DE19740702C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer mit Luftüberschuß arbeitenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer mit Luftüberschuß arbeitenden Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer mit Luftüberschuß arbeitenden Brennkraftmaschi­ ne gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Die Verminderung der Stickoxidemission einer mit Luftüber­ schuß betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere einer Die­ selbrennkraftmaschine kann mit einem ammoniakhaltigen Reduk­ tionsmittel an einem selektiv arbeitenden Katalysator (SCR- Katalysator) zu N2 und H2O erfolgen (SCR Selectiv Catalytic Reduction). Als Reduktionsmittel werden entweder gasförmiges Ammoniak (NH3), Ammoniak in wässriger Lösung oder Harnstoff in wässriger Lösung eingesetzt. Bei Verwendung von Harnstoff als Reduktionsmittel wird der Harnstoff vor einem Hydrolyse­ katalysator in das Auspuffsystem eingespritzt, dort mittels Hydrolyse zu Ammoniak umgewandelt, der dann wiederum im ei­ gentlichen SCR-Katalysator die Stickoxide reduziert. Bei ei­ nem solchen Verfahren ergibt sich bei schneller Lasterhöhung der Brennkraftmaschine eine besonders große NOx-Emission.
Hauptursache dafür ist, daß bei Lasterhöhung die NOx-Rohemis­ sion der Brennkraftmaschine sprunghaft zunimmt. Gleichzeitig wird das Adsorbtionsvermögen des SCR-Katalysators mit der da­ bei steigenden Temperatur von Abgas und Katalysator geringer.
Ein zusätzliches Problem ergibt sich im Warmlauf, wenn der Katalysator seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. In diesem Fall findet keine Konvertierung der Stickoxide statt. Bei einer besseren NOx-Absenkung in den beiden vorge­ nannten Betriebszuständen könnte die mittlere Konvertierung im Abgastest deutlich gesteigert werden.
In der WO 94/04258 ist ein Verfahren zur katalytischen Umset­ zung von der im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Stickoxiden bekannt, bei der ein übliches Denoxverfahren mit Zugabe von Reduktionsmitteln mit einem NOx-Adsorber kombi­ niert ist. Dabei leistet der NOx-Adsorber bei der Absenkung von NOx die Hauptaufgabe, in dem jeweils der Adsorber aufge­ laden und das durch Desorbtion des Adsorbers erzeugte Abgas einem Denoxkatalysator zugeführt wird. Ein solches Verfahren hat den Nachteil, daß der SCR-Katalysator nur ungenügend auf den jeweiligen Anfall von Abgas mit hoher NOx-Konzentration eingestellt ist. Zudem weisen bisherige Adsorbersysteme eine unbefriedigende Standzeit auf. Das gilt insbesondere im Zu­ sammenhang mit schwefelhaltigen Kraftstoffen.
Weitere Verfahren mit gleichzeitiger Verwendung von NOx - Adsorbern und Denoxsystemen sind in den deutschen Offenle­ gungsschriften DE 196 26 835, DE 196 26 836, DE 196 26 837 und der europäischen Patentanmeldung EP 0 702 134 beschrie­ ben.
Die in der DE 196 26 835 beschriebene Abgasanlage weist zwei von einer Klappe alternativ freigebbare Abgasstränge auf, wo­ bei in dem einen ein NOx-Speicherkatalysator und in dem ande­ ren ein Oxidationskatalysator vorgesehen sind. Dem NOx - Speicherkatalysator ist eine Kraftstoffeindüsung vorgeschal­ tet, deren Steuerung über eine nach dem NOx-Speicherkata­ lysator angeordnete Lambdasonde erfolgt. Nach der Zusammen­ führung der beiden Abgasstränge ist ein Oxidationskatalysator vorgesehen. Im Schubbetrieb und Leerlaufbetrieb der Diesel­ brennkraftmaschine schließt die Klappe den Abgasstrang mit dem NOx-Speicherkatalysator von dem Abgasstrom, so daß nur eine Mindestdurchströmung des NOx-Speicherkatalysators statt­ findet. Gleichzeitig wird durch Kraftstoffeindüsung in der Mindestdurchströmung ein Lambda < 1 erzeugt, so daß eine Re­ generation des NOx-Speicherkatalysators stattfindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die NOx-Emission bei Instationärbetrieb, insbesondere bei Lasterhöhung sowie im Warmlauf der Brennkraftmaschine weiter zu vermindern, als es mit den üblichen SCR-Systemen möglich ist. Zudem soll die Lebensdauer des Gesamtsystems der Fahrzeuglebensdauer ange­ paßt werden, das heißt die Beaufschlagung des Adsorbers mit Abgas auf ein minimalen Zeitbereich begrenzt sein.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Pa­ tentansprüche gelöst.
Durch die Einschaltung eines Bypasses zur Abgasleitung mit­ tels einer elektrisch ansteuerbaren Abgasklappe kann der Ab­ gasstrom bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftma­ schine, insbesondere bei schneller Lastanhebung oder beim Warmlauf teilweise oder vollständig über einen im allgemeinen dann relativ kühlen Adsorptionskatalysator geleitet werden, wobei das im Abgas enthaltene NOx in besonders günstiger Wei­ se adsorbiert wird.
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildun­ gen und Ausgestaltungen der im folgenden anhand der einzigen Zeichnungsfigur erläuterten Erfindung. Dabei sind in dem be­ schriebenen Ausführungsbeispiel nur diejenigen Teile darge­ stellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind.
In einer mit der Auslaßseite einer nichtdargestellten Brenn­ kraftmaschine verbundenen Hauptabgasleitung 4 ist ein SCR- bzw. ein DeNOx-Katalysator 1 mit vorgeschaltetem Hydrolyseka­ talysator 2 angeordnet. Vor dem Hydrolysekatalysator 2 ist ein Zumeßventil 3 für ein Reduktionsmittel, beispielsweise Harnstoff vorgesehen. Der Hydrolysekatalysator hat dabei die Aufgabe, aus den in wässriger Lösung zudosierten Harnstoff das Reduktionsmittel Ammoniak zu erzeugen. Im NOx-Reduktions­ teil, nämlich dem SCR-Katalysator, wird dann mit Hilfe des Ammoniaks das Stickoxid in die ungefährlichen Komponenten Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Zusätzlich wirkt der SCR-Katalysator auch als Oxidationskatalysator für Kohlenwasserstoffe.
Das Reduktionsmittel wird mittels einer Pumpe aus einem Vor­ ratsbehälter (nicht dargestellt) gefördert und über eine Re­ duktionsmittelleitung 18 dem Zumeßventil 3 zugeführt.
Temperatursensoren 11, 12 erfassen die Temperatur des Abgases stromauf- und stromabwärts des SCR-Katalysators.
In der Hauptabgasleitung 4 ist eine, über einen Stellantrieb 9 verschwenkbare Abgasklappe 6 vorgesehen, so daß der Durch­ laßquerschnitt der Hauptabgasleitung 4 verändert werden kann. Stromaufwärts der Abgasklappe 6 zweigt von der Hauptabgaslei­ tung 4 eine Bypassleitung 5 ab, in deren weiterem Verlauf ein Adsorptionskatalysator 7 mit einem vorgeschaltenem Hydrolyse­ katalysator 8 angeordnet ist. Die Bypaßleitung 5 mündet an einer Stelle stromaufwärts des Hydrolysekatalysators 2 wieder in die Hauptabgasleitung 4.
Zur Ermittlung des Beladungszustandes des Adsorptionskataly­ sators 7 dient ein stromabwärts des Adsorptionskatalysators 7 angeordneter NOx-Sensor 13. Alternativ hierzu kann der Bela­ dungszustandes des Adsorptionskatalysators 7 mittels eines mathematischen Modelles bestimmt werden.
Außerdem ist stromabwärts des Adsorptionskatalysators 7 eine Abgassonde 15 angeordnet, dessen Signal einem Regler 16 zuge­ führt wird und mit dessen Hilfe eine gewünschte Luftzahl und damit eine angepasste Menge an Kraftstoff, z. B. Dieselkraft­ stoff über eine Kraftstoffleitung 17 oder alternativ Redukti­ onsmittel, z. B. Harnstoff über die bereits erwähnte Redukti­ onsmittelleitung 18 dem System Hydrolyse/Adsorptionskataly­ sator 7, 8 zugeführt und dadurch das gespeicherte NOx desor­ biert wird.
Eine elektronische Steuerungseinrichtung 10 übernimmt die Steuerung für das Abgasnachbehandlungssystem. Hierzu werden neben den Signalen der erwähnten Sensoren weitere, für den Betrieb der Brennkraftmaschine notwendige Signale, wie bei­ spielsweise Drehzahl, Regelweg, Ladedruck, Ladelufttemperatur usw. der Steuerungseinrichtung 10 zugeführt. Dies kann vor­ teilhafterweise über einen CAN-Bus erfolgen. Ausgangsseitig ist die Steuerungseinrichtung 10 über nicht näher bezeichnete Leitungen mit dem Regler 16, dem Zumeßventil 3, der Ein­ spritzdüse 14 und dem Stellantrieb 9 für die Abgasklappe 6 verbunden. Außerdem steuert sie die Pumpe für das Reduktions­ mittel an, wertet Signale eines Füllstandssensors für das Re­ duktionsmittel aus und steuert eine Heizeinrichtung für den Reduktionsmittelbehälter an.
Bei schneller Lasterhöhung und/oder im Warmlauf der Brenn­ kraftmaschine wird der Stellantrieb 9 derart angesteuert, daß die Abgasklappe 6 den Abgasstrom teilweise oder vollständig in die Bypaßleitung 5 leitet. Insbesondere bei schneller Lastanhebung wird das Abgas über den im allgemeinen kühlen Adsorberkatalysator 7 gelenkt, wobei das im Abgas enthaltene NOx in besonders günstiger Weise adsorbiert wird.
Die Verstellung der Abgasklappe 6 mittels des Stellantriebes 9 erfolgt in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparame­ tern, wie z. B. Gaspedalstellung bzw. deren zeitliche Änderung, Kraftstoffeinspritzmenge der Brennkraftmaschine bzw. deren zeitliche Änderung, Abgastemperatur vor und nach dem SCR- Katalysator oder Temperatur des SCR-Katalysator selbst.
Zur schnellen Aufheizung und zum Aufrechterhalten einer hohen Temperatur des SCR-Katalysators 1 sind bei Beladung des Ad­ sorbtionskatalysators 7 dieser und der SCR-Katalysator in Reihe geschaltet, der Abgasstrom also aufgrund der geschlos­ senen Abgasklappe 6 über die Bypaßleitung 5 geführt.
Nachdem der Adsorptionskatalysator 7 mit NOx beladen ist, er­ folgt eine Desorption durch kurzzeitige Zufuhr von Kraftstoff oder Reduktionsmittel über die Einspritzdüse 14. Über das Si­ gnal der Abgassonde 15 und dem Regler 16 wird eine gewünschte Luftzahl und damit die angepasste Menge an zuzuführendem Kraftstoff oder Reduktionsmittel eingestellt, so daß das ge­ speicherte Nox desorbiert wird. Zur genauen Kontrolle des Ad­ sorptions/Desorptionszustandes des Adsorptionskatalysators 7 wird dieser mit Hilfe des NOx-Sensors überwacht.
Bei dem Desorptionsvorgang wird die Abgasklappe 6 in eine Stellung gebracht, in der ein Teil des Abgasstromes über die Bypaßleitung 5 und damit über den Adsorptionskatalysators 7 strömt, um eine ausreichend hohe Temperatur zu gewährleisten.
Die Erfindung wurde an einem Beispiel erläutert, bei dem Harnstoff in wässriger Lösung vor einem Hydrolysekatalysator zugeführt wird. Bei Verwendung von Kraftstoff oder Ammoniak als Reduktionsmittel ist kein solcher Hydrolysekatalysator notwendig, das Reduktionsmittel wird dann direkt dem Adsorp­ tionskatalysator zugeführt.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betrieb einer mit Luftüberschuß arbeitenden Brennkraftmaschine bei dem der Abgasstrom mittels einer Hauptabgasleitung (4) über eine NOx-Katalysatoreinheit, be­ stehend zumindest aus einem SCR-Katalysator (1) mit einer Einrichtung (3) zum Eindüsen von Reduktionsmittel geleitet wird und dabei der Lastzustand der Brennkraftmaschine ständig erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei schneller Lasterhöhung und/oder im Warmlauf der Brenn­ kraftmaschine zumindest ein Teil des Abgasstromes über ein Bypaß-System (5, 6) zu einem Adsorptionskatalysator (7) gelei­ tet wird, so daß zur Beladung des Adsorptionskatalysators (7) das Abgas die Reihenschaltung aus Adsorptionskatalysator (7) und SCR-Katalysator (1) durchströmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Abgasstromes auf das Bypass-System mittels einer in der Hauptabgasleitung (4) angeordneten Abgasklappe (6) erfolgt, die über einen elektrischen Stellantrieb (9) an­ getrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Abgasstromes auf das Bypass-System zumindest abhängig von der Gaspedalstellung der Brennkraftma­ schine oder deren zeitliche Änderung erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Abgasstromes auf das Bypass-System abhängig von der Kraftstoffeinspritzmenge der Brennkraftma­ schine erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Abgasstromes auf das Bypass-System abhängig von der Temperatur des SCR-Katalysators (1) oder ab­ hängig von der Temperatur des Abgases vor und nach dem SCR- Katalysator (1) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem SCR-Katalysator (1) ein Hydrolysekatalysa­ tor (2) vorgeschaltet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom über einen, dem Adsorptionskatalysator (7) vorge­ schalteten, ebenfalls im Bypaß-System angeordneten Hydrolyse­ katalysator (8) geleitet wird und in bestimmten Zeitabständen ein Desorptionsvorgang eingeleitet wird, indem kurzzeitig Kraftstoff oder ein Reduktionsmittel zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Desorptionsvorgang eingeleitet wird, wenn der NOx-Beladungs­ grad des Adsorptionskatalysators (7) einen vorgegebenen Grenzwert überschritten hat.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Beladungsgrad des Adsorptionskatalysators (7) mittels ei­ nes NOx-Sensors (13) stromabwärts des Adsorptionskatalysators (7) erfasst wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Beladungsgrad des Adsorptionskatalysators (7) mittels einer mathematischen Modellbeziehung ermittelt wird.
11. Vorrichtung zum Betrieb einer mit Luftüberschuß arbeiten­ den Brennkraftmaschine mit einer Hauptabgasleitung (4), in der eine NOx-Katalysatoreinheit, bestehend zumindest aus ei­ nem SCR-Katalysator (1), angeordnet ist und mit einer Ein­ richtung (3) zum Eindüsen von Reduktionsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. in der Hauptabgasleitung (4) in Strömungsrichtung des Abga­ ses vor der NOx-Katalysatoreinheit eine steuerbare Abgas­ klappe (6) angeordnet ist,
  • 2. stromaufwärts der Abgasklappe (6) von der Hauptabgasleitung (4) eine Bypaßleitung (5) abzweigt, in deren Verlauf ein Ad­ sorptionskatalysator (7) eingeschaltet ist und die vor der NOx-Katalysatoreinheit wieder in die Hauptabgasleitung (4) mündet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem SCR-Katalysator (1) ein Hydrolysekatalysator (2) vorge­ schaltet ist, der eine Einrichtung (3) zum Zuführen von Harn­ stoff aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Adsorptionskatalysator (7) ein Hydrolysekatalysator (8) vorgeschaltet ist, der eine Einrichtung (14) zum Zuführen von Kraftstoff oder Reduktionsmittel aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts des Adsorptionskatalysators (7) ein Abgassensor (15) angeordnet ist, dessen Ausgangssignal einer Reglerein­ richtung (16) zugeführt wird, mit dessen Hilfe die zuzufüh­ rende Menge an Kraftstoff oder Reduktionsmittel eingestellt wird.
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