DE102015014312A1 - Verfahren zur Minderung der NOx-Emission im Abgasstrang eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Minderung der NOx-Emission im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren das Zuführen eines Reduktionsmittel in den Abgasstrang zur Reduktion des NOx umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der benötigten Menge des Reduktionsmittels zur Reduktion von NOx durch einen Massendurchflussregler erfolgt, welcher so ausgestaltet ist, dass er in Abhängigkeit eines Kennfelds gesteuert wird oder gesteuert werden kann, welches die NOx-Emission in Abhängigkeit einer Kennzahl des Motors beschreibt.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Minderung der NOx-Emission im Abgasstrang eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, welches so ausgestaltet ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren in diesem Fahrzeug durchgeführt werden kann.
  • Es ist bekannt, den Ausstoß von Stickoxiden wie Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid (NOx) im Abgas von Verbrennungsmotoren durch katalytische Verfahren zu mindern.
  • In einem Verfahren erfolgt diese Minderung über Speicherkatalysatoren. Hierbei speichert ein NOx-Speicherkatalysator das gebildete NOx und gibt es im fetten Betrieb des Motors wieder ab. Um diese Zwischenspeicherung der Stickstoffoxide zu erreichen, werden auf geeigneten Trägern ein Edelmetallkatalysator wie Platin und eine NOx-Speicherkomponente, die meistens ein Erdalkalimetall wie Barium ist, aufgebracht. In der mageren, das heißt sauerstoffreichen, Atmosphäre werden die Stickstoffoxide unter der Wirkung des Edelmetallkatalysators aufoxidiert, unter Ausbildung von Nitraten wie beispielsweise Bariumnitrat im Katalysator absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Ist die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, so wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt. In diesem kurzen fetten Zyklus werden die im Katalysator zwischengespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert und damit der Katalysator für den nächsten Speicherzyklus vorbereitet. Ein Problem bei diesem Verfahren kann die Haltbarkeit der NOx-Speicherkatalysatoren sein, da deren Beschichtung Bariumcarbonat enthält, welches zyklisch zu Bariumnitrat umgewandelt wird. Bei Kontakt mit Wasser kann es zur Beschädigung dieser Beschichtung und damit schnell zu einer Deaktivierung des Speicherkatalysators kommen.
  • In einem weiteren Verfahren wird ein Katalysator verwendet, der NOx selektiv zu Stickstoff reduzieren kann (SCR-Katalysator), welches insbesondere bereits im LKW-bereich etabliert ist. Hierbei wird wässeriger Harnstoff in den Abgasstrang eingespritzt, wobei sich Ammoniak bildet. Dieser Ammoniak reduziert das sich im Abgas befindliche NOx mittels des Katalysators zu Stickstoff. Die Regelung der Harnstoffmenge erfolgt über eine NOx-Sonde im Abgasstrang in Kombination mit einer Membranpumpe, die die Dosierung der wässerigen Harnstofflösung in den Abgasstrang vornimmt. Ein Problem dieses Verfahrens kann darin liegen, dass die NOx-Sonden die Dosierung zu langsam regeln und die Membranpumpe ein Zuviel an Reduktionsmittel zudosiert, da sie typischerweise ein unteres Limit an Fördermenge aufweist. Beispielsweise sind Systeme bekannt, welche Förderraten von mindestens 20 ml/min aber nicht darunter realisieren.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren bereit zu stellen, welches die geschilderten Probleme vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird gelöst, wie in Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den davon abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Der Begriff „Minderung der NOx-Emission” wie in Anspruch 1 und hierin verwendet, bedeutet, dass die Menge an emittierten NOx vermindert wird.
  • Der Begriff „Kennlinienfeld” oder kurz „Kennfeld” wie in Anspruch 1 und hierin verwendet, bedeutet, dass mehrere Kennlinien in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen (Parametern) in Form mehrerer Kennlinien oder in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dargestellt werden. Kennlinien und -felder können durch mathematische Funktionen angenähert werden, um sie analytisch darstellen zu können. So können sie z. B. durch Interpolation und Regression aus Messwerten ermittelt werden.
  • Eine „Kennlinie” wie hierin verwendet, bedeutet die graphische Darstellung von zwei voneinander abhängigen physikalischen Größen, die für ein Bauteil, eine Baugruppe oder eine Vorrichtung kennzeichnend ist.
  • Die „Kennlinie” wie hierin verwendet, bedeutet, dass sie als Linie in einem zweidimensionalen Koordinatensystem dargestellt werden kann.
  • Eine „Kennzahl” wie hierin verwendet, bedeutet eine Maßzahl, die zur Quantifizierung dient, und der eine Vorschrift zur quantitativen reproduzierbaren Messung einer Größe oder eines Zustandes oder Vorgangs zugrunde liegt.
  • Der Begriff „Verbrennungsmotor” wie hierin verwendet, schließt sowohl einen Benzinmotor wie auch einen Dieselmotor eines Fahrzeugs ein.
  • Der Begriff „Abgasstrang” wie hierin verwendet, definiert den Weg, den die Auspuffgase vom Motor bis zum Verlassen des Fahrzeugs nehmen. Der Begriff schließt einen Auspuff ein, der wiederum ein Auspuffrohr und einen Auspufftopf einschließt.
  • Erfindungsgemäß wird zur Reduktion der sich im Abgas befindlichen Stickoxide NOx ein Reduktionsmittel verwendet. Vorzugsweise wird dieses Reduktionsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Harnstoff, Ammoniak oder Hydrazin oder zwei oder drei davon.
  • Vorzugsweise liegt das Reduktionsmittel als wässerige Lösung oder Suspension vor, vorzugsweise als Lösung.
  • Vorzugsweise wird dieses Reduktionsmittel in einem Druckbehälter mit einem statischen Druck im Bereich von 2 bis 15 bar vorgelegt, vorzugsweise 7 bis 12 bar, beispielsweise 10 bar.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine wässerige Harnstofflösung in einem Druckbehälter mit einem statischen Druck im Bereich von 2 bis 15 bar vorgelegt, vorzugsweise 7 bis 12 bar, beispielsweise 10 bar.
  • Ausgangsseitig zum Druckbehälter ist ein Massendurchflussregler [Mass Flow Controller (MFC)] angeschlossen, der so ausgestaltet ist, dass er die Zugabe des Reduktionsmittels in den Abgasstrang regelt, vorzugsweise in einem Bereich von vorzugsweise 7 bis 350 g/h.
  • Vorzugsweise ist der Massendurchflussregler so ausgestaltet, dass er die Zugabe der wässerigen Harnstofflösung in einem Bereich von vorzugsweise 7 bis 350 g/h regeln kann.
  • Derartige Massendurchflussregler sind kommerziell erhältlich.
  • In einer Ausführungsform weist der Massendurchflussregler eine Steuereinheit auf, die ein Nadelventil regelt.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist der Massendurchflussregler eine Steuereinheit auf, die ein Magnetventil regelt.
  • In einer Ausführungsform weist der Massendurchflussregler eine Steuereinheit auf, die eine Pumpe regelt, vorzugsweise eine Mikrozahnradpumpe.
  • Erfindungsgemäß wird im Massendurchflussregler ein Kennfeld hinterlegt, wobei der Massendurchflussregler so ausgestaltet ist, dass er in Abhängigkeit des Kennfelds gesteuert wird oder gesteuert werden kann, welches die NOx-Emission in Abhängigkeit einer Kennzahl des Motors beschreibt.
  • Geeignete Kennzahlen sind z. B. die Drehzahl, Drehmoment, Ladedruck, Leistung, Motorlast, zugeführte Luftmenge oder zugeführte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der NOx-Emission, oder zwei oder mehr dieser Kennzahlen.
  • Es besteht insbesondere eine gute Korrelation zwischen der Motordrehzahl und der NOx-Emission.
  • Es zeigt sich auch, dass die NOx-Emission jeweils stufenförmig vom Ladedruck des Motors abhängt.
  • Somit ist die Kennzahl vorzugsweise das Drehmoment oder der Ladedruck oder das Drehmoment und der Ladedruck.
  • In einer Ausführungsform erhält der Massendurchflussregler ein entsprechendes Signal von einem Drehzahlmesser oder direkt aus der Motorsteuerung.
  • Nach diesem Kennfeld übernimmt der Massendurchflussregler autark die Dosierung des Reduktionsmittels, vorzugsweise des wässerigen Harnstoffs, in den Abgasstrang.
  • Hinter dem Eindüsungspunkt in den Abgasstrang kann optional ein durchlässiger Körper installiert sein, der die Hydrolyse des Harnstoffs zu Ammoniak katalysiert. Als katalytisch aktive Komponente kann ein Übergangsmetalloxid verwendet werden wie z. B. TiO2.
  • In einer Ausführungsform weist dieser durchlässige Körper einen Wabenstein, Metallwaben oder keramische Waben oder zwei oder drei davon auf.
  • Nach der Hydrolyse und Mischerstrecke ist dann der Katalysator angeordnet, der die Reduktion von NOx zu Stickstoff katalysiert. Dieser Katalysator weist vorzugsweise TiO2, WO3, V2O5, MoO3, oder ZTO2 oder zwei oder mehr davon auf. Eines oder mehrere dieser Oxide können als Beschichtung auf einem Träger vorliegen. Die Verwendung eines Vollextrudats ist gleichfalls möglich.
  • Bevorzugt soll die Trägermatrix des Katalysators ein Metallträger sein, da diese Matrix nach Deaktivierung der katalytischen Beschichtung wiederverwendet werden kann.
  • In einer Ausführungsform liegt dieser Katalysator als SCR-Katalysator vor. Dieser kann bei einer Temperatur bis zu 520°C betrieben werden.
  • Diesem Katalysator, vorzugsweise SCR-Katalysator, nachgeschaltet ist vorzugsweise ein beschichteter durchlässiger Körper, der überschüssigen Ammoniak, welcher nicht zur Reduktion verwendet wurde, quantitativ zu Stickstoff oxidiert. Ein derartiger Katalysator weist vorzugsweise eine Beschichtung auf, welche Übergangsmetalloxide enthält, wie vorzugsweise NiO, CoO, MnO2, CuO, etc. In einer Ausführungsform weist dieser durchlässige Körper einen Wabenstein, Metallwaben oder keramische Waben oder zwei oder drei davon auf.
  • Erfindungsgemäß kann eine einfache stufenweise Dosierung des Reduktionsmittels, vorzugsweise der wässerigen Harnstofflösung, ohne Verwendung eines NOx-Sensors und/oder einer Membranpumpe erfolgen.
  • Folgerichtig kann ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor auch so nachgerüstet werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Voraussetzung dafür ist es, für den betreffenden Motor einmal ein geeignetes Kennfeld aufzunehmen und zu hinterlegen, und der Regelbereich des Massendurchflussreglers die notwendige Menge an Reduktionsmittel, vorzugsweise wässeriger Harnstoff, abdeckt.
  • Im Vergleich zu den bekannten Verfahren zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass es ohne NOx-Sensor und/oder Membranpumpe auskommt.
  • Durch die Druckvorberatung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Steuerzeit, die normalerweise eine Pumpe benötigen würde, eingespart.
  • Durch die Verwendung eines Katalysators zur Oxidation überschüssigen Ammoniaks kann der wässerige Harnstoff überstöchiometrisch zugegeben und damit eine Maximierung der Effizienz bei der Minderung der NOx-Emission im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors erreicht werden. Gleichzeitig wird der Emission von Ammoniak durch Überdosierung oder bei einem Katalysatorschaden vorgebeugt.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen unter Druck stehenden Behälter aufweist, welcher ein Reduktionsmittel zur Reduktion von NOx enthält, wobei der Behälter über einen Massendurchflussregler mit einem Abgasstrang des Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor verbunden ist.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Minderung der NOx-Emission im Abgasstrang eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren das Zuführen eines Reduktionsmittel in den Abgasstrang zur Reduktion des NOx umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der benötigten Menge des Reduktionsmittels zur Reduktion von NOx durch einen Massendurchflussregler erfolgt, welcher so ausgestaltet ist, dass er in Abhängigkeit eines Kennfelds gesteuert wird oder gesteuert werden kann, welches die NOx-Emission in Abhängigkeit einer Kennzahl des Motors beschreibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kennzahl ausgewählt ist aus: Drehzahl, Drehmoment, Ladedruck, Leistung, Motorlast, zugeführte Luftmenge oder zugeführte Kraftstoffmenge, oder zwei oder mehr dieser Kennzahlen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kennzahl das Drehmoment oder der Ladedruck oder das Drehmoment und der Ladedruck ist.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Reduktionsmittel aus einem unter Druck stehenden Behälter dem Abgasstrang zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Druck im Behälter im Bereich von 2 bis 15 bar liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren das Zuführen des Reduktionsmittels über eine Pumpe in den Abgasstrang ausschließt, die durch einen NOx-Sensor im Abgasstrang gesteuert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich im Abgasstrang ein Katalysator befindet, welcher TiO2, WO3, V2O5, MoO3, oder ZrO2 oder zwei oder mehr davon enthält, und welcher so ausgestaltet ist, dass er die Reduktion von NOx katalysiert.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Katalysator ein SCR-Katalysator ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei dem Katalysator ein beschichteter Träger nachgeschaltet ist, der so ausgestaltet ist, dass er Ammoniak zu Stickstoff oxidieren kann oder oxidiert.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Reduktionsmittel im Abgasstrang auf eine Temperatur im Bereich von 120°C und 600°C erhitzt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Reduktionsmittel Ammoniak aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei Ammoniak aus einem Reduktionsmittel erzeugt wird, welches Harnstoff und Wasser enthält.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei sich zwischen dem Ort der Zuführung des Reduktionsmittels in den Abgasstrang und dem Ort des Katalysators, der so ausgestaltet ist, dass er die Reduktion von NOx katalysiert, ein Katalysator befindet, der so ausgestaltet ist, dass er die Erzeugung von Ammoniak aus Harnstoff katalysiert.
  14. Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug einen unter Druck stehenden Behälter aufweist, welcher ein Reduktionsmittel zur Reduktion von NOx enthält, wobei der Behälter über einen Massendurchflussregler mit einem Abgasstrang des Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor verbunden ist.
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Selektive katalytische Reduktion, In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 13.Oktober 2015, 23:35 UTCURL:http://de.wikipedia.org/w/index.php [abgerufen am 22.07.2016] *

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