WO2021028279A1 - Otto-motor mit im abgasstrang angeordnetem scr-katalysator zur ammoniak-konvertierung - Google Patents

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Johannes Schmalzl
Claus Stephani
Michael Wirkowski
Patrick Borsch
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine designed as a gasoline engine with an exhaust system with which exhaust gas containing NH 3 emissions is released into the atmosphere.
  • SCR selective catalytic reduction
  • an aqueous urea solution is continuously injected into the exhaust gas flow, for example with a metering pump, from which carbon dioxide and ammonia are formed through hydrolysis.
  • the resulting ammonia reacts with the nitrogen oxides in the exhaust gas to form elemental nitrogen (N 2 ) and water.
  • N 2 elemental nitrogen
  • NH 3 ammonia
  • the present invention is based on the object of providing an Otto engine which is characterized by a particularly low proportion of NH 3 emissions in the exhaust gas.
  • this object is achieved in an Otto engine of the type described at the outset in that an SCR catalytic converter for the selective catalytic reduction of the NH 3 emissions into N 2 and H 2 O is provided in the exhaust system.
  • the invention thus specifically uses an SCR catalytic converter in order to convert the ammonia contained in the exhaust gas, which can come from various sources, for example from certain operating states of the internal combustion engine, catalytic converters, particle filters, etc., into N 2 and H 2 O. No action is taken As is the case with diesel engines, to specifically generate ammonia by adding substances (aqueous urea solution) and thereby convert NO x , but such an SCR catalytic converter is used specifically to convert the ammonia already contained in the exhaust gas.
  • NH3 emissions are therefore not only caused by the known ammonia slip in SCR systems (diesel engines), but also in Otto engines by engine states and the resulting states in catalytic converters and / or particle filters.
  • the SCR catalytic converter provided according to the invention stores the NH3 and converts it into N2 and H2O.
  • the difference between this invention and the known passive SCR systems lies in the application.
  • the state for NH3 generation is explicitly brought about (for example by adding an aqueous urea solution) in order to subsequently reduce NO x .
  • the invention explicitly aims at converting the NH3 already contained in the exhaust gas without the addition of additives, with a side effect of achieving a NO x reduction.
  • the SCR catalytic converter can be used at various positions in the exhaust system. Several SCR catalytic converters can also be used here.
  • the positioning of the SCR catalytic converter is essentially determined by whether there is a source for generating NH3 emissions in the exhaust gas upstream of the SCR catalytic converter, which can be implemented, for example, by various catalytic converters and / or particle filters.
  • a 3-way catalytic converter (TWC) is provided in the exhaust line, which is followed by the SCR catalytic converter. It is assumed here that ammonia emissions occur during the operation of such a 3-way catalytic converter.
  • an uncoated or coated particle filter (gasoline particle filter, OPF) is arranged in the exhaust system, followed by the SCR catalytic converter. It is assumed here that ammonia emissions also occur during the operation of such a particle filter.
  • an uncoated or coated particle filter (OPF) is arranged between the 3-way catalytic converter (TWC) and the SCR catalytic converter.
  • the SCR catalytic converter provided according to the invention can be designed as a single catalytic converter, catalytic converter disk or as a coating.
  • a preferred solution is characterized in that several catalytic converter disks are arranged in a common housing, with the individual catalytic converter disks being able to be composed of at least one 3-way catalytic converter and at least one SCR catalytic converter.
  • a single carrier material with different coatings arranged one after the other or in parallel can also be provided.
  • the coatings can simulate, for example, a 3-way catalytic converter and an SCR catalytic converter.
  • any combinations are possible if only one SCR catalytic converter is connected downstream of a corresponding NFh source.
  • NFh-neutral filters or catalytic converters can also be arranged in the exhaust system.
  • the invention preferably also provides a possibility of detecting the proportion of NFh emissions still in the exhaust gas downstream of the SCR catalytic converter provided in order to be able to carry out a corresponding diagnosis.
  • an NH3 sensor (NH3-sensitive sensor) is arranged on the exhaust line for diagnostic purposes downstream of the SCR catalytic converter. In this way, for example, a failure of an SCR catalytic converter can be determined if the sensor indicates that certain NH3 limit values in the exhaust gas have been exceeded.
  • a solution is preferred in which a catalytic converter (3-way catalytic converter) is arranged close to the internal combustion engine in order to use the waste heat of the engine for the function of the catalytic converter, while the SCR catalytic converter provided according to the invention is located in the underbody of a vehicle having the internal combustion engine is located.
  • a catalytic converter (3-way catalytic converter) is arranged close to the internal combustion engine in order to use the waste heat of the engine for the function of the catalytic converter, while the SCR catalytic converter provided according to the invention is located in the underbody of a vehicle having the internal combustion engine is located.
  • FIG. 1 shows a simplified block diagram of an exhaust system of an Otto engine
  • FIG. 2 shows a schematic representation of various possible combinations of catalysts and particle filters in the exhaust system of the gasoline engine.
  • the Otto engine 1 shown schematically in FIG. 1 has an exhaust gas line 2 in which a regulated 3-way catalytic converter 3, a particle filter 4 for an Otto engine and an SCR catalytic converter are arranged one behind the other in the exhaust gas flow direction. Downstream of the SCR catalytic converter 5 is an NFh sensor 6 which measures the residual ammonia content in the exhaust gas and forwards this value to a suitable control device, which checks whether the NFh component is still within the permissible range.
  • the operation of the 3-way catalytic converter 3 and the particle filter 4, which can be coated with suitable materials to carry out further catalytic reactions, and / or certain engine conditions result in ammonia in the exhaust gas, which is reduced by the provided SCR catalytic converter 5 .
  • the ammonia produced is converted into N2 and FI2O with the side effect of reducing NOx.
  • FIG. 2 shows, in a schematic manner, various exemplary arrangements of catalytic converters and particle filters in the exhaust system of a gasoline engine.
  • a single 3-way catalytic converter (TWC) 3 with a subsequent individual SCR catalytic converter 5 are arranged in an exhaust line 3, with an NFh sensor 6 being provided behind the SCR catalytic converter.
  • a TWC catalytic converter and an SCR catalytic converter are located in a common housing, with the common catalytic converter 7 being able to be formed from individual catalytic converter disks or coatings.
  • the third illustration from the top shows a single 3-way catalytic converter (TWC) 3, a single Otto particle filter (OPF, here referred to as GPF) 4 and a single SCR catalytic converter 5, which are arranged one after the other in this order in the exhaust system.
  • TWC 3-way catalytic converter
  • OPF Otto particle filter
  • SCR catalytic converter 5 is arranged between a 3-way catalytic converter 3 and a particle filter 4.
  • Illustration five from above shows three individual catalysts in the order GPF, TWC and SCR.
  • a particle filter 4 is arranged behind a common catalytic converter (TWC and SCR) 7.
  • TWC and SCR common catalytic converter
  • a 3-way catalytic converter and a particle filter are located in a common housing with the formation of a combined catalytic converter-filter element 8, which can be implemented, for example, by different coatings. Thereafter, an SCR catalytic converter 5 is arranged.
  • the other four representations show combined catalyst / filter elements 9, 10, 11 and 12, the elements 10, 11, 12 being designed as combinations of three.
  • the large number of possible combinations described above shows that the SCR catalytic converter provided according to the invention can be used at various positions in the exhaust gas line and in combination with various catalytic converters and filters. Various configurations of the SCR catalytic converter can also be possible, as described above.

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Abstract

Es wird ein als Otto- Motor (1) ausgebildeter Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang (2), mit dem NH3 -Emissionen enthaltendes Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird, beschrieben. Im Abgasstrang (2) ist ein Katalysator (5) zur katalytischen Reaktion der NH3 -Emissionen in N2 und H2O vorgesehen. Auf diese Weise werden die mit dem Abgas in die Atmosphäre abgegebenen NH3 - Emissionen verringert. Der Katalysator (5) ist dabei vorzugsweise hinter einem 3-Wege-Katalysator (3) angeordnet.

Description

Beschreibung
Otto-Motor mit im Abgasstrang angeordnetem SCR-Katalysator zur Ammoniak-Konvertierung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen als Otto-Motor ausgebildeten Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang, mit dem NH3-Emissionen enthaltendes Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird.
Um die NOx-Emissionen von Dieselmotoren zu reduzieren, ist es bekannt, eine sogenannte selektive katalytische Reduktion (SCR) durchzuführen. Hierbei wird kontinuierlich eine wässrige Harnstofflösung beispielsweise mit einer Dosierpumpe in den Abgasstrom eingespritzt, aus welcher durch Hydrolyse Kohlenstoffdioxid und Ammoniak entstehen. Das so entstandene Ammoniak reagiert mit den Stickoxiden im Abgas zu elementarem Stickstoff (N2) und Wasser. Hierbei kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch geringe Emissionen von Ammoniak (NH3) in die Atmosphäre gelangen.
Auch bei Otto-Motoren sind NH3-Emissionen im Abgas vorhanden, die insbesondere auf im Abgasstrang angeordnete Katalysatoren oder Partikelfilter zurückgehen. Derartige Emissionen sind schädlich, und es ist allgemeine Zielsetzung, diese so niedrig wie möglich zu halten bzw. (noch einzuführende) Grenzwerte einzuhalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Otto-Motor zur Verfügung zu stellen, der sich durch einen besonders geringen Anteil an NH3-Emissionen im Abgas auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Otto-Motor der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass im Abgasstrang ein SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion der NH3-Emissionen in N2 und H2O vorgesehen ist.
Die Erfindung setzt somit gezielt einen SCR-Katalysator ein, um das im Abgas enthaltene Ammoniak, das aus diversen Quellen stammen kann, beispielsweise aus bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, Katalysatoren, Partikelfiltern etc., in N2 und H2O zu konvertieren. Dabei werden keine Maßnahmen wie bei Dieselmotoren getroffen, um durch Zuführung von Substanzen (wässrige Harnstofflösung) gezielt Ammoniak zu erzeugen und dadurch NOx zu konvertieren, sondern ein derartiger SCR-Katalysator wird gezielt zur Konvertierung des bereits im Abgas enthaltenen Ammoniaks eingesetzt.
NH3-Emissionen entstehen daher nicht nur durch den bekannten Ammoniakschlupf bei SCR-Systemen (Dieselmotoren), sondern auch bei Otto-Motoren durch Motorzustände und den daraus resultierenden Zuständen in Katalysatoren und/oder Partikelfiltern. Der erfindungsgemäß vorgesehene SCR-Katalysator speichert das NH3 ein und konvertiert dieses in N2 und H2O.
Der Unterschied dieser Erfindung zu den bekannten passiven SCR-Systemen liegt in der Anwendung. So wird bei den passiven SCR-Systemen explizit der Zustand für eine NH3-Erzeugung herbeigeführt (beispielsweise durch Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung), um anschließend NOx zu reduzieren. Demgegenüber zielt die Erfindung ohne Zufuhr von Zusätzen explizit auf eine Konvertierung des bereits im Abgas enthaltenen NH3, wobei als Nebeneffekt eine NOx-Reduzierung erreichbar ist.
Grundsätzlich kann der SCR-Katalysator an diversen Positionen im Abgasstrang eingesetzt werden. Es können hierbei auch mehrere SCR-Katalysatoren Verwendung finden. Die Positionierung des SCR-Katalysators wird im Wesentlichen dadurch festgelegt, ob stromauf des SCR-Katalysators eine Quelle zur Erzeugung von NH3-Emissionen im Abgas vorhanden ist, die beispielsweise durch diverse Katalysatoren und/oder Partikelfilter realisiert sein kann.
Bei einer einfachen Lösung der Erfindung ist im Abgasstrang ein 3-Wege-Katalysator (TWC) vorgesehen, dem der SCR-Katalysator nachgeschaltet ist. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass im Betrieb eines derartigen 3-Wege-Katalysators Ammoniak-Emissionen anfallen.
Bei einer anderen Lösung ist im Abgasstrang ein unbeschichteter oder beschichteter Partikelfilter (Ottopartikelfilter, OPF) angeordnet, dem der SCR-Katalysator nachgeschaltet ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass im Betrieb eines derartigen Partikelfilters ebenfalls Ammoniak-Emissionen anfallen. Bei noch einer anderen Lösung ist zwischen 3-Weg-Katalysator (TWC) und SCR-Katalysator ein unbeschichteter oder beschichteter Partikelfilter (OPF) angeordnet.
Der erfindungsgemäß vorgesehene SCR-Katalysator kann als einzelner Katalysator, Katalysatorscheibe oder als Beschichtung ausgebildet sein. Eine bevorzugte Lösung zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass mehrere Katalysatorscheiben in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei sich die einzelnen Katalysatorscheiben aus mindestens einem 3-Wege-Katalysator und mindestens einem SCR-Katalysator zusammensetzen können.
Zur Ausbildung von mehreren Katalysatoren in einem gemeinsamen Gehäuse kann auch ein einziges Trägermaterial mit verschiedenen nacheinander oder parallel angeordneten Beschichtungen vorgesehen sein. Die Beschichtungen können dabei beispielsweise einen 3-Wege-Katalysator und einen SCR-Katalysator nachbilden.
Jedenfalls sind beliebige Kombinationen möglich, wenn nur ein SCR-Katalysator einer entsprechenden NFh-Quelle nachgeschaltet ist.
Es versteht sich, dass auch NFh-neutrale Filter oder Katalysatoren im Abgasstrang angeordnet sein können.
Vorzugsweise sieht die Erfindung ferner eine Möglichkeit vor, um den Anteil der noch im Abgas befindlichen NFh-Emissionen stromab des vorgesehenen SCR-Katalysators zu erfassen, um eine entsprechende Diagnose durchführen zu können. Hierzu ist stromab des SCR-Katalysators ein NH3-Sensor (NH3-empfind- licher Sensor) am Abgasstrang für Diagnosezwecke angeordnet. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Ausfall eines SCR-Katalysators festgestellt werden, wenn der Sensor ein Überschreiten von bestimmten NH3-Grenzwerten im Abgas anzeigt.
Was die Positionierung der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Lösung anbetrifft, so können diese möglichst nahe am Verbrennungsmotor vorgesehen sein. Bevorzugt wird eine Lösung, bei der ein Katalysator (3-Wege-Katalysator) nahe am Verbrennungsmotor angeordnet ist, um die Abwärme des Motors für die Funktion des Katalysators zu nutzen, während sich der erfindungsgemäß vorgesehene SCR-Katalysator im Unterboden eines den Verbrennungsmotor aufweisenden Fahrzeugs befindet. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein vereinfachtes Blockschaubild eines Abgassystems eines Otto-Motors; und
Figur 2 in schematischer Darstellung diverse Kombinationsmöglichkeiten von Katalysatoren und Partikelfiltern im Abgassystem des Ottomotors.
Der in Figur 1 schematisch dargestellte Otto-Motor 1 hat einen Abgasstrang 2, in dem in Abgasströmungsrichtung hintereinander ein geregelter 3-Wege-Katalysator 3, ein Partikelfilter 4 für einen Ottomotor und ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Stromab des SCR-Katalysators 5 befindet sich ein NFh-Sensor 6, der den Restgehalt an Ammoniak im Abgas misst und diesen Wert an eine geeignete Steuereinrichtung weitergibt, welche prüft, ob sich der NFh-Anteil noch im zulässigen Bereich befindet.
Durch den Betrieb des 3-Wege-Katalysators 3 und des Partikelfilters 4, der zur Durchführung von weiteren katalytischen Reaktionen mit geeigneten Materialien beschichtet sein kann, und/oder durch bestimmte Motorzustände entsteht Ammoniak im Abgas, das durch den vorgesehenen SCR-Katalysator 5 reduziert wird. Hierbei erfolgt eine Konvertierung des erzeugten Ammoniaks in N2 und FI2O mit dem Nebeneffekt einer NOx-Reduzierung.
Figur 2 zeigt auf schematische Weise untereinander verschiedene beispielhafte Anordnungen von Katalysatoren und Partikelfiltern im Abgasstrang eines Otto-Motors. In der obersten Darstellung sind ein einzelner 3-Wege-Katalysator (TWC) 3 mit einem nachfolgenden einzelnen SCR-Katalysator 5 in einem Abgasstrang 3 angeordnet, wobei ein NFh-Sensor 6 hinter dem SCR-Katalysator vorgesehen ist. In der darunter befindlichen Darstellung befinden sich ein TWC-Katalysator und ein SCR-Katalysator in einem gemeinsamen Gehäuse, wobei der gemeinsame Katalysator 7 aus einzelnen Katalysatorscheiben oder Beschichtungen ausgebildet sein kann. Die dritte Darstellung von oben zeigt einen einzelnen 3-Wege-Katalysator (TWC) 3, einen einzelnen Ottopartikelfilter (OPF, hier mit GPF bezeichnet) 4 und einen einzelnen SCR-Katalysator 5, die nacheinander in dieser Reihenfolge im Abgasstrang angeordnet sind. Die vierte Darstellung von oben zeigt ebenfalls drei Einzelelemente, wobei hier der SCR-Katalysator 5 zwischen einem 3-Wege-Katalysator 3 und einem Partikelfilter 4 angeordnet ist.
Darstellung fünf von oben zeigt drei Einzelkatalysatoren in der Reihenfolge GPF, TWC und SCR.
Bei der sechsten Darstellung ist hinter einem gemeinsamen Katalysator (TWC und SCR) 7 ein Partikelfilter 4 angeordnet. Die darunter befindliche Darstellung zeigt die umgekehrte Reihenfolge: Zuerst GPF und dann gemeinsamer Katalysator 7.
In der nachfolgenden Darstellung befinden sich ein 3-Wege-Katalysator und ein Partikelfilter in einem gemeinsamen Gehäuse unter Ausbildung eines kombinierten Katalysator-Filter-Elementes 8, was beispielsweise durch unterschiedliche Beschichtungen realisiert sein kann. Danach ist ein SCR-Katalysator 5 angeordnet.
Die weiteren vier Darstellungen zeigen kombinierte Katalysator-Filter-Elemente 9, 10, 11 und 12, wobei die Elemente 10, 11 , 12 als Dreierkombinationen ausgebildet sind. Die Vielzahl der vorstehend beschriebenen Kombinationsmöglichkeiten zeigt, dass der erfindungsgemäß vorgesehene SCR-Katalysator an verschiedenen Positionen im Abgasstrang und in Kombination mit verschiedenen Katalysatoren und Filtern Verwendung finden kann. Auch können verschiedene Ausgestaltungen des SCR-Katalysators möglich sein, wie vorstehend beschrieben.

Claims

Patentansprüche
1. Als Otto-Motor ausgebildeter Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang, mit dem NH3-Emissionen enthaltendes Abgas an die Atmosphäre abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) ein SCR-Katalysator (5) zur selektiven katalytischen Reduktion der NH3-Emissionen in N2 und H2O vorgesehen ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) ein 3-Wege-Katalysator (3) vorgesehen ist, dem der SCR-Katalysator (5) nachgeschaltet ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) ein unbeschichteter oder beschichteter Partikelfilter (4) vorgesehen ist, dem der SCR-Katalysator (5) nachgeschaltet ist.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 3-Wege-Katalysator (3) und SCR-Katalysator (5) ein unbeschichteter oder beschichteter Partikelfilter (4) angeordnet ist.
5. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (5) als einzelner Katalysator, Katalysatorscheibe oder als Beschichtung ausgebildet ist.
6. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (5) in einem gemeinsamen Gehäuse mit einem anderen Katalysator oder Partikelfilter angeordnet ist.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung von mehreren Katalysatoren in einem gemeinsamen Gehäuse ein einziges Trägermaterial mit verschiedenen nacheinander oder parallel angeordneten Beschichtungen vorgesehen ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des SCR-Katalysators (5) ein Nhh-Sensor (6) am Abgasstrang (2) für Diagnosezwecke angeordnet ist.
9. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator nahe am Verbrennungsmotor (1) und der SCR-Katalysator (5) im Unterboden eines den Verbrennungsmotor (1) enthaltenden Fahrzeuges angeordnet sind.
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