DE19758018A1 - Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Mager-Mix-Motors, eines DI-Motors oder eines Dieselmotors, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Säuberung des Abgases eines Motors mit einer inneren Verbrennung eines Kraftstoffes muß das bei der Verbrennung anfallende Stickoxid reduziert werden. Bei gebräuchlichen Verbrennungsmotoren, die auf ein mittleres λ von 1 geregelt sind, kann dies mit gutem Erfolg durch 3-Wege-Katalysatoren erreicht werden. Bei Verbrennungsmotoren allerdings, die ganz bzw. teilweise mit λ-Werten größer 1 betrieben werden, wie beispielsweise Mager- Mix-Ottomotoren, DI-Ottomotoren und Dieselmotoren, gibt es derzeit kein derart etabliertes Abgasreinigungsverfahren. Bei derartigen Motortypen sind derzeit an Verfahren zur Abgasbehandlung Zeolith-Katalysatoren (im folgenden auch als "Mager-Mix-Katalysatoren" bezeichnet) und NOx-Speicherkatalysatoren im Einsatz. Die Zeolith-Katalysatoren werden thermisch desaktiviert, weshalb sie bei Motoren für Fahrzeuge, die beim Zulassungsverfahren eine Dauerhaltbarkeit nachweisen müssen, nicht eingesetzt werden können. Ferner können bei diesem Katalysatoren zur Reduktion der Stickoxide nur die Kohlenwasserstoffe im Abgas genutzt werden, so daß nur relativ geringe Stickoxid- Konversionen erreicht werden. Diese liegen oft nur bei 15%, wenn man die partielle Reduktion von Stickoxiden zu Distickstoffoxid unberücksichtigt läßt. Ferner ist bei diesen Katalysatoren deren unzureichende CO und HC-Konversion nachteilig, sofern sie kein Edelmetall enthalten. Aussichtsreicher als die gerade erörterten Zeolith-Katalysatoren sind NOx-Speicherkatalysatoren, da diese sowohl die im Abgas befindlichen Kohlenwasserstoffe als auch den Wasserstoff und das CO als Reduktionsmittel benutzen. Im Grunde genommen handelt es sich um 3-Wege-Katalysatoren mit einer Komponente zur Speicherung von NOx. Allerdings setzt sich der NOx-Speicher insbesondere nach längeren Magerphasen des Motors mit NOx zu und ist daher nicht mehr wirksam. Deshalb ist es bei den NOx- Speicherkatalysatoren notwendig, das gespeicherte NOx periodisch aus dem Speicher zu entfernen, d. h. das gespeicherte NOx zu reduzieren.

EP 0 540 280 beschreibt die Abgasbehandlung mit Hilfe einer Abgasbehandlungsanlage, die ein Mittel zur Speicherung und Freisetzung des NOx enthält, wobei die Stickoxide im Magerbetrieb des Motors zwischengespeichert werden und thermisch über eine Beheizung des eingeführten Abgases wieder freigesetzt werden. Mittels eines NOx zersetzenden Katalysators werden dann die freigesetzten Stickoxide unter oxidierenden Bedingungen wieder zersetzt. Insbesondere kann der NOx zersetzende Katalysator aus einem 3-Wege- Katalysator und/oder ein Zeolith-Katalysator bestehen, der bei λ kleiner oder gleich eins betrieben wird. Nachteilig ist insbesondere, daß dieser Katalysator nicht ausreichend thermisch beständig ist, und daß zur Vermeidung von Schäden, wie sie typischerweise bei derartigen Katalysatoren unter hohen Lasten und Abgastemperaturen bei λ = 1 auftreten, eine Abgasschaltung erforderlich ist, wobei dafür entsprechende Stell- und Steuerungseinheiten für den Betrieb notwendig sind. Ferner ist bei diesen Teilen das Problem der Dauerhaltbarkeit ungelöst. Weiterhin ist bei den Teilen der Abgasanlage, die während der Phasen, in denen der Motor stöchiometrisch betrieben wird, nicht vom Abgas durchströmt werden, oder im umgekehrten Fall bei den Teilen, die während des Magerbetriebs nicht vom Abgas durchströmt werden, die Frage der Betriebstemperatur ungelöst. Dabei ist insbesondere der Temperaturbereich problematisch, in dem die 3-Wege- Katalysatoren anspringen, weil in dieser Phase durch partielle Reduktion der motorischen Stickoxide vermehrt Distickstoffoxid gebildet wird. Sollte durch periodisches Auskühlen des 3-Wege-Katalysators dieser Bereich immer wieder durchfahren werden, ist mit einer übermäßigen Produktion von Distickstoffoxid zu rechnen, was wegen der Treibhausrelevanz dieses Gases unerwünscht ist.

EP 0 562 805 beschreibt eine Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine, bei der die Abgasanlage zwei abwechselnd angeströmte, parallel zueinander angeordnete Mager-NOx- Katalysatoren aufweist. Ferner umfaßt die bekannte Vorrichtung eine Einrichtung zur Veränderung der Raumgeschwindigkeit des Abgases, um eine optimale Raumgeschwindigkeit des Abgases einstellen zu können. Zusätzlich weist die Abgasanlage ein Mittel zum Einspritzen von HC direkt in den Abgaskanal auf. Auch hier ist die Dauergebrauchstauglichkeit fraglich, da Zeolith-Katalysatoren nicht thermisch beständig sind, insbesondere kein fettes oder stöchiometrisches Abgas vertragen. Ebenfalls ist die Dauerbelastbarkeit der Einrichtung zur Veränderung der Raumgeschwindigkeit der Abgasschaltung problematisch. Selbst wenn die NOx-Konversion durch eine bessere Anpassung der Raumgeschwindigkeiten des Abgases höher liegen als für typische Zeolith- Katalysatoren, so erreicht der Katalysator gemäß der EP 0 562 805 nicht die zur Einhaltung der neueren Abgasgrenzwerte erforderlichen Größenordnung von über 90%. Weiterhin ist das Problem der Distickstoffbildung und der zu geringen HC- und CO-Konversion dieser Katalysatoren ungelöst.

EP 0 580 389 offenbart ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung von mager betriebenen Motoren, die mit einem NOx-Absorber auf der Basis von Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetallen, einem stromabwärts angeordneten 3-Wege-Katalysator, sowie mit Sensoren zur Detektion der Last und der Abgastemperatur ausgerüstet sind. Dabei wird mittels der Information der Sensoren der Bereich begrenzt, innerhalb dessen der NOx- Absorber in der Lage ist, Stickoxide zu speichern. Die Regeneration des Katalysators wird durch Anfetten für eine vorbestimmte Periode erreicht. Nachteilig bei dieser bekannten Einrichtung ist die Trennung zwischen dem Absorber und dem 3-Wege-Katalysator, da die motorisch überwiegend erzeugten Stickoxide zuerst zu NO₂ oxidiert werden müssen, um im Absorber gespeichert werden zu können.

EP 0 560 991 beschreibt eine Anlage zur Behandlung eines Abgases einer Brennkraftmaschine, bei der der Absorber und der Katalysator in einem Gehäuse enthalten sind. Die Stickoxide werden gespeichert, wenn der Motor mager betrieben wird, d. h. das Abgas mager ist, und freigesetzt, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf fette oder stöchiometrische λ-Werte gesenkt wird, so daß das freigesetzte NOx mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowie dem CO des Abgases reduziert wird. Typischerweise ist die Umschaltung vom mageren auf den fetten oder stöchiometrischen Betrieb von Drehmomentsprüngen begleitet, die der Fahrer des Fahrzeugs nur als wünschenswert empfindet, wenn sie während einer Beschleunigungsphase auftreten. Treten diese Drehmomentsprünge während einer Konstantbetriebsphase auf, so werden sie als äußerst unerwünscht empfunden. Da im Normalfall die Leerung des NOx-Speichers während konstanten Betriebsphasen vorgenommen wird, wird versucht, diese Drehmomentsprünge durch eine Verschiebung des Zündzeitpunktes simultan zu dem Anfetten zu verringern.

Ferner werden die derzeit bekannten NOx-Speicherkatalysatoren durch schwefelhaltigen Kraftstoff desaktiviert. Das NOx-absorbierende Material des NOx-Speicherskatalysators, insbesondere BaO bzw. BaCO₃, bildet mit dem im Abgas vorhandenen SO₂, welches an dem im Katalysator vorhandenen Platin zu SO₃ oxidiert, thermisch stabile Sulfate, die bei einer Temperatur zersetzt werden können, die oberhalb derjenigen Temperatur liegt, bei der die aus dem Speichermaterial und dem NO₂ gebildeten Nitrate zersetzt werden. Zur Zersetzung dieser Sulfate wird daher, in Abhängigkeit von dem Schwefelgehalt des verwendeten Kraftstoffs, von Zeit zu Zeit ein Sulfat-Regenerationsprogramm durchgeführt, wobei eine Temperaturerhöhung auf ca. 600-700°C durch Anfetten des Abgases bewirkt wird, daß sich die Sulfate zersetzen. Nachteilig bei der Anfettung ist aber, daß diese normalerweise mit einer Leistungserhöhung des Motors korreliert ist, so daß letztlich bei der Durchführung der Desulfatierung das Fahrzeug ungewollt beschleunigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die eine Reduzierung des NOx-Gehalts des Abgases und/oder des Sulfatgehalts des NOx-Speichers ohne das Auftreten eines Drehmomentsprungs oder einer erhöhten Leistungsabgabe bewirkt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und/oder 4 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung findet Einsatz bei der Entgiftung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, wobei die Entgiftung insbesondere eine Reduktion der Stickoxide ist. Die Erfindung ist ferner auch einsetzbar bei der Zwischenspeicherung von SOx, wie sie je nach vorliegendem Schwefelgehalt des Kraftstoffes in Abgasreinigungsvorrichtungen von mager betriebenen Brennkraftmaschinen der Fall sein kann. Die Speicherung von NOx erfolgt üblicherweise durch Einlagerung von NO₂ (beispielsweise als Nitrat), wobei insbesondere Erdalkalioxide und/oder -karbonate (z. B. BaO) geeignet sind. Solche Stoffe sind auch in der Lage SOx, insbesondere in Form von SO₃ als Sulfate einzulagern. Da die Desulfatierung höhere Temperaturen erfordert als die Denitrifizierung, kann gewünschtenfalls ein SOx-Speicher vor einen NOx-Speicher gesetzt werden, wodurch einerseits am SOx-Speicher höhere Temperaturen an liegen als am NOx-Speicher und andererseits der NOx-Speicher nicht durch SOx vergiftet wird. Bei der Regeneration, d. h. dem Betrieb der Speicher mit einem Abgas nahe bei λ = 1 oder fett, werden SOx und NOx wieder freigesetzt, wobei das NOx katalytisch mit vorhandenem HC und/oder CO umgesetzt wird. Das SOx hingegen wird entweder als solches oder nach Reaktion mit CO und/oder HC in den unterschiedlichsten Verbindungen freigesetzt, wobei unter den vorliegenden Regenerationsbedingungen keine Einlagerungen des SOx in den nachfolgenden NOx-Speicher erfolgt.

Im nachfolgenden wird grundsätzlich nur noch auf einen NOx-Speicher abgestellt, wenn nichts anderes vermerkt ist, gelten diese Ausführungen jedoch gleichermaßen auch für einen SOx-Speicher bzw. eine Kombination dieser Speicher.

Vorzugsweise umfaßt die Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit mehr als einem Zylinder einen nachfolgend der Brennkraftmaschine angeordneten NOx- Speicherkatalysator, wobei das Abgas kontinuierlich in den NOx-Speicher des Katalysators strömt, derart, daß das NOx in dem NOx-Speicher absorbiert wird, sobald die Maschine mager betrieben wird, und das NOx freigegeben wird, sobald die Sauerstoffkonzentration des Abgases abgesenkt wird, wobei während der Freisetzungsphase des NOx die Maschine mit einem Brutto-λ-Wert etwas oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses von λ = 1 betrieben wird.

Vorzugsweise beträgt während der Freisetzungsphase des NOx der λ-Wert ≧ 1,01 ist. Dabei kann zwischen magerem und leicht oberhalb des stöchiometrischen Abgaswertes liegendem Maschinenbetrieb hin und hergeschaltet werden, wobei die Zeitpunkte der Umschaltung von der Dauer des Magerbetriebs abhängt.

Vorzugsweise wird zur Erzeugung des nahezu stöchiometrischen Abgasstroms mit einem Brutto-Wert von λ ≧v 1 selektiv ein Teil der Zylinder individuell angefettet, während der andere Teil der Zylinder weiterhin mager betrieben wird. Dabei erfolgt die selektive zylinderindividuelle λ-Verstimmung vorzugsweise während einer konstanten Betriebsphase ohne Lastwechsel. Die zylinderindividuelle Anfettung erfolgt vorteilhaft bei der Hälfte oder einer der Hälfte nahekommenden Zahl an Zylindern. Außerdem werden die angefetteten Zylinder insbesondere auf λ ≦ 0,9 und besonders vorteilhaft auf λ ≦ 0,85 angefettet. Durch diese extreme Anfettung wird gegenüber einem Betrieb nahe λ = 1 erreicht, daß die Drehmomentschwankung geringer ist, da die Leistungsabgabe bei einer starken Anfettung niedriger liegt als nahe λ = 1. Dies erfordert eine geringere Korrektur über die Drosselklappe und/oder über die gesamte Einspritzmenge des Kraftstoffs. Vorteilhaft kann hierbei die Anfettung bis hin zu λ = 0,7 und weniger erfolgen. Hieraus ergibt sich auch, daß die Erfindung insbesondere Einsatz in Ottomotoren findet, besonders vorteilhaft in Direkteinspritzern. Durch die Erfindung wird außerdem erreicht, daß keine zylinderindividuelle Drosselung vorgesehen werden muß, so daß sich der Anteil mechanischer Stellelemente nicht vergrößert.

Bei einem 4-Zylindermotor können beispielsweise 2 Zylinder angefettet werden und zwei Zylinder im Magerbetrieb verbleiben. Entsprechendes gilt für Motoren mit einer davon abweichenden Zylinderzahl. Dabei ist die hälftige Aufteilung der Zylinder nicht zwingend, sondern andere Verhältnisse sind entsprechend den Anforderungen wählbar, wobei die Verhältnisse auch während des Betriebs verändert werden können.

Die selektive zylinderindividuelle λ-Verstimmung kann mit einer Steuerungseinheit vorgenommen werden.

Zusammenfassend bewirkt das hier beschriebene Abgasbehandlungsverfahren eine gute Konversion nicht nur der Stickoxide, sondern aller Abgasbestandteile, indem während fahrverhaltensbedingter instationärer Betriebsphasen des Motors dieser angefettet oder mit einem λ = 1 betrieben wird, wodurch der NOx-Speicher wieder entleert wird, und während bei längerem stationären Betrieb zwischen magerem und nahezu stöchiometrischen Betrieb mit einem λ etwas größer als 1 hin- und herschaltet. Motorisch wird dies dadurch bewirkt, indem zur Erzeugung des nahezu stöchiometrischen Abgas der Motor selektiv mit einem Teil der Zylinder angefettet wird und der andere Teil der Zylinder weiterhin mager läuft. Dabei treten nur geringe Drehmomentschwankungen auf und die Motorleistung wird nicht erhöht. Daher kann man auf weiter Maßnahmen wie ein übermäßiges Verstellen des Zündzeitpunkts verzichten. Vorteilhafterweise liegt die Erzeugung von Distickstoffoxid bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht über der von bekannten 3-Wege-Katalysatoren. Ferner bewirkt die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die entsprechende selektive zylinderindividuelle λ-Verstimmung eine Desulfatierung des NOx-Speichers.

Die folgende Tabelle zeigt Meßwerte der Brutto-Stickoxid-Umsetzung η_NOx eines Motors mit Mager- und Regenerationsbetrieb in einer kontinuierlichen Abfolge von Magerbetrieb und anschließendem Regenerationsbetrieb einmal bei einem fetten λ-Wert von 0,85 und einmal bei einem etwas oberhalb des stöchiometrischen Werts liegenden λ-Werts von 1.01. Es ist der Tabelle zu entnehmen, daß auch bei dem etwas oberhalb des stöchiometrischen λ- Werts arbeitenden erfindungsgemäßen Regenerationsverfahren eine Brutto-Umsetzung erzielt wird, die sogar etwas höher ist als diejenige des fetteren Abgases der bekannten Verfahren.

Tabelle 1

Eine bevorzugte Ausführungsform wird nachfolgend anhand der Fig. 1 erläutert, die schematisch die Anordnung der Abgasanlage an einer Brennkraftmaschine darstellt.

In der Fig. 1 wird durch das Bezugszeichen 1 eine Maschine mit mehr als einem Zylinder, wie beispielsweise ein Mager-Mix-Ottomotor, ein DI-Ottomotor oder ein Dieselmotor, dargestellt, der nachfolgend eine Abgasreinigungsanlage 2 angeordnet ist, die einen NOx- Speicherkatalysator 3 aufweist. Durch selektive zylinderindividuelle Verstimmung der λ- Werte eines Teils der Zylinder (nicht dargestellt) und des weiteren Magerbetriebs des anderen Teils der Zylinder wird ein Brutto-λ-Wert, d. h. ein gemittelter λ-Wert aller Zylinder, von etwas oberhalb der stöchiometrischen Wertes des Abgases zur Regeneration des NOx- Speichers 3 eingestellt und so eine Regeneration und Desulfatierung des NOx-Speichers bewirkt.

Claims (16)

1. Abgasreinigungsvorrichtung (2) einer Brennkraftmaschine (1) mit mehr als einem Zylinder mit einem nachfolgend der Brennkraftmaschine angeordneten Schadstoff- Speicher (3), wobei das Abgas kontinuierlich in den Schadstoff-Speicher (3) strömt, derart, daß der Schadstoff in dem Schadstoff-Speicher eingelagert wird, sobald die Maschine (1) mager betrieben wird, und der eingelagerte Schadstoff freigegeben wird, sobald die Sauerstoffkonzentration des Abgases abgesenkt bzw. der CO- und/oder HC-Anteil des Abgases erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Freisetzungsphase des Schadstoffes die Maschine (1) mit einem Brutto- λ-Wert etwas oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses von λ = 1 betrieben wird.

2. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Freisetzungsphase des Schadstoffs der λ-Wert ≧ 1,01 ist.

3. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des nahezu stöchiometrischen Abgasstroms mit einem Brutto-Wert von λ < 1 selektiv ein Teil der Zylinder angefettet wird, während der andere Teil der Zylinder weiterhin mager betrieben wird.

4. Abgasreinigungsvorrichtung (2) einer Brennkraftmaschine (1) mit mehr als einem Zylinder mit einem nachfolgend der Brennkraftmaschine angeordneten Schadstoff- Speicher (3), wobei das Abgas kontinuierlich in den Schadstoff-Speicher (3) strömt, derart, daß der Schadstoff in dem Schadstoff-Speicher eingelagert wird, sobald die Maschine (1) mager betrieben wird, und der eingelagerte Schadstoff freigegeben wird, sobald die Sauerstoffkonzentration des Abgases abgesenkt bzw. der CO- und/oder HC-Anteil des Abgases erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Freisetzungsphase des Schadstoffes ein Teil der Zylinder angefettet wird, während der andere Teil der Zylinder weiterhin mager betrieben wird.

5. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive zylinderindividuelle λ-Verstimmung während einer konstanten Betriebsphase ohne Lastwechsel erfolgt.

6. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem 4-Zylindermotor zwei Zylinder angefettet werden und zwei Zylinder im Magerbetrieb verbleiben.

7. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die insbesondere selektive zylinderindividuelle λ-Verstimmung mit einer Steuerungseinheit vorgenommen wird.

8. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit einen Schadstoff-Beladungszustand des Schadstoff-Speichers erfaßt und bei Erreichen eines bestimmten Beladungszustandes und/oder bei einem bestimmten Motorbetriebszustand die λ-Verstimmung vornimmt.

9. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Beladungszustand einen fest vorgegebenen Betrag hat oder vom Motorbetriebszustand abhängig ist.

10. Abgasreinigungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit die λ-Verstimmung im Leerlauf, Schubbetrieb und/oder bei einer Motorlast von ≦ 25% der Max. Motornennlast vornimmt.

11. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schadstoff NOx und/oder SOx ist, insbesondere NO₂ und/oder SO₃.

12. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schadstoffspeicher und/oder diesem nachgeordnet (stromabwärts des Abgasstromes) ein Katalysator bzw. eine katalytisch wirksame Schicht ist, die geeignet ist, einen oder mehrere Schadstoffe, ggf. auch in der Freisetzungsphase freigesetzte Schadstoffe, zu vergleichsweise harmlosen Komponenten, wie beispielsweise CO₂, H₂O und/oder N₂, zu zersetzen.

13. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ein Ottomotor ist.

14. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ein Direkteinspritzer ist.

15. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Lufteinlaßdrosselvorrichtung (4) hat, die auf alle Zylinder wirkt.

16. Abgasreinigungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine keine zylinderselektive Lufteinlaßdrosselvorrichtung hat.