DE19520604A1 - Vorrichtung zur Abgasreinigung einer Dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasreinigung einer Dieselbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des An­ spruches 1.

Aus der DE-OS 43 07 525 ist eine Dieselbrennkraftmaschine bekannt, deren Abgase zur Verminderung von Rußpartikeln so­ wie zur Reduzierung von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstof­ fen einer Filterung in einem Rußabbrennfilter sowie einer Katalyse in einem Oxidationskatalysator unterzogen werden. Die Rußpartikel, in der Hauptsache Kohlenstoff, unver­ brannte Kohlenwasserstoffe und Schwefelpartikel, werden in dem Rußabbrennfilter aus dem Abgasstrom herausgefiltert und in diesem gesammelt. Der Rußabbrennfilter wird regelmäßig regeneriert, um ein Zusetzen der Filterporen zu verhindern. Die im Rußabbrennfilter angesammelten Partikel werden re­ gelmäßig bei hohen Temperaturen verbrannt. Um sicherzustel­ len, daß die Verbrennungstemperatur erreicht wird, ist vor­ gesehen, den durch den Rußabbrennfilter geleiteten Abgas­ strom bzw. den Rußabbrennfilter selbst mit Hilfe eines Brenners zu erhitzen.

Der Rußabbrennfilter und der Oxidationskatalysator können beide in einem gemeinsamen Bauteil angeordnet sein, wobei die katalytische Schicht auf das Trägermaterial des Rußab­ brennfilters aufgebracht ist. Ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Oxidationskatalysators ist nur gewähr­ leistet, wenn die Katalysatorschicht nicht von Ruß, welcher sich in den Poren des Filters ansammelt, zugesetzt ist; anderenfalls kann die katalytische Schicht ihre Wirkung nicht entfalten. Eine wirkungsvolle Reduzierung von Kohlen­ monoxid und Kohlenwasserstoffen ist daher nur gewähr­ leistet, wenn der Rußabbrennfilter mittels Verbrennung der Rußpartikel gerade regeneriert worden ist, da nur in diesem Fall das aus Filter und Katalysator bestehende Bauteil frei von Rußpartikeln ist.

Der Oxidationskatalysator kann auch räumlich getrennt dem Rußabbrennfilter nachgeordnet sein. Hierbei besteht die Ge­ fahr, daß in dem Rußabbrennfilter aufgefangene, unver­ brannte Rußpartikel im Abgasstrom mitgerissen werden und sich im Oxidationskatalysator absetzen, wodurch die kata­ lytische Wirkung im Oxidationskatalysator beeinträchtigt sein kann.

Beide Anordnungen haben zudem den Nachteil, daß die im Ab­ gasstrom der Dieselbrennkraftmaschine enthaltenen schäd­ lichen Stickoxide ohne Umwandlung ins Freie gelangen; im Hinblick auf immer strengere Abgasvorschriften ist man zu­ dem bestrebt, den Anteil von im Oxidationskatalysator nicht umgewandelten Kohlenwasserstoffen noch weiter zu reduzie­ ren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße Vorrichtung zur Abgasreinigung einer Dieselbrennkraft­ maschine so auszubilden, daß der Ausstoß an Stickoxiden und Rußpartikeln stark reduziert und der Ausstoß weiterer Schadstoffe vermindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung nach Gattungsbegriff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge­ löst.

Der zwischen dem Rußabbrennfilter und dem Oxidationskataly­ sator angeordnete Reduktionskatalysator (Denox-Katalysator) wandelt wirkungsvoll die schädlichen Stickoxide (NO_x) in unschädlichen Stickstoff um. Als Reduktionsmittel werden dabei Kohlenwasserstoffe (HC) eingesetzt, die dem Re­ duktionskatalysator über das Brenngas des Brenners zuführ­ bar sind. Zugleich bewirken die heißen Brenngase ein Auf­ heizen des Reduktionskatalysators, der dadurch auf die richtige Betriebstemperatur gebracht wird. Rußpartikel, welche sich als Belag auf der Katalysatorbeschichtung des Reduktionskatalysators abgesetzt haben, werden im Re­ duktionskatalysator abgebrannt, so daß insgesamt ein hö­ herer Grad an Rußfilterung erreicht ist. Durch das Abbren­ nen des Rußbelags im Reduktionskatalysator bleibt die kata­ lytische Wirksamkeit dieses Katalysator s und des nachfol­ genden Oxidationskatalysators voll erhalten.

Der Reduktionskatalysator ist zweckmäßig zwischen dem Ruß­ filter und dem Oxidationskatalysator angeordnet. Vorteil­ haft ist sowohl der Rußabbrennfilter als auch der Re­ duktionskatalysator jeweils über eine Leitung mit dem Bren­ ner verbunden, wobei die Leitungen unmittelbar vor dem Fil­ ter bzw. dem Reduktionskatalysator in den Abgasstrang mün­ den. Hierdurch können sowohl der Rußabbrennfilter als auch der Reduktionskatalysator beheizt werden, so daß in beiden Bauteilen ein hohes Temperaturniveau aufrechterhalten wer­ den kann und die Bauteile ihre Reinigungswirkung voll ent­ falten können.

Gemäß einer anderen Ausführung bilden der Rußabbrennfilter und der Reduktionskatalysator ein gemeinsames Bauteil; der Reduktionskatalysator ist kombiniert mit dem Rußabbrennfil­ ter angeordnet, indem die Filterfläche mit einer kata­ lytischen Beschichtung versehen ist. Diese Ausführung zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus. Bei dieser Ausführung ist nur eine am Brenner angeordnete Leitung vorgesehen, die vor dem Bauteil in den Abgasstrang mündet.

Die Beheizung des Rußabbrennfilters bzw. des Reduktionska­ talysators erfolgt zweckmäßig dadurch, daß in den Abgas­ strang eine Brenndüse mündet, aus der eine Brennflamme zur Erwärmung des Abgasstromes austritt. Der Brenndüse ist über eine Leitung Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter zu­ führbar, wobei insbesondere Dieselkraftstoff Verwendung findet.

Da die Erzeugung von Ruß und NO_x drehzahl- bzw. lastab­ hängig ist, kann vorgesehen sein, daß die Heizleistung des Brenners regelbar ist. Durch die Regelung wird erreicht, daß der Kraftstoffverbrauch für die Befeuerung des Brenners so niedrig wie möglich gehalten wird; außerdem kann der Re­ duktionskatalysator auf das gewünschte Temperaturfenster für seine Betriebstemperatur eingestellt werden. Eine Über­ hitzung sowohl des Reduktionskatalysators als auch des nachfolgenden Oxidationskatalysators ist ausgeschlossen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Aus­ führungen sind der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 den Abgasstrang einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem Rußabbrennfilter, Katalysatoren und einem Brenner,

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1, wobei der Rußabbrennfilter und der Reduktionskatalysator ein gemeinsames Bauteil bilden.

In Fig. 1 ist schematisch eine Dieselbrennkraftmaschine 1 eingezeichnet, beispielsweise ein Dieselmotor mit Turbola­ der und Direkteinspritzung in einem PKW. Die Abgase der Dieselbrennkraftmaschine 1 werden in Strömungsrichtung 6 durch einen Abgasstrang 2 geleitet, in dem eine Reinigung der Diesel-Abgase stattfindet. Hierfür ist ein Rußabbrenn­ filter 3 vorgesehen, dem in Strömungsrichtung 6 der Abgase ein Oxidationskatalysator 5 nachgeschaltet ist. Nach er­ folgter Reinigung werden die Abgase ins Freie emittiert.

In dem Rußabbrennfilter 3 erfolgt eine Verbrennung fester oder flüssiger Partikel, welche hauptsächlich infolge einer nicht optimalen Verbrennung im Brennraum der Dieselbrenn­ kraftmaschine entstehen. Die Partikel bestehen insbesondere aus Kohlenstoff, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Schwefelverbindungen, wie beispielsweise Sulfate. Im Rußab­ brennfilter 3 werden diese Partikel am Filterkörper angela­ gert und gesammelt, wobei die Filterporen und Kanäle sich nach und nach zusetzen. Zur Beseitigung der Rußpartikel und zur Regenerierung des Rußabbrennfilters 3 erfolgt regel­ mäßig eine Verbrennung der Partikel, wodurch die Filterpo­ ren und Kanäle von dem angelagerten Ruß gereinigt werden und die Aufnahmekapazität des Filters wieder hergestellt ist.

Der im Abgasstrom enthaltene, partikelförmige Kohlenstoff brennt erst bei einer Temperatur von etwa 500°C ab. Da diese Temperatur insbesondere bei Dieselmotoren mit Turbo­ lader und Direkteinspritzung nicht immer erreicht wird, ist ein Brenner 7 vorgesehen, dessen heiße Brenngase dem Rußab­ brennfilter 3 zugeführt werden, um die für die Verbrennung der Rußpartikel erforderliche Temperatur zu erreichen.

Dem Rußabbrennfilter 3 ist der Oxidationskatalysator 5 nachgeschaltet, in dem Kohlenmonoxide und unverbrannte Koh­ lenwasserstoffe in bekannter Weise in Kohlendioxid sowie weitere Reaktionsprodukte umgewandelt werden. Der Oxida­ tionskatalysator 5 besteht üblicherweise aus einem Kataly­ satorträger aus Keramik, der mit einer oxidischen Zwischen­ schicht aus Al₂O₃ belegt wird. Auf die Zwischenschicht ist Edelmetall aus der Platingruppe aufgebracht.

Mit Hilfe des Oxidationskatalysators 5 können Kohlen­ monoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas redu­ ziert werden. Um die Vorrichtung so auszubilden, daß auch der Ausstoß an Stickoxiden stark reduziert und der Ausstoß an weiteren Schadstoffen, insbesondere der Rußausstoß, wei­ ter vermindert wird, ist vorgesehen, daß vor dem Oxi­ dationskatalysator 5 ein Reduktionskatalysator 4 angeordnet ist, der ebenfalls von dem Brenner 7 beheizt wird, und dem von dem Brenner 7 Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel zugeführt werden.

In dem Brenner 7 werden vorzugsweise fossile Brennstoffe, insbesondere Dieselkraftstoff, eingesetzt, wobei unver­ brannte Kohlenwasserstoffe HC entstehen, die dem Re­ duktionskatalysator 4 zugeführt und als Reduktionsmittel für die Umwandlung der Stickoxide NO_x in unschädlichen Stickstoff und Kohlendioxid eingesetzt werden. Zugleich wird der Reduktionskatalysator 4 durch den Brenner 7 be­ heizt, wodurch der Reduktionskatalysator auf seine Be­ triebstemperatur gebracht wird. Rußbeläge, welche sich in­ folge nicht vollständig verbrannter Rußpartikel im Rußab­ brennfilter 3 im Reduktionskatalysator 4 absetzen können, werden durch die Beheizung des Reduktionskatalysators in diesem abgebrannt. Neben einer drastischen Reduzierung der Stickoxide ist daher durch den Einsatz des Reduktions­ katalysators auch eine weitere Reduzierung des Partikelaus­ stoßes erreicht. Kohlenwasserstoffe aus der Dieselbrenn­ kraftmaschine, welche im Abgasstrom durch den Rußabbrenn­ filter 3 geleitet werden, können gemeinsam mit den Kohlen­ wasserstoffen aus dem Brenner an der Reaktionsgleichung im Reduktionskatalysator 4 teilnehmen und werden ebenfalls in unschädliche Komponenten umgewandelt.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Reduktions­ katalysator 4 zwischen dem Rußabbrennfilter 3 und dem Oxi­ dationskatalysator 5 angeordnet. Der Rußabbrennfilter 3 und der Reduktionskatalysator 4 sind räumlich getrennt hinter­ einander im Abgasstrang 2 eingesetzt; beide Bauteile sind zweckmäßig über jeweils eine Leitung 8, 9 vom Brenner 7 be­ heizbar. Die Leitungen 8, 9 können als Kraftstoff-Förder­ leitungen fungieren und Kraftstoff, insbesondere Diesel­ kraftstoff, von einem Kraftstoffbehälter 13 in den Abgas­ strang 2 jeweils unmittelbar vor dem Rußabbrennfilter 3 bzw. dem Reduktionskatalysator 4 fördern. Die Kraftstoff- Förderleitungen 8, 9 münden vorteilhaft jeweils in eine Brenndüse 11, 12, die vorzugsweise als Zerstäuberdüse aus­ gebildet ist. An der Brenndüse 11, 12 wird eine Flamme ge­ zündet, die den Abgasstrom unmittelbar vor dem Rußabbrenn­ filter 3 bzw. dem Reduktionskatalysator 4 stark aufheizt und dadurch den Filter bzw. den Katalysator auf Betriebs­ temperatur erhitzt. Durch die Verdüsung des Kraftstoffs an der Brenndüse 11, 12 ist eine gleichmäßige Verbrennung ge­ währleistet, wodurch der Filter 3 bzw. der Katalysator 4 gleichmäßig beheizt und eine thermische Schädigung vermie­ den wird. Zugleich werden in der Brennflamme Rußpartikel des Abgasstroms verbrannt, so daß eine weitere Reduzierung des Rußgehalts gegeben ist. Die Brennluftzufuhr für die Aufrechterhaltung der Brennflamme erfolgt entweder durch Beimischung von Luft in die Förderleitungen 8, 9 oder über den Luftanteil im Abgasstrom. Der Kraftstoffbehälter 13 kann der Kraftstoffbehälter der Diesel-Brennkraftmaschine 1 sein. Die Zündung der Brennflamme an der Brenndüse 11, 12 erfolgt über eine Zündvorrichtung oder selbsttätig bei Er­ reichen der Zündtemperatur.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Rußfilter 3 und der Reduktionskatalysator 4 sind in einem gemeinsamen Bauteil 10 angeordnet; in Strömungsrichtung 6 schließt sich der Oxidationskatalysator 5 an. Auf die Poren bzw. die Kanäle des Rußabbrennfilters 3 ist die katalytisch wirkende Schicht des Reduktionskatalysators 4 aufgebracht, wofür beispielsweise Edelmetall wie Platin zum Einsatz kommt. Der Rußabbrennfilter wirkt als Träger der Katalysa­ torschicht. Diese Ausführung zeichnet sich durch eine kom­ pakte Bauweise aus; außerdem wird nur eine Leitung 8 vom Brenner 7 in den Abgasstrang 2 benötigt, wodurch der Bau­ aufwand reduziert ist.

Die Verbrennung im Brenner 7 kann auch außerhalb des Abgas­ stranges 2 in einer Brennkammer 14 erfolgen. In diesem Fall werden die heißen Brenngase einschließlich der darin ent­ haltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe über die Leitung 8 in den Abgasstrang 2 unmittelbar vor den Rußabbrennfilter 3 bzw. den Reduktionskatalysator 4 geleitet. Der Kraftstoff ist der Brennkammer 14 über eine Kraftstoffzufuhrleitung 18 vorzugsweise vom zentralen Kraftstoffbehälter der Diesel­ brennkraftmaschine zugeführt.

Es kann außerdem zweckmäßig sein, eine Regel- und Steuer­ einrichtung 15 vorzusehen, die die Leistung des Brenners 7 in Abhängigkeit von Drehzahl und Lastzustand der Diesel­ brennkraftmaschine 1 regelt. Die Steuereinrichtung 15 steht hierfür über Steuerleitungen 16, 17 vorzugsweise mit der elektronischen Kennfeldsteuerung der Dieselbrennkraft­ maschine bzw. mit dem Brenner 7 in Verbindung. Je nach Lastzustand bzw. Drehzahl fällt in der Dieselbrennkraftma­ schine eine große Abgasmenge bzw. viel Ruß an, deren Um­ wandlung bzw. Beseitigung durch die Steuerung des Brenners 7 geregelt werden kann. Bei hoher Last bzw. hoher Drehzahl wird der Brenner 7 eingeschaltet, um eine Beheizung des Rußabbrennfilters 3 bzw. des Reduktionskatalysators 4 zu erreichen. Bei niedrigen Drehzahlen kann es dagegen aus­ reichend sein, auf eine Beheizung zu verzichten bzw. die Heizleistung zu drosseln. Hierdurch wird eine Schädigung der Katalysatoren durch Überhitzung vermieden.

Neben einer Last- und Drehzahlabhängigkeit kann die Steuer- und Regeleinrichtung 15 auch in Abhängigkeit der Temperatur im Abgasstrang 2 geregelt sein. Außerdem kann vorgesehen sein, daß im Falle des ersten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 der Rußabbrennfilter 3 und der Reduktionskatalysator 4 unabhängig voneinander zu beheizen sind. Gemäß einer nicht gezeigten Ausführung kann auch der Oxidationskataly­ sator 5 vom Brenner 7 über eine eigene Kraftstoff-Zufuhr­ leitung mit Brenndüse zu beheizen sein.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Abgasreinigung einer Dieselbrennkraft­ maschine mit einem im Abgasstrang (2) der Brennkraftma­ schine (1) angeordneten Rußabbrennfilter (3) und einem in Strömungsrichtung (6) der Abgase nachgeschalteten Oxidationskatalysator (5) sowie mit einem Brenner (7) zur Erhöhung der Abgastemperatur im Rußabbrennfilter (2), dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Oxidationskatalysa­ tor (5) ein Reduktionskatalysator (4) angeordnet ist, der von dem Brenner (7) beheizbar ist, und dem von dem Brenner (7) Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel zu­ führbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reduktionskatalysator zwischen dem Rußabbrennfilter (3) und dem Oxidati­ onskatalysator (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom Brenner (7) zwei Leitun­ gen (8, 9) abzweigen, wobei die eine Leitung (8) vor dem Rußabbrennfilter (3) in den Abgasstrang (2) und die an­ dere Leitung (9) zwischen dem Rußabbrennfilter (3) und dem Reduktionskatalysator (4) in den Abgasstrang (2) mündet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rußabbrennfilter (3) und der Reduktionskatalysator (4) ein gemeinsames Bauteil (10) bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vom Brenner (7) eine Leitung (8) ausgeht, die vor dem Bauteil (10) in den Abgasstrang (2) mündet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Leitungen (8, 9) Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, förderbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (8, 9) in je­ weils eine in den Abgasstrang (2) einragende Brenndüse (11, 12) münden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regel- und Steuerein­ richtung (15) zur Regelung der Heizleistung des Brenners (7) vorgesehen ist, wobei die Regelung insbesondere in Abhängigkeit von Drehzahl und Last der Dieselbrennkraft­ maschine (1) erfolgt.