DE69804820T2 - Regeneration eines nox-speichers - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Motoren mit einem Speichergefäß für Stickstoffoxyde (NOx) oder sog. NOx-Falle in der Abgasanlage, wie sie GB 2303565 A offenbart, und befaßt sich mit der periodischen Spülung eines solchen gespeicherte NOx-Gase enthaltenden Gefäßes und der Regenerierung des Gefäßes zur Vermeidung von Schwefelvergiftung durch Entfernen von Schwefeloxyden (SOx), welche sich in diesem Gefäß ansammeln.
Hintergrund der Erfindung
• In einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit magerer Verbrennung, wie sie in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, besteht ein bekanntes Verfahren zur Reduzierung von NOx-Emissionen in den Abgasen darin, ein Mager-NOx-Auffanggefäß oder sog. NOx- Falle zu verwenden, das die NOx-Gase schubweise aus der oxydierenden Atmosphäre der mageren Abgase abfängt und speichert.
• Diese Falle wird regelmäßig gespült, indem sie einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt wird, wonach die gespeicherten NOx- Gase freigelassen werden und in Gegenwart eines Katalysators zu Stickstoff reduziert werden, bevor sie in die Umgebungsatmosphäre entlassen werden. Liegt Schwefel in dem Kraftstoff vor, dann entsteht ebenso wie NOx auch SOx in den Abgasen, und die Falle speichert dann auch die SOx-Gase, die auf Dauer die Falle "vergiften". Zur Regenerierung und zum Schutz gegen Schwefelvergiftung kann die Falle ab und zu einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt werden, in diesem Falle muß die chemische Reaktion jedoch bei einer wesentlich höheren Temperatur ablaufen und muß daher entweder ausgeführt werden, während die Falle erwärmt wird, oder wenn die Falle wegen der vorherrschenden Motordrehzahl und -Belastung selbst schon mit einer hohen Temperatur arbeitet.
• Ein bekanntes Verfahren, die Falle einer reduzierenden Atmosphäre auszusetzen, beinhaltet, daß die Zumessung von Kraftstoff für den Motor für kurze Zeit von einem mageren Gemisch auf ein fettes Gemisch umgestellt wird, um so die Zusammensetzung der Abgase von Sauerstoffüberschuß auf Kraftstoffüberschuß umzustellen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der Betrieb des Motors während des Spülvorganges gestört wird, der normalerweise eine plötzliche Änderung des Abtriebsmomentes des Motors hervorrufen würde und für den Fahrer des Fahrzeuges verwirrend wäre. Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, weitere komplizierte Schritte vorzunehmen, eine solche plötzliche Drehmomentänderung zu unterdrücken, so daß die Fahrqualität nicht beeinträchtigt wird.
• Die NOx-Falle für den Magerbetrieb wird besser in einem erheblichen Abstand vom Motor in der Auspuffanlage angebracht, um so eine optimale Betriebstemperatur der Falle zu gewährleisten. Ein Nachteil dabei ist jedoch, daß die Dauer des Fettgemischbetriebes des Motors zur Spülung auch den Transport und das Vermischen des fetten Abgasschwalles mit den mageren Abgasen in der Abgasleitung berücksichtigen muß, was eine Diffusion des Schwalles und eine Schwächung der reduzierenden Atmosphäre bewirkt, bis der Schwall indem Auffanggefäß eintrifft.
• Außerdem muß ein oxydierender Katalysator stromoberhalb der Magerbetrieb-NOx-Falle angeordnet werden, um die Kohlenwasserstoff-Emissionen des Motors zu reduzieren, und die Dauer des Fettbetriebes beim Spülen muß dann auch die Oxydation eines Teiles des Kraftstoffüberschusses in dem fetten Abgasschwall durch den Katalysator berücksichtigen, bevor der Restanteil des Schwalls durch den Oxydationskatalysator hindurch tritt. All diese Gesichtspunkte führen zu einer relativ langen Dauer des Betriebes des Motors im fetten Bereich, um zu gewährleisten, daß eine ausreichend große Menge von Abgasen die Mager-NOx-Falle erreichen kann, um diese Falle zu spülen. Das bedeutet jedoch eine verschärfte Beeinträchtigung des Gesamtkraftstoffverbrauches im Motor, wenn das Verhältnis der Dauer von fetten zu mageren Betriebsperioden des. Motors erhöht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
• Im Hinblick auf eine Minimierung der vorgenannten Nachteile liefert die vorliegende Erfindung einem ersten Aspekt zufolge ein Verfahren zur Spülung einer NOx-Falle mit einer Matrix aus engen Strömungskanälen, die in der Abgasanlage eines Magerverbrennungsmotores angeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: die Stellung einer strömungsglättenden Matrix aus schmalen Strömungskanälen, die vor der NOx-Fallenmatrix angeordnet ist und durch eine schmale Kammer von der NOx-Falle getrennt ist, und die periodische stoßweise Einspritzung von reduzierenden Gasen in die schmale Kammer, wobei jeder Stoß eine ausreichende Masse und Strömungsgeschwindigkeit aufweist, die schmale Kammer mit den reduzierenden Gasen zu füllen, und die zuvor in der schmalen Kammer vorhandenen Abgase in die schmälen Strömungskanäle der stromglättenden Matrix und der Falle zu verdrängen, ohne sich dabei nennenswert mit letzteren Abgasen zu vermischen.
• Einem zweiten Aspekt der Erfindung zufolge wird ein Magerverbrennungsmotor mit einer NOx-Falle in Form einer Matrix aus engen Strömungskanälen und mit Mitteln zur Einspritzung von reduzierenden Gasen stromoberhalb der NOx-Fallenmatrix zur periodischen Spülung der Falle gestellt, dadurch gekennzeichnet, daß eine stromglättende Matrix aus engen Strömungskanälen stromoberhalb der NOx-Fallenmatrix angeordnet und durch eine schmale Kammer von dieser Fallenmatrix getrennt ist, und daß die Mittel zur Einspritzung von reduzierenden Gasen stromoberhalb der NOx- Fallenmatrix derart wirken, daß sie die reduzierenden Gase stoßweise in die schmale Kammer einspritzen, wobei jeder Stoß eine ausreichende Masse und Strömungsgeschwindigkeit aufweist, die schmale Kammer mit den reduzierenden Gasen zu füllen, und die zuvor in der schmalen Kammer vorhandenen Abgase in die Strömungskanäle der stromglättenden Matrix und der Falle zu verdrängen, ohne sich dabei nennenswert mit letzteren Abgasen zu vermischen.
• Durch die Erfindung kann die Falle mit minimalem Kraftstoffverlust gespült werden, da der zum Spülen eingespritzte Kraftstoff weitestgehend von dem in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffüberschuß ferngehalten wird. Ein Vermischen der Gase wird aufgrund der schmalen Geometrie der Kammer und der Strömungskanäle vermieden. Wenn die reduzierenden Gase als Gasstoß in die enge Kammer eingespritzt werden, mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die wesentlich größer als diejenige der durch die Kammer fließenden Abgase ist, füllen sie die Kammer schnell aus und drängen die Abgase in die schmalen Strömungskanäle der benachbarten Matrizen beiderseits der Kammer, und bilden so einen Gasstoß reduzierender Gase zwischen den Abgasen. Dieser Gasstoß unterbricht momentan den durchgehenden Abgasstrom, bis der Abgasdruck im stromaufwärtigen Abschnitt der Abgasanlage weit genug ansteigt, seinen Weg zurück in die schmale Kammer zu erzwingen, zu diesem Zeitpunkt ist dann der Einspritzstoß beendet. Das Ergebnis ist, daß eine Welle von reduzierenden Gasen in die Matrix der Mager-NOx-Falle eintritt und sich über die Länge der Matrix ausbreitet, ohne sich dabei merklich mit den Abgasen zu vermischen. Die Stärke der Welle hängt dabei von der Masse der reduzierenden Gase ab, die in der verfügbaren Zeit eingespritzt wird, bevor der durchgehende Abgasstrom seinen Weg zurück in die schmale Kammer findet.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Matrix der NOx-Falle nicht nur mit einem NOx-Speichermaterial beschichtet, sondern auch mit Sauerstoffspeichermaterial. In diesem Falle können die reduzierenden Gase exotherm mit dem gespeicherten Sauerstoff reagieren und Wärme freisetzen. Durch Anlegen aufeinanderfolgender Gasstöße reduzierender Gase mit einer Wiederholungsfrequenz, die zwischen den Gasstößen genug Zeit läßt, eine genügende Abgasmenge durchströmen zu lassen, um das Sauerstoffspeichermaterial wieder frisch mit Sauerstoff zu laden, kann die Falle weit genug aufgeheizt werden, um nicht nur NOx sondern auch SOx auszuspülen, das sich wegen der Gegenwart von Schwefel im Kraftstoff in der Falle angesammelt haben kann.
• Die reduzierenden Gase können Kraftstoffdampf sein, ein Gemisch aus Kraftstoffdämpf und Luft mit einem fetter als stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, oder ein Gemisch aus Kraftstoffdampf und Abgasen mit Luftüberschuß, das insgesamt ein fetter als stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufweist. Das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch kann an der Matrix der Mager-NOx-Falle zur Reaktion gebracht werden, so daß reduzierende Gase gebildet werden, wie z. B. Kohlenmonoxyd und Wasserstoff, durch partielle Oxydation und Wasser-Gas-Gleichgewichtsreaktionen. Das Gemisch kann auch extern zur Reaktion gebracht werden, bevor es in die Abgasanlage eingespritzt wird, z. B. in einem vorgeheizten Gefäß, das unter Druck stehen kann und zusätzlich einen Katalysator, eine Zündkerze oder eine Glühkerze enthalten kann.
• Die den Strom glättende Matrix kann ein keramisches Wabengebilde ähnlich demjenigen sein, das die Matrix der Mager-NOx- Falle bildet, mit Ausnahme dessen, daß keine Beschichtung auf die Oberflächen der schmalen Strömungskanäle der Matrix aufgetragen zu werden braucht.
• Der Kraftstoffdampf kann von einem Entdampfersystem herangezogen werden, wie es die gleichzeitig angemeldete britische Patentanmeldung Nr. GB9716156.6 zur Trennung von Benzin in einen leichteren Dampfanteil und einen schwereren Flüssigkeitsanteil offenbart. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Kraftstoffdampf auch aus einem Dampfspeichergefäß entnommen werden, das mit dem Kraftstofftank für den Motor verbunden ist. Als weitere Alternative kann auch flüssiger Kraftstoff unter Druck in ein beheiztes Gefäß eingespritzt werden, in dem der Kraftstoff zum Kochen gelangt und Dampf bildet, der das Gefäß gleichzeitig unter Druck setzt.
• Eine Dampfpumpe oder ein Verdichter kann eingesetzt werden, um die Kraftstoffdampf enthaltenden Reduktionsgase zu verdichten und in ein unter Druck stehendes Speichergefäß zu pressen, aus dem sie dann über ein Kraftstoffeinspritzventil in abgemessenen Schüben vor der Matrix der Mager-NOx-Falle in das Motorabgassystem entlassen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beispielartig näher erläutert werden, in welcher schematisch eine Mager-NOx-Falle zusammen mit einer Zufuhr für reduzierende Gase zur Spülung der Falle dargestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch ein Motorauspuffrohr 10, das stromunterhalb eines (nicht dargestellten) Dreiwegekatalysators liegt, welcher mit einer Mager-NOx-Falle verbunden ist, die eine mit einem Katalysator und einem NOx- Speichermaterial beschichtete keramische Matrix 16 beinhaltet. Üblicherweise wäre die beschichtete Keramikmatrix der einzige Bestandteil der Mager-NOx-Falle, in der vorliegenden Erfindung jedoch ist ihr eine zweite Matrix 12 vorgeschaltet, welche als strömungsglättende Matrix wirkt und von der Fallenmatrix 16 durch eine schmale Kammer 14 getrennt ist, in welche reduzierende Gase eingespritzt werden, um die Fallenmatrix 16 zu spülen.
• Die Kammer 14 ist von einer ringförmigen Galerie 28 umgeben, die über ein Steuerventil 26 mit einem unter Druck stehenden Gefäß 24 in Verbindung steht. Von einer geeigneten Kraftstoffquelle stammenden Kraftstoffdampf enthaltende reduzierende Gase werden mittels eines Verdichters 22 unter Druck in das Gefäß 24 eingeleitet.
• Beim Betrieb des Motors mit magerer Verbrennung werden NOx- Gase von dem NOx-Speichermaterial der Fallenmatrix 16 absorbiert. Zur Vermeidung einer Sättigung des NOx-Speichermaterials muß die NOx-Falle 16 in periodischen Abständen gespült werden. Die Spülung der Fälle erfordert das Durchleiten reduzierender Gase durch die Falle, und dies wurde bisher dadurch erreicht, daß der Motor für einen ausreichend langen Zeitraum im fetten Bereich betrieben wurde, um zu gewährleisten, daß der Kraftstoffüberschuß durch den Dreiwegkatalysator bis zur NOx-Falle gelangt.
• In der vorliegenden Erfindung werden die reduzierenden Gase ein eine Kammer 14 eingespritzt, die sich unmittelbar stromoberhalb der Fallenmatrix 16 befindet, und es werden Schritte unternommen, um den Grad zu minimieren, in welchem sich die Gasschübe mit den sauerstoffhaltigen Abgasen des Motors vermischen. Auf diese Weise geht der zum Zweck der Spülung der NOx-Falle eingespritzte Kraftstoff nicht dadurch verloren, daß er mit dem in den Abgasen eines im Magerbetrieb arbeitenden Motors zwangsweise vorhandenen Sauerstoffüberschuß reagiert.
• Wird der Schub reduzierender Gase von allen Seiten radial nach innen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in den schmalen Raum 14 eingespritzt, verdrängt er diejenigen Gase, die bereits in der Kammer 14 vorhanden sind, in die engen Durchströmkanäle der Matrizen 12 und 16. Die Grenzschicht zwischen den reduzierenden Gasen und den Abgasen innerhalb der Kanäle ist sehr klein, so daß die beiden Gase chemisch nicht nennenswert miteinander reagieren. Der. Stoß reduzierender Gase blockiert den normalen Strom von Abgasen vorübergehend, bzw. kehrt ihn um, am Ende des Gasstoßes schiebt jedoch der Abgasstrom die reduzierenden Gase als Schub oder Welle weiter durch die Fallenmatrix 16.
• Der reduzierende Gasschub in jedem Kanal in der Fallenmatrix 16 reagiert mit den gespeicherten NOx-Gasen beim weiteren Durchlaufen des Kanales. Zu Anfang befindet sich ein Band an der Front der Welle, das mit den Oberflächen des Kanals reagiert, mit fortschreitender Aufzehrung des an der Wellenfront vorhandenen Kraftstoffes wandert dieses Reaktionsband jedoch zur Rückfront der Welle, die im Kanal weiter vorwärtsströmt. Das fortschreitende Reaktionsband befreit so die Falle allmählich von dem gespeicherten NOx.
• Die NOx-Fallenmatrix 16 ist vorzugsweise auch mit einem Sauerstoff speichernden Material beschichtet. In diesem Falle wirkt die Reduktionsgaswelle zunächst derart, daß sie den gespeicherten Sauerstoff neutralisiert, wobei Wärme erzeugt wird, die beim anschließenden Spülen der gespeicherten NOx-Gase hilft. Die Welle hat daher jetzt zwei aktive Bänder, wobei das erste Band eine exotherme Reaktion mit dem gespeicherten Sauerstoff erzeugt, eng gefolgt von dem zweiten Band, in welchem das von dem ersten Band aufgeheizte NOx-Speichermaterial unmittelbar den vorwärtsströmenden reduzierenden Gasen in der Welle ausgesetzt wird. Auch hier bewegen sich die beiden Bänder gleichzeitig zur Rückfront der Welle hin, während die Welle durch die Kanäle der Fallenmatrix 16 vorwärtsschreitet.
• Jeder Durchgang der reduzierenden Gase bewirkt einen inkrementalen Temperaturanstieg der Oberfläche der NOx-Fallenmatrix 16, vorausgesetzt, zwischen den Schüben wird genügend Zeit gelassen, daß ein ausreichend großes Segment Abgase durchströmen kann, um so das Sauerstoff speichernde Material wieder mit Sauerstoff aufzufüllen. Ist die Wiederholungsfrequenz der Stöße hoch, sind die Abgassegmente zwischen den Stößen kurz, und es wird nur ein Teil Sauerstoff wieder aufgefüllt, wodurch sich auch die Matrix weniger aufheizt. Diese Technik kann dazu verwendet werden, eine Reihe von dicht gepackten Wellen reduzierender Gase zur Spülung der Falle zu erzeugen, ohne die Falle dabei übermäßig aufzuheizen.
• Ist die Wiederholungsfrequenz der Stöße geringer, so daß das Sauerstoffspeichermaterial durch die länger anhaltenden Abgassegmente zwischen aufeinanderfolgenden Gasstößen vollständig wieder aufgeladen werden kann, dann addieren sich die Aufheizeffekte, so daß hohe Oberflächentemperaturen erzielt werden können. Dies kann in solchen Situationen angewendet werden, wo Schwefel im Kraftstoff vorhanden ist, der dann eine SOx-Vergiftung der Falle verursacht. Die Reduktion von SOx-Gasen erfordert hohe Temperaturen, und dies kann durch eine angemessene Wahl der Wiederholungsfrequenz der Stöße erreicht werden, wobei dann die Frequenz niedrig genug ist, eine Wiederauffüllung mit Sauerstoff zu ermöglichen, und dennoch hoch genug liegt, um zu vermeiden, daß die Falle zwischen den Gasstößen abkühlt.
• Über das Rohr 20 kann Kraftstoffdampf aus einem Dampfabzugsystem entnommen werden, wie es die gleichzeitig laufende britische Patentanmeldung Nr. GB 9716156.6 beschreibt, oder aus einem Entdampfergefäß oder aus einer beliebigen geeigneten Quelle für reduzierende Gase.
• Dadurch, daß die Reduktionsgase unter Druck gesetzt und in dem Gefäß 24 gespeichert werden, können herkömmliche elektromagnetische Kraftstoffeinspritzventile 26 eingesetzt werden, die aus CNG-Anwendungen bekannt sind, um die Dauer und, die Synchronisation der Reduktionsgasstöße zu bestimmen. Die Dauer wird über die. Pulsbreite der Einspritzdüse 26 gesteuert, welche die Gasmenge in jedem Schub einstellt. Der Einspritzzeitpunkt dagegen wird durch die Frequenz und die Phase des Einspritzventils 26 bestimmt. Die Frequenz wird wie oben beschrieben verändert, um die Spülung und Aufheizung der Falle zu regulieren, während die Phase in bezug auf den Kurbelwellenwinkel des Motors optimiert werden kann, um so die Synchronisation der Gasstöße mit den natürlich auftretenden Druckschwankungen im Abgassystem zu steuern.

Claims (9)

1. Verfahren zum Spülen einer Mager-NOx-Falle mit einer Matrix (16) aus engen Strömungskanälen, welche im Abgassystem eines Magermotors angeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: die Stellung einer strömungsglättenden Matrix (12) aus schmalen Strömungskanälen vor der Matrix (16) der NOx- Falle, die von der Matrix der NOx-Falle durch eine schmale Kammer (14) getrennt ist, und die periodische Einspritzung von reduzierenden Gasen stoßweise in diese schmale Kammer (14), wobei jeder Gasstoß eine ausreichende Masse und Strömungsgeschwindigkeit hat, die schmale Kammer (14) mit den reduzierenden Gasen zu füllen, und die zuvor in der schmalen Kammer (14) vorhandenen Abgase in die schmalen Strömungskanäle der strömungsglättenden Matrix (12) und der Falle (16) zu verdrängen, ohne sich dabei in nennenswertem Mäße mit letzteren Abgasen zu vermischen.

2. Magermotor mit einer Mager-NOx-Falle in Form einer Matrix (16) aus engen Strömungskanälen, und mit Mitteln (20, 22, 24, 26) zum Einspritzen von reduzierenden Gasen stromoberhalb der NOx-Fallenmatrix (16) zum periodischen Spülen der Falle, dadurch gekennzeichnet, daß eine strömungsglättende Matrix (12) aus schmalen Strömungskanälen stromoberhalb der NOx-Fallenmatrix (16) angeordnet und von der Fallenmatrix durch eine schmale Kammer (14) getrennt ist, und daß die Mittel zum Einspritzen von reduzierenden Gasen stromoberhalb der NOx-Fallenmatrix derart wirken, daß sie die reduzierenden Gase stoßweise in die schmale Kammer einspritzen, wobei jeder Gasstoß eine ausreichende Masse und Strömungsgeschwindigkeit hat, die schmale Kammer (14) mit den reduzierenden Gasen zu füllen, und die zuvor in der schmalen Kammer (14) vorhandenen Abgase in die schmalen Strömungskanäle der strömungsglättenden Matrix (12) und der Falle (16) zu verdrängen, ohne sich dabei in nennenswertem Maße mit letzteren Abgasen zu vermischen.

3. Magermotor nach Anspruch 2, worin die Matrix (16) der NOx-Falle zusätzlich auch mit einem Sauerstoff speichernden Material beschichtet ist.

4. Magermotor nach Anspruch 3, worin die Wiederholungsfrequenz der Stöße von reduzierenden Gasen variabel ist, um so den Grad der Wiederauffüllung des Sauerstoffspeichermaterials zwischen den Gasstößen zu verändern, und den Grad der Erwärmung der Fallenmatrix zu variieren.

5. Magermotor nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, worin die reduzierenden Gase Kraftstoffdampf, ein Gemisch aus Kraftstoffdampf und Luft in einem fetter als stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, oder ein Gemisch aus Kraftstoffdampf und Abgasen mit Luftüberschuß in einem, fetter als stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis sind.

6. Magermotor nach Anspruch 5, worin das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch Während des Motorbetriebes an der Matrix (16) der NOx-Falle derart zur Reaktion gebracht wird, daß reduzierende Gase durch teilweise Oxydation und Wasser-Gas-Gleichgewichtsreaktionen gebildet werden.

7. Magermotor nach Anspruch 5 oder 6, worin das fette Luft- Kraftstoff-Gemisch in einem erhitzten und unter Druck gesetzten Gefäß extern zur Reaktion gebracht wird, bevor es in das Abgassystem eingespritzt wird.

8. Magermotor nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 7, in welchem die strömungsglättende Matrix (12) ein keramisches Wabennest ist.

9. Magermotor nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 8, worin eine Dampfpumpe oder ein Verdichter (22) vorgesehen ist, um die Kraftstoffdampf enthaltenden reduzierenden Gase zu verdichten und in ein unter Druck stehendes Speichergefäß (24) zu pressen, aus dem sie dann mittels eines Einspritzventils (26) abgemessen in die Kammer stromoberhalb der NOx-Fallenmatrix eingespritzt werden können.