DE19855092A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen des Abgases einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit NOx-Speicherkatalysator sowie Partikelfilter weist n >= 2 Abschnitte auf, wobei n eine natürliche Zahl ist, und jeder Abschnitt wenigstens ein Partikelfilterelement und wenigstens ein NOx-Speicherkatalysatorelement aufweist, wobei das wenigstens eine Partikelfilterelement und das wenigstens eine NOx-Speicherkatalysatorelement thermisch gekoppelt sind. Vorzugsweise umfaßt jeder Abschnitt genau ein Partikelfilterelement und ein NOx-Speicherkatalysatorelement. Die Abschnitte bzw. Partikelfilterelemente und NOx-Speicherkatalysatorelemente sind mit Heizvorrichtungen ausgestattet, wobei die Partikelfilterelemente noch eine Zündvorrichtung aufweisen können. Durch den Abbrand der Filterpartikel eines Partikelfilterelements wird eine Aufheizung des zugehörigen NOx-Speicherkatalysatorelements auf eine Temperatur oberhalb der De-Sulfatierungstemperatur während einer Regenerationsphase bewirkt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reinigen des
Abgases einer Brennkraftmaschine, wobei die Reinigungsvorrichtung einen NOx-
Speicherkatalysator sowie einen Partikelfilter aufweist.
Bekannt sind Abgasreinigungsvorrichtungen, insbesondere für im Magerbetrieb
betreibbare Dieseleinspritzmotoren, die einen NOx-Speicherkatalysator sowie einen
vorgeschalteten Partikelfilter aufweisen. Im Funktionsbetrieb der
Abgasreinigungsvorrichtung gelangt mit der Abgasströmung Schwefel zum NOx-
Speicherkatalysator, der sich im verwendeten Kraftstoff befand und die
Absorptionsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators beeinträchtigt. Im Fachjargon spricht
man von einer Vergiftung des Katalysators durch den Schwefel. Die dabei gebildeten
Sulfate können bei erhöhten Abgastemperaturen wieder umgewandelt werden. Diese
Maßnahme kann bei einer Abgasreinigungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine
durchgeführt werden, bei dem eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des NOx-
Speicherkatalysators auf eine De-Sulfatierungstemperatur vorgesehen ist. Mit einer
solchen Vorrichtung können die im Funktionsbetrieb des NOx-Speicherkatalysators
gebildeten Sulfate während eines Aufheiz-Zeitintervalls wieder umgewandelt werden, so
daß die Vergiftung insgesamt reversibel ist.
Zum Erreichen der De-Sulfatierungstemperatur kann eine elektrische Heizvorrichtung
vorgesehen sein, die mittels einer Steuer- oder Regeleinrichtung in Funktion setzbar ist.
Dies führt jedoch zu einem erhöhten Energieverbrauch. Es ist damit zu rechnen, daß
wegen der verhältnismäßig großen und vergleichsweise kühlen Abgasmassenströme
sehr hohe elektrische Ströme, z. B. von im Teillastbereich über 500 A bei 14,4 Volt
Spannung, erforderlich sind, die vom Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines
Pkws, kaum bereitgestellt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu
schaffen, womit die Abgasreinigung mit geringerem Energieaufwand durchgeführt
werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 12 gelöst. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer
Brennkraftmaschine mit NOx-Speicherkatalysator sowie Partikelfilter weist n ≧ 2
Abschnitte auf, wobei n eine natürliche Zahl ist, und jeder Abschnitt wenigstens ein
Partikelfilterelement und wenigstens ein NOx-Speicherkatalysatorelement aufweist,
wobei das wenigstens eine Partikelfilterelement und das wenigstens eine NOx-
Speicherkatalysatorelement thermisch gekoppelt sind.
Vorzugsweise weist jeder Abschnitt genau ein Partikelfilterelement und ein NOx-
Speicherkatalysatorelement auf, wobei die Abschnitte geschichtet oder sequentiell
angeordnet sein können. Ferner können die Abschnitte Längs- oder Querabschnitte
oder koaxial ineinander gesetzte Teile sein und können segmentförmig angeordnet
und/oder geformt sein.
Vorzugsweise weist jeder Abschnitt eine Heizvorrichtung auf, wobei jedes
Partikelfilterelement (PE) und/oder NOx-Speicherkatalysatorelement (KE) eine separate
Heizvorrichtung aufweisen kann. Ferner kann für jedes Partikelfilterelement mit einem
Zündelement, beispielsweise einer Glühzündung, vorgesehen sein, um den Abbrand der
im Partikelfilterelement sich anreichernden Filterpartikel, die Rußpartikel sind, zu
initiieren.
Ferner kann eine elektronische Steuer- oder Regeleinrichtung vorgesehen sein, die die
Heizvorrichtung jedes Abschnitts bzw. Partikelfilterelements und/oder NOx-
Speicherkatalysatorelements sowie, falls vorhanden, die Zündelemente der
Partikelfilterelemente in einer bestimmten Reihenfolge jeweils bei einem NOx-
Regenerationsvorgang regelt.
Eine Initiierung des Abbrands kann auch bewirkt werden, indem die Heizvorrichtung des
betroffenen Partikelfilterelements so geregelt wird, daß die Entflammtemperatur der
Filterpartikel überschritten wird, wobei vorzugsweise die elektronische Regeleinrichtung
die Heizungsvorrichtungen der betroffenen Partikelfilterelemente bereits vor der
Einleitung eines NOx-Regenerationsvorganges einschaltet.
Zur Erhöhung der Wärmekopplung zwischen den Abschnitten ist die Vorrichtung in
einem entsprechenden Gehäuse angeordnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Reinigen des Abgases einer
Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird während einer NOx-
Regenerierung der Vorrichtung eine De-Sulfatierung von mindestens einem Abschnitt
der Vorrichtung durchgeführt, indem in dem mindestens einen Partikelfilterelement des
Abschnitts ein Abbrand der Filterpartikel bewirkt wird. Zum Bewirken des Abbrands der
Filterpartikel kann das entsprechende Partikelfilterelement auf die Entflammtemperatur
der Filterpartikel aufgeheizt werden. Es ist auch möglich über eine Zündvorrichtung eine
Initiierung des Abbrandes zu bewirken. Ferner kann die Zündung der Filterpartikel
bereits vor der Einleitung der NOx-Regenerierung gezündet werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist weniger Energie erforderlich, da die Energie
zum Aufheizen der NOx-Speicherkatalysatoranordnung durch das Abbrennen der
Filterpartikel gewonnen wird und lediglich zum Zünden der Filterpartikel Energie benötigt
wird, wofür weniger Energie erforderlich ist. Hierdurch wird es ermöglicht, die
erforderliche Energie vom Bordnetz des Fahrzeugs abzunehmen, wobei übliche
Bordnetzausstattungen benutzt werden können, ohne überlastet zu werden.
Durch die Möglichkeit für die De-Sulfatierung die Abschnitte der NOx-
Speicherkatalysatoranordnung einander folgend zu zünden und aufzuheizen, ist für jede
Teil-Aufheizung eine noch geringere Energieleistung zum Zünden erforderlich.
Die hinsichtlich ihres Energieverbrauchs oder auch baulich vorzugsweise einander
gleichen Abschnitte der Reinigungsvorrichtung können dabei hinsichtlich ihres
Energieverbrauchs so groß ausgelegt sein, daß sie vom Bordnetz jeweils problemlos
und ohne Überlastung versorgt werden können.
Im Rahmen der Erfindung können die Abschnitte Längs- oder Querabschnitte sein,
wobei sie lediglich durch den mit der zugehörigen Heizvorrichtung erwärmbaren
Raumabschnitt oder durch ein separates Bauteil definiert sein können.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in
perspektivischer und schematischer Darstellung;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im
Querschnittsdarstellung; und
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in
Querschnittsdarstellung.
Die allgemein mit 1 bezeichnete Abgasreinigungsvorrichtung bzw. NOx-
Speicherkatalysator ist Teil eines nicht weiter dargestellten Abgasreinigungssystems und
befindet sich in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines
Dieselmotors, wobei es sich vorzugsweise um eine Einspritz-Brennkraftmaschine
handelt, die mit Benzin- oder Dieselkraftstoff betrieben werden kann. Der Katalysator 1
ist im Strömungsweg des Abgases der Abgasanlage angeordnet, d. h., in deren
Auspuffrohr.
Der Katalysator 1 weist mehrere, genauer mindestens zwei Abschnitte 1a, 1b,
1c . . . auf, wobei jeder Abschnitt 1a, 1b, 1c . . . wenigstens ein
Speicherkatalysatorelement KE und wenigstens einen Partikelfilter PF aufweist. Die
Abschnitte 1a, 1b, 1c . . . sind jeweils mittels einer Heizvorrichtung (nicht dargestellt)
einzeln heizbar, wobei jedes Partikelfilterelement (PF) und jedes NOx-
Speicherkatalysatorelement (KE) auch mit einer jeweiligen separaten Heizvorrichtung
versehen sein kann. Ferner kann der Partikelfilter PF dem Speicherkatalysatorelement
KE in der Strömungsrichtung 4 des Abgases vor- oder nachgeordnet sein kann.
Bei der Ausgestaltung nach Fig. 1 handelt es sich bei den Abschnitten 1a, 1b, 1c . . . des
Speicherkatalysators 1 um Längsabschnitte, die in der Strömungsrichtung 4 der Abgase
axial hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei sich im Bereich der Abschnitte 1a,
1b, 1c . . . eine axiale Strömungsrichtung 4 ergibt. Das oder die
Speicherkatalysatorelemente KE und Partikelfilter PF können scheibenförmige Teile
sein.
Bei der Ausgestaltung nach Fig. 2, bei der gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind, sind das oder die Speicherkatalysatorelemente KE und
Partikelfilter PF ringförmige Teile, die koaxial einander ringförmig umgebend angeordnet
sind. Bei dieser Ausgestaltung ist die Strömungsrichtung im Bereich der Abschnitte 1a,
1b, 1c . . . radial einwärts oder radial auswärts gerichtet.
Bei der Ausgestaltung nach Fig. 3 handelt es sich bei den Abschnitten 1a, 1b, 1c . . . um
Querabschnitte des Speicherkatalysators 1, vorzugsweise in der Form von Segmenten
oder tortenförmigen Ausschnitten. Bei dieser Ausgestaltung kann die Strömungsrichtung
im Bereich der Abschnitte 1a, 1b, 1c . . . in Umfangsrichtung gerichtet sein.
Um eine thermische gute Kopplung zu erhalten, sollen das oder die
Speicherkatalysatorelemente KE und Partikelfilter PF nicht nur in einem Gehäuse (nicht
dargestellt) untergebracht sein, sondern geschichtet oder sequentiell angeordnet sein,
so daß eine gute thermische Kopplung zwischen den Speicherkatalysatorelementen KE
und den Partikelfiltern PF gegeben ist.
Jedes Partikelfilterelement PF eines Abschnitts 1a, 1b, 1c . . . kann ferner eine
Zündeinrichtung aufweisen, die den Abbrand der Filterpartikel eines
Partikelfilterelements PF initiiert. Es ist jedoch auch möglich, zu diesem Zweck die
entsprechende Heizvorrichtung zu verwenden.
Die Anzahl n der vorzugsweise einander gleichen Abschnitte 1a, 1b, 1c . . . ist gleich
oder größer als 2. Es können zwei oder mehrere, z. B. 16, Abschnitte 1a, 1b, 1c . . .
vorgesehen sein.
Die Heizvorrichtungen und/oder Zündvorrichtungen werden im Funktionsbetrieb von
einer Steuer- oder Regelvorrichtung in Funktion gesetzt. Dabei können die Heiz-
und/oder Zündfunktionen aller Abschnitte 1a, 1b, 1c . . . gleichzeitig oder jeweils in einer
bestimmten Reihenfolge in Betrieb genommen werden.
Im Funktionsbetrieb der NOx-Speicherkatalysatoranordnung 2 wird bei einem
Magerbetrieb der Brennkraftmaschine NOx an der Oberfläche des Katalysators
abgelagert. In regelmäßigen Zeitabständen muß deshalb ein Regenerationsvorgang des
Speicherkatalysators 1 durchgeführt werden, was bei reduzierendem, stöchiometrischen
oder schwach mager eingestelltem Abgas erfolgt.
Gemäß der Erfindung werden zur Entschwefelung des Speicherkatalysators 1 dessen
Abschnitte 1a, 1b, 1c . . . gleichzeitig oder in bestimmten Zeitabständen einander
folgend jeweils bei einem NOx-Regenerationsvorgang auf die De-
Sulfatierungstemperatur beheizt.
Die Beheizung der Abschnitte 1a, 1b, 1c . . . auf De-Sulfatisierungstemperatur erfolgt
wird Entzünden und nachfolgenden Abbrand der Filterpartikel eines
Partikelfilterelements des entsprechenden Abschnitts 1a, 1b, 1c . . .. Beim Verbrennen
der Filterpartikel wird soviel Wärme erzeugt, daß der zugehörige Abschnitt 1a, 1b, 1c . . .,
d. h. das zugehörige NOx-Speicherkatalysatorelement KE auf die erhöhte De-
Sulfatierungstemperatur geheizt wird, wodurch das NOx-Speicherkatalysatorelement KE
de-sulfatiert wird. Hierbei ist nur beim Zünden elektrische Energie erforderlich, die
aufgrund der verhältnismäßig geringen Menge vom Bordnetz abgenommen werden kann.
Bei einer nicht gleichzeitigen, sondern einander folgenden Beheizung der Abschnitte 1a,
1b, 1c . . . sind die Zeitintervalle zwischen diesen Teil-De-Sulfatierungen so bestimmt,
daß alle Abschnitte 1a, 1b, 1c . . . und somit der Speicherkatalysator 1 insgesamt
entschwefelt werden, bevor seine NOx-Absorptionsfähigkeit wesentlich beeinträchtigt
wird bzw. ausfällt. Aufgrund der noch geringeren erforderlichen Heizleistung kann ein
Bordnetz des zugehörigen Fahrzeugs mit noch geringerer Leistungsfähigkeit als
Energiequelle dienen. Da die Abschnitte 1a, 1b, 1c . . . in ihrer Gesamtheit den
Speicherkatalysator 1 bilden, ist nach n erfindungsgemäßen De-Sulfatierungsvorgängen
der Speicherkatalysator 1 vollständig auf die De-Sulfatierungstemperatur aufgeheizt und
de-sulfatiert worden.
Das Zünden des Abbrands eines Abschnitts 1a, 1b, 1c . . . kann bereits vor einer
Einleitung der NOx-Regeneration starten. Wegen der Minderung des Auskühleffekts
durch die Teil-Androsselung bereits beim Einleiten der NOx-Regeneration ist jedoch eine
Bestromung bevorzugt während dieser Einleitungsphase durchzuführen.
Die De-Sulfatierungen können jeweils bei der De-Sulfatierungstemperatur des Abgases
und in reduzierender, stöchiometrischer oder leicht magerer Umgebung durchgeführt
werden.
KE NOx-Speicherkatalysatorelement
PE Partikelfilterelement
PE Partikelfilterelement
1
a,
1
b,
1
c Abschnitt
1
NOx-Speicherkatalysatorvorrichtung
2
Strömungsrichtung
Claims (14)
1. Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit NOx-
Speicherkatalysator sowie Partikelfilter, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung n ≧ 2 Abschnitten (1a, 1b, 1c . . .) aufweist, wobei n eine natürliche
Zahl ist, und jeder Abschnitt wenigstens ein Partikelfilterelement (PF) und
wenigstens ein NOx-Speicherkatalysatorelement (KE) aufweist, wobei das
wenigstens eine Partikelfilterelement (PF) und das wenigstens eine NOx-
Speicherkatalysatorelement (KE) thermisch gekoppelt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt (1a,
1b, 1c . . .) genau ein Partikelfilterelement (PF) und ein NOx-
Speicherkatalysatorelement (KE) aufweist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abschnitte (1a, 1b, 1c . . .) geschichtet oder sequentiell angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abschnitte (1a, 1b, 1c . . .) Längs- oder Querabschnitte
oder koaxial ineinander gesetzte Teile sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (1a,
1b, 1c . . .) segmentförmig angeordnet und/oder geformt sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes Partikelfilterelement (PF) und/oder NOx-
Speicherkatalysatorelement (KE) eine Heizvorrichtung aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Steuereinrichtung vorgesehen ist, die die Heizvorrichtung jedes
Partikelfilterelement (PE) und/oder NOx-Speicherkatalysatorelement (KE) in einer
bestimmten Reihenfolge jeweils bei einem NOx-Regenerationsvorgang regelt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung
des betroffenen Partikelfilterelements so geregelt wird, daß die
Entflammtemperatur der Filterpartikel überschritten wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
Partikelfilterelement (PF) eine Zündvorrichtung aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zündvorrichtungen von der Steuereinrichtung angesteuert werden.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektronische Steuereinrichtung die Heizvorrichtungen und/oder
Zündvorrichtungen der betroffenen Partikelfilterelemente (PE) bereits vor der
Einleitung eines NOx-Regenerationsvorganges ansteuert.
12. Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einer
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß während einer NOx-Regenerierung der Vorrichtung eine De-
Sulfatierung von mindestens einem Abschnitt (1a, 1b, 1c . . .) der Vorrichtung
durchgeführt wird, indem in dem mindestens einen Partikelfilterelement (PE) des
Abschnitts (1a, 1b, 1c . . .) ein Abbrand der Filterpartikel bewirkt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das
Partikelfilterelement (PE) auf die Entflammtemperatur der Filterpartikel aufgeheizt
wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Filterpartikel bereits vor der Einleitung der NOx-Regenerierung gezündet
werden.
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DE1998155092 DE19855092B4 (de) | 1998-11-28 | 1998-11-28 | Vorrichtung und Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine |
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ID=7889432
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DE1998155092 Expired - Fee Related DE19855092B4 (de) | 1998-11-28 | 1998-11-28 | Vorrichtung und Verfahren zum Reinigen des Abgases einer Brennkraftmaschine |
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