EP1957767A1 - Verfahren zur abgasnachbehandlung bei verbrennungsmotoren, und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur abgasnachbehandlung bei verbrennungsmotoren, und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens

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EP1957767A1
EP1957767A1 EP06818688A EP06818688A EP1957767A1 EP 1957767 A1 EP1957767 A1 EP 1957767A1 EP 06818688 A EP06818688 A EP 06818688A EP 06818688 A EP06818688 A EP 06818688A EP 1957767 A1 EP1957767 A1 EP 1957767A1
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EP
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nox storage
exhaust gas
catalytic converter
particle filter
engine
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Thorsten DÜSTERDIEK
Achim Freitag
Carsten Jutka
Martina KÖSTERS
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Volkswagen AG
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    • F02M26/35—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for cleaning or treating the recirculated gases, e.g. catalysts, condensate traps, particle filters or heaters

Definitions

  • the present invention relates to a method for exhaust gas aftertreatment in internal combustion engines, in which nitrogen oxides are removed from the exhaust gas by a NOx catalytic converter arrangement arranged in the exhaust line, and a device for carrying out this method according to the preamble of claim 6.
  • Modern NOx storage catalytic converters are used to de-stick the exhaust gases, which collect the nitrogen oxides formed in the driving mode and contained in the exhaust gas flowing through the NOx storage catalytic converter, which then chemically become harmless, for example after the NOx storage catalytic converter has reached a predetermined filling level, using suitable reducing agents Nitrogen and water can be reduced.
  • NOx storage systems and their regeneration are described for example in DE 195 22 165 A1.
  • Another active exhaust gas aftertreatment measure is the filtering out of solid combustion residues in so-called particle filters, which is particularly important in the case of diesel engines.
  • NOx storage catalytic converters only have satisfactory conversion rates in a certain exhaust gas temperature range, i.e.
  • the efficiency of the NOx storage catalytic converter depends, among other things. also depends on where it is located in the exhaust system.
  • An arrangement close to the engine has the advantage that the NOx storage catalytic converter has a satisfactory conversion rate even during a cold start or in part-load operation.
  • the exhaust gas temperature is generally outside the exhaust gas temperature window that is most favorable for the operation of the NOx storage catalytic converter.
  • an exhaust gas purification system for a lean-burn internal combustion engine which has a main and a secondary storage device for nitrogen oxides, the main storage device for nitrogen oxides being arranged close to the engine and the secondary storage device being arranged in the exhaust gas flow direction after the main storage device.
  • the exhaust gas is denitrified in two successive stages in a first NOx storage catalytic converter arranged close to the engine and then in a second NOx storage catalytic converter arranged remote from the engine.
  • the NOx conversion is therefore divided into two components that have their best efficiency in different engine map areas. Due to the arrangement of the first NOx storage catalytic converter close to the engine, the working window of the NOx storage catalytic converter is quickly reached in the cold start and is not undercut even in the lower load range of the engine.
  • the NOx catalytic converter which is remote from the engine, also has a good efficiency in the high-load range of the internal combustion engine due to the sharp drop in temperature of the exhaust gases in the exhaust system. A high NOx conversion is thus achieved in the entire engine map area.
  • This arrangement extends the working window of the NOx storage catalyst arrangement in comparison to a single component with the same total volume and with the same NOx storage catalyst area.
  • the distance between the two components and the resulting temperature difference is an optimization parameter for the work window.
  • the exhaust gas is simultaneously sooted in one of the two stages in a catalytic converter / particle filter assembly, i.e. one of the two stages is designed, for example, as a particle filter with a NOx storage coating.
  • the internal combustion engines are either lean-burn gasoline engines or diesel internal combustion engines.
  • the exhaust gas in the catalytic converter / particle filter assembly is preferably removed in the first stage, ie in an assembly arranged close to the engine.
  • the NOx storage catalytic converter coating of the component close to the engine is preferably effective in the cold start and in the lower load range of the engine.
  • the arrangement of the particle filter close to the engine has the advantage that thermal regeneration of the accumulated soot is possible without additional measures such as fuel additive or external post-injection.
  • the coating of the particle filter can support the filter burnup.
  • the NOx storage catalytic converter remote from the engine is preferably effective in the high-load range of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas is exhausted in the second stage, ie in a catalytic converter / particle filter assembly arranged remote from the engine.
  • This arrangement can result if, for package reasons, it is not possible to arrange the particle filter close to the engine, in particular with regard to the largest possible maintenance interval and thus an enlargement of the component.
  • the regeneration of the particle filter remote from the engine can also be carried out using additional regeneration aids, for example external post-injection or the addition of fuel additives.
  • This additional external post-injection can also be used for the desulphurization of the second stage of the exhaust gas cleaning system, since temperatures of 600 - 75O 0 C are required for this, which are difficult to generate in the second component without the first cleaning stage having to become significantly hotter.
  • the method according to the invention is preferably used in conjunction with a low-pressure exhaust gas recirculation, wherein after the particle filter stage of the exhaust gas aftertreatment, a part of the exhaust gases is branched off from the exhaust gas line and returned to the intake tract, optionally preferably upstream of a compressor of an exhaust gas turbocharger.
  • a low-pressure exhaust gas recirculation with exhaust gas extraction after a particulate filter, the raw engine emissions, depending on the exhaust gas recirculation rate, and thus also the total emissions of the vehicle are reduced compared to a conventional high-pressure exhaust gas recirculation, in which, as is known, nitrogen oxide formation is reduced, but the pollutant emissions are increased are.
  • this is used in connection with a partially homogeneous diesel combustion method.
  • a partially homogeneous diesel combustion method Especially in engine map areas with low exhaust gas temperatures where the activity of the NOx Limited catalyst, this can be compensated for by the very low NOx emissions in a partially homogeneous operation.
  • the NOx storage capacity lasts longer with low raw emissions from the internal combustion engine, so that the risk of NOx slip can be reduced.
  • the time intervals between two NOx regeneration phases are longer with low raw emissions. This reduces the amount of fuel consumption.
  • the load on the NOx storage catalytic converter is also reduced by the smaller number of regeneration processes.
  • a device for exhaust gas aftertreatment in internal combustion engines with a NOx storage catalytic converter arrangement arranged in the exhaust line for denitrification of the exhaust gas is designed in such a way that the NOx catalytic converter arrangement has two stages, specifically with a first NOx storage catalytic converter close to the engine, preferably for the cold start - and part-load operation and with a NOx storage catalytic converter located downstream thereof, preferably for full-load operation, one of the two NOx storage catalytic converters being combined with a particle filter to form a structural unit.
  • Either the first NOx storage catalytic converter can be combined with a particle filter, which has the advantage that thermal regeneration of the accumulated soot is possible without additional measures such as fuel additives or external post-injection.
  • the second NOx storage catalytic converter is combined with a particle filter, wherein the particle filter can be supplied with the energy required for its regeneration from the outside if engine measures are not used or are not sufficient. This energy can be supplied, for example, by a microwave device or another electrical heating device; however, a regeneration agent, for example fuel, is preferably injected upstream of the particle filter.
  • a portion of the exhaust gas is branched off from the exhaust gas tract after the NOx storage catalytic converter, which is combined with a particle filter, and returned to the intake tract via a corresponding recirculation line.
  • This arrangement must be followed due to the fact that only fairly clean exhaust gas may be returned in the low-pressure EGR, since this would otherwise rot very quickly due to strong cooling.
  • FIG. 1 schematically shows a motor vehicle in the exhaust line of which a catalytic converter / particle filter unit close to the engine and a NOx storage catalytic converter are arranged;
  • FIG. 2 shows a diagram of an exhaust gas measurement cycle, wherein the NOx concentration is shown over the exhaust gas path;
  • Fig. 4 is a representation similar to Fig. 1, but in the exhaust line, a near-engine NOx storage catalytic converter and an engine-remote catalyst / particle filter assembly are arranged.
  • the motor vehicle 2 shown schematically in FIG. 1 is driven by an internal combustion engine 4, in this exemplary embodiment by a diesel engine.
  • the internal combustion engine 4 is equipped with an exhaust gas turbocharger 6, which uses the exhaust gases of the internal combustion engine 4 in a known manner to charge it.
  • the exhaust gases of the internal combustion engine 4 are discharged into the environment through an exhaust line designated as a whole by 8.
  • a NOx storage catalytic converter / particle filter assembly 10 in which nitrogen oxides and soot particles are extracted from the exhaust gases, is arranged in this exhaust line immediately behind the internal combustion engine 4.
  • This catalyst / particle filter assembly is designed as a particle filter with a NOx storage catalyst coating.
  • the catalytic converter part of the assembly 10 is subjected to relatively hot exhaust gases.
  • This exhaust gas temperature is in the effective working window of the NOx catalytic converter in particular during cold start and in part-load operation, so that it makes the main contribution to the denitrification of the exhaust gases in this operating range.
  • Another NOx storage catalytic converter 12 is arranged downstream of the assembly 10 in the exhaust line 8 in a position remote from the engine. In cold start and part-load operation, the temperature of the exhaust gases has dropped so far at this point that it lies below the effective working window of this catalytic converter, so that it has a smaller share of denitrification in this operating range.
  • the NOx storage catalytic converter 12 remote from the engine works in the favorable working window, while the catalytic converter part of the structural unit 10 close to the engine works outside this window and has only a small portion of the denitrification at these operating points.
  • FIG. 2 shows a diagram of a typical driving cycle for diesel cars in the exhaust gas test. It is a test in which full-load driving conditions predominate. As the graph reveals, have the exhaust gases at the input of the unit 10 a temperature of about 45O 0 C, at the entrance of the NOx storage catalyst 12 then still has a temperature of 350 0 C. From the purely qualitative diagram of FIG. 2 is obtained, that the NOx concentration in the near-engine unit 10, the catalytic converter part of which already works outside of its most favorable working window, is reduced by 30%. On the basis of this value, the NOx concentration in the NOx storage catalytic converter 12 remote from the engine, which works in the favorable working window, is reduced by 85% to its final value.
  • Fig. 3 shows a diagram similar to FIG. 2, but this diagram, a partial-load-type operation based located at the entrance of the assembly 10, the exhaust gas has a temperature of 250 0 C, and at the entrance of the NOx storage catalyst 12 is the exhaust gas temperature equal to 150 0 C.
  • the NOx concentration in the near-engine assembly 10 the catalyst part of which works in a favorable working window, is reduced by 85%; on the basis of the value reached, a further 15% is reduced to its final value in the NOx storage catalytic converter 12 remote from the engine, which works outside the favorable working window.
  • FIG. 4 shows an illustration similar to FIG. 1, with a motor vehicle 2, an internal combustion engine 4, an exhaust gas turbocharger 6 and an exhaust line 8.
  • the NOx storage catalytic converter 12 ′ is arranged directly behind the internal combustion engine 4, ie close to the engine, while the NOx storage catalytic converter / particle filter assembly 10 ′′ downstream thereof, that is to say remote from the engine is arranged.
  • Such an arrangement may be necessary if, for package reasons, it is not possible to arrange the structural unit 10 'close to the engine.
  • the regeneration of the particle filter part of the assembly 10 ′ remote from the engine can be carried out via additional regeneration aids, for example external post-injection or the addition of fuel additive, if the use of engine measures is undesirable or too ineffective.
  • a fuel post-injection is provided.
  • the method according to the invention is preferably used in conjunction with a low-pressure exhaust gas recirculation, in which the exhaust gas is preferably removed after the assembly 10 and the introduction of the exhaust gas upstream of the compressor of the turbocharger.
  • 1 schematically shows an exhaust gas recirculation line 18 via which an exhaust gas fraction is branched off from the exhaust line 8 and introduced into the intake tract 20.
  • the concentration of NOx, CO and HC of the recirculated exhaust gas is also considerably reduced. In this way, depending on the exhaust gas recirculation rate, the raw engine emissions and thus also the total emissions of the vehicle can be reduced compared to high-pressure exhaust gas recirculation.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem das Abgas durch eine im Abgasstrang (8) angeordnete NOx-Speicherkatalysatoranordnung (10,12) entstickt wird. Es ist vorgesehen, dass Abgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen in einem ersten, motornah angeordneten NOx- Speicherkatalysator (10) und anschließend in einem zweiten, motorfern angeordneten NOx-Speicherkatalysator (12) zu entsticken. Im Kaltstart- und Teillastbetrieb arbeitet der motornahe NOx-Speicherkatalysator (10) in einem günstigen Arbeitsfenster und übernimmt den größeren Anteil der Entstickung. Im Volllastbetrieb arbeitet der motorfern angeordnete NOx-Speicherkatalysator (12) in einem günstigen Arbeitsfenster, so dass er bei dieser Betriebsweise den größeren Anteil an der Entstickung übernimmt. Auf diese Weise ist das Arbeitsfenster der Gesamtanordnung gegenüber einzelnen NOx-Speicherkatalysatoren erheblich vergrößert.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, und Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem dem Abgas durch eine im Abgasstrang angeordnete NOx- Katalysatoranordnung Stickoxide entzogen werden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Zum Entsticken der Abgase werden moderne NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt, welche die im Fahrbetrieb gebildeten, in dem den NOx-Speicherkatalysator durchströmenden Abgas enthaltenen Stickoxide sammeln, die dann beispielsweise nach Erreichen eines vorgegebenen Füll-Zustandes des NOx-Speicherkatalysators mit Hilfe geeigneter Reduktionsmittel chemisch zu ungefährlichem Stickstoff und Wasser reduziert werden. Derartige NOx-Speichersysteme und deren Regeneration werden beispielsweise in der DE 195 22 165 A1 beschrieben.
Eine weitere aktive Abgasnachbehandlungsmaßnahme ist das Ausfiltern von festen Verbrennungsrückständen in sogenannten Partikelfiltern, was insbesondere bei Dieselmotoren von Bedeutung ist.
Es ist allgemein bekannt, dass NOx-Speicherkatalysatoren nur in einem bestimmten Abgastemperaturbereich zufriedenstellende Umsatzraten aufweisen, d.h. der Wirkungsgrad des NOx-Speicherkatalysators hängt u.a. auch davon ab, wo dieser im Abgasstrang angeordnet ist. Eine motornahe Anordnung hat den Vorteil, dass der NOx-Speicherkatalysator schon beim Kaltstart bzw. im Teillastbetrieb eine zufriedenstellende Umsatzrate hat. Im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors liegt die Abgastemperatur dann jedoch im allgemeinen außerhalb des für den Betrieb des NOx-Speicherkatalysators günstigsten Abgastemperaturfensters.
Für diesen Betriebszustand ist deshalb eine motorferne Anordnung des NOx- Speicherkatalysators von Vorteil, da dieser infolge des starken Temperaturabfalls der Abgase im Abgasstrang auch noch im Hochlastbereich wirksam ist. Aus der DE 10 2004 029 2002 A1 ist ein Abgasreinigungssystem für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine bekannt, welches eine Haupt- und eine Sekundärspeichereinrichtung für Stickoxide bekannt, wobei die Hauptspeichereinrichtung für Stickoxide motornah angeordnet und die Sekundärspeichereinrichtung in Abgasstromrichtung nach den Hauptspeicher angeordnet ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine verbesserte NOx-Konvertierung im gesamten Motorkennfeldbereich erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird das Abgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen in einem ersten, motornah angeordneten NOx-Speicherkatalysator und anschließend in einem zweiten, motorfern angeordneten NOx-Speicherkatalysator entstickt. Die NOx-Konvertierung wird demnach auf zwei Bauteile aufgeteilt, die in unterschiedlichen Motorkennfeldbereichen ihren besten Wirkungsgrad haben. Durch die motornahe Anordnung des ersten NOx- Speicherkatalysators wird das Arbeitsfenster des NOx-Speicherkatalysators im Kaltstart schnell erreicht und auch im unteren Lastbereich des Motors nicht unterschritten. Der motorferne NOx- Katalysator hat infolge des starken Temperaturabfalls der Abgase im Abgasstrang auch noch im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors einen guten Wirkungsgrad. Somit wird im gesamten Motorkennfeldbereich eine hohe NOx-Konvertierung erreicht. Durch diese Anordnung wird eine Erweiterung des Arbeitsfensters der NOx-Speicherkatalysatoranordnung im Vergleich zu einem einzelnen Bauteil mit gleichem Gesamtvolumen und mit gleicher NOx- Speicherkatalysatorfläche erreicht. Der Abstand zwischen beiden Bauteilen und die dadurch erreichte Temperaturdifferenz ist ein Optimierungsparameter für das Arbeitsfenster. Dabei wird das Abgas in einer der beiden Stufen in einer Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit gleichzeitig entrußt, d.h. eine der beiden Stufen ist beispielsweise als Partikelfilter mit einer NOx- Speicherbeschichtung ausgebildet, wird.
Bei den Brennkraftmaschinen handelt es sich entweder um magerlauffähige Ottomotoren oder um Dieselbrennkraftmaschinen. Die Entrußung des Abgases in der Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit erfolgt vorzugsweise in der ersten Stufe, d.h. in einer motornah angeordneten Baueinheit. Wie bereits vorne ausgeführt wurde, ist die NOx-Speicherkatalysatorbeschichtung der motornahen Baueinheit vorzugsweise im Kaltstart und im unteren Lastbereich des Motors wirksam. Die motornahe Anordnung des Partikelfilters hat den Vorteil, dass eine thermische Regeneration des angesammelten Rußes ohne Zusatzmaßnahmen wie Kraftstoffadditiv oder externe Nacheinspritzung möglich ist. Zudem kann die Beschichtung des Partikelfilters unterstützend beim Filterabbrand wirken. Der motorferne NOx-Speicherkatalysator ist, wie ebenfalls bereits erläutert wurde, vorzugsweise im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors wirksam.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Abgas jedoch in der zweiten Stufe entrußt, d.h. in einer motorfern angeordneten Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit. Diese Anordnung kann sich ergeben, wenn aus Package-Gründen eine motornahe Anordnung des Partikelfilters nicht möglich ist, insbesondere hinsichtlich eines möglichst großen Wartungsintervalls und damit einer Vergrößerung des Bauteils. In diesem Fall kann die Regeneration des motorfernen Partikelfilters auch über zusätzliche Regenerationshilfen, z.B. eine externe Nacheinspritzung oder die Zugabe von Kraftstoffadditiven erfolgen. Diese zusätzliche externe Nacheinspritzung kann auch bei der Entschwefelung der zweiten Stufe der Abgasreinigungsanlage eingesetzt werden, da hierfür Temperaturen von 600 - 75O0C erforderlich sind, die nur schwer im zweiten Bauteil zu erzeugen sind, ohne dass die erste Reinigungsstufe wesentlich heißer werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in Verbindung mit einer Niederdruck- Abgasrückführung eingesetzt, wobei nach der Partikelfilter-Stufe der Abgasnachbehandlung ein Teil der Abgase aus dem Abgasstrang abgezweigt und in den Ansaugtrakt, gegebenenfalls vorzugsweise vor einem Verdichter eines Abgasturboladers rückgeführt wird. Bei diesem Verfahren mit Niederdruck-Abgasrückführung mit einer Abgasentnahme nach Partikelfilter werden die Motor-Rohemissionen, abhängig von der Abgasrückführrate, und damit auch die Gesamtemission des Fahrzeuges gegenüber einer herkömmlichen Hochdruck- Abgasrückführung verringert, bei der bekanntlich zwar die Stickoxidbildung abgesenkt, die Schadstoffemissionen jedoch erhöht sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses in Verbindung mit einem teilhomogenen Dieselbrennverfahren eingesetzt. Insbesondere in Motorkennfeldbereichen mit niedrigen Abgastemperaturen, bei denen die Aktivität des NOx- Katalysators eingeschränkt ist, kann dies durch die sehr geringen NOx-Emissionen bei einem teilhomogenen Betrieb kompensiert werden. Die NOx-Speicherfähigkeit reicht bei geringen Rohemissionen des Verbrennungsmotors länger, so dass das Risiko eines NOx-Schlupfes verringert werden kann. Außerdem sind bei geringen Rohemissionen die Zeitabstände zwischen zwei NOx-Regenerationsphasen größer. Die Höhe des Kraftstoffverbrauchs wird dadurch vermindert. Auch wird die Belastung des NOx-Speicherkatalysators durch die geringere Zahl an Regenerationsvorgängen verringert.
Analog zu dem oben beschriebenen Verfahren ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren mit einer im Abgasstrang angeordneten NOx- Speicherkatalysatoranordnung zur Entstickung des Abgases derart ausgestaltet, dass die NOx- Katalysatoranordnung zweistufig ist, und zwar mit einem ersten, motornahen NOx- Speicherkatalysator vorzugsweise für den Kaltstart- und Teillastbetrieb sowie mit einem stromabwärts davon angeordneten motorfernen NOx-Speicherkatalysator vorzugsweise für den Volllastbetrieb, wobei einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit kombiniert ist.
Dabei kann entweder der erste NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter kombiniert sein, was den Vorteil hat, dass eine thermische Regeneration des angesammelten Rußes ohne Zusatzmaßnahmen wie Kraftstoffadditive oder externe Nacheineinspritzung möglich ist. In einer anderen Ausgestaltung ist der zweite NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter kombiniert, wobei dem Partikelfilter von außen eine für dessen Regeneration erforderliche Energie zugeführt werden kann, sollten motorische Maßnahmen nicht zum Einsatz kommen oder nicht ausreichen. Diese Energie kann beispielsweise durch eine Mikrowelleneinrichtung oder eine andere elektrische Heizeinrichtung zugeführt werden; vorzugsweise wird jedoch vor dem Partikelfilter ein Regenerationsmittel, beispielsweise Kraftstoff eingespritzt.
Um die oben beschriebene Niederdruck-Abgasrückführung durchzuführen, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach dem NOx-Speicherkatalysator, welcher mit einem Partikelfilter kombiniert ist, aus dem Abgasstrang ein Teil des Abgases abgezweigt und über eine entsprechende Rückführleitung in den Ansaugtrakt rückgeführt. Diese Anordnung muss aufgrund der Tatsache so eingehalten werden, weil nur recht sauberes Abgas in der Niederdruck-AGR rückgeführt werden darf, da diese wegen starker Kühlung sonst sehr schnell versotten würde. Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Kraftfahrzeug, in dessen Abgasstrang eine motornahe Katalysator/Partikelfilter-Baueiriheit und ein motorferner NOx-Speicherkatalysator angeordnet sind;
Fig. 2 ein Diagramm eines Abgas-Messzyklus, wobei die NOx-Konzentration über dem Abgasweg dargestellt ist;
Fig. 3 in einer ähnlichen Darstellung ein Diagramm eines anderen Abgas-Messzyklus;
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich der Fig. 1, wobei im Abgasstrang jedoch ein motornaher NOx- Speicherkatalysator und eine motorferne Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit angeordnet sind.
Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 2 wird durch einen Verbrennungsmotor 4, in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Dieselmotor, angetrieben. Wie ebenfalls schematisch dargestellt ist, ist der Verbrennungsmotor 4 mit einem Abgasturbolader 6 ausgestattet, welcher in bekannter Weise die Abgase des Verbrennungsmotors 4 nutzt, um diesen aufzuladen.
Die Abgase des Verbrennungsmotors 4 werden durch einen als Ganzes mit 8 bezeichneten Abgasstrang in die Umgebung abgeführt. In diesem Abgasstrang ist unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor 4 eine NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit 10 angeordnet, in welcher den Abgasen Stickoxide und Rußpartikel entzogen werden. Diese Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit ist als Partikelfilter mit einer NOx- Speicherkatalysatorbeschichtung ausgebildet.
Der Katalysatorteil der Baueinheit 10 wird infolge seiner motornahen Anordnung mit relativ heissen Abgasen beaufschlagt. Diese Abgastemperatur liegt insbesondere beim Kaltstart und im Teillastbetrieb im wirksamen Arbeitsfenster des NOx-Katalysators, so dass er in diesem Betriebsbereich den Hauptanteil an der Entstickung der Abgase leistet. Ein weiterer NOx-Speicherkatalysator 12 ist stromabwärts der Baueinheit 10 im Abgasstrang 8 in einer motorfernen Position angeordnet. Im Kaltstart- und Teillastbetrieb ist die Temperatur der Abgase an dieser Stelle so weit abgesunken, dass sie unterhalb des wirksamen Arbeitsfensters dieses Katalysators liegt, so dass dieser in diesem Betriebsbereich an der Entstickung einen geringeren Anteil hat.
Im Volllastbetrieb arbeitet hingegen der motorferne NOx-Speicherkatalysator 12 im günstigen Arbeitsfenster, während der motornahe Katalysatorteil der Baueinheit 10 außerhalb dieses Fensters arbeitet und an diesen Betriebspunkten an der Entstickung nur einen geringen Anteil hat.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm eines typischen Fahrzyklus für Diesel-PKW im Abgastest. Es handelt sich dabei um einen Test, bei welchem volllastartige Fahrzustände überwiegen. Wie das Diagramm erkennen lässt, haben die Abgase am Eingang der Baueinheit 10 eine Temperatur von etwa 45O0C, am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 12 dann noch eine Temperatur von 3500C. Aus dem rein qualitativen Diagramm der Fig. 2 ergibt sich, dass die NOx- Konzentration in der motornahen Baueinheit 10, deren Katalysatorteil schon außerhalb seines günstigsten Arbeitsfensters arbeitet, um 30 % reduziert. Ausgehend von diesem Wert wird die NOx-Konzentration in dem motorfernen NOx-Speicherkatalysator 12, der im günstigen Arbeitsfenster arbeitet, um 85 % auf seinen Endwert reduziert.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm ähnlich der Fig. 2, wobei jedoch diesem Diagramm ein teillastartiger Betrieb zugrunde liegt Am Eingang der Baueinheit 10 hat das Abgas eine Temperatur von 2500C, und am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 12 ist die Abgastemperatur gleich 1500C. Wie das qualitative Diagramm erkennen lässt, wird die NOx-Konzentration in der motornahen Baueinheit 10, deren Katalysatorteil in einem günstigen Arbeitsfenster arbeitet, um 85 % reduziert; ausgehend von dem erreichten Wert wird in dem motorfernen NOx- Speicherkatalysator 12, der außerhalb des günstigen Arbeitsfensters arbeitet, um weitere 15 % auf ihren Endwert reduziert.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung ähnlich der Fig. 1 , mit einem Kraftfahrzeug 2, einem Verbrennungsmotor 4, einem Abgasturbolader 6 und einem Abgasstrang 8.
Im Gegensatz zu dem Kraftfahrzeug der Fig. 1 ist der NOx-Speicherkatalysator 12' unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor 4, d.h. also motornah angeordnet, während die NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit 10" stromabwärts davon, d.h. motorfern angeordnet ist. Eine derartige Anordnung kann erforderlich sein, wenn aus Package-Gründen eine motornahe Anordnung der Baueinheit 10' nicht möglich ist. In diesem Fall kann die Regeneration des motorfernen Partikelfilterteils der Baueinheit 10' über zusätzliche Regenerationshilfen, z.B. eine externe Nacheinspritzung oder die Zugabe von Kraftstoffadditiv erfolgen, sollte der Einsatz von motorischen Maßnahmen nicht erwünscht oder zu ineffektiv sein. In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Kraftstoff-Nacheinspritzung vorgesehen. Zu diesem Zweck wird dem Kraftstofftank 14 des Fahrzeuges Kraftstoff entnommen und über eine Nacheinspritzleitung 16 vor der Baueinheit 10 in den Abgasstrang 8 eingespritzt (HCl = HC-Injektion).
Wie bereits weiter vorne dargelegt wurde, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise in Verbindung mit einer Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt, bei der die Abgasentnahme vorzugsweise nach der Baueinheit 10 und die Einleitung des Abgases vor dem Verdichter des Turboladers erfolgt. Fig. 1 zeigt schematisch eine Abgasrückführleitung 18, über die ein Abgasanteil aus dem Abgasstrang 8 abgezweigt und in den Ansaugtrakt 20 eingeleitet wird. Bei diesem System mit einer Abgasentnahme nach dem beschichteten Partikelfilter ist auch die Konzentration an NOx, CO und HC des rückgeführten Abgases erheblich reduziert. Auf diese Weise können, abhängig von der Abgasrückführrate, die Motorrohemissionen und damit auch die Gesamtemission des Fahrzeuges gegenüber einer Hochdruck-Abgasrückführung verringert werden.
Bezugszeichenliste
Kraftfahrzeug
Verbrennungsmotor
Abgasturbolader
Abgasstrang
NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit NOx-Katalysator
NOx-Katalysator
Kraftstofftank
Nacheinspritzleitung
Abgasrückführleitung
Ansaugtrakt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem das Abgas durch eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Katalysatoranordnung entstickt wird, wobei die NOx-Katalysatoranordnung zweistufig mit zwei aufeinanderfolgenden NOx- Speicherkatalysatoren ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste NOx-Speicherkatalysator motornah und der zweite NOx-Speicherkatalysator motorfern angeordnet sind, wobei einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren als Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit (10, 10') ausgebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in der ersten Stufe entrußt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in der zweiten Stufe entrußt wird, wobei der Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit (10') von außen eine für die Regeneration des Partikelfilters erforderliche Energie zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es in
Verbindung mit einer Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt wird, wobei nach dem Partikelfilter ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang (8) abgezweigt und in den
Ansaugtrakt (20) rückgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es in
Verbindung mit einem teilhomogenen Dieselbrennverfahren eingesetzt wird.
6. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, umfassend eine im
Abgasstrang angeordnete NOx-Speicherkatalysatoranordnung zur Entstickung des
Abgases, wobei die NOx-Speicherkatalysatoranordnung zweistufig mit einem ersten NOx- Katalysator und einem stromabwärts davon angeordneten zweiten NOx- Speicherkatalysator ausgebildet ist
dadurch gekennzeichnet, dass
einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (10) kombiniert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste NOx- Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (10) kombiniert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite NOx- Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (101.) kombiniert ist, und dass dem Partikelfilter von außen eine für dessen Regeneration erforderliche Energie zugeführt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Regeneration des Partikelfilters extern zugeführte Energie auch für die Desulfatierung des motorfernen NOx- Speicherkatalysatorbauteils verwendet wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Partikelfilter Kraftstoff in den Abgasstrang eingespritzt wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten NOx-Speicherkatalysator, welcher mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit kombiniert ist, aus dem Abgasstrang (8) ein Teil des Abgases abgezweigt und in den Ansaugtrakt (20) rückgeführt wird.
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