DE10158568A1 - Verfahren und Anlage zur Regenerierung insbesondere Desulfatisierung eines Speicherkatalysators bei der Abgasreinigung - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Regenerierung insbesondere Desulfatisierung eines Speicherkatalysators bei der Abgasreinigung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Regenerierung, insbesondere zur Desulfatisierung, von Speicherkatalysatoren (1) bei der Abgasreinigung von Verbrennungmotoren (12). Es wird vorgeschlagen, während der Regenerationsphase mittels eines Steuergeräts (11) zunächst innermotorisch die Verbrennung derart zu steuern, dass das Luftverhältnis lambda im Abgas auf einen ersten Wert lambda¶1¶ abgesenkt und anschließend vom Steuergerät (11) eine Zuführeinrichtung (5, 6) für das Reduktionsmittel derart angesteuert wird, dass das Luftverhältnis lambda auf einen zweiten, niedrigeren Wert lambda¶2¶ < 1 eingestellt wird. Die Erfindung stellt sicher, dass die an der Eingangsseite (3) des Speicherkatalysators (1) auftretenden Temperaturen zur wirkungsvollen Desulfatisierung ausreichen, ohne den Speicherkatalysator (1) zu beschädigen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regenerierung, insbesondere Desulfatisierung, von Speicherkatalysatoren bei der Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren, bei dem während der Regenerationsphase ein reduzierendes Abgasgemisch mit einem Luftverhältnis λ < 1 erzeugt und durch den Speicherkatalysator geleitet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Regenerierung, insbesondere Desulfatisierung, eines Speicherkatalysators zur Abgasreinigung eines Verbrennungsmotors mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Reduktionsmittels zur Eingangsseite des Speicherkatalysators.
  • Stand der Technik
  • Gattungsgemäße Speicherkatalysatoren werden zur Reinigung der Abgase eines Verbrennungsmotors (Dieselmotor) eingesetzt, wobei diese Stickoxide (NOx) mittels Speicherung aus dem Abgasstrom entfernen. Auch Schwefeloxide (SOx) werden auf diese Weise entfernt. Die Beladung eines Speicherkatalysators mit Stickoxiden erfolgt meist bis zu ca. zwei Minuten (je nach Betriebspunkt auch nur für etwa 0,3 bis 1,0 Minuten). Der beladene Katalysator muss anschließend jeweils regeneriert werden. In der Regenerationsphase werden Stickoxide zu Stickstoff reduziert und an das Abgas abgegeben. Für diesen Entleer- oder Regenerationsvorgang ist eine reduzierende Umgebung (fettes Gemisch) bei einem herrschenden Luftverhältnis λ < 1 notwendig. Die Dauer dieser Fettphasen beträgt ca. 1 bis 30 Sekunden.
  • Die Erzeugung der Fettphasen kann entweder innermotorisch durch geeignete Verbrennungsführung oder nachmotorisch durch Zugabe eines Reduktionsmittels (z. B. Dieselkraftstoff) in das Abgas erfolgen. Die nachmotorische Reduktionsmittelzugabe hat den Vorteil, dass sie unabhängig vom Betriebspunkt des Motors vom Fahrer unbemerkt erfolgen kann. Anforderungen wie konstantes Motorverhalten, konstantes Drehmoment, konstantes Geräusch und unveränderte Fahrdynamik können bei der nachmotorischen Reduktionsmittelzugabe erfüllt werden.
  • Neben der periodischen NOx-Regenerierung der Speicherkatalysatoren müssen diese in größeren Zeitabständen außerdem desulfatisiert werden. Das Desulfatisieren geschieht in der Regel mittels eines fetten Abgasgemischs (λ < 1) bei einer Abgastemperatur von 600°C. Üblicherweise werden hier periodische Schwankungen um λ = 1 aufgeprägt, um HC- oder CO-Durchbrüche zu vermeiden. Die Dauer der Desulfatisierung beträgt ca. 5 Minuten. Die gewünschten Zustände für diese Desulfatisierung sind für die genannte Dauer innermotorisch kaum einzustellen, so dass sich die nachmotorische Reduktionsmittelzugabe wieder anbietet.
  • Zu diesem Zweck wird das Reduktionsmittel an einem Oxidationskatalysator mit dem im Abgas enthaltenen Sauerstoff oxidiert, wobei Wärme freigesetzt wird. Wenn jedoch auf diese Weise das Luftverhältnis im Dieselabgas von etwa λ = 2 auf λ = 0,95 eingestellt werden soll, können dabei Temperaturen von über 1000°C entstehen, die zur Zerstörung des Speicherkatalysators führen würden.
  • In der US 6,199,373 B1 ist ein Verfahren zur Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators durch Abbrennen bei Temperaturen von mindestens 675°C beschrieben. Hierzu wird eine Modulation des Luftverhältnisses mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude vorgeschlagen, so dass in dem einem Dreiwegekatalysator nachgeschalteten Speicherkatalysator eine Temperaturerhöhung auf die benötigten Werte stattfindet. Im Speicherkatalysator werden O2, HC und CO exotherm nahezu vollständig katalytisch umgesetzt, was zu der gewünschten Temperaturerhöhung führt.
  • Ein ähnliches Verfahren zur Desulfatisierung ist in der US 5,974,788 beschrieben, bei dem die Amplitude des Luftverhältnisses des dem Motor zugeführten Gemisches derart moduliert wird, dass während einer mageren Zylinderphase Sauerstoff im Speicherkatalysator aufgenommen wird, der dann während einer fetten Zylinderphase die zur Temperaturerhöhung benötigte exotherme Reaktion auslöst.
  • In der US 5,758,493 wird ein Verfahren zum Desulfatisieren eines NOx-Speicherkatalysators beschrieben, bei dem ein Teil der Motorzylinder mit einem fetten, der andere Teil mit einem mageren Gemisch während der Sulfatisierung arbeitet. Beide Abgasströme werden getrennt voneinander zum Speicherkatalysator geleitet, um im Katalysator eine katalytische exotherme chemische Reaktion einzugehen. Der resultierende Temperaturanstieg ist demnach ausreichend, um SOx zu entfernen.
  • Ein auf den gleichen Prinzipien beruhendes Verfahren, bei dem zusätzlich ein etwaiger Temperaturabfall im Speicherkatalysator überwacht und verhindert wird, ist aus der US 6,189,316 bekannt.
  • Schließlich ist aus der US 5,979,159 ein Verfahren zur Desulfatisierung eines einem Dreiwegekatalysator nachgeschalteten Speicherkatalysators bekannt, bei dem im Dreiwegekatalysator eine exotherme Reaktion ausgelöst wird, wodurch ein Abgasstrom von erhöhter Temperatur erzeugt wird, der zur Desulfatisierung des nachgeschalteten Speicherkatalysators verwendet wird.
  • Gegenüber diesen bekannten Verfahren zur Desulfatisierung stellt sich vorliegend das Problem, die bei der nachmotorischen Fettphasengenerierung entstehende Abgastemperatur auf Werte zu begrenzen, die einerseits für die nachfolgenden Komponenten des Abgasreinigungssystems, insbesondere für den Speicherkatalysator selbst, noch als sicher angesehen werden können und andererseits zur vollständigen Regenerierung des Speicherkatalysators ausreichen.
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird zur Regenerierung der genannten Speicherkatalysatoren vorgeschlagen, während der Regenerationsphase zunächst innermotorisch die Verbrennung derart zu steuern, dass das Luftverhältnis auf einen ersten Wert λ1 abgesenkt und erst anschließend durch nachmotorische Zugabe eines Reduktionsmittels das Luftverhältnis auf einen zweiten, niedrigeren Wert λ2 < 1 eingestellt wird. Diese Kombination von innermotorischen und nachmotorischen Maßnahmen zur Absenkung des Luftverhältnisses erlauben die Erzeugung einer Fettphase in zwei Schritten mit der Möglichkeit, die Abgastemperaturen besser als bisher zu kontrollieren und zu begrenzen.
  • Das erste Absenken des Luftverhältnisses kann beim erfindungsgemäßen Verfahren ohne signifikante Erhöhung der Abgastemperatur erfolgen. Anschließend wird durch nachmotorische Reduktionsmittelzugabe ein Luftverhältnis von λ < 1 eingestellt, wobei hierbei eine Temperaturobergrenze eingehalten werden kann, die keine Schädigungen der nachfolgenden Komponenten, insbesondere des Speicherkatalysators selbst, erwarten lässt.
  • Die während der Regenerationsphase vorgenommene innermotorische Steuerung der Verbrennung umfasst mit Vorteil die nachfolgenden Maßnahmen alleine oder in Kombination: Vergrößerung der Abgasrückführrate, Drosselung der Ansaugluft und Steuerung der innerzylindrischen Verbrennungsführung oder des Einspritzverlaufs. Die genannten Maßnahmen können alleine oder in Kombination zur Verringerung des Sauerstoffgehalts im Abgas beitragen und somit das Luftverhältnis λ verkleinern.
  • Mit Vorteil wird das Luftverhältnis auf einen ersten Wert λ1 zwischen 1,0 und 2,0, insbesondere auf etwa 1,5, durch diese innermotorischen Maßnahmen abgesenkt. Diese werden soweit ausgeschöpft, wie es ohne Beeinflussung der Fahrdynamik möglich ist. Somit lassen sich Werte von λ = 1,5 ohne signifikante Erhöhung der Abgastemperatur erzielen.
  • Durch die anschließende nachmotorische Reduktionsmittelzugabe werden zur wirkungsvollen Regeneration des Speicherkatalysators Luftverhältnisse zwischen 0,9 und unterhalb 1,0, insbesondere von etwa 0,95, eingestellt. Die hierbei erfolgenden exothermen Reaktionen führen zu der gewünschten Temperaturerhöhung, die bei einer Desulfatisierung etwa 600°C betragen sollte. Gleichzeitig wird durch die Erfindung sichergestellt, dass die Abgastemperaturen 700°C nicht überschreiten, so dass der Speicherkatalysator ohne Schädigungsgefahr sicher desulfatisiert werden kann.
  • Eine erfindungsgemäße Anlage zur Regenerierung, insbesondere zur Desulfatisierung, eines Speicherkatalysators zur Abgasreinigung eines Verbrennungsmotors enthält eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Reduktionsmittels zur Eingangsseite des Speicherkatalysators, sowie mindestens einer λ-Sonde zur Feststellung des Luftverhältnisses des dem Speicherkatalysator zuzuführenden Abgases, wobei ein Steuergerät zur Steuerung der innermotorischen Verbrennung vorgesehen ist, das mit der mindestens einen λ-Sonde sowie mit der Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Reduktionsmittels jeweils in Wirkverbindung steht.
  • Eine Möglichkeit zur Feststellung eines zu hohen Schwefelgehalts im Katalysator, der eine Desulfatisierung notwendig macht, besteht darin, mittels eines oder mehrerer Sensoren den Rückgang der NOx-Konvertierung des Speicherkatalysators zu messen. In diesem Fall ist das erwähnte Steuergerät mit diesem mindestens einen Sensor in Wirkverbindung.
  • Das Steuergerät dieser erfindungsgemäßen Anlage ermöglicht die Steuerung der innermotorischen Verbrennung abhängig von entsprechenden Signalen des oder der Sensoren, die einen Rückgang der NOx-Konvertierung des Speicherkatalysators detektieren. Dieser Rückgang kann die Beladung des Katalysators mit NOx, aber auch mit SOx zur Ursache haben, wodurch in beiden Fällen die NOx-Konvertierung abnimmt.
  • Das Steuergerät kann nunmehr durch die oben beschriebenen Maßnahmen die innermotorische Verbrennung derart steuern, dass das Luftverhältnis auf einen ersten Wert abgesenkt wird. Das Luftverhältnis wird mittels einer λ-Sonde gemessen und ein entsprechendes Signal dem Steuergerät zugeführt. Ist das Luftverhältnis auf den ersten Wert herabgesunken, kann das Steuergerät die Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Reduktionsmittels ansteuern, um das zur Regenerierung des Speicherkatalysators notwendige fette Gemisch mit einem Luftverhältnis λ < 1 zu erzeugen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält die erfindungsgemäße Anlage einen Temperatursensor, der ebenfalls mit dem Steuergerät in Wirkverbindung steht, so dass die jeweils notwendige Temperatur zur Regenerierung überwacht und eingehalten werden kann.
  • Für eine Desulfatisierung ist es vorteilhaft, vor den Speicherkatalysator einen Oxidationskatalysator zu schalten, an dessen Eingangsseite das Reduktionsmittel durch die Zuführeinrichtung zugeleitet wird. Das Reduktionsmittel wird im Oxidationskatalysator mit dem im Abgas vorhandenen Sauerstoff katalytisch exotherm umgesetzt, so dass die eigentliche Temperaturerhöhung in diesem Abschnitt gesteuert erfolgt.
  • Die Zuführeinrichtung umfasst vorteilhafterweise ein Magnetventil sowie eine Zuleitung für das Reduktionsmittel. Das Steuergerät kann dann direkt das Magnetventil ansteuern.
    • Figuren
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines durch die beigefügte Figur illustrierten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die Figur zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage zur Regenerierung eines in einer Abgasreinigungsanlage eingesetzten Speicherkatalysators.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die Figur zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage in schematischer Darstellung, wobei diese Anlage ein Teil einer Abgasreinigungsanlage darstellt, mittels derer von einem Verbrennungs- /Dieselmotor 12 erzeugte Abgase katalytisch gereinigt werden.
  • Diese Abgase setzen sich hauptsächlich aus Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasser sowie zum geringen Teil aus Schadstoffen zusammen, zu denen Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide, Bleiverbindungen und Partikel (Ruß) zählen. Durch Oxidationskatalysatoren werden nicht vollständig verbrannte Bestandteile, CO sowie HC (Kohlenwasserstoffe) zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Vorhandene Stickoxide werden durch Reduktionskatalysatoren beseitigt, wobei in dieser Ausführungsform ein Speicherkatalysator 1 zu diesem Zweck eingesetzt wird. Zur Regeneration des Speicherkatalysators 1 wird eine Fettphase dadurch erzeugt, dass ein Reduktionsmittel (häufig Dieselkraftstoff selbst) dem Abgas zudosiert wird.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist dem Speicherkatalysator 1 ein Oxidationskatalysator 2 vorgeschaltet, wobei über eine Zuführleitung 5 Reduktionsmittel in den Abgasstrom zur Eingangsseite des Oxidationskatalysators 2 eingebracht werden kann. Die Zufuhr wird über ein Magnetventil 6 geregelt.
  • Im Abgasstrom ist weiterhin eine λ-Sonde 7 angeordnet, um das Luftverhältnis des zum Oxidationskatalysator 2 strömenden Abgases zu messen.
  • Erfindungsgemäß ist ein Steuergerät 11 vorgesehen, das über die Leitung 19 mit dem Magnetventil 6 und über die Leitung 20 mit der λ-Sonde 7 in Wirkverbindung steht.
  • Zwei Sensoren 8 und 9 erfassen die NOx-Konvertierung des Speicherkatalysators 1, wobei die erzeugten Ausgangssignale über die Leitungen 16 bzw. 17 dem Steuergerät 11 zugeführt werden.
  • Zur Messung und Kontrolle der Abgastemperatur vor dem Speicherkatalysator 1 ist ein Temperatursensor 10 vorgesehen, der über Leitung 18 Signale an das Steuergerät 11 Liefern kann.
  • Das Steuergerät 11 steht auf der anderen Seite mit denjenigen Aktoren in Verbindung, die für die innermotorische Steuerung der Verbrennung des Motors 12 zuständig sind. In dieser Ausführungsform steht das Steuergerät 11 über die Leitung 13 mit einem Aktor zur Steuerung der Abgasrückführung, über Leitung 14 mit einem Aktor zur Steuerung des Einspritzbeginns und über Leitung 15 mit der Drosselklappe zur Drosselung der Ansaugluft in Verbindung.
  • Die dargestellte Anlage eignet sich insbesondere zur Desulfatisierung des Speicherkatalysators 1, wie im folgenden beschrieben wird. Die Sensoren 8 und 9 erfassen die NOx-Konvertierung des Speicherkatalysators 1, die im Steuergerät 11 berechnet wird. Wenn aus einem Rückgang der Konvertierung oder durch ein anderes geeignetes Verfahren abgeleitet werden kann, dass der Schwefelgehalt im Katalysator 1 zu hoch ist, wird die Desulfatisierung eingeleitet. Dazu wird zunächst durch Beeinflussung beispielsweise der Abgasrückführung, des Spritzbeginns und/oder der Drosselklappe die die Verbrennung im Motor 12 bestimmenden Parameter derart verändert, dass der Sauerstoffgehalt im Abgas reduziert wird. Letzterer wird durch eine λ-Sonde 7 gemessen. Wenn der Sauerstoffgehalt niedrig genug ist - beispielsweise einen Wert von etwa 1,5 erreicht hat - wird über Leitung 19 vom Steuergerät 11 ein Signal zur Öffnung des Magnetventils 6 abgegeben, woraufhin Reduktionsmittel (z. B. Dieselkraftstoff) in die Abgasleitung einströmen kann. Dieses Reduktionsmittel wird an dem Oxidationskatalysator 2 mit dem im Abgas enthaltenen Sauerstoff katalytisch oxidiert, wobei Wärme freigesetzt wird, die eine Temperaturerhöhung des zum Speicherkatalysator 1 strömenden Abgases bewirkt. Durch diese nachmotorische Reduktionsmittelzugabe wird ein zweiter niedrigerer Wert des Luftverhältnisses λ eingestellt, wobei λ = 0,95 bzw. ein getakteter Verlauf um λ = 1 besonders günstig ist. Eine weitere (nicht dargestellte) λ-Sonde auf der Eingangsseite 3 des Speicherkatalysators 1 kann das Absinken auf einen zweiten, niedrigeren Wert des Luftverhältnisses λ detektieren und überwachen.
  • Bei dem geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren werden durch den optionalen Temperatursensor 10 auf der Eingangsseite 3 des Speicherkatalysators 1 Abgastemperaturen zur Desulfatisierung von etwa 600°C gemessen, wobei sichergestellt ist, dass die Abgastemperaturen unterhalb 700°C liegen, so dass der Speicherkatalysator 1 sicher regeneriert werden kann.
  • Die Erfindung ermöglicht eine sichere Desulfatisierung von Speicherkatalysatoren ohne die Gefahr von Beschädigungen aufgrund überhöhter Abgastemperaturen bei gleichzeitiger minimaler Beeinflussung der Fahrdynamik.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regenerierung, insbesondere Desulfatisierung, von Speicherkatalysatoren (1) bei der Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren (12), bei dem während der Regenerationsphase ein reduzierendes Abgasgemisch mit einem Luftverhältnis λ < 1 erzeugt und durch den Speicherkatalysator (1) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Regenerationsphase zunächst innermotorisch die Verbrennung derart gesteuert wird, dass das Luftverhältnis λ im Abgas auf einen ersten Wert (λ1) abgesenkt und anschließend durch nachmotorische Zugabe eines Reduktionsmittels das Luftverhältnis λ auf einen zweiten, niedrigeren Wert λ2 < 1 eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innermotorische Steuerung der Verbrennung die Vergrößerung der Abgasrückführrate und/oder die Drosselung der Ansaugluft und/oder die Steuerung der innerzylindrischen Verbrennungsführung wie des Einspritzverlaufs umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass λ1 zwischen 1,0 und 2,0, insbesondere etwa 1,5, beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass λ2 zwischen 0,9 und weniger als 1,0, insbesondere etwa 0,95, beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß λ um den Wert λ = 1 getaktet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis λ derart zunächst auf λ1 und anschließend auf λ2 abgesenkt wird, dass die Temperatur des dem Speicherkatalysator (1) zur Desulfatisierung zugeleiteten Abgasgemischs Werte zwischen 600°C und 700°C annimmt.
7. Anlage zur Regenerierung, insbesondere Desulfatisierung, eines Speicherkatalysators (1) zur Abgasreinigung eines Verbrennungsmotors (12) mit einer Zuführeinrichtung (5, 6) zur Zuführung eines Reduktionsmittels zur Eingangsseite (3) des Speicherkatalysators (1), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine λ-Sonde (7) zur Feststellung des Luftverhältnisses des Abgases vorgesehen sind, und dass ein Steuergerät (11) zur Steuerung der innermotorischen Verbrennung sowie zur Steuerung der Zufuhr eines Reduktionsmittels in das Abgas vorgesehen ist, wobei dieses Steuergerät (11) mit der mindestens einen λ-Sonde (7) sowie mit der Zuführeinrichtung (5, 6) zum Zuführen eines Reduktionsmittels in Wirkverbindung steht.
8. Anlage nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mindestens einen Sensor (8, 9) zur Feststellung eines Rückgangs der NOx-Konvertierung des Speicherkatalysators, wobei das Steuergerät (11) mit dem mindestens einen Sensor (8, 9) in Wirkverbindung steht.
9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (10) vorgesehen ist, der mit dem Steuergerät (11) in Wirkverbindung steht.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Speicherkatalysator (1) vorgeschalteter Oxidationskatalysator zur katalytischen Oxidation des zugeführten Reduktionsmittels vorgesehen ist, wobei die Zuführeinrichtung (5, 6) dem Oxidationskatalysator (2) vorgeschaltet ist.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung ein Magnetventil (6) und eine Zuleitung (5) für ein Reduktionsmittel umfasst.
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