DE19957184A1 - Abgasreinigungsanlage und Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage - Google Patents

Abgasreinigungsanlage und Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage für eine lambdageregelte Brennkraftmaschine mit einem im Abgaskanal angeordneten Zweibett-Katalysatorsystem zur Reduzierung eines HC-, CO- und NO¶X¶-Anteils am Abgas, das im Strömungszug des Abgases aufeinanderfolgend einen ersten und zweiten Katalysator umfaßt, und mit einer Sekundärluftpumpe, die eine Einspeisung zwischen den Katalysatoren aufweist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß der erste Katalysator (32) ein Reduktionskatalysator ist und die Brennkraftmaschine (10) in einem fetten Betriebsmodus betrieben wird (lambda < 1) sowie der zweite Katalysator (34) ein Oxidationskatalysator ist und mit der Sekundärluftpumpe (40) das Abgas auf lambda > 1 eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine lambdageregelte Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen.
Zur Reinigung eines Abgases, das während eines Verbrennungsvorganges eines Luft- Kraftstoff-Gemisches in Brennkraftmaschinen entsteht, ist es bekannt, das Abgas durch ein in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnetes Katalysatorsystem zu leiten. Einerseits sollen dabei unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC oder Kohlenmonoxid CO (reduzierende Gaskomponenten) oxidiert und andererseits Stickoxide NOx reduziert werden (Konvertierungsreaktionen). Um eine ausreichende Umsetzung der reduzierenden Gaskomponenten im Abgas zu gewährleisten, ist es notwendig, einen entsprechend hohen Sauerstoffanteil im Abgas einzustellen. Derartige Bedingungen liegen in magerer oder stöchiometrischer Atmosphäre (λ ≧ 1) vor. Demgegenüber muß bei der Umsetzung von Stickoxiden der Anteil an reduzierenden Gaskomponenten ausreichend hoch sein, was bei fetter Atmosphäre (λ < 1) gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Problematik sind zahlreiche Ansätze entwickelt worden. So ist beispielsweise bekannt, in dem Abgaskanal einen NOx-Absorber anzuordnen, der in Phasen magerer Atmosphäre die entstehenden Stickoxide NOx absorbiert und in fetter Atmosphäre dieses wieder desorbiert. Neben den erhöhten Anforderungen an den Bauraum und den zusätzlichen Materialkosten erfordert eine Regeneration eines solchen Absorbers einen erheblichen regulativen Eingriff in den Betrieb der Brennkraftmaschine.
Weiterhin sind Katalysatorsysteme bekannt, die aus zwei aufeinanderfolgend in dem Abgaskanal angeordneten Katalysatoren bestehen (Zweibett-Katalysatorsysteme) und bei denen eine Sekundärluftpumpe eine Einspeisung zwischen den Katalysatoren aufweist. So zeigt die Schrift US-PS 4,394,351 ein solches Zweibett-Katalysatorsystem. Eine Regelung der Sekundärluftpumpe erfolgt hier unter Berücksichtigung von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie insbesondere dem Luft-Kraftstoff- Verhältnis (Lambdawert) während der Verbrennung. Eine derartige Regelung berücksichtigt allerdings nicht die Zusammensetzung des Abgases im Bereich des Zweibett-Katalysatorsystems, sondern führt lediglich zu einer indirekten Beeinflussung über den Arbeitsmodus der Brennkraftmaschine. Es hat sich jedoch gezeigt, daß zur Einstellung optimaler Bedingungen für die jeweilige Konvertierungsreaktion möglichst enge Lambdabereiche zu wählen sind und daher Lambda im Bereich der Katalysatoren stetig geregelt werden muß. Eine derartige präzise Regelung läßt sich mit der in der US- PS 4,394,351 gezeigten Anordnung nicht verwirklichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasreinigungsanlage und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, an beiden Katalysatoren des Zweibett-Katalysatorsystems optimale Betriebsbedingungen für die Konvertierungsreaktionen zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abgasreinigungsanlage für eine lambdageregelte Brennkraftmaschine mit einem im Abgaskanal angeordneten Zweibett- Katalysator, der im Strömungszug des Abgases aufeinanderfolgend einen ersten und einen zweiten Katalysator umfaßt, und mit einer Sekundärluftpumpe, die eine Einspeisung zwischen den Katalysatoren aufweist, und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Abgasreinigungsanlage mit den in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen gelöst. Hierdurch ist es möglich, eine Emission von Schadstoffen niedrig zu halten, ohne laufend zwischen fettem und magerem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine wechseln zu müssen. Damit kann eine Motorsteuerung wesentlich betriebsstabiler und weniger aufwendig ausgelegt werden. Dadurch, daß der erste Katalysator ein Reduktionskatalysator ist und die Brennkraftmaschine in einem fetten Betriebsmodus betrieben wird (λ < 1) sowie der zweite Katalysator ein Oxidationskatalysator ist und mit der Sekundärluftpumpe das Abgas auf λ < 1 eingestellt wird, kann eine weitestgehende Konvertierung der Schadstoffkomponenten im Abgas er­ reicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden zur Regelung der Sekundärluftpumpe entweder stromab des zweiten Katalysators angeordnete Abgassensoren, insbesondere eine Lambdasonde oder ein NOx-Sensor, benutzt, oder die Regelung erfolgt mit Hilfe eines Modells für die Abgasmassenströme. Letztere Methode erlaubt eine besonders schnelle Regelung der Sekundärluftpumpe.
Die Brennkraftmaschine wird bevorzugt derart betrieben, daß der Lambdawert vor dem ersten Katalysator in einem Bereich von λ = 0,995 bis 0,999 liegt. Die Mittel zur Regelung der Brennkraftmaschine sind bekannt und umfassen beispielsweise ein Einspritzsystem und eine Abgasrückführeinrichtung. Eine Lufteinspeisung der Sekundärluftpumpe vor dem zweiten Katalysator wird bevorzugt derart ausgestaltet, daß sich ein Lambdawert in einem Bereich von λ = 1,001 bis 1,005 einstellt. Die beiden aufgezeigten Lambdabereiche haben sich mit Hinblick auf eine möglichst hohe Konvertierungsrate bei der Reduktion beziehungsweise Oxidation der Schadstoffe als besonders vorteilhaft erwiesen.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der über die Sekundärluftpumpe zugeführten Luft zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, die Abgasreinigungsanlage derart auszugestalten, daß die Einspeisung der Sekundärluftpumpe aus mehreren, über den Umfang des Abgaskanals verteilten Bohrungen besteht. Denkbar ist aber auch, die Einspeisung über einen in den Abgaskanal ragenden Torus mit Bohrungen zu verwirklichen.
Vorteilhafterweise wird der Abgasreinigungsanlage eine Steuereinheit zugeordnet, in der das Modell für die Abgasströme hinterlegt ist. Das Modell liefert dann Sollgrößen, die in an sich bekannter Weise über einen der Sekundärluftpumpe zugeordneten Aktuator zur Regelung der eingespeisten Luftströme genutzt werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die in einer Prinzipdarstellung eine Abgasreinigungsanlage für eine lambdageregelte Brennkraftmaschine mit einem Zweibett-Katalysatorsystem und einer Sekundärluftpumpe zeigt, näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Brennkraftmaschine 10, die hinsichtlich einer Zusammensetzung eines zu verbrennenden Luft-Kraftstoff-Gemisches geregelt werden kann. Dazu ist beispielsweise eine Abgasrückführeinrichtung 12 mit einem Abgasrückführventil 14 und einer regelbaren Drosselklappe 16 in einem Ansaugrohr 18 vorgesehen. Weiterhin kann der Brennkraftmaschine 10 ein Einspritzsystem 20 zugeordnet sein, über das beispielsweise eine Einspritzzeit, ein Einspritzvolumen und dergleichen einstellbar ist. Eine Steuerung der der Brennkraftmaschine 10 zugeordneten Stellorgane 12, 20 kann in bekannter Weise über ein Motorsteuergerät 22 koordiniert werden. Als Eingangsgrößen für das Motorsteuergerät 22 kann dann beispielsweise ein Lambdawert in einem Abgaskanal 24 stromab der Brennkraftmaschine 10 dienen. Dazu sind in dem Abgaskanal 24 entsprechende Gassensoren 26, 28, insbesondere Lambdasonden oder NOx-Sensoren, angeordnet. Wie bereits erläutert, ist die Regelung des Lambdawertes der Brennkraftmaschine 10 bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Zur Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine 10 ist ein Zweibett- Katalysatorsystem 30 im Abgaskanal 24 angeordnet. Das Zweibett-Katalysatorsystem 30 besteht aus einem ersten Katalysator 32, der ein Reduktionskatalysator ist, und einem zweiten Katalysator 34, der ein Oxidationskatalysator ist. Der Reduktionskatalysator 32 trägt eine katalytisch aktive Beschichtung, die eine Konvertierung von während des Verbrennungsvorganges in der Brennkraftmaschine 10 gebildetem Stickoxid NOx unterstützt, während der Oxidationskatalysator 34 eine die Oxidation von Reduktionsmitteln wie Kohlenmonoxid CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC unterstützende Schicht aufweist.
In einem Zwischenraum 36 zwischen den beiden Katalysatoren 32, 34 mündet eine Einspeisung 37 einer Sekundärluftpumpe 40. Die Einspeisung 37 kann beispielsweise aus mehreren, über den Umfang des Abgaskanals 24 verteilten Bohrungen bestehen oder - wie hier dargestellt - durch einen in den Abgaskanal 24 ragenden Torus 38 mit Bohrungen verwirklicht werden. Ziel ist es, eine möglichst gleichmäßige Verteilung der eingespeisten Luft zu gewährleisten.
Ferner ist der Sekundärluftpumpe 40 eine Steuereinheit 42 zugeordnet, die in noch näher zu erläuternder Weise eine Regelung des eingespeisten Luftstromes erlaubt. Gegebenenfalls kann die Steuereinheit 42 auch mit dem Motorsteuergerät 22 zusammengefaßt werden, indem die zur Steuerung der Sekundärluftpumpe 40 notwendigen Prozeduren dort hinterlegt werden.
Das Verfahren zum Betrieb einer solchen Abgasreinigungsanlage 44 kann wie folgt durchgeführt werden:
Zunächst wird die Brennkraftmaschine 10 auf einen Arbeitsmodus eingeregelt, der im Bereich von λ = 0,995 bis 0,999 liegt. Eine solche Regelung kann - wie bereits erläutert - in bekannter Weise über das Motorsteuergerät 22 und die Stellorgane 12, 20 verwirklicht werden. Damit liegen optimale Bedingungen für die Konvertierungsreaktion von NOx im Reduktionskatalysator 32 vor. Unter diesen Bedingungen wäre allerdings eine vollständige Umsetzung der noch verbleibenden Reduktionsmittel CO, HC im Abgas nicht möglich. Daher erfolgt eine Lufteinspeisung über die Sekundärluftpumpe 40, und zwar derart, daß sich ein Lambdawert im Bereich von λ = 1,001 bis 1,005 einstellt.
Zur Regelung der Sekundärluftpumpe 40 kann ein Signal des Gassensors 28 in die Steuereinheit 42 eingelesen werden und nachfolgend der Sekundärluftpumpe 40 eine entsprechende Sollgröße für den einzuspeisenden Luftstrom vorgegeben werden.
Neben einer derartigen sensorgesteuerten Regelung kann die Regelung der Sekundärluftpumpe 40 mit Hilfe eines Modells für die Abgasmassenströme durchgeführt werden. Der Vorteil eines solchen Verfahrens ist es, daß eine sehr viel schnellere Reaktion auf Regelabweichungen möglich ist. In ein solches Modell der Abgasmassenströme fließen in bekannter Weise Größen wie die Einspritzmenge, ein Ansaugvolumen, eine Abgasrückführrate und dergleichen ein. Selbstverständlich lassen sich beide aufgezeigten Methoden kombinieren.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage für eine lambdageregelte Brennkraftmaschine mit einem im Abgaskanal angeordneten Zweibett­ Katalysatorsystem zur Reduzierung eines. HC-, CO- und NOx-Anteils am Abgas, das im Strömungszug des Abgases aufeinanderfolgend einen ersten und zweiten Katalysator umfaßt, und mit einer Sekundärluftpumpe, die eine Einspeisung zwischen den Katalysatoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysator (32) ein Reduktionskatalysator ist und die Brennkraftmaschine (10) in einem fetten Betriebsmodus betrieben wird (λ < 1) sowie der zweite Katalysator (34) ein Oxidationskatalysator ist und mit der Sekundärluftpumpe (40) das Abgas auf λ < 1 eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Sekundärluftpumpe (40) mit Hilfe eines Modells für die Abgasmassenströme und/oder eines Signals eines stromab des zweiten Katalysators (34) angeordneten Abgassensors (28), insbesondere einer Lambdasonde oder einem NOx-Sensor, erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambdawert vor dem ersten Katalysator (32) in einem Bereich von λ = 0,995 bis 0,999 liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lambdawert vor dem zweiten Katalysator (34) in einem Bereich von λ = 1,001 bis 1,005 liegt.
5. Abgasreinigungsanlage für eine lambdageregelte Brennkraftmaschine mit einem im Abgaskanal angeordneten Katalysatorsystem zur Reduzierung eines HC-, CO- und NOx-Anteils am Abgas, das im Strömungszug des Abgases aufeinanderfolgend einen ersten und zweiten Katalysator umfaßt, und mit einer Sekundärluftpumpe, die eine Einspeisung zwischen den Katalysatoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysator (32) ein Reduktionskatalysator und der zweite Katalysator (34) ein Oxidationskatalysator ist und das Abgas mittels der Sekundärluftpumpe (40) auf λ < 1 einstellbar ist.
6. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspeisung (37) der Sekundärluftpumpe (40) aus mehreren, über den Umfang des Abgaskanals (24) verteilten Bohrungen besteht.
7. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung (37) ein in den Abgaskanal (24) ragender Torus (38) mit Bohrungen ist.
8. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgassensor (28), der zur Regelung der Sekundärluftpumpe (40) dient, stromab des zweiten Katalysators (34) angeordnet ist.
9. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgassensor (28) eine Lambdasonde oder ein NOx-Sensor ist.
10. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasreinigungsanlage (44) eine Steuereinheit (42) zugeordnet ist, in der ein Modell für die Abgasströme hinterlegt ist, das zur Regelung der Sekundärluftpumpe (40) dient.
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