 10% CO nach Erreichen der zur De-Sulfatierung notwendigen Mindest-De- Sulfatisierungstemperatur am NOx-Speicher (7), und
  • (c) Rückkehr zu normalen Motorbetriebsbedingungen nach dem Ablauf der notwendigen Regenerationszeit des NOx-Speichers (7).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperatursteigernde Maßnahme durch Androsselung des Dieselmotors (1) unter Beibehaltung eines Betriebs mit λ < 1 erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die temperatursteigernde Maßnahme durch Androsselung des Dieselmotors (1) auf λ = 1,01-1,05 erzeugt wird, wobei neben der thermischen auch eine katalytische Aufheizung erzielt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die temperatur­ steigernde Maßnahme durch Verschieben des Spritzbeginns in Richtung "spät" erreicht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Dieselmotoren (1) mit VE-Pumpen und PD-Elementen zusätzlich eine Kraftstoffeindüsung (12) in das Abgas stromaufwärts des ersten Oxidationskatalysators (6) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Common-Rail-Dieselmotoren (1) eine Nacheinspritzung als weitere temperatursteigernde Maßnahme vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen des sauerstoffreien Abgases im Schritt (b) durch Drosselung des Dieselmotors (1) auf einem Betrieb mit λ < 1 erzielt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Oxidationskatalysator (6) Steam-Reforming-Komponenten aufweist, so daß der CO-Gehalt des sauerstoffreien Abgases durch zusätzliche Kraftstoffeinbringung vor dem ersten Oxidationskatalysator (6) erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas nach dem Verlassen des NOx-Speichers (7) erneut eine zweite Oxidationsstufe (8) durchläuft.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung einen Dieselmotor (1) mit einer Drossel (3) im Saugrohr (2) und eine Abgasanlage (5), enthaltend einen Oxidationskatalysator (6) und einem nach­ folgenden NOx-Speicher (7), aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei PD- oder VE-Motoren (1) vor dem Oxidationskatalysator (6) eine Kraftstoffeindüsung (12) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationskatalysator (6) mit einer Schwefelfalle und/oder einem Steam-Reformer ausgerüstet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts des NOx-Speichers (7) ein weiterer Oxidationskatalysator (8) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Oxidationskatalysator (8) eine O2-speichernde Waschcoat aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicher (7) als Katalysator ausgelegt ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Katalysator (6) ein Temperaturfühler (9) und zwischen dem ersten Oxidationskatalysator (6) und dem NOx-Speicher (7) und/oder zwischen dem NOx-Speicher (7) und dem stromabwärtigen Oxidationskatalysator (8) jeweils ein Temperaturfühler (10, 11) angeordnet ist.
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