DE102004029202A1 - Exhaust gas cleaning system for internal combustion engine capable of lean running, has master and secondary storage devices for nitrogen oxides that can be operated in nitrogen oxides storage phase(s) and nitrogen oxides regeneration phase - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
- Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem mit einer Haupt- und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to an exhaust gas purification system with a main and a secondary storage device for nitrogen oxides and a method for operating an exhaust gas purification system according to the preambles the independent one Claims.
Zur deutlichen Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen werden zunehmend magerlauffähige Brennkraftmaschinen, insbesondere direkt einspritzende Ottomotoren und Dieselmotoren eingesetzt. Zur Lösung des bei derartigen Brennkraftmaschinen auftretenden Zielkonflikts zwischen einem reduzierten Kraftstoffverbrauch und geringen Schadstoffemissionen, insbesondere von Stickoxiden (NOx), sind besonders Abgasreinigungssysteme mit NOx-Speicherkatalysator geeignet. Ein NOx-Speicherkatalysator kann Stickoxide unter bestimmten Randbedingungen bei einem Lambdawert des Abgases > 1 für einen begrenzten Zeitraum speichern und zu einem späteren Zeitpunkt bei einem Lambdawert < 1 wieder ausspeichern und zu unschädlichen Gasen reduzieren. Derartige Speicherkatalysatoren müssen daher diskontinuierlich in einer NOx-Speicher- und einer NOx-Regenerationsphase betrieben werden. Für die Entstickung während der Regenerationsphase wird dem Katalysator über eine motorische Fettphase oder externe Dosiereinheiten ein Reduktionsmittel zur Reduktion der während der Speicherphase eingespeicherten NOx-Masse zugeführt. Zu Beginn der Regenerationsphase kommt es in Anwesenheit des Reduktionsmittels zu einer hohen Austragsgeschwindigkeit von gespeicherten NOx. Dabei führen eine unzureichende Reduktionsmittelkonzentration und temporär geringere Umsatzraten des Reduktionsmittels mit ausgespeicherten NOx zu einem kurzzeitigen Anstieg der NOx-Konzentration im Abgas stromab des NOx-Speicherkatalysators, dem charakteristischen NOx-Desorptionspeak. Die Regenerationsphase wird beendet, wenn in das Speichermaterial eingelagerte Nitrate und Sauerstoff vollständig umgesetzt sind. Üblicherweise wird die Regenerationsphase beendet, wenn ein sogenannter Fettsprung im Abgas hinter dem Katalysator detektiert wird. Vor dem Einsetzen von hohen Konzentrationen von Reduktionsmitteln wird dann wieder in einen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine gewechselt. Allerdings ist es aufgrund eines Totvolumens bzw. einer Totzeit vom Motor bis zum Katalysator nicht möglich, einen Reduktionsmitteldurchbruch vollständig zu vermeiden. Die bei einem derartigen charakteristischen Reduktionsmitteldurchbruch in die Umwelt freigesetzten Schadstoffe vermindern ebenso wie die im charakteristischen NOx-Desorptionspeak enthaltene NOx-Masse, die mit einem NOx-Speicherkatalysator üblicherweise erreichbare Emissionsqualität. Ein weiteres Problem derartiger Katalysatoren besteht in der reversiblen Verschlechterung der Konvertierungsleistung durch im Kraftstoff enthaltenen Schwefel.to significant reduction in fuel consumption of motor vehicles become increasingly runnable Internal combustion engines, in particular directly injecting gasoline engines and diesel engines used. To solve the case of such internal combustion engines Target conflict between a reduced fuel consumption and low pollutant emissions, in particular of nitrogen oxides (NOx), are particularly exhaust gas purification systems with NOx storage catalytic converter suitable. A NOx storage catalyst may contain nitrogen oxides under certain conditions Boundary conditions with a lambda value of the exhaust gas> 1 for a Save a limited period and at a later time at a lambda value <1 again save and harmless Reduce gases. Such storage catalysts must therefore operated discontinuously in a NOx storage and a NOx regeneration phase become. For the denitrification during the regeneration phase becomes the catalyst via a motorized fat phase or external dosing units a reducing agent for reduction while fed to the storage phase stored NOx mass. To Beginning of the regeneration phase occurs in the presence of the reducing agent to a high discharge rate of stored NOx. there to lead an insufficient reducing agent concentration and temporarily lower Turnover rates of the reducing agent with NOx stored to one short-term increase in NOx concentration in the exhaust downstream of the NOx storage catalyst, the characteristic NOx desorption peak. The regeneration phase is ended when in the storage material stored nitrates and oxygen completely implemented are. Usually the regeneration phase is ended when a so-called fat jump is detected in the exhaust gas behind the catalyst. Before insertion high concentrations of reductants will then return changed into a lean operation of the internal combustion engine. Indeed it is due to a dead volume or a dead time from the engine to not possible with the catalyst, to completely avoid a reducing agent breakthrough. The at such a characteristic reductant breakthrough in Pollutants released from the environment just as much as those in the Characteristic NOx desorption peak contained NOx mass, which with a NOx storage catalyst usually achievable emission quality. Another problem of such catalysts is the reversible Deterioration of conversion performance due to fuel Sulfur.
Zur
Verminderung eines Regenerationsmitteldurchbruchs ist bereits in
der
Aus der US 2002/0 189 242 A1 ist ein geteilter NOx- Speicherkatalysator mit einer zwischen den Teilkatalysatoren angeordneten Sauerstoffsonde bekannt. Es wird vorgeschlagen, während erster Betriebsbedingungen den Motor mager zu betreiben und eine gewisse Menge an Sauerstoff- und einem Abgasbestandteil in einen stromaufwärts angeordneten sowie in einen stromabwärts angeordneten Teilkatalysator zu speichern. Unter zweiten Betriebsbedingungen wird während eines Fett-Betriebs eine gewisse Menge des gespeicherten Sauerstoffs und der gespeicherten Abgaskomponente von dem stromaufwärts angeordneten Teilkatalysatoren ausgespeichert. Nach Beendigung des Betriebs unter den zweiten Betriebsbedingungen erfolgt ein Betrieb mit Abgas mit einem Lambdawert im Bereich von 1. Die vorgeschlagene Betriebsweise soll es ermöglichen, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und NOx in einem annähernd stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine aus dem Abgas zu entfernen und eine höhere Toleranz gegenüber kurzen transienten Mager- oder Fettphasen zu erreichen.Out US 2002/0189242 A1 is a divided NOx storage catalyst with an oxygen probe arranged between the subcatalysts known. It is suggested during first operating conditions to run the engine lean and use a certain amount of oxygen and an exhaust component in an upstream and in a downstream to store arranged sub-catalyst. Under second operating conditions is during a fat operation a certain amount of stored oxygen and the stored exhaust gas component from the upstream Partial catalysts stored out. After completion of the operation under the second operating conditions with an exhaust gas with a lambda value in the range of 1. The proposed mode of operation should allow hydrocarbons, Carbon monoxide and NOx in an approximately stoichiometric operation of the internal combustion engine to remove from the exhaust and a higher tolerance to short to achieve transient lean or rich phases.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Abgasreinigungssystems mit einer Haupt- und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine mit verminderten Schadstoffemissionen sowie die Schaffung eines Verfahrens zum Betrieb eines derartigen Abgasreinigungssystems. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Entschwefelungsverfahrens für ein derartiges Abgasreinigungssystem.task The present invention is to provide an exhaust gas purification system with a main and a secondary storage device for nitrogen oxides for one lean executable Internal combustion engine with reduced pollutant emissions and the To provide a method for operating such an exhaust gas purification system. Another object is to specify a desulfurization process for a Such emission control system.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The object is achieved with the Characteristics of the independent claims solved.
Wenn die Sekundär-Speichereinrichtung eine Auslegung aufweist, mit der eine Verminderung der emitierten NOx-Masse um mindestens 30 %, vorzugsweise 40 %, besonders bevorzugt 50 %, optional 80 % bezogen auf die NOx-Emission bei Verwendung eines NOx-Speicherkatalysators allein für einen vorgegebenen Fahrzyklus erreicht wird, kann die Effektivität der Abgasreinigung für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine auf einfache Weise deutlich erhöht werden.If the secondary storage device a Design, with a reduction of the emitted NOx mass by at least 30%, preferably 40%, more preferably 50%, optional 80% based on the NOx emission when using a NOx storage catalyst alone for a given drive cycle is achieved, the effectiveness of the exhaust gas purification for a lean-running internal combustion engine significantly increased in a simple way become.
Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen, wie Motortyp, Auslegung der Hauptspeichereinrichtung, Katalysator- und Speichermaterial, unterschiedlich ausgelegte Sekundär-Speichereinrichtungen, von der Erfindung umfasst werden. Die Anpassung der Sekundär-Speichereinrichtung umfasst insbesondere den Wert ihrer NOx- und/oder Sauerstoffspeicherfähigkeit.It understands that in dependence different boundary conditions, such as engine type, design of the main memory device, Catalyst and storage material, differently designed secondary storage devices, to be covered by the invention. The adaptation of the secondary storage device includes in particular the value of its NOx and / or oxygen storage capacity.
Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung sind im wesentlichen 3-Wege-Katalysatoren mit zusätzlichen NOx-Speicherkomponenten. In an sich bekannter Weise ist dabei auf einem Träger aus Aluminiumoxid eine Beschichtung aufgetragen, die Edelmetalle, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle oder seltene Erden umfasst. Vorzugsweise weist die Sekundär-Speichereinrichtung insbesondere zur Optimierung von Kosten und Platzbedarf eine geringere Sauerstoff- und/oder NOx-Speicherfähigkeit auf als die Hauptspeichereinrichtung.Main memory means and secondary storage device are essentially 3-way catalysts with additional NOx storage components. In a known manner is on a carrier applied a coating of aluminum oxide, the precious metals, Alkaline metals, alkaline earth metals or rare earths. Preferably has the secondary storage device especially for the optimization of costs and space requirements a smaller Oxygen and / or NOx storage capability than the main storage device.
Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung können jeweils in separaten Gehäusen angeordnet sein, womit eine höhere Flexibilität bei der Ausnutzung des für die Unterbringung des Abgassystems bei einem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Raums ermöglicht wird.Main memory means and secondary storage device can each in separate housings be arranged, bringing a higher flexibility in the use of for the placement of the exhaust system in a vehicle available Space allows becomes.
In einer weiteren Ausführungsform sind Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung als Bricks ausgebildet und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei zwischen den Bricks ein Zwischenraum zur Separation vorgesehen ist. Die Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse vereinfacht das Komponentenhandling bei Produktion und ggf. Ersatz und Reparatur. Der Abstand zwischen der Hauptspeichereinrichtung und der Sekundär-Speichereinrichtung ist erfindungsgemäß derart gewählt, dass eine funktionsmäßige Trennung der beiden Speichereinrichtungen erreicht werden kann.In a further embodiment Main memory device and secondary memory device are designed as Bricks and in a common housing arranged, whereby between the Bricks a space for the separation is provided. The arrangement is simplified in a common housing Component handling during production and, if necessary, replacement and repair. The distance between the main storage device and the secondary storage device is according to the invention selected that a functional separation the two memory devices can be achieved.
Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung können – wie an sich bekannt ist – jeweils in zumindest einer NOx-Speicher- und einer NOx-Regenerationsphase betrieben werden. Vorzugsweise wird während der NOx-Speicherphase in einer Magerphase der Brennkraftmaschine während eines Zeitintervalls eine Beladung der Hauptspeichereinrichtung und der Sekundär-Speichereinrichtung mit Sauerstoff vorgenommen. In einer NOx- Regenerationsphase wird unter Zuführung von Reduktionsmitteln während eines Zeitintervalls eine NOx-Regeneration der Hauptspeichereinrichtung vorgenommen. Vorzugsweise hat während dieses Zeitintervalls die Sekundär-Speichereinrichtung eine 3-Wege-Katalysatorfunktion.Main memory means and secondary storage device can - how to is known - each be operated in at least one NOx storage and one NOx regeneration phase. Preferably, during the NOx storage phase in a lean phase of the internal combustion engine during a time interval a loading of the main storage device and the secondary storage device made with oxygen. In a NOx regeneration phase is under supply of Reducing agents during a time interval a NOx regeneration the main storage device made. Preferably has during this Time interval, the secondary storage device a 3-way catalytic function.
Die Steuerung der NOx-Speicherphase und der NOx-Regenerationsphase erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von einer aktuellen NOx-Konzentration stromab der Hauptspeichereinrichtung und/oder in Abhängigkeit von einer Sauerstoff- und/oder Reduktionsmittelkonzentration stromab der Hauptspeichereinrichtung.The Control of the NOx storage phase and the NOx regeneration phase takes place according to a preferred embodiment the invention in dependence from an actual NOx concentration downstream of the main storage device and / or depending from an oxygen and / or reducing agent concentration downstream the main storage device.
Zur Ermittlung der NOx-, Sauerstoff- und/oder Reduktionsmittelkonzentration ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen dem Hauptspeichereinrichtung und der Sekundär-Speichereinrichtung ein Abgassensor angeordnet, der ein entsprechendes Steuersignal zur Verfügung stellt.to Determining the NOx, oxygen and / or reducing agent concentration is in a preferred embodiment the invention between the main storage device and the secondary storage device arranged an exhaust gas sensor, which is a corresponding control signal to disposal provides.
Der Abgassensor kann eine Sprung- oder Breitbandlambdasonde oder ein NOx-Sensor, vorzugsweise mit einem Lambdasignalausgang, sein. Die Erfindung umfasst jedoch auch Ausführungsformen, bei denen die Einleitung und/oder Beendigung einer NOx-Regenerationsphase in Abhängigkeit von einer in der Hauptspeichereinrichtung gespeicherten NOx- und/oder Sauerstoffmasse erfolgt. Für die Bestimmung bzw. Berechnung der eingespeicherten NOx- bzw. Sauerstoffmasse stehen verschiedene an sich bekannte Verfahren zur Verfügung, die sämtlich im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können.Of the Exhaust gas sensor can be a jump or broadband lambda probe or a NOx sensor, preferably with a lambda signal output, be. The However, the invention also includes embodiments in which the Initiation and / or termination of a NOx regeneration phase depending on from a stored in the main storage device NOx and / or Oxygen mass is done. For the determination or calculation of the stored NOx or oxygen mass Various methods known per se are available which all in the Can be used within the scope of the invention.
Als Reduktionsmittel sind erfindungsgemäß Kohlenmonoxid (CO) und/oder Kohlenwasserstoff (HC) vorgesehen, die vorzugsweise von einer motorischen Fettphase oder mittels einer externen Dosiereinheit dem Abgas zugeführt werden.When Reducing agents are according to the invention carbon monoxide (CO) and / or Hydrocarbon (HC) provided, preferably by a motor Grease phase or be supplied to the exhaust gas by means of an external metering unit.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Entschwefelung eines Abgasreinigungssystems mit einer Hauptspeichereinrichtung und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide. Zur Entschwefelung der Hauptspeichereinrichtung wird für ein Entschwefelungszeitintervall eine Mindesttemperatur der Hauptspeichereinrichtung und ein Lambdawert < 1 des Abgases eingestellt. Erfindungsgemäß weist die Sekundär-Speichereinrichtung eine Sauerstoffspeicherfähigkeit auf und gewährleistet zumindest während eines Teilzeitraums des Entschwefelungszeitintervalls eine Konvertierung von stromab der Hauptspeichereinrichtung auftretenden Schwefelwasserstoff-(H2S)- und/oder Kohlenmonoxidsulfid-(COS)-Emissionen. Damit kann die ansonsten übliche Unterbrechung der Entschwefelung durch Umschalten von Fett- auf Magerbetrieb verzögert werden bzw. seltener erfolgen und auf eine einfache Weise eine vollständige Entschwefelung der Hauptspeichereinrichtung ohne einen bemerkbaren Austrag von H2S und/oder COS erreicht werden.The invention also includes a method for desulphurizing an exhaust gas purification system having a main storage device and a secondary storage device for nitrogen oxides. For desulfurization of the main storage device, a minimum temperature of the main storage device and a lambda value <1 of the exhaust gas is set for a desulfurization time interval. According to the invention, the secondary storage device has an oxygen storage capability and ensures at least during a partial period of desulfurization a time-interval conversion of hydrogen sulfide (H2S) and / or carbon monosulfide (COS) emissions occurring downstream of the main storage device. Thus, the otherwise usual interruption of desulfurization can be delayed by switching from rich to lean mode or occur less frequently and in a simple manner a complete desulfurization of the main storage device without a noticeable discharge of H2S and / or COS can be achieved.
Weitere Aspekte, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und ohne Beschränkung der Allgemeinheit in der nachfolgenden Beschreibung anhand von Zeichnungen dargestellt.Further Aspects, advantages and embodiments of the invention become independent from its summary in the claims and without limitation the Generality in the following description with reference to drawings shown.
Es zeigen:It demonstrate:
In
Die
in
Die
Speichereinrichtungen
Die
Hauptspeichereinrichtung
Erfindungsgemäß wird der
zu Beginn einer NOx-Regenerationsphase der Hauptspeichereinrichtung
In
In
den
In
den
Wie
aus den
Bevorzugt wird die Sekundär-Speichereinrichtung derart ausgelegt, dass eine Verminderung der emittierten NOx-Masse um mindestens 30 %, vorzugsweise 40 %, besonders bevorzugt 50 %, optional 80 %, bezogen auf die NOx-Emission bei Verwendung eines NOx-Speicherkatalysators allein für einen vorgegebenen Fahrzyklus erreicht wird. Der vorgegebene Fahrzyklus kann beispielsweise der Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ) sein. Die Auslegung der Sekundär-Speichereinrichtung wird dabei erfindungsgemäß in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen, wie Motortyp, Auslegung der Hauptspeichereinrichtung, Katalysator- und Speichermaterial, variieren. Es versteht sich, dass dabei insbesondere der Wert der NOx- und O2-Speicherfähigkeit der sekundären Speichereinrichtung der einzulagernden NOx-Masse des NOx-Desorptionspeaks sowie der einzulagernden Reduktionsmittelmasse des Reduktionsmitteldurchbruchs angepasst ist.Preferably, the secondary storage device is designed such that a reduction of the emitted NOx mass by at least 30%, preferably 40%, more preferably 50%, optionally 80%, based on the NOx emission when using a NOx storage catalyst alone for a predetermined driving cycle is achieved. The predetermined driving cycle, for example, the New European Driving Cycle (NEDC). The design of the secondary storage device according to the invention will vary depending on various boundary conditions, such as engine type, design of the main storage device, catalyst and storage material. It is understood that in particular the value of the NOx and O2 storage capacity of the secondary storage device of the NOx mass of the NOx desorption peak to be stored and of the reductant mass of the reducing agent breakthrough to be stored is adapted.
Bei
Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff kommt es durch Sulfatbildung
zu einer meist schleichenden Deaktivierung von NOx-Speicherkatalysatoren.
Aufgrund einer höheren
chemischen Stabilität
der Sulfate ist eine Entschwefelung erst bei höheren Temperaturen von ca.
650° C Katalysatortemperatur
möglich,
wodurch jedoch vor allem bei niedrigem Lambdawert die Bildung von
H2S und COS begünstigt
wird. In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird zur Entschwefelung der Hauptspeichereinrichtung
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- Abgasstrangexhaust gas line
- 33
- Hauptspeichermain memory
- 3a3a
- HauptspeichergehäuseMain storage enclosure
- 44
- Sekundär-SpeicherSecondary storage
- 4a4a
- Sekundär-SpeichergehäuseSecondary storage enclosure
- 55
- Sensorsensor
- 5a5a
- Sensorsensor
- 66
- Steuergerätcontrol unit
- 77
- Katalysatorgehäusecatalytic converter housing
- RR
- Abgas mit Reduktionsmittel aus motorischer Fettphaseexhaust with reducing agent from motor fat phase
- DD
- Abgas mit Desorptionspeak und Reduktionsmitteldurchbruchexhaust with desorption peak and reductant breakthrough
- EMin E Min
- emissionsminimiertes Abgasemissionsminimiertes exhaust
Claims (17)
Priority Applications (2)
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