DE19753573A1 - Abgasreinigungsanlage - Google Patents

Abgasreinigungsanlage

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage für einen bei niedriger und mittlerer Last magerbetriebenen Otto-Motor mit einem NOx-Speicher-Katalysator.
Zur Reinigung der Abgase eines Kraftfahrzeuges von Kohlen­ monoxid (CO) Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxiden (NOx) werden vor allem geregelte Dreiwege-Katalysatoren verwen­ det, bei denen miteiner Lambda-Sonde und einem Regler die Gemischbildung des Einspritzsystems so eingestellt wird, daß die Zusammensetzung des Abgases eine optimale, simul­ tane Konvertierung von CO, HC und NOx am günstigsten Be­ triebspunkt des Katalysators ermöglicht. Ein solcher Kata­ lysator weist beispielsweise einen Träger aus Keramik oder Metall mit einer Aluminiumoxid-Beschichtung auf, die mit Edelmetallen, wie Platin, Palladium und Rhodium imprägniert ist. Der optimale Betriebspunkt eines solchen Dreiwege-Ka­ talysators hinsichtlich der maximalen Umsetzung der Abgas­ bestandteile HC, CO und NOx liegt beim stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (λ = 1). Will man den Verbren­ nungsmotor zum Zwecke niedrigen Kraftstoffverbrauchs mager betreiben (λ < 1) ist daher keine optimale Umsetzung der schädlichen Abgasbestandteile mehr möglich.
Für die Abgasreinigung von mager betriebenen Ottomotoren sind deshalb spezielle NOx-Katalysatoren, u. a. sogenannte NOx-Speicher-Katalysatoren entwickelt worden. Die NOx-Spei­ cher-Katalysatoren weisen auf einem Träger aus Keramik oder Metall eine Aluminiumoxidbeschichtung aufweisen, die einer­ seits Metalle, wie Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerd-Me­ talle, die NOx adsorbieren, und andererseits Edelmetalle, wie Platin, enthält. Bei magerem, d. h. sauerstoffreichem Abgas, wird NOx z. B. durch das Erdalkalimetall adsorbiert, während CO und HC z. B. durch das Platin zu Kohlendioxid und Wasser katalytisch oxidiert werden. Durch intermittierenden kurzfristigen fetten Betrieb des sonst magerbetriebenen Otto-Motors wird das am Katalysator adsorbierte NOx durch die reduzierenden Gase, wie CO, zu Stickstoff reduziert und der Katalysator damit regeneriert (vgl. EP 0 645 173 B1; EP 0 657 204 A1).
Es ist bekannt, daß Schwefeloxide, die durch den im Kraft­ stoff enthaltenen Schwefel gebildet werden, zu einer De­ aktivierung des Katalysators führen, und zwar insbesondere auch des NOx-Speicher-Katalysators. Diese sogenannte Sulfa­ tisierung führt beim NOx-Speicher-Katalysator zu einer be­ trächtlichen Herabsetzung von dessen NOx-Speicher-Kapazi­ tät. Die Sulfatisierung des Katalysators läßt sich durch Beaufschlagung des Katalysators mit heißem, fettem Abgas unter Bildung von Schwefelwasserstoff rückgängig machen (vgl. EP 0 645 173 B1). Diese fetten, heißen Betriebszu­ stände haben allerdings einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge. Außerdem werden sie je nach Betriebsprofil eines Fahrzeugs unter Umständen auch gar nicht angefahren, bei­ spielsweise im Stadtverkehr, bei dem das Abgas nicht die erforderliche Temperatur erreicht. Sie müssen dann speziell generiert werden, z. B. durch Zündwinkel- oder Lambda-Ein­ griffe.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Problem der Sulfatisierung und der dann notwendigen Desulfatisierung von Katalysatoren, insbesondere von NOx-Speicher-Katalysa­ toren, zu lösen.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Abgasreinigungsanlage erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Er­ findung wiedergegeben.
Erfindungsgemäß werden die Sorption des Schwefels, der in dem mageren Abgas als Schwefeldioxid (SO2) und Schwefel­ trioxid (SO3) enthalten ist, und die Sorption des NOx ört­ lich voneinander getrennt. Das heißt, dem NOx-Speicher-Ka­ talysator wird ein Schwefelspeicher vorgeschaltet, der ein Sorptionsmittel enthält, welches die Schwefeloxide (SO2/SO3) im mageren Abgas sorbiert. Dadurch wird zugleich eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs von magerbetrie­ benen Ottomotoren im Kundenbetrieb und eine Verlängerung der Katalysatorstandzeit erreicht.
Der Schwefelspeicher kann dazu entsprechend einem NOx-Spei­ cher-Katalysator aufgebaut sein. Das heißt, er kann auf einem Träger aus Metall oder Keramik, z. B. Cordierit, eine Metalloxidbeschichtung aufweisen, beispielsweise Alu­ miniumoxid (Al2O3), Siliciumoxid (SiO2), Zirkonoxid (ZrO2) und/oder Titanoxid (TiO2), wobei die Metalloxidbeschichtung als Sorptionsmittel für das Schwefeloxid (SO2/SO3) z. B. ein Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerd-Metall enthält, bei­ spielsweise als Oxid oder Salz.
Die Sorptionstemperatur eines solchen Sorptionsmittels für Schwefeloxid (SO2/SO3) liegt im allgemeinen im Temperatur­ bereich bis ca. 600°C, insbesondere bis ca. 500°C, d. h. bis zu dieser Temperatur wird, speziell bei sauerstoffreicher Atmosphäre das Schwefeloxid nahezu quantitativ adsorbiert.
Die aus dem Motor austretenden mageren Abgase (λ < 1) wei­ sen bei geringer und mittlerer Last eine Temperatur von we­ niger als 600°C auf. Unter stöchiometrischen Bedingungen und hoher Last können Abgastemperaturen bis 900°C und mehr auftreten.
Wenn der Schwefelspeicher in dem Abgasstrang daher an einer Stelle möglichst kurz nach dem Verbrennungsmotor eingebaut wird, weist er bei geringer und mittlerer Last damit die zur Sorption des Schwefeloxids optimale Temperatur auf.
Andererseits erreicht er dann, wenn der Motor unter hoher Last läuft, eine Temperatur von über 600°C, also eine Tem­ peratur, bei der das Schwefeloxid desorbiert wird. Durch die bei hoher Last vorliegenden im stöchiometrischen oder (aus Kat-Schutzgründen) fetten Abgas reduzierenden Gase (CO und HC) wird das Schwefeloxid damit zu Schwefelwasserstoff (H2S) reduziert, was zur Desulfatisierung, also Rege­ nerierung des Schwefelspeichers führt.
Damit ist bei niedriger und mittlerer Last, aber auch bei hoher Last sichergestellt, daß kein SO2/SO3 den NOx-Spei­ cher-Katalysator belastet. Zudem wird bei hoher Last und entsprechend fettem Abgas eine Regenerierung des Schwe­ felspeichers sichergestellt, wobei der gebildete Schwefel­ wasserstoff den NOx-Speicher-Katalysator ohne Beeinträchti­ gung passiert.
Eine Temperatur des Schwefelspeichers oberhalb der Sorp­ tionstemperatur für SO2/SO3 und ein fettes Abgas läßt sich im übrigen außer durch eine hohe Last auch in anderer Weise erreichen, z. B. durch entsprechende Zündwinkel- und Ge­ misch-Eingriffe. Grundsätzlich wäre auch eine elektrische Beheizung des Schwefelabsorbers vorstellbar.
Der NOx-Gehalt des Abgases ist wesentlich größer als der Gehalt an Schwefeloxiden. Demgemäß muß verhindert werden, daß der Schwefelspeicher mit NOx beladen wird, so daß er nicht mehr zur Sorption der Schwefeloxide zur Verfügung steht.
In dem Abgas liegt NOx in erster Linie als Stickstoff­ monoxid (NO) vor. Wie festgestellt werden konnte, wird NO von dem erwähnten Sorptionsmittel jedoch wesentlich schlechter sorbiert als SO2/SO3.
Lediglich Stickstoffdioxid (NO2) weist eine mit SO2/SO3 ver­ gleichbare Affinität zu diesem Sorptionsmittel auf. NO2 wird im Abgas in größeren Mengen jedoch erst durch ka­ talytische Oxidation aus NO gebildet, und zwar im NOx-Spei­ cher-Katalysator durch die Oxidationskatalysatorkomponente, also z. B. Platin.
Dementsprechend ist erfindungsgemäß das Sorptionsmittel des Schwefelspeichers vorzugsweise derart ausgebildet, daß es keinen Katalysator zur Oxidation von NO zu NO2 enthält, also z. B. kein Platin oder einen anderen Edelmetallkataly­ sator. Damit passiert das NO den Schwefelspeicher, ohne von ihm sorbiert zu werden.
Während der Schwefelspeicher nahe am Motor angeordnet ist, befindet sich der NOx-Speicher-Katalysator im Abgasstrang, wie üblich, an einer Stelle, an der er die optimalen Tempe­ raturbedingungen besitzt, die zwischen 200 und 500°C lie­ gen. Bei dieser Temperatur wird das NOx im NOx-Speicher-Ka­ talysator einerseits praktisch quantitativ adsorbiert, andererseits das CO und HC im Abgas weitergehend zu Kohlen­ dioxid und Wasser oxidiert. Bei warmgelaufenem Motor sollte die Temperatur des NOx-Speicher-Katalysators um mindestens 50°C , vorzugsweise mindestens 100°C unter der des Schwe­ felspeichers liegen.
Die Regenerierung des NOx-Speicher-Katalysators erfolgt ebenfalls, wie üblich, mit fettem Abgas, beispielsweise während der Regenerierung des Schwefelspeichers. Durch das heiße fette Abgas erfolgt also einerseits eine Reduktion des Schwefels im Schwefelspeicher zu Schwefelwasserstoff, andererseits die Reduktion von NOx im NOx-Speicher-Kataly­ sator zu Stickstoff, und zwar jeweils unter optimalen Be­ dingungen.
Der Zeitpunkt zum Betrieb des Motors so, daß kurzzeitig heiße, fette Abgas entstehen zur Regenerierung des Schwe­ felspeichers, kann rechnerisch über das Lastprofil des Mo­ tors ermittelt werden. Das heißt, wenn sich anhand des Lastprofils ergibt, daß die Sorptionskapazität des Schwe­ felspeichers für Schwefeloxid (SO2/SO3) und/oder die Ab­ sorptionskapazität des NOx-Speicher-Katalysators für NOx erschöpft ist, also der Sättigungszustand erreicht ist, er­ folgt eine kurzzeitige Steuerung des Motors so, daß kurz­ zeitig heiße, fette Abgase entstehen, um durch die heißen fetten Abgase eine Regeneration des Schwefelspeichers und des NOx-Speicher-Katalysators durchzuführen.
Mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage wird eine Sorption des Schwefels am NOx-Speicher-Katalysator sicher verhindert. Damit können die hohen NOx-Konvertierungsraten eines solchen Katalysators über lange Zeit stabil gehalten werden. Dadurch wird eine Serieneinführung von NOx-Spei­ cher-Katalysatoren und damit von magerbetriebenen Otto-Mo­ toren erleichtert.

Claims (11)

1. Abgasreinigungsanlage für einen bei niedriger und mitt­ lere Last magerbetriebenen Otto-Motor mit einem NOx Speicher-Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen Motor und NOx-Speicher-Katalysator ein Schwe­ felspeicher angeordnet ist, der den Schwefel im mageren Abgas und bei Sorptionstemperatur sorbiert und ihn bei einer Temperatur oberhalb der Sorptionstemperatur und fettem Abgas freigibt.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwefelspeicher den Schwefel bei hoher Last freigibt.
3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch. 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefelspeicher derart ausge­ bildet ist, daß er das NOx im Abgas nicht sorbiert.
4. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefelspei­ cher als Sorptionsmittel ein Alkali-, Erdalkali- und/oder Seltenerd-Metall enthält.
5. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwefelspeicher keine Katalysatoren zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid enthält.
6. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel­ speicher an einer Stelle zwischen Motor und Katalysator angeordnet ist, an der er bei hoher Last eine Tempera­ tur von mehr als 600°C aufweist.
7. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefelspei­ cher an einer Stelle zwischen Motor und Katalysator an­ geordnet ist, an der er bei niedriger oder mittlerer Last eine Temperatur von höchstens 600°C aufweist.
8. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicher- Katalysator in einem solchen Abstand vom Schwefelspei­ cher angeordnet ist, daß die Temperatur des NOx-Spei­ cher-Katalysators um wenigstens 50°C unter der des Schwefelspeichers liegt.
9. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorstehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerung des Motors auf heißes, fettes Abgas bei schwefelgesättigtem Schwe­ felspeicher.
10. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Sättigungszustand des Schwefelspei­ chers rechnerisch in Abhängigkeit vom Betriebspunkt­ profil des Motors und von charakteristischen Daten des Schwefelspeichers ermittelt wird.
11. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Motor und Schwefelspeicher eine Einrichtung zur Reduktion von NO2 zu NO angeordnet ist.
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