DE19740702C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer mit Luftüberschuß arbeitenden Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer mit Luftüberschuß arbeitenden BrennkraftmaschineInfo
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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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Publications (1)
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