DE19855089B4

DE19855089B4 - Schwefelfalle für ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der Schwefelfalle

Info

Publication number: DE19855089B4
Application number: DE1998155089
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Jürgen Gloger; Rolf Bosse
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1998-11-28
Filing date: 1998-11-28
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2018-11-29
Also published as: DE19855089A1; WO2000032912A1

Abstract

Schwefelfalle (1, 3) für ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelfalle (1, 3) in n > 1 disjunkte Segmente (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) unterteilt ist und jedem Segment (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) der Schwefelfalle (1, 3) jeweils eine einzeln ansteuerbare Heizvorrichtung zugeordnet ist, wodurch jedes Segment (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) separat auf eine De-Sulfatierungstemperatur aufheizbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwefelfalle eines Abgasreinigungssystems, ihre Verwendung in einem Abgasreinigungssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben der Schwefelfalle, wobei in dem Abgasreinigungssystem insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator verwendet wird.
Im Funktionsbetrieb des Abgasreinigungssystems gelangt mit der Abgasströmung motorseitig erzeugtes Schwefeldioxid SO₂ zum NOx-Speicherkatalysator und die Absorptionsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators wird beeinträchtigt bzw. herabgesetzt. Im Fachjargon spricht man von einer Vergiftung des Katalysators durch den Schwefel. Die dabei gebildeten Sulfate können bei erhöhten Abgastemperaturen wieder umgewandelt werden. Diese Maßnahme kann bei einem Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine durchgeführt werden, bei dem eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des NOx-Speicherkatalysators auf eine De-Sulfatierungstemperatur vorgesehen ist. Mit einer solchen Vorrichtung können die im Funktionsbetrieb des NOx-Speicherkatalysators gebildeten Sulfate während eines Aufheiz-Zeitintervalls wieder umgewandelt werden, so dass die Vergiftung insgesamt reversibel ist. Da durch die Vergiftung des Speicherkatalysators durch das SO₂ die Standzeit des NOx-Speicherkatalysator herabgesetzt wird, muss der Katalysator häufig regeneriert werden bzw. eine De-Sulfatierung durchgeführt werden. Daher werden den Speicherkatalysatoren Schwefelfallen vorgeschaltet, die das SO₂ speichern und weitgehend zu mindestens 50% und üblicherweise 80% vom NOx-Speicherkatalysator fernhalten, wodurch die Vergiftungsgeschwindigkeit des NOx-Speicherkatalysators verringert wird. Eine derartige Abgasanlage ist etwa aus EP 0 582 917 A1 bekannt.
Zum Erreichen der De-Sulfatierungstemperatur der Schwefelfalle kann eine elektrische Heizvorrichtung eingesetzt werden, die mittels einer Steuer- oder Regeleinrichtung in Funktion setzbar ist. Dies führt jedoch zu einem erhöhten Energieverbrauch. Es ist damit zu rechnen, dass wegen der verhältnismäßig großen und vergleichsweise kühlen Abgasmassenströme sehr hohe elektrische Ströme, z. B. von im Teillastbereich über 500 A bei 14,4 Volt Spannung, erforderlich sind, die vom Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pkws, kaum bereitgestellt werden können.
Aus DE 196 27 609 A1 ist ein scheibenförmig segmentierter, keramischer Edelmetallkatalysator bekannt, der eine Heizvorrichtung in Form eines elektrischen Heizwiderstandes umfasst, welche den Katalysator auf seine Anspringtemperatur aufheizt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwefelfalle für ein Abgasreinigungssystem eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zum Betreiben der Schwefelfalle zu schaffen, so dass die Abgasreinigung mit geringerem Energieaufwand durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 6 und 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer erfindungsgemäßen Schwefelfalle für ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine ist die Schwefelfalle in n > 1 disjunkte Segmente unterteilt. Die Segmente sind in dem Sinn disjunkt, dass sie sich nicht überschneiden und höchstens gemeinsame Grenzflächen aufweisen. Jedem Segment der Schwefelfalle ist jeweils eine separate Heizvorrichtung zugeordnet. Es ist auch möglich die Segmente in nicht überschneidende Gruppen aufzuteilen, wobei jede Gruppe ein Heizelement aufweist. Ferner ist die Heizvorrichtung eines jeden Segments bzw. einer Segmentgruppe einzeln ansteuerbar wodurch jedes Segment oder Segmentgruppe separat auf die De-Sulfatierungstemperatur aufgeheizt werden kann.
Vorzugsweise sind die Segmente lineare oder vertikale Segmente, so dass sich eine Längs- oder Querunterteilung der Schwefelfalle, d. h. eine linear segmentierte Schwefelfalle und eine vertikal segmentierte Schwefelfalle ergibt. Vorzugsweise hat eine erfindungsgemäße Schwefelfalle eine im wesentlichen runde oder ovale Querschnittsform.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Schwefelfalle als integraler Bestandteil eines NOx-Speicherkatalysators ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der Schwefelfalle in einer Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei die Schwefelfalle insbesondere einem NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltet ist. Es ist auch möglich, dass die vorgeschaltete Schwefelfalle integraler Bestandteil des NOx-Speicherkatalysators ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schwefelfalle werden die Segmente jeweils einzeln oder in disjunkten Gruppen in zeitlich aufeinanderfolgenden und voneinander beabstandeten Intervallen auf De-Sulfatisierungstemperatur in reduzierender, stöchiometrischer oder leicht magerer Umgebung geheizt.
Ferner werden bei einem Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsvorrichtung mit einem NOx-Katalysator und einer vorgeschalteten erfindungsgemäßen Schwefelfalle die Segmente der Schwefelfalle jeweils einzeln oder in disjunkten Gruppen in zeitlich aufeinanderfolgenden und voneinander beabstandeten Intervallen auf De-Sulfatisierungstemperatur geheizt, wenn der NOx-Speicherkatalysator sich in einer Regenerationsphase befindet.
Der Heizvorgang eines entsprechendes Segmentes oder einer entsprechende Gruppe von Segmenten kann vor Beginn der Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators eingeleitet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schwefelfalle in perspektivischer und schematischer Darstellung, und
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schwefelfalle in perspektivischer sowie schematischer Darstellung.
1 zeigt eine vertikal segmentierte Schwefelfalle 1, die Teil eines nicht weiter dargestellten Abgasreinigungssystems ist und sich in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine befindet, wobei es sich vorzugsweise um eine Direkteinspritz-Brennkraftmaschine handelt, die mit Benzin- oder Dieselkraftstoff betrieben werden kann. Die Schwefelfalle 1 ist im Strömungsweg des Abgases der Abgasanlage angeordnet, d. h. in deren Auspuffrohr.
Die Schwefelfalle 1 ist Teil einer nicht dargestellten Abgasreinigungsvorrichtung, die einen NOx-Speicherkatalysator aufweist, wobei die Schwefelfalle 1 dem NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltet ist.
Die Schwefelfalle 1 weist mehrere linear angeordnete Segmente 2a, 2b, 2c auf, die jeweils gezielt durch eine zugehörige vorzugsweise elektrische Heizvorrichtung (nicht dargestellt) beheizbar sind. Zur Steuerung bzw. Regelung der Heizvorrichtungen ist jeweils ein zugehöriger Temperatursensor (nicht dargestellt) vorgesehen, dessen Temperatursignal einer Steuer- oder Regelvorrichtung zugeleitet wird, die die Funktion der Heizvorrichtungen unter Berücksichtigung des Temperatursignals als Istwert und der gewünschten De-Sulfatierungstemperatur als Sollwert jeweils zu regeln vermag.
Bei der Ausgestaltung nach 1 handelt es sich bei den Segmenten 2a, 2b, 2c der Schwefelfalle 1 um Längsabschnitte, die in der Strömungsrichtung 5 der Abgase hintereinanderliegend angeordnet sind.
2 zeigt eine linear segmentierte Schwefelfalle 3, die die Segmente 3a, 3b, 3c aufweist, die als Querabschnitte der Schwefelfalle 3, vorzugsweise in der Form von tortenförmigen Ausschnitten, ausgebildet sind.
Die Anzahl n der vorzugsweise einander gleichen Abschnitte 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c ist größer als 1. Es können zwei oder mehrere, z. B. 16 Segmente 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c vorgesehen sein. Die Segmente 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c können auch in Gruppen angeordnet sein, beispielsweise eine Gruppe mit den Elementen 2a, 2c sowie eine mit den Elementen 2b und 2d usw. im Fall der vertikal segmentierten Schwefelfalle 1. Dies kann durch Zusammenschaltung der entsprechenden Heizelemente erreicht werden. Analoges gilt im Fall der linear segmentierten Schwefelfalle 3.
Die Heizvorrichtungen werden im Funktionsbetrieb von der Steuer- oder Regelvorrichtung jeweils in einer bestimmten Reihenfolge in Funktion gesetzt.
Im normalen Funktionsbetrieb wird der Speicherkatalysator 1 zur Absorption von NOx mit einer bestimmten Temperatur betrieben, deren Höhe vom Material des Katalysators abhängig ist. Bei einem bariumhaltigen Speicherkatalysator 1 beträgt die De-Sulfatierungstemperatur ca. 650°C, und bei einem kaliumhaltigen Speicherkatalysator ca. 800°C. Diese Materialien sind auch für einen erfindungsgemäßen Speicherkatalysator 1 vorteilhaft.
Im Funktionsbetrieb einer Abgasreinigungsvorrichtung mit einem NOx-Speicherkatalysator sowie einer vorgeschalteten Schwefelfalle 1, 3 wird bei einem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine NOx an der Oberfläche des Katalysators abgelagert. In regelmäßigen Zeitabständen muss deshalb ein Regenerationsvorgang des Speicherkatalysators durchgeführt werden, was bei reduzierendem, stöchiometrischen oder leicht magerem Abgas erfolgt.
Gemäß der Erfindung werden zur Entschwefelung der Schwefelfalle 1, 3 deren Segmente 2a, 2b, 2c .... bzw. 3a, 3b, 3c in bestimmten Zeitabständen jeweils bei einem NOx-Regenerationsvorgang einander folgend auf die De-Sulfatierungstemperatur beheizt. Die Zeitintervalle zwischen diesen Teil-De-Sulfatierungen sind so bestimmt, dass alle Abschnitte 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c nacheinander entschwefelt werden, so dass die SOx-Absorptionsfähigkeit der Schwefelfalle 1, 3 nicht wesentlich beeinträchtigt wird bzw. ausfällt. Aufgrund der somit geringeren erforderlichen Heizleistung kann das Bordnetz des zugehörigen Fahrzeugs als Energiequelle dienen.
Die erfindungsgemäße Schwefelfalle eignet sich insbesondere für einen NOx-Speicherkatalysator, dem die erfindungsgemäße Schwefelfalle vorgeschaltet ist. Hierbei werden die Segmente 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c der Schwefelfalle in bestimmter Reihenfolge jeweils bei einem Regenerationsvorgang des NOx-Speicherkatalysators entschwefelt. Vorzugsweise wird bei jedem NOx-Regenerationsvorgang eine Teil-De-Sulfatierung durchgeführt, d. h. ein Segment 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c entschwefelt.
Aufgrund der Mehrzahl der Teil-De-Sulfatierungsvorgänge ist wegen der kurzen Zeiten zwischen den De-Sulfatierungsvorgängen der Segmente 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c mit einer verringerten Verschwefelung zu rechnen und die deshalb möglichen kurzen NOx-Regenerationszeiten reichen auch zur De-Sulfatierung der Schwefelfallen-Segmente 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c aus. Folglich ist mit einem geringeren Energieaufwand, insbesondere mit der vom Bordnetz abrufbaren Energiemenge eine angestrebte möglichst vollständige Entschwefelung der Schwefelfalle 1, 3 möglich.
Die Einschaltung bzw. Bestromung des zu entschwefelnden Segments 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c kann bereits vor einer Einleitung der NOx-Regeneration starten.
Wegen der Minderung des Auskühleffekts durch die Teil-Androsselung bereits beim Einleiten der NOx-Regeneration ist jedoch eine Bestromung bevorzugt während dieser Einleitungsphase durchzuführen.

1: vertikal segmentierte Schwefelfalle
2a, 2b, 2c: vertikale Segmente
3: linear segmentierte Schwefelfalle
3a, 3b, 3c: lineare Segmente
5: Strömungsrichtung

Claims

Schwefelfalle (1, 3) für ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelfalle (1, 3) in n > 1 disjunkte Segmente (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) unterteilt ist und jedem Segment (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) der Schwefelfalle (1, 3) jeweils eine einzeln ansteuerbare Heizvorrichtung zugeordnet ist, wodurch jedes Segment (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) separat auf eine De-Sulfatierungstemperatur aufheizbar ist.
Schwefelfalle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelfalle (1) in mehrere, in Strömungsrichtung (5) hintereinanderliegend angeordnete vertikale Segmente (2a, 2b, 2c) unterteilt ist.
Schwefelfalle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelfalle (3) in mehrere, längs der Strömungsrichtung (5) nebeneinander angeordnete Segmente (3a, 3b, 3c) unterteilt ist.
Schwefelfalle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelfalle (1, 3) eine im wesentlichen runde oder ovale Querschnittsform aufweist.
Schwefelfalle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelfalle (1, 3) als integraler Bestandteil eines NOx-Speicherkatalysators ausgebildet ist.
Verwendung einer Schwefelfalle (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine.
Verwendung einer Schwefelfalle (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei die Schwefelfalle (1, 3) einem NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltet Ist.
Verfahren zum Betreiben einer Schwefelfalle (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) der Schwefelfalle (1, 3) jeweils einzeln oder in disjunkten Gruppen in zeitlich aufeinanderfolgenden und voneinander beabstandeten Intervallen auf eine De-Sulfatisierungstemperatur in reduzierender, stöchiometrischer oder leicht magerer Umgebung geheizt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) der Schwefelfalle (1, 3) jeweils einzeln oder in disjunkten Gruppen in zeitlich aufeinanderfolgenden und voneinander beabstandeten Intervallen auf De-Sulfatisierungstemperatur geheizt werden, wenn ein der Schwefelfalle (1, 3) nachgeschalteter NOx-Speicherkatalysator sich in einer Regenerationsphase befindet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizvorgang eines entsprechendes Segments (2a, 2b, 2c, ...; 3a, 3b, 3c, ...) oder einer entsprechende Gruppe von Segmenten vor Beginn der Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators eingeleitet wird.