DE60007037T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Partikeln und Stickoxyden für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Partikeln und Stickoxyden für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors.
  • Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors oder eines Motors mit Magermix, von dem Typ, der eine NOx-Falle umfasst, die vor einem Partikelfilter liegt, und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Systems.
  • Man kennt Beispiele von Systemen zur Behandlung von Abgasen, die es ermöglichen, die Emissionen von verschmutzenden Substanzen, wie Stickoxide und Partikel zu reduzieren.
  • Die Dieselmotoren und bestimmte Benzinmotoren (oder Fremdzündung) arbeiten mit mageren Gemischen, d.h. mit einem Überschuss an Sauerstoff.
  • Die Verbrennung von mageren Gemischen produziert Stickoxide oder NOx, die durch katalytische Umwandlung behandelt werden müssen.
  • Um die NOx zu reduzieren, wenn die Abgase reich an Sauerstoff sind, besteht eine Methode darin, die NOx, die in den Abgasen enthalten sind, in einer Falle, auch NOx-Falle genannt, zu lagern und periodisch die so gefangenen NOx zu behandeln, indem massiv reduzierende Substanzen, wie z.B. Kraftstoff, eingespritzt werden. Das Dokument EP-B-0.560.991 beschreibt eine solche Vorrichtung zur Lagerung der NOx sowie verschiedene Strategien zur Regeneration.
  • Die Verbrennungsmotoren und insbesondere die Dieselmotoren produzieren darüber hinaus Partikel oder Ruß, der aus unlöslichen, unverbrannten Kohlenwasserstoffen besteht.
  • Um diese Partikel zu behandeln, wurde eine Methode entwickelt, die ähnlich der mit der NOx-Falle ist. Sie besteht darin, einen Partikelfilter zu verwenden, der den durch den Motor ausgestoßenen Ruß fängt, und darin, periodisch diese Partikel zu zerstören, indem man sie verbrennt.
  • Diese Regenerationsphase der Filter wird mit gesteuerten Mitteln zur Erhitzung erhalten, oder auch indem man temporär die Temperatur der Abgase mit Hilfe von Nachverbrennung erhöht.
  • Das Dokument JP 8338229 lehrt ein System zur Behandlung von Abgasen, das einen Partikelfilter und einen Oxidationskatalysator aufweist, der eine Imprägnierung aufweisen kann, die eine NOx-Falle darstellt, um den Ruß mit dem Stickoxid, das durch die NOx-Falle freigesetzt wird, oxidieren zu können. Dieses Dokument sieht jedoch nicht vor, den Partikelfilter einer katalytischen Phase zu imprägnieren, um die Verbrennungstemperatur des Rußes zu verringern.
  • Das Dokument JP 6159037 lehrt ein System zur Behandlung von Abgasen, das einen Partikelfilter aufweist, der eine Imprägnierung aufweist, die eine NOx-Falle darstellt. Darüber hinaus sieht dieses Dokument nicht vor, den Partikelfilter einer katalytischen Phase zu imprägnieren, um die Verbrennungstemperatur des Rußes zu verringern.
  • Genauer hat die Erfindung zur Aufgabe, Nutzen aus der punktuellen Anreicherung der Abgase mit Stickoxiden zu ziehen, bei der Regeneration der NOx-Falle, um die Verbrennung der Partikel im Partikelfilter bei niedrigerer Temperatur dank der oxidierenden Kraft des NO2 zu fördern und so die zusätzliche Erhitzung des Partikelfilters zu verringern oder sogar wegzulassen.
  • Die Erfindung schlägt auch ein Verfahren zur Steuerung eines Systems zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors vor, insbesondere eines Dieselmotors oder eines Benzinmotors mit Magermix, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Wert des Füllungsgrades der NOx-Falle zwischen einem ersten vorbestimmten Minimalwert und einem ersten vorbestimmten Maximalwert liegt und der Wert des Verschmutzungsgrades des Partikelfilters zwischen einem zweiten vorbestimmten Minimalwert und einem zweiten vorbestimmten Maximalwert liegt, die Regenerationsphasen der NOx-Falle und des Partikelfilters simultan durchgeführt werden, um die Effizienz des Behandlungssystems zu optimieren.
  • Gemäß weiteren Eigenschaften der Erfindung:
    • – wird eine ausreichende Menge von Reduktionsmittel eingespritzt, wenn der Wert des Füllungsgrades der NOx-Falle einen ersten vorbestimmten Maximalwert erreicht, während der Wert des Verschmutzungsgrades des Partikelfilters niedriger als ein zweiter Minimalwert ist, um die NOx-Falle zumindest teilweise zu regenerieren;
    • – wird der Rückführungsgrad der Abgase punktuell erhöht, um die Menge an einzuspritzendem Reduktionsmittel zu verringern;
    • – wird die Regeneration des Partikelfilters zumindest teilweise durchgeführt, ohne dass die Regeneration der Stickoxidfalle durchgeführt wird, wenn der Verschmutzungsgrad des Partikelfilters einen zweiten vorbestimmten Maximalwert erreicht, während der Wert des Füllungsgrades der NOx-Falle niedriger als ein erster Minimalwert ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der detaillierten Beschreibung, die folgt, offensichtlich werden, zu deren Verständnis auf die einzige Figur im Anhang Bezug genommen werden wird.
  • Die einzige Figur im Anhang ist eine schematische Darstellung einer Abgasleitung, die mit einem System zu Behandlung von Abgasen gemäß der Erfindung ausgestattet ist.
  • In der einzigen Figur ist ein System zur Behandlung 10 von Abgasen G eines Verbrennungsmotors 12 dargestellt. Der Motor 12, ist ein Dieselmotor oder ein Benzinmotor, der mit einem mageren Gemisch arbeitet, wie ein Benzinmotor mit Direkteinspritzung.
  • Eine Leitung 14 ermöglicht das Ausströmen des Gases G des Motors in die Atmosphäre. Ein System zur Behandlung 10, das dazu bestimmt ist, die Abgase G zu reinigen, befindet sich im Inneren der Leitung 14. Es setzt sich prinzipiell aus einer NOx-Falle 23 und einem Partikelfilter 20 zusammen. Diese Elemente werden nachfolgend von der Quelle abwärts in der Leitung 14 in Ausströmrichtung des Gases G platziert.
  • Vorteilhafterweise werden ein Oxidationskatalysator 30 und ein System zur Einspritzung 22 eines Reduktionsmittels vor der NOx-Falle 23 angeordnet.
  • Das verwendete Reduktionsmittel ist vorzugsweise der Kraftstoff, der zum Betrieb des Motors verwendet wird, wie z.B. Benzin, Heizöl, Isooktan, usw.
  • Die Mittel zur Erhitzung 18 werden vorteilhafterweise vor oder im Partikelfilter 20 eingefügt. Der Oxidationskatalysator 30, die NOx-Falle 23, das System zur Einspritzung 22, der Partikelfilter 20 und das Erhitzungssystem 18 werden im selben Gehäuse 24 oder in mehreren unterschiedlichen Gehäusen angeordnet.
  • Vorteilhafterweise ist der Partikelfilter 20 mit einer katalytischen Imprägnierung behandelt.
  • Vorteilhafterweise ist eine Drucksonde 32 mit zwei Druckabgriffstellen 34 und 36 verbunden, die vor bzw. hinter dem Partikelfilter 20 angeordnet sind.
  • Vorteilhafterweise misst eine NOx-Sonde 56 die NOx-Konzentration in den Abgasen G hinter der NOx-Falle 23.
  • Die Arbeitsweise des Systems zur Behandlung 10 ist die folgende.
  • Die vom Motor 12 produzierten Abgase G werden in die Leitung 14 geschickt. Sie durchlaufen sukzessiv den Oxidationskatalysator 30, die NOx-Falle 23 und den Partikelfilter 20.
  • Der Oxidationskatalysator 30 hat zwei Hauptfunktionen.
  • Die erste ist die Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe am Ausgang des Motors. Die zweite ist die Oxidation des Stickstoffmonoxids zu Stickoxid. Letzteres ist ein sehr starkes Oxidationsmittel gleich dem Ozon.
  • Gemäß einer Variante (nicht dargestellt) kann der Oxidationskatalysator 30 weggelassen werden.
  • Gemäß einer anderen Variante (nicht dargestellt) ist der Motor mit einem Kreislauf zur Rückführung der Abgase ausgestattet. Die zum Motor zugelassene Luft ist normalerweise frische Luft, die aus der Atmosphäre stammt. Die Rückführung des Gases G ermöglicht es, diese frische Luft mit den Abgasen G zu vermischen. Dies hat insbesondere den Effekt, die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen G zu verringern.
  • Die NOx-Falle 23 ermöglicht es, die in den Abgasen vorhandenen NOx zu lagern, wenn deren Zusammenstellung ihre Reduzierung nicht erlaubt.
  • Damit die Lagerung der NOx möglich ist, muss man sich im oxidierenden Umfeld befinden und es darf die Falle 23 nicht gesättigt sein. Das Prinzip der Lagerung von NOx ist das folgende. Das NO, das vorher zu NO2 oxidiert wurde, wird in der Falle 23 gelagert in der Form von Nitraten. Die Phase der Lagerung ist nur in einem oxidierenden Umfeld möglich.
  • Um die Falle 23 zu regenerieren und die NOx freizusetzen, benötigt man einerseits eine ausreichende Temperatur und muss man sich andererseits in einen Reduktionszustand versetzen, d.h., man benötigt ein Umfeld, das arm an Sauerstoff ist. Diese Reduktionsbedingungen werden erhalten dank der Einspritzung von Kraftstoff durch das System zur Einspritzung 22 am Eingang der Falle 23 in ausreichender Menge, um den Überschuss an Sauerstoff zu eliminieren und die NOx-Falle zu regenerieren.
  • Gemäß der Erfindung umfasst die Falle 23 keinen oder wenig Reduktionskatalysator, so dass während der Regenerationsphase die freigesetzten NOx nicht oder wenig reduziert werden. Das System zur Behandlung 10 weist also nach dem Filter 20 katalytische Mittel auf, die die Reduktion der von der Falle 23 freigesetzten NOx fördert.
  • Gemäß einer Variante besteht das System zur Einspritzung 22 aus den Einspritzdüsen des Motors 23.
  • Die Frequenz der Auslösung der Regenerationsphase der Falle 23 wird von ihrem Füllungsgrad sowie vom Verschmutzungsgrad des Filters 20 abhängen, so wie dies unten erklärt werden wird.
  • Der Partikelfilter 20 fängt die in den Abgasen vorhandenen Partikel. Periodisch ist es notwendig, den Filter 20 durch Verbrennung des gefangenen Rußes zu regenerieren.
  • Die Regeneration des Partikelfilters 20 benötigt eine Temperatur der Abgase, die höher als oder gleich der Verbrennungstemperatur der Partikel ist. Es ist in bestimmten Fällen notwendig, die Temperatur der Abgase zu erhöhen oder die Verbrennungstemperatur der Partikel zu senken, um die Regenerationsphase zu fördern.
  • Zwei Arten von Unterstützung können realisiert werden.
  • Eine erste Unterstützung, die aktiv genannt wird, wird durch das System zur Erhitzung 18 erhalten.
  • Sie wird ausgeführt, wenn die Temperatur der Abgase G vor dem Partikelfilter 20 ungenügend ist, die Regenerierung des Partikelfilters 20 zu ermöglichen, d.h. niedriger als 500°C.
  • Das System zur Erhitzung 18 kann entweder der Partikelfilter 20 selber sein, der wie ein erhitzender elektrischer Widerstand verwendet wird, oder ein zusätzliches Mittel zur Erhitzung, wie ein Heizgitter, ein Brenner, usw., die vor dem Partikelfilter 20 angeordnet. In der ersten Konfiguration ist es die durch den Partikelfilter 20 freigesetzte Hitze, die die Verbrennung der in ihm gelagerten Partikel auslöst. In der zweiten Konfiguration sind es die erhitzten Gase G, die die Verbrennung der Partikel hervorrufen.
  • Eine zweite Unterstützung, die passiv genannt wird, wird durch katalytische Regeneration erhalten.
  • Der Partikelfilter 20 wird mit einer Imprägnierung behandelt, die katalytische Phase genannt wird, die es ermöglicht, die Verbrennungstemperatur der Partikel zu senken. Zum Beispiel kann man die Verwendung eines metallischen Katalysators ins Auge fassen, der durch den Filter getragen wird. Das Metall muss oxidierende Eigenschaften besitzen (Beispiel: Pt, Cu). Es muss auf der Oberfläche stark gestreut sein und sehr verdünnt, d.h., dass sein Metallgehalt und der Durchmesser der metallischen Partikel sehr gering sein muss, um die Alterung der katalytischen Phase durch Sinterung der metallischen Partikel unter der Wirkung der Temperatur zu verhindern. Der Träger kann vom Typ Oxid sein (Beispiel Al2O3) und muss die Lagerung und die Beweglichkeit des Sauerstoffs durch Ausbreitung auf der Oberfläche begünstigen, so dass der Kontakt zwischen den Partikeln, die eine Karbonquelle darstellen, und dem Oxidationsmittel (O2) verbessert wird.
  • Diese Reaktion wird bei niedrigerer Temperatur in Anwesenheit eines Katalysators begünstigt. Die Verwendung einer passiven Unterstützung für die Regeneration des Filters 20 ermöglicht es, die Energiezufuhr durch die Heizung, die notwendig ist, um die Verbrennungstemperatur der Partikel zu erhalten, zu verringern.
  • Vorteilhafterweise ist der Partikelfilter 20 mit einer besonderen Imprägnierung behandelt, die es ermöglicht, die Lagerung der NOx sicherzustellen.
  • Diese Imprägnierung kann derjenigen assimiliert werden, die für die NOx-Falle 23 verwendet wird, welche die Lagerung der NOx in einer oxidierenden Umgebung und ihre Freisetzung in einer reduzierenden Umgebung erlauben muss.
  • Die Lagerung der NOx auf dem Partikelfilter 20 sichert einen guten Kontakt zwischen den NOx und den Partikeln, was die Verbrennung letzterer durch Oxidation fördert.
  • Gemäß der Erfindung hängt die Frequenz der Ausführung der Regenerationsphase des Partikelfilters 20 vom Verschmutzungsgrad des Partikelfilters 20 ab, und vom Füllungsgrad der NOx-Falle 23.
  • Die Druckabgriffstellen 34 und 36 der Drucksonde 32 ermöglichen es, den Wert des Verlusts an Verunreinigung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Systems zur Behandlung 10 zu bestimmen, der dem Verschmutzungsgrad des Filters 20 entspricht.
  • Eine NOx-Sonde 56 ermöglicht es, die Menge an NOx zu bestimmen, die in den Abgasen G am Ausgang der NOx-Falle 23 enthalten sind. Die durch die Sonde 56 gemessene NOx-Konzentration entspricht dem Füllungsgrad der NOx-Falle 23.
  • In der vorgeschlagenen Konfiguration (NOx-Falle 23, Partikelfilter 20) wird die Effizienz des Systems 10 optimiert, wenn die Regeneration des Partikelfilters 20 und der NOx-Falle 23 simultan ausgeführt werden, oder mit geringem Zeitunterschied.
  • Die Regeneration der NOx-Falle 23 setzt in der Tat eine große Menge an NO2 frei. Die NO2 sind starke Oxidationsmittel. Sie begünstigen daher die Verbrennung der Partikel bei niedrigerer Temperatur. Die Effizienz des Systems 10 wird so verbessert und die Menge an Energie, die zur Ausführung der Mittel zur Erhitzung 18 benötigt wird, wird reduziert.
  • Es ist daher wichtig, die Regeneration des Partikelfilters 20 und die der NOx-Falle 23 möglichst zu synchronisieren, und das, um die Gesamteffizienz des Systems 10 zu optimieren.
  • Die NOx-Falle 23 zeichnet sich insbesondere durch einen ersten Minimalwert und einen ersten Maximalwert der Füllung aus, die den Grenzwerten des Bereichs, in dem die Regeneration der NOx-Falle 23 ausgeführt werden muss, entsprechen.
  • Diese ersten Minimal- und Maximalwerte der Füllung werden vorteilhafterweise gemäß dem Betriebspunkt des Motors kartographiert.
  • Der Partikelfilter 20 wird insbesondere durch einen zweiten Minimalwert und einen zweiten Maximalwert seines Verschmutzungsgrades bestimmt. Diese Werte entsprechen dem Wert des Verschmutzungsgrades, unterhalb dessen die Menge an eingelagerten Partikeln im Filter 20 zu gering ist, dass der Filter regeneriert werden könnte, bzw. dem Wert des Verschmutzungsgrades, oberhalb dessen der Druckverlust in der Ableitung 14, der durch die Verstopfung des Filters 20 hervorgerufen wird, zu hoch ist für ein gutes Funktionieren des Motors.
  • Diese zweiten Minimal- und Maximalwerte der Verschmutzung werden vorteilhafterweise gemäß dem Betriebspunkt des Motors kartographiert.
  • Die Regenerationen des Partikelfilters 20 und der NOx-Falle 23 werden gemeinsam durchgeführt, wenn der Wert des Füllungsgrades und der Wert des Verschmutzungsgrades zwischen diesen entsprechenden Minimal- und Maximalwerten liegt, so dass der übermäßige Konsum an Reduktionsmittel für die Regeneration der NOx-Falle 23 minimiert wird. Die NOx-Falle 23 und der Partikelfilter 20 werden deshalb so dimensioniert, dass ihre jeweiligen Regenerationsphasen möglichst synchronisiert sind und auch um zu ermöglichen, dass die Effizienz des Systems zur Behandlung optimiert wird.
  • Dies ist jedoch nicht immer möglich, da die Geschwindigkeiten der Verstopfung des Partikelfilters 20 und die Auffüllung der NOx-Falle 23 je nach Betriebspunkt des Motors 12 variieren.
  • In der Tat kann der Wert des Füllungsgrades der NOx-Falle 23 gleich dem ersten Maximalwert sein, während der Wert des Verschmutzungsgrades des Filters 20 niedriger als der zweite Minimalwert ist. Es ist also möglich, zumindest teilweise, die NOx-Falle 23 zu regenerieren, indem die ausreichende Menge an Redukti onsmittel eingespritzt wird, ohne jedoch die Regeneration des Partikelfilters 20 auszulösen.
  • Vorteilhafterweise ist es möglich, punktuell den Rückführungsgrad der Abgase zu erhöhen, um die Sauerstoffkonzentration der Abgase günstiger für die Regeneration der NOx-Falle 23 zu gestalten, was es erlaubt, die Menge an einzuspritzendem Reduktionsmittel zu verringern.
  • Es kann auch passieren, dass der Wert des Verschmutzungsgrades des Partikelfilters 20 einen zweiten Maximalwert erreicht, während der Wert des Füllungsgrades der NOx-Falle 23 niedriger als der erste Minimalwert ist. In diesem Fall wird die Regeneration des Filters 20 zumindest teilweise durchgeführt, ohne dass die Regeneration der NOx-Falle 23 durchgeführt wird.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Systems (10) zur Behandlung von Abgasen (G) eines Verbrennungsmotors (12), insbesondere eines Dieselmotors oder eines Benzinmotors mit Magermix, das eine Falle (23) für Stickoxide (NOx) umfasst, die vor einem Partikelfilter (20) liegt, dadurch charakterisiert, dass, wenn der Wert des Füllungsgrades der Falle (23) für Stickoxide (NOx) zwischen einem ersten vorbestimmten Mindestwert und einem ersten vorbestimmten Höchstwert liegt, und wenn der Wert des Verschmutzungsgrades des Partikelfilters (20) zwischen einem zweiten vorbestimmten Mindestwert und einem zweiten vorbestimmten Höchstwert liegt, die Regenerationsphasen der Falle (23) für Stickoxide (NOx) und des Partikelfilters (20) simultan durchgeführt werden, um das Behandlungssystem (10) zu optimieren.
  2. Verfahren zur Steuerung eines Systems (10) zur Behandlung von Abgasen (G) eines Verbrennungsmotors (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Wert des Füllungsgrades der Falle (23) für Stickoxide (NOx) einen ersten vorbestimmten Höchstwert erreicht, während der Wert des Verschmutzungsgrades des Partikelfilters (20) niedriger als ein zweiter Mindestwert ist, eine ausreichende Menge von Reduktionsmittel eingespritzt wird, um die Falle (23) für Stickoxide (NOx) zumindest teilweise zu regenerieren, ohne dass die Regenerierung des Partikelfilters durchgeführt wird.
  3. Verfahren zur Steuerung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückführungsgrad der Abgase (G) punktuell er höht wird, um die Menge an einzuspritzendem Reduktionsmittel zu verringern.
  4. Verfahren zur Steuerung eines Systems (10) zur Behandlung von Abgasen (G) eines Verbrennungsmotors (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Verschmutzungsgrad des Partikelfilters (20) einen vorbestimmten zweiten Höchstwert erreicht, während der Wert des Füllungsgrades der Falle (23) für Stickoxide (NOx) niedriger als ein erster Mindestwert ist, die Regenerierung des Partikelfilters (20) zumindest teilweise durchgeführt wird, ohne dass die Regenerierung der Falle (23) für Stickoxide (NOx) durchgeführt wird.
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