DE19939807A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgases - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des von einem Verbrennungsmotor erzeugten AbgasesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Hydrolyseeinheit (10) und eine über eine Wasserstoffleitung (17) mit ihr verbundene Dosiereinrichtung (15) zur dosierten Zugabe von Wasserstoff zum Rohabgas (A) und/oder zu dem durch einen Oxidationskatalysator (3) behandelten Abgas und eine Steuer-/ Regeleinheit (18) vorgesehen sind, die in funktioneller Verbindung mit der Hydrolyseeinheit (10) und der Dosiereinrichtung (15) steht, um die Wasserstofferzeugung in der Hydrolyseeinheit (10) und die Dosiereinrichtung (15) abhängig von bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors (1) und von erfassten Parametern des Abgassystems zu steuern bzw. zu regeln (Figur 1).
Description
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren und einer
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung insbesondere für
Magermotoren in Kraftfahrzeugen, z. B. direkt einsprit
zenden Dieselmotoren und Benzinmotoren sowie mit der
Erhaltung der Funktionsfähigkeit von NOx-Speicher
katalysatoren in Benzin- und Dieselmotoren und Partikel
filtern in Dieselmotoren.
Bei den im Abgasrohr eines modernen Benzin- oder Diesel
motors mit Direkteinspritzung sitzenden Oxidationskata
lysator verschlechtern SOx-Ablagerungen im Oxidations
katalysator die gewünschte NO2-Bildung bis hin zur
Inaktivität des Katalysatorsystems. NO2 wird bei NOx-
Speicherkatalysatoren für den Einlagerungsprozess
benötigt. Bei Partikelfiltern, die nach dem CRT-Verfahren
(CRT: Continuously Regeneration Trap) arbeiten, wird NO2
für den kontinuierlich ablaufenden Oxidations-Regenera
tions-Prozess der Rußpartikel benötigt. Im Falle der
Schwefelkontaminierung des NOx-Speicherkatalysators wird
die gewünschte NO2-Speicherung aufgrund der SOx-
Ablagerungen im NOx-Adsorber, die aus dem Kraftstoff
schwefel hervorgehen bis zur völligen Inaktivität des
Systems verringert. Der Abbau dieser Schwefelverbindung
durch Regenerierung des Speicherkatalysators ist durch
ein kurzzeitiges Aufprägen erhöhter Abgastemperaturen
möglich (bei Benzin-Direkteinspritzungsmotoren wird eine
Temperatur größer 650°C verwendet). Die Realisierung
solcher Abgastemperaturen bei Dieselmotoren wird im Stand
der Technik als nicht aussichtsreich angesehen.
Partikelfilter, die nach dem oben erwähnten CRT-Verfahren
arbeiten, benötigen für den kontinuierlich verlaufenden
Regenerationsprozess Abgastemperaturen, die 230°C über
steigen. Diese Bedingungen können beim direkt ein
spritzenden Dieselmotor nicht immer erfüllt werden. In
Folge kann sich eine kritische Filterbeladung einstellen,
die unter Umständen zur Zerstörung des Partikelfilters
führen kann.
Für den Regenerationsprozess von NOx-Speicher
katalysatoren muss C0, das aus dem Kraftstoff-Kohlen
wasserstoff stammt, zugegeben und zugleich eine fette
Abgaszusammensetzung (λ < 1) erzeugt werden. Die inner
motorische Bereitstellung der für eine Regenerierung
erforderlichen Kohlenwasserstoffe (HC) ist bei Diesel
motoren jedoch prinzipbedingt untypisch und äußerst
kritisch und auch mit hohen Verbrauchseinbußen verbunden.
Im Unterschied zum Benzinmotor sind beim Dieselmotor die
Prozessgasdurchsätze nämlich sehr viel höher, und dadurch
können die zur Regenerierung erforderlichen Temperaturen
nicht in allen Betriebspunkten erreicht werden.
Ebenso gestaltet sich die nachmotorische Bereitstellung
einer "fetten" Abgaszusammensetzung beim Dieselmotor
problematisch, da ein Oxidationskatalysator für die CO-
Bildung notwendig, ein Abgastemperaturprofil teilweise
unzureichend ist und Zyklen mit fettem Abgas nur über ein
Bypasssystem erreichbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die oben erwähnten
Schwierigkeiten bei der Abgasnachbehandlung in modernen
Magermotoren, insbesondere Benzin- und Dieselmotoren mit
Direkteinspritzung in Kraftfahrzeugen, zu vermeiden und
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnach
behandlung des von einem Verbrennungsmotor erzeugten
Abgases so anzugeben, dass bei Bedarf die Abgastemperatur
erhöht, die Abgasqualität insgesamt und besonders bei
bestimmten Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors
verbessert, gleichzeitig die Motorakustik nicht ver
schlechtert und eine Regenerierung eines Speicher
katalysators und/oder eines Partikelfilters in regel
mäßigen Intervallen und/oder nach einer Schwefelver
giftung an den Oxidationsstufen eines NOx-Speicher
katalysators und Partikelfilters ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
Gemäß einem wesentlichen Aspekt wird bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung eine
Hydrolyseeinheit zur Gewinnung von Wasserstoff bereit
gestellt, die einerseits mit einem Wasserreservoir und
andererseits mit einer Dosiereinrichtung verbunden ist,
die zur Dosierung der dem Rohabgas und/oder dem durch
einen Oxidationskatalysator behandelten Abgas zugeführten
Wasserstoffmenge in Abhängigkeit von einem, bei
bestimmten Betriebszuständen und/oder Katalysator
funktionen auftretenden Bedarf an Wasserstoff einge
richtet ist.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens kann die jeweils
benötigte Wasserstoffmenge auf Anforderung d. h. dis
kontinuierlich in der Hydrolyseeinheit erzeugt und dann
direkt für die Dosierung zur Verfügung gestellt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens
kann ein Wasserstoffreservoir vorgesehen sein, der eine
bestimmte Menge des von der Hydrolyseeinheit erzeugten
Wasserstoffs zwischenspeichert.
Dabei kann die Größe des Wasserstoffreservoirs und damit
die Menge des zwischengespeicherten Wasserstoffs so
bemessen sein, dass sie zur Erwärmung und Regenerierung
eines NOx-Speicherkatalysators ausreicht.
Bei entsprechender Auslegung der Verbindungsrohre
zwischen der Dosiereinrichtung und der Hydrolyseeinheit
kann das Reservoir durch das Innenlumen der Rohrleitung
dargestellt sein.
Bevorzugt werden zur Dosierung des zuzuführenden
Wasserstoffs die Temperatur des Rohabgases, der λ-Wert
und außerdem bestimmte Betriebszustände des Katalysator
systems erfasst.
Im Falle eines Dieselmotors, insbesondere mit Direkt
einspritzung, wird die Zugabe von Wasserstoff zum Abgas
aktiviert, wenn eine innermotorische Kohlenwasserstoff
erzeugung nicht möglich ist.
Im Falle eines Benzinmotors, insbesondere eines solchen
mit Direkteinspritzung, wird die Zugabe von Wasserstoff
zum Abgas aktiviert, wenn der momentane Motorbetriebs
punkt eine innermotorische Kohlenwasserstoffbereit
stellung bei ausreichender Temperatur nicht zuläßt.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zur Wieder
herstellung einer ausreichenden Konvertierungsrate nach
einer Schwefelvergiftung an den Oxidationsstufen eines
NOx-Speicherkatalysators oder eines Partikelfilters durch
die Regenerierung der Oxidationsstufen des Speicher
katalysators bzw. des Partikelfilters mittels Wasser
stoffreduktion verwenden. Dabei kann die Regenerierung
durch Wasserstoffzugabe immer dann aktiviert werden, wenn
eine Abnahme der Konvertierungsrate NOx-Speicher
katalysators bzw. des Partikelfilters erfasst wird.
Im temperaturkritischen Schwachlastbetrieb eines Ver
brennungsmotors kann durch die erfindungsgemäß erfolgende
Wasserstoffzugabe die Abgastemperatur angehoben werden,
um im Schwachlastbereich die Regenerierungsbedingungen
beim Betrieb eines Partikelfilters zu gewährleisten.
Bei einer die obige Aufgabe lösenden Vorrichtung zur
Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors,
insbesondere im Kraftfahrzeug, sind eine Hydrolyseeinheit
und eine über eine Wasserstoffleitung mit ihr in
Verbindung stehende Dosiereinrichtung zur dosierten
Zugabe des Wasserstoffs zum Rohabgas und/oder zu dem
durch einen Oxidationskatalysator behandelten Abgas und
eine Steuer- und Regeleinheit vorgesehen, die mit der
Hydrolyseeinheit und der Dosiereinrichtung in
funktioneller Verbindung steht, um die Wasserstoff
erzeugung in der Hydrolyseeinheit und die Dosier
einrichtung abhängig von bestimmten Betriebszuständen des
Verbrennungsmotors und von erfassten Parametern des
Abgassystems zu steuern bzw. zu regeln.
Die Dosiereinrichtung ist bevorzugt ein Dosier- und
Absperrventil.
Bevorzugt weist die Steuer/Regeleinheit eine mit einer
Abgassensorik in funktioneller Verbindung stehende
Katalysator-Überwachungsfunktion auf.
Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale des
erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden in der nachstehenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch in Form von Funktionsblöcken
ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem das erfindungs
gemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung Verwendung bei
einem mit NOx-Speicherkatalysator im Abgassystem ausge
statteten Verbrennungsmotor findet.
Fig. 2 zeigt ebenfalls schematisch in Form eines
Funktionsblockschaltbildes ein zweites Ausführungsbei
spiel, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur
Abgasnachbehandlung bei einem mit einem CRT-Partikel
filter im Abgassystem ausgestatteten Verbrennungsmotor
Anwendung findet.
Fig. 1 zeigt schematisch Blöcke, die die wesentlichen
Funktionen und Elemente eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen. Aus
von einem Wassertank 19 entnommenem Wasser erzeugt eine
Hydrolyseeinheit 10 auf Anforderung Wasserstoff (H2) in
einer bestimmten Menge, der durch eine Wasserstoffleitung
17 über ein Druckreduzierventil 14 zu einem Dosier- und
Absperrventil 15 und von dort dem Rohabgas an einem Punkt
6 beigemischt wird und/oder dem von einem
Oxidationskatalysator 3 behandelten Abgas an einem Punkt
7 in einer von einem Verbrennungsmotor 1 führenden
Abgasleitung 2 zugegeben wird. Der Pfeil A deutet die
Strömungsrichtung des Abgases an. Im Abgasrohr 2 liegt,
dem Oxidationskatalysator 3 nachgeschaltet, ein NOx-
Speicherkatalysator 4.
Das H2-Gas, das von der Hydrolyseeinheit 10 erzeugt wird,
kann entweder in der jeweils benötigten Menge auf
Anforderung erzeugt werden, oder es kann ein Wasser
stoffreservoir 11 zwischen die Hydrolyseeinheit 10 und
das Druckreduzierventil 14 geschaltet sein, von dem ein
Kondensatrücklauf RK über ein Absperrventil 16 zum
Wasserbehälter 19 führt. Verbunden mit dem als Zwischen
speicher dienenden Wasserstoffreservoir 11 ist ein
Drucksensor 13. Ferner ist ein Sicherheitsventil 12 am
Wasserstoffreservoir 11 angebracht. Gegebenenfalls kann
das Wasserstoffreservoir 11 auch durch das Innenlumen der
H2-Leitung 17 dargestellt sein.
Das Dosier- und Absperrventil kann so ausgelegt sein,
dass bei Bedarf der zum Punkt 6 strömende Wasserstoff, d. h.
der dem Rohabgas beigemischte Wasserstoffanteil und
der nach dem Oxidationskatalysator 3 (am Punkt 7) dem
Abgas beigemischte Wasserstoffanteil getrennt dosiert
werden können.
Fig. 1 zeigt ferner, dass eine Steuer/Regeleinheit 18
eine Schnittstelle aufweist, die mit der Hydrolyseeinheit
10, dem Drucksensor 13 des Wasserstoffreservoirs 11, dem
Dosier- und Absperrventil 15, dem Absperrventil 16 und
mit einem die Abgastemperatur TA messenden Temperatur
sensor 5 in Verbindung steht. Die Steuer/Regeleinheit 18
ist dazu eingerichtet, die Wasserstofferzeugung in der
Hydrolyseeinheit 10 und die Dosiereinrichtung 15 abhängig
von bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 1
und von erfassten Parametern des Abgassystems, wozu die
Abgastemperatur TA gehört, zu steuern und regeln.
Wenn der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Nach
behandlung des Abgases ausgerüstete Verbrennungsmotor 1
z. B. ein direkt einspritzender Benzinmotor ist, läßt
sich das erfindungsgemäße Verfahren auf verschiedene
Weisen anwenden:
- 1. Zugabe von H2 in das Rohabgas (am Punkt 6) zur Darstellung der Regenerierungsphasen beim NOx-Speicher katalysator 4 (Abstand ungefähr 1 × pro Minute), falls der momentane Motorbetriebspunkt eine motorseitige Bereitstellung von HC bei ausreichender Temperatur nicht zuläßt. Die Steuerung der Regenerierung durch die Steuer/Regeleinheit 18 erfolgt in Analogie zur NOx- Katalysatorsteuerung beim Benzin-Direkteinspritzmotor.
- 2. Wiederherstellung einer ausreichenden Konver tierungsrate nach einer Schwefelvergiftung an den Oxidationsstufen des NOx-Speicherkatalysators 4. Dies ist, z. B. nach einigen Betriebsstunden, in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt des Kraftstoffs erforderlich. Die Steuerung der Regenerierung durch die Steuer/Regeleinheit 18 erfolgt nach erkannter Abnahme der Konvertierungsrate. Dazu hat die Steuer/Regeleinheit 18, die mit einer entsprechenden Katalysatorsensorik in Verbindung steht, eine Katalysatorüberwachungsfunktion.
Fig. 2 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel dar, bei
dem das erfindungsgemäße Verfahren bei einem mit einem
CRT-Partikelfilter ausgestatteten Kraftfahrzeugmotor,
z. B. einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung, zur
Abgasnachbehandlung verwendet wird. Ein derartiger
Partikelfilter 8, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, ist im
Abgasrohr 2 des direkt einspritzenden Dieselmotors 1
enthalten. Dem CRT-Partikelfilter 8 ist ein Oxidations
katalysator 3 vorgeschaltet. Der von der Hydrolyseeinheit
10 erzeugte und durch das Dosier- und Absperrventil 15 in
entsprechender Menge dosierte Wasserstoff wird am Punkt 6
dem Rohabgas zugemischt, das durch das Abgasrohr 2 strömt
(Pfeil A). Sämtliche anderen apparativen Details der
dargestellten Vorrichtung sind in Fig. 2 gleichartig wie
bei der oben beschriebenen, in Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung.
Auch hier werden mehrere Anwendungsfälle unterschieden:
- 1. Beim Dieselmotor wird H2 dem Rohabgas zur Dar stellung der Regenerierungsphasen des Partikelfilters 8 zugegeben, falls eine innermotorische HC-Generierung nicht möglich ist. Die Regenerierung wird in Analogie zur NOx-Katalysatorsteuerung bei Benzin-Direkteinspritzungs motoren gesteuert.
- 2. Beim Dieselmotor kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine ausreichende Konvertierungsrate nach einer Schwefelvergiftung des Partikelfilters 8 durch das erfindungsgemäße Verfahren wieder hergestellt werden. Dies ist z. B. nach einigen Betriebsstunden in Abhängig keit vom Schwefelgehalt des Kraftstoffs erforderlich. Die Steuerung der Regenerierung des Partikelfilters 8 kann nach erkannter Abnahme der Konvertierungsrate einsetzen, wozu in der Steuer/Regeleinheit 18 eine Katalysator überwachungsfunktion integriert ist.
- 3. Die Abgastemperatur kann durch die erfindungsgemäße Einleitung von Wasserstoff zur Gewährleistung der Regenerationsbedingungen beim Betrieb des Partikelfilters 8 in temperaturkritischen Schwachlastgebieten angehoben werden.
Auch in Fig. 2 gilt, dass das H2-Reservoir 11 lediglich
optionell vorhanden ist, und statt dessen ein H2-Rohr mit
ausreichendem Innenlumen das als Zwischenspeicher
dienende H2-Reservoir 11 ersetzen kann.
Zusammengenommen dient das erfindungsgemäße Verfahren zur
Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors, .
insbesondere im Kraftfahrzeug, der Erhöhung von Abgas-
und Katalysatortemperatur, was insbesondere beim
Kaltstart und im Schwachlastbetrieb erforderlich ist.
Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Wasser
stoff "On-Board" und im transienten Betrieb erzeugt und
je nach Bedarf und Anwendungsfall über das Dosier- und
Absperrventil 15 dem Katalysator bzw. Partikelfilter
zugesetzt werden. Im Gegensatz zur innermotorischen HC-
Generierung, die ein "Common Rail" Einspritzsystem
voraussetzt, werden die Abgasqualität, insbesondere die
Partikelrate, und die Motorakustik nicht zusätzlich
verschlechtert. Zudem ist das Ansprechverhalten der
Systeme bei der Zugabe von Wasserstoff ungleich
schneller.
Claims (15)
1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung des von einem
Verbrennungsmotor (1), insbesondere in einem Kraftfahr
zeug, erzeugten Abgases, gekennzeichnet durch
- - Bereitstellen einer mit einem Wasserreservoir (19) verbundenen Hydrolyseeinheit (10) zur Gewinnung von Wasserstoff, und
- - Dosierung der dem Rohabgas (A) und/oder dem durch einen Oxidationskatalysator (3) behandelten Abgas zuge führten Wasserstoffmenge abhängig von einem bei bestimmten Betriebszuständen und/oder Katalysatorfunk tionen auftretenden Bedarf an Wasserstoff.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die jeweils benötigte Wasserstoffmenge auf Anforde
rung in der Hydrolyseeinheit (10) erzeugt und direkt für
die Dosierung zur Verfügung gestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die
Bereitstellung eines Wasserstoffreservoirs (11), das eine
bestimmte Menge des von der Hydrolyseeinheit (10)
erzeugten Wasserstoffs speichert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Menge des Wasserstoffs im Reservoir (11) so
bemessen ist, dass sie zur Erwärmung und Regenerierung
eines NOx-Speicherkatalysators (4) ausreicht.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TA) des
Rohabgases (A) und bestimmte Betriebszustände des Kata
lysatorsystems (3, 4) erfasst werden.
6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 5 zur Darstellung von Regenerierungsphasen bei einem
NOx-Speicherkatalysator, wobei Wasserstoff in bestimmten
Zeitintervallen und in jeweils erforderlicher Menge dem
Rohabgas zugesetzt wird.
7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass im Falle eines Dieselmotors die Zugabe von Wasser
stoff zum Abgas aktiviert wird, wenn eine innermotorische
Kohlenwasserstofferzeugung nicht möglich ist.
8. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass im Falle eines Benzinmotors die Zugabe von Wasser
stoff zum Abgas aktiviert wird, wenn der momentane
Motorbetriebspunkt eine innermotorische Kohlenwasser
stoffbereitstellung bei ausreichender Temperatur nicht
zuläßt.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 5 zur Wiederherstellung einer ausreichenden Konver
tierungsrate nach einer Schwefelvergiftung an den
Oxidationsstufen eines NOx-Speicherkatalysators (4) oder
eines Partikelfilters (8) durch Regenerierung der
Oxidationsstufen des Speicherkatalysators (4) bzw. des
Partikelfilters (8) mittels Wasserstoffreduktion.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Regenerierung nach einer Erfassung der Abnahme
der Konvertierungsrate des NOx-Speicherkatalysators (4)
bzw. des Partikelfilters (8) aktiviert wird.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 5 zur Anhebung der Abgastemperatur (TA), um die
Regenerierungsbedingungen beim Betrieb eines Partikel
filters (8) im temperaturkritischen Schwachlastbetrieb zu
gewährleisten.
12. Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases eines
Verbrennungsmotors (1), insbesondere in einem Kraft
fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hydrolyse
einheit (10) und eine über eine Wasserstoffleitung (17)
mit ihr verbundene Dosiereinrichtung (15) zur dosierten
Zugabe von Wasserstoff zum Rohabgas (A) und/oder zu dem
durch einen Oxidationskatalysator (3) behandelten Abgas
und eine Steuer/Regeleinheit (18) vorgesehen sind, die in
funktioneller Verbindung mit der Hydrolyseeinheit (10)
und der Dosiereinrichtung (15) steht, um die Wasser
stofferzeugung in der Hydrolyseeinheit (10) und die
Dosiereinrichtung (15) abhängig von bestimmten Betriebs
zuständen des Verbrennungsmotors (1) und von erfassten
Parametern des Abgassystems zu steuern bzw. zu regeln.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Dosiereinrichtung (15) ein Dosier- und
Absperrventil ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass der Hydrolyseeinheit (10) ein
Wasserstoffzwischenspeicher (11) nachgeschaltet ist, um
eine bestimmte Menge Wasserstoff zu speichern.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer/Regeleinheit (18)
eine in funktioneller Verbindung mit einer Abgassensorik
(5) stehende Katalysator-Überwachungsfunktion aufweist.
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