DE19949046A1 - Abgasreinigungsanlage mit interner Erzeugung und Zwischenspeicherung von Ammoniak sowie Betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Verbrennungsquelle mit einem Ammoniakerzeugungskatalysator zur Erzeugung von Ammoniak aus im zu reinigenden Abgas enthaltenen Stickoxiden in Fettbetriebsphasen und mit einem stromabwärts davon angeordneten Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator zur Zwischenspeicherung von erzeugtem Ammoniak während Fettbetriebsphasen und zur Stickoxidreduktion unter Verwendung des Ammoniaks in Magerbetriebsphasen sowie auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist ein zum Ammoniakerzeugungskatalysator und zum Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator in Reihe geschalteter Sauerstoffspeicherkatalysator zur Zwischenspeicherung von Sauerstoff in Magerbetriebsphasen und zur Oxidation von oxidierbaren Schadstoffen mit zwischengespeichertem Sauerstoff in Fettbetriebsphasen vorgesehen. Ein zugehöriges Betriebsverfahren sieht eine Umschaltung von Fett- auf Magerbetrieb spätestens dann vor, wenn der zwischengespeicherte Sauerstoff im Sauerstoffspeicherkatalysator aufgebraucht ist. DOLLAR A Verwendung z. B. bei vorwiegend mager betriebenen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Verbrennungsquelle nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 sowie auf ein spezielles Betriebsverfahren für eine derartige Abgasreinigungsanlage. Abgasreinigungsanlagen dieser Art werden beispielsweise zur Abgasreinigung bei vorwie­ gend mager betriebenen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren verwen­ det.

Verschiedene Ausprägungen einer solchen Abgasreinigungsanlage für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor sind in der Offenle­ gungsschrift WO 97/17532 A1 beschrieben. Die dort offenbarten Anlagenvarianten enthalten einen Ammoniakerzeugungskatalysator zur Erzeugung von Ammoniak aus wenigstens einem Teil der in ei­ nem zugeführten fetten Abgas enthaltenen Stickoxide und diesem nachgeschaltet einen Adsorptions- und Oxidationskatalysator für Ammoniak und/oder einen Stickoxidspeicher- und Stickoxidreduk­ tionskatalysator. Der Adsorptions- und Oxidationskatalysator für Ammoniak adsorbiert im zugeführten Abgas enthaltenen Ammoniak, der vom stromaufwärtigen Ammoniakerzeugungskatalysator syntheti­ siert wurde, und desorbiert, wenn die Ammoniakkonzentration im zugeführten Abgas niedriger wird, zuvor adsorbierten Ammoniak und oxidiert diesen unter Stickoxidreduktion. Der Stickoxidad­ sorptions- und Stickoxidreduktionskatalysator wirkt als Zwi­ schenspeicher für aus einem mageren Abgas aufgenommene Stick­ oxide, die er dann bei Zufuhr eines fetten Abgases wieder frei­ setzt und reduziert. Als stromabwärts abschließende Katalysa­ toreinheit ist ein Oxidationskatalysator für Ammoniak vorgese­ hen, dem eine Sekundärluftzufuhreinrichtung zugeordnet ist, um eventuell noch im Abgas enthaltenen Ammoniak zuverlässig umzu­ setzen und nicht an die Umwelt entweichen zu lassen.

Durch verschiedene, hierfür vorgeschlagene Maßnahmen, wie kurz­ zeitige Fettbetriebsphasen des hauptsächlich mager betriebenen Verbrennungsmotors, wird bei den Anlagen der WO 97/17532 A1 da­ für gesorgt, daß das durch die verschiedenen Katalysatoren hin­ durchgeleitete Abgas in möglichst langen Zeitintervallen eine aus Kraftstoffeinsparungsgründen magere Zusammensetzung und in dazu abwechselnden, kürzeren Zeitintervallen eine fette Zusam­ mensetzung aufweist. In den meisten der gezeigten Anlagenvarian­ ten wird der als Reduktionsmittel zur Stickoxidreduktion einge­ setzte Ammoniak vollständig intern während der Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung erzeugt und zwischengespeichert. In den Betriebsphasen mit magerem Abgas werden dann die Stick­ oxide, die bei magerer Abgaszusammensetzung in einem normalen Dreiwegekatalysator nicht ausreichend umgesetzt werden können, mit Hilfe des zwischengespeicherten Ammoniaks als Reduktionsmit­ tel reduziert.

Ein Problem bei den gattungsgemäßen Abgasreinigungsanlagen be­ steht darin, daß in den Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammen­ setzung an üblichen Edelmetall-Katalysatormaterialien zwar die Ammoniakerzeugung insbesondere aus im Abgas vorhandenem Wasser­ stoff und Stickstoffmonoxid abläuft, jedoch die im Abgas enthal­ tenen oxidierbaren Schadstoffe, insbesondere Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, dort wegen des fehlenden Sauer­ stoffs im Abgas nicht ausreichend umgewandelt werden. Zur Bewäl­ tigung dieser Schwierigkeit herkömmlicherweise verwendete Sekun­ därluftzufuhreinrichtungen bedingen einen entsprechenden Aufwand für deren Realisierung und Ansteuerung. Andererseits bietet die interne Ammoniakerzeugung während solcher Fettbetriebsphasen ge­ genüber Abgasreinigungsanlagen mit externer Reduktionsmittelzu­ dosierung den Vorteil, daß auf die zugehörige Reduktionsmittel­ zudosiereinrichtung samt Reduktionsmittelspeichertank verzichtet werden kann.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Abgasreinigungsanlage der eingangs genannten Art und eines vorteilhaften Betriebsverfahrens hierfür zugrunde, die mit rela­ tiv geringem Aufwand eine zuverlässige Abgasreinigung speziell auch von überwiegend mager betriebenen Verbrennungsquellen, wie entsprechenden Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, ermöglichen, ohne daß hierfür zwingend eine Sekundärlufteinspeisung, eine ex­ terne Reduktionsmittelzufuhr oder ein Stickoxidspeicherkatalysa­ tor erforderlich ist.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Abgasreinigungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Betriebsverfahrens hierfür mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Die Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 umfaßt charakteristi­ scherweise neben dem Ammoniakerzeugungskatalysator und dem Ammo­ niakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator einen dazu in Reihe geschalteten Sauerstoffspeicherkatalysator, der bei Zufuhr von magerem Abgas darin enthaltenen Sauerstoff zwischenspei­ chert, um diesen bei anschließender Zufuhr von fettem Abgas zur Oxidation von darin enthaltenen oxidierbaren Schadstoffen zu nutzen, insbesondere von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlen­ wasserstoffen. Durch das Vorhandensein des Sauerstoffspeicherka­ talysators wird somit der zur oxidativen Umsetzung der oxidier­ baren Schadstoffe, die im Abgas während Betriebsphasen mit fet­ ter Abgaszusammensetzung enthalten sind, benötigte Sauerstoff aus zuvor vorliegendem magerem Abgas entnommen, so daß hierfür nicht unbedingt eine Sekundärlufteinspeisung benötigt wird. An­ dererseits kann während der Betriebsphasen mit fetter Abgaszu­ sammensetzung der zur Stickoxidreduktion erforderliche Ammoniak intern synthetisiert werden, so daß auch keine externe Reduk­ tionsmittelzufuhr zwingend benötigt wird. Da die während der Ma­ gerbetriebsphasen anfallenden Stickoxide durch den intern er­ zeugten und zwischengespeicherten Ammoniak direkt umgesetzt wer­ den können, ist des weiteren auch nicht unbedingt ein Stickoxid­ speicherkatalysator nötig.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Abgasreinigungsanlage ist der Sauerstoffspeicherkatalysator zwischen dem Ammoniaker­ zeugungskatalysator und dem Ammoniakspeicher- und Stickoxidre­ duktionskatalysator oder stromabwärts des Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysators angeordnet. Er oxidiert dann die im fetten Abgas enthaltenen oxidierbaren Schadstoffe, ohne die in diesen Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung ablau­ fende Ammoniaksynthesereaktion zu beeinflussen. In Betriebspha­ sen mit magerer Abgaszusammensetzung oxidiert er im zugeführten Abgas gegebenenfalls noch enthaltene, oxidierbare Schadstoffe, soweit diese noch nicht durch den in dieser Phase eventuell ebenfalls oxidierend wirkenden Ammoniakerzeugungskatalysator um­ gewandelt wurden. Bei Anordnung des Sauerstoffspeicherkatalysa­ tors hinter dem Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskataly­ sator kann letzterer zusätzlich zur Verringerung des Anteils an oxidierbaren Schadstoffen beitragen, wodurch das im Sauerstoff­ speicherkatalysator gespeicherte Sauerstoffvolumen länger erhal­ ten bleibt. Außerdem kann in diesem Fall der Sauerstoffspeicher­ katalysator einen bei Überdosierung möglichen Ammoniakschlupf stromabwärts des Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskata­ lysators durch Oxidation des Ammoniaks eliminieren.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Abgasreinigungsanlage beinhalten sowohl der Ammoniakspeicherkatalysator als auch der Sauerstoffspeicherkatalysator ein Edelmetall-Katalysatormaterial aus einem oder mehreren verschiedenen Edelmetallen, wobei der Sauerstoffspeicherkatalysator darüber hinaus einen relativ hohen Gehalt an CeO₂ aufweist, während der Ammoniakerzeugungskatalysa­ tor demgegenüber kein oder jedenfalls weniger CeO₂ enthält. Der vermehrte CeO₂-Gehalt ermöglicht eine hohe Sauerstoffspeicherfä­ higkeit für den Sauerstoffspeicherkatalysator. Das Edelmetall- Katalysatormaterial katalysiert die Ammoniakerzeugung bzw. die Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmon­ oxid.

Bei einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Abgasreinigungsanlage beinhaltet der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskataly­ sator ein Katalysatormaterial, das eine Mischung aus TiO₂, WO₃ und V₂O₅ beinhaltet. Mit einem solchen Katalysatormaterial ist der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator in der Lage, die an ihn gestellten Anforderungen zu erfüllen, d. h. in Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung den intern er­ zeugten Ammoniak zwischenzuspeichern und in Betriebsphasen mit magerer Abgaszusammensetzung die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit dem zwischengespeicherten Ammoniak zu reduzieren.

Bei einer nach Anspruch 5 weitergebildeten Abgasreinigungsanlage ist stromabwärts des Sauerstoffspeicherkatalysators eine Lambda­ sonde vorgesehen. Mit dieser kann während Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung festgestellt werden, wann der im Sauerstoffspeicherkatalysator zwischengespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist, da sie ihre Ausgangsspannung mit einem auftre­ tenden Durchbruch von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Koh­ lenmonoxid ändert. Es kann dann rechtzeitig wieder auf einen Be­ trieb mit magerer Abgaszusammensetzung umgeschaltet werden.

Beim Betriebsverfahren nach Anspruch 6 wird die Zusammensetzung des zu reinigenden Abgases abwechselnd fett und mager einge­ stellt und spätestens dann von einer Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung auf eine anschließende Betriebsphase mit magerer Abgaszusammensetzung umgeschaltet, wenn der im Sauer­ stoffspeicherkatalysator zwischengespeicherte Sauerstoff auf­ gebraucht ist, was z. B. sensorisch erfaßt oder anhand eines Mo­ dells der Abgasemissionen der Verbrennungsquelle und der Funk­ tion der Abgasreinigungsanlage, insbesondere des Sauerstoff­ speicherkatalysators, rechnerisch bestimmt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Abgasreinigungsanlage mit zuge­ hörigen Schadstoff- und Ammoniakdiagrammen für eine Be­ triebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung und

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Anlage von Fig. 1 mit zugehörigen Schadstoffdiagrammen für eine Betriebsphase mit magerer Abgaszusammensetzung.

Die in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Abgasreini­ gungsanlage beinhaltet drei seriell hintereinander geschaltete Katalystoreinheiten, und zwar in Abgasströmungsrichtung zuerst einen Ammoniakerzeugungskatalysator 1, gefolgt von einem Sauer­ stoffspeicherkatalysator 2, dem ein Ammoniakspeicher- und Stick­ oxidreduktionskatalysator 3 nachgeschaltet ist. Die drei Kataly­ satoreinheiten 1, 2, 3 befinden sich in einem unverzweigten Ab­ gasstrangabschnitt 4 eines z. B. in einem Kraftfahrzeug eingebau­ ten Verbrennungsmotors 5. Bei letzterem kann es sich insbesonde­ re um einen Dieselmotor oder um einen nach dem Magermix- und/ oder Direkteinspritzprinzip arbeitenden Otto-Motor handeln, die aus Kraftstoffverbrauchsgründen möglichst viel mit magerem Luft/­ Kraftstoff-Gemisch und folglich magerer Abgaszusammensetzung be­ trieben werden. Alternativ ist die Abgasreinigungsanlage auch für andere mobile oder stationäre Verbrennungsquellen geeignet, deren Abgas von enthaltenen Schadstoffen gereinigt werden soll, insbesondere von Stickoxiden, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Je nach Anwendungsfall können dazu neben den drei erwähnten Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 eine oder mehrere weitere Katalysatoreinheiten vorgesehen sein.

Der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 dient dazu, in Betriebspha­ sen mit fetter Abgaszusammensetzung aus Wasserstoff und Stick­ stoffmonoxid, die in fettem Abgas vorliegen, Ammoniak unter Bil­ dung von Wasser als Nebenprodukt zu synthetisieren. Um diese Am­ moniaksynthese zu katalysieren, enthält der Ammoniakerzeugungs­ katalysator 1 ein geeignetes Katalysatormaterial, insbesondere ein einziges Edelmetall, wie Platin, oder eine Kombination meh­ rerer Edelmetalle, z. B. Platin, Rhodium und/oder Palladium. Die­ ses Edelmetall-Katalysatormaterial kann z. B. wie üblich als ak­ tive Beschichtung auf einer Washcoat-Trägerstruktur aufgebracht sein. Der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 ist so ausgelegt, daß seine Speicherfähigkeit für Sauerstoff sehr gering ist, wozu er z. B. nur einen vergleichsweise niedrigen Gehalt an CeO₂ im Wash­ coat enthält. Dadurch ist er in der Lage, beim Wechsel vom Ma­ gerbetrieb auf Fettbetrieb sehr rasch Ammoniak zu bilden.

Der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 dient dazu, in Betriebspha­ sen mit magerer Abgaszusammensetzung den dann im Abgas enthalte­ nen Sauerstoff wenigstens teilweise aufzunehmen und zwischenzu­ speichern, um mit ihm in Betriebsphasen mit fetter Abgaszusam­ mensetzung die im fetten Abgas enthaltenen, oxidierbaren Schad­ stoffe, insbesondere Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwas­ serstoffe, zu oxidieren. Dazu enthält der Sauerstoffspeicherka­ talysator 2 ebenfalls ein Edelmetall-Katalysatormaterial aus ei­ nem einzigen oder einer Kombination mehrerer Edelmetalle, wie Platin, Rhodium und/oder Palladium. Im Gegensatz zum Ammoniaker­ zeugungskatalysator 1 enthält der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 darüber hinaus eine sauerstoffspeichernde Substanz, z. B. einen relativ hohen Gehalt an CeO₂ in einer das Edelmetall-Katalysator­ material tragenden Washcoat-Struktur. Ein hoher CeO₂-Gehalt er­ möglicht eine entsprechend hohe Speicherfähigkeit für Sauer­ stoff.

Der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3 bil­ det einen sogenannten SCR(Selective Catalytic Reduction)-Kataly­ sator und beinhaltet als aktives Katalysatormaterial beispiels­ weise eine Mischung aus TiO₂, WO₃ und V₂O₅. Andere für diesen Zweck wirksame, herkömmliche Katalysatormaterialien sind eben­ falls verwendbar. Derartige SCR-Katalysatoren sind an sich be­ kannt und ermöglichen einerseits eine Ammoniakzwischenspeiche­ rung und andererseits eine selektive katalytische Reduktion von im zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden unter der Wirkung des zwischengespeicherten Ammoniaks als Reduktionsmittel unter Bildung von Stickstoff und Wasser.

Mit dem geschilderten Aufbau ist die Abgasreinigungsanlage in der Lage, eine unerwünschte Emission von Stickoxiden, Kohlenmon­ oxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowohl im Magerbe­ trieb als auch im Fettbetrieb des Verbrennungsmotors 5 zu ver­ hindern. Dazu wird für das zu reinigende, im Abgasstrang 4 durch die drei hintereinandergeschalteten Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 hindurchgeführte Abgas alternierend für einen jeweils längeren Zeitraum eine magere Abgaszusammensetzung und für einen jeweils kürzeren Zeitraum eine fette Abgaszusammensetzung eingestellt, vorzugsweise durch entsprechenden alternierenden Mager- und Fettbetrieb des Verbrennungsmotors 5, alternativ durch andere, hierzu bekannte Maßnahmen.

In Fig. 1 ist unterhalb des Blockdiagramms der Abgasreinigungs­ anlage deren Betriebsweise in den Betriebsphasen mit fetter Ab­ gaszusammensetzung in Form von drei untereinanderliegenden Dia­ grammen veranschaulicht, welche schematisch den Gehalt des Abga­ ses an Stickoxiden (NO_x), Ammoniak (NH₃) sowie den oxidierbaren Schadstoffen, d. h. insbesondere an unverbrannten Kohlenwasser­ stoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), im zu reinigenden Abgas entlang des Abgasströmungsweges x im Abgasstrang 4 wiedergeben. Der Abgasströmungsweg x ist dabei als Abszisse der Diagramme po­ sitionsrichtig zu den drei Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 ausge­ richtet, wie durch die gepunkteten vertikalen Linien angedeutet.

Wie aus den Diagrammen von Fig. 1 ersichtlich, erzeugt der Ammo­ niakerzeugungskatalysator 1 während einer derartigen Betriebs­ phase mit fetter Abgaszusammensetzung Ammoniak, und zwar aus im Abgas enthaltenem Wasserstoff und Stickstoffmonoxid, und ent­ fernt dabei gleichzeitig im Abgas enthaltene Stickoxide prak­ tisch vollständig. Das aus dem Ammoniakerzeugungskatalysator 1 austretende Abgas ist somit praktisch frei von Stickoxiden und enthält den synthetisierten Ammoniak. Der Gehalt an Kohlenmon­ oxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen nimmt über den Ammo­ niakerzeugungskatalysator 1 hinweg nur geringfügig ab, da der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 nur eine allenfalls geringe Sau­ erstoffspeicherfähigkeit besitzt und im fetten Abgas keine nen­ nenswerte Sauerstoffmenge zur Oxidation dieser Schadstoffe vor­ handen ist.

Das aus dem Ammoniakerzeugungskatalysator 1 austretende, die oxidierbaren Schadstoffe und den Ammoniak enthaltende Abgas ge­ langt dann in den Sauerstoffspeicherkatalysator 2, wo die oxi­ dierbaren Schadstoffe, d. h. insbesondere die unverbrannten Koh­ lenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid, unter Freisetzung des zwischengespeicherten Sauerstoffs vollständig oxidiert und damit konvertiert werden, d. h. ihr Anteil am durchströmenden Abgas nimmt über den Sauerstoffspeicherkatalysator 2 hinweg bis prak­ tisch auf null ab.

Das aus dem Sauerstoffspeicherkatalysator 2 austretende Abgas gelangt in den Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskataly­ sator 3, wo der im Abgas enthaltene, im vorgeschalteten Ammo­ niakerzeugungskatalysator 1 synthetisierte Ammoniak aufgenommen und zwischengespeichert wird, so daß letztlich ein im wesentli­ chen von Ammoniak, Stickoxiden und oxidierbaren Schadstoffen, wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, freies Abgas abgegeben wird.

Fig. 2 veranschaulicht mit zwei wiederum positionsrichtig unter­ halb des Blockdiagramms der Abgasreinigungsanlage angeordneten Schadstoffdiagrammen die Betriebsweise der Anlage in Betriebs­ phasen mit magerer Abgaszusammensetzung. Dabei sind in Diagramm­ form schematisch die Gehalte an Stickoxiden (NO_x) einerseits und an oxidierbaren Schadstoffen, insbesondere unverbrannten Kohlen­ wasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), andererseits im durch den Abgasstrang 4 geführten Abgas in Abhängigkeit vom Abgasströ­ mungsweg x wiedergegeben.

Wie aus den Diagrammen von Fig. 2 deutlich wird, enthält in die­ sen Betriebsphasen das magere Abgas ausreichend Sauerstoff, um die oxidierbaren Schadstoffe, d. h. die unverbrannten Kohlenwas­ serstoffe und das Kohlenmonoxid, vollständig mit diesem zu oxi­ dieren, wobei die oxidierbaren Schadstoffe im mageren Abgas oh­ nehin nur in deutlich niedrigerer Konzentration vorliegen als im fetten Abgas. Die Oxidation der oxidierbaren Schadstoffe erfolgt hierbei zunächst wenigstens teilweise im Ammoniakerzeugungskata­ lysator 1, dessen Edelmetall-Katalysatormaterial hierfür ebenso wie dasjenige des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 geeignet ist, wobei der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 in dieser Betriebspha­ se den benötigten Sauerstoff dem Abgas selbst entnehmen kann. Soweit die oxidierbaren Schadstoffe im Ammoniakerzeugungskataly­ sator 1 noch nicht umgesetzt wurden, vervollständigt dies der nachgeschaltete Sauerstoffspeicherkatalysator 2. Gleichzeitig nimmt der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 in dieser Betriebspha­ se mit magerer Abgaszusammensetzung nicht benötigten Sauerstoff aus dem Abgas zwecks Zwischenspeicherung auf, um damit die oxi­ dierbaren Schadstoffe in einer anschließenden Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung oxidieren zu können.

Die im mageren Abgas enthaltenen Stickoxide können vom Ammoniak­ erzeugungskatalysator 1 und vom Sauerstoffspeicherkatalysator 2 in der sauerstoffreichen Abgasatmosphäre des mageren Abgases nicht umgesetzt werden und gelangen in den Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator. Dort werden sie unter Freiset­ zung des zuvor zwischengespeicherten Ammoniaks praktisch voll­ ständig zu Stickstoff und Wasser reduziert. Insgesamt verläßt damit wiederum ein sowohl von Stickoxiden als auch von den oxi­ dierbaren Schadstoffen, wie Kohlenmonoxid und unverbrannten Koh­ lenwasserstoffen, freies Abgas die Abgasreinigungsanlage mit den drei seriell hintereinandergeschalteten Katalysatoreinheiten 1, 2, 3.

Zur Steuerung des Betriebs der Abgasreinigungsanlage und des Verbrennungsmotors 5, insbesondere zur Durchführung der alter­ nierenden Betriebsphasen mit fetter und magerer Abgaszusammen­ setzung, dient eine Anlagensteuereinheit 6, die z. B. von einem geeignet ausgelegten Motorsteuergerät gebildet sein kann.

Die Anlagensteuerung durch die Steuereinheit 6 erfolgt hierbei entsprechend dem Wunsch, den Verbrennungsmotor 5 möglichst lange im Magerbetrieb zu fahren und diesen nur durch verhältnismäßig kurze Fettbetriebsphasen zu unterbrechen. Die Dauer einer Be­ triebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung ist bei der vorlie­ genden Systemauslegung im allgemeinen durch den Verbrauch an zwischengespeichertem Sauerstoff im Sauerstoffspeicherkatalysa­ tor 2 zur Oxidation der oxidierbaren Schadstoffe bestimmt. Mit anderen Worten wird eine jeweilige Betriebsphase mit fetter Ab­ gaszusammensetzung so lange beibehalten, bis der im Sauerstoff­ speicherkatalysator 2 zwischengespeicherte Sauerstoff aufge­ braucht ist. Um diesen Zeitpunkt zu erkennen, ist stromabwärts des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 eine Lambdasonde 7 ange­ ordnet, deren Ausgangssignal der Steuereinheit 6 zugeführt ist. Sobald gegen Ende einer Fettbetriebsphase der zwischengespei­ cherte Sauerstoff im Sauerstoffspeicher zur Neige geht, tritt ein Durchbruch von oxidierbaren Schadstoffen an der Austritts­ seite des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 auf, der von der Lambdasonde 7 erfaßt wird und sich in einer entsprechenden Ände­ rung ihrer Ausgangsspannung äußert. Alternativ kann der Zeit­ punkt, zu dem der zwischengespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist, von der Steuereinheit 6 auch rechnerisch anhand eines Mo­ dells der Emissionen des Verbrennungsmotors 5 und der Funktion der einzelnen Katalysatoreinheiten, insbesondere des Sauerstoff­ speicherkatalysators 2, ermittelt werden.

Um den geeigneten Zeitpunkt zur Umschaltung von einer momentanen Betriebsphase mit magerer Abgaszusammensetzung auf eine an­ schließende Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung zu be­ stimmen, werden von der Steuereinheit 6 die während einer jewei­ ligen vorausgegangenen Fettbetriebsphase erzeugte Ammoniakmenge und die in der momentanen Magerbetriebsphase emittierte Stick­ oxidmenge durch entsprechende Sensoren meßtechnisch erfaßt oder durch eine entsprechende Systemmodellierung rechentechnisch er­ mittelt. Die Steuereinheit 6 summiert die in der Fettbetriebs­ phase erzeugte Ammoniakmenge auf und zieht von dieser erzeugten und zwischengespeicherten Ammoniakmenge die zur Stickoxidreduk­ tion in der momentanen Magerbetriebsphase laufend benötigte Am­ moniakmenge ab, d. h. die Ammoniakmenge zur Reduktion von Stick­ stoffdioxid zuzüglich der Ammoniakmenge zur Reduktion von Stick­ stoffmonoxid unter Sauerstoffeinwirkung, jeweils unter Bildung von Stickstoff und Wasser. Sobald die auf diese Weise ermittelte Restmenge an im SCR-Katalysator 3 verbliebenem Ammoniak einen unteren Schwellwert unterschreitet, wird auf eine neuerliche Fettbetriebsphase umgeschaltet, um wieder Ammoniak zu erzeugen. Die Umschaltung zwischen Mager- und Fettbetrieb erfolgt vorzugs­ weise durch entsprechende Umstellung des Betriebs des Verbren­ nungsmotors 5 durch die Steuereinheit 6.

Die Menge an Ammoniak, die im SCR-Katalysator 3 zwischengespei­ chert werden kann, ohne daß ein Durchbruch von Ammoniak auf­ tritt, ist im wesentlichen von der Größe dieser Katalysatorein­ heit 3 und von der momentanen Katalysatortemperatur abhängig. Mit steigender Katalysatorgröße nimmt die speicherbare Ammoniak­ menge zu, während sie mit steigender Temperatur abnimmt. Durch ein entsprechendes Modell kann das Ammoniak-Speicherverhalten des SCR-Katalysators 3 in der Steuereinheit 6 ermittelt werden. Als Eingangsgröße dieses Modells für das Ammoniak-Speicherver­ halten dient die Temperatur des SCR-Katalysators 3, die wiederum sensorisch oder rechentechnisch durch Modellierung bestimmt wer­ den kann. Als Ausgangsgröße liefert das Modell des Ammoniak- Speicherverhaltens einen oberen Schwellwert für die im SCR-Kata­ lysator 3 einspeicherbare Ammoniakmenge. Überschreitet die er­ zeugte Ammoniakmenge während einer Fettbetriebsphase diesen obe­ ren Schwellwert, bevor der im Sauerstoffspeicherkatalysator 2 enthaltene Sauerstoff aufgebraucht ist, wird schon vor dem voll­ ständigen Verbrauch des zwischengespeicherten Sauerstoffs wieder auf Magerbetrieb umgeschaltet, oder es wird durch eine nachge­ schaltete Ammoniak-Abgasreinigungsstufe dafür gesorgt, daß über­ schüssiger, nicht mehr im SCR-Katalysator 3 einspeicherbarer Am­ moniak konvertiert wird und nicht mit dem Abgas in die Umgebung gelangt.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage zusätzlich zum gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsbei­ spiel bei Bedarf eine unterstützende externe Reduktionsmittelzu­ dosierung und/oder eine unterstützende Sekundärluftzuführung be­ inhalten kann, so daß dann nur ein Teil des für die Stickoxidre­ duktion benötigten Ammoniaks intern erzeugt bzw. nur ein Teil des für die Oxidation von oxidierbaren Schadstoffen benötigten Sauerstoffs vom Magerbetrieb der Verbrennungsquelle geliefert werden braucht.

Während im gezeigten Ausführungsbeispiel die drei Katalysa­ toreinheiten 1, 2, 3 als separate Katalysatorkörper mit jeweils eigenem Katalysatorgehäuse realisiert sind, können alternativ zwei von ihnen oder alle drei in einem gemeinsamen Gehäuse ange­ ordnet sein. Des weiteren kann das jeweilige Katalysatormaterial als Beschichtung auf einem einzelnen oder auf mehreren Trägern aufgebracht sein. Außerdem können für den Fall, daß die Verbren­ nungsquelle von einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor gebildet ist, die Abgasrohre der einzelnen Motorzylinder wie gezeigt in einen gemeinsamen Abgasstrang einmünden, in welchem die drei Ka­ talysatoreinheiten 1, 2, 3 in Reihe geschaltet sind, sie können alternativ aber auch einzeln verlegt oder in Zylindergruppen zu­ sammengefaßt sein. Dabei können zur Realisierung des Fett- bzw. Magerbetriebs alle Zylinder gleichzeitig periodisch fett bzw. mager betrieben werden, oder einzelne Zylinder oder Zylinder­ gruppen getrennt. Weiter alternativ kann der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3 nicht nur wie gezeigt in einer kombinierten Einheit integriert sein, sondern einen Ammo­ niakspeicherkatalysator und einen nachgeschalteten Stickoxid­ reduktionskatalysator als getrennte Einheiten umfassen.

Als weitere Alternative zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 stromabwärts statt stromauf­ wärts des Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysators 3 im Abgasstrang 4 angeordnet sein. Die Funktion der Abgasreini­ gungsanlage bleibt dadurch erhalten oder kann sich sogar noch dadurch verbessern, daß auch der SCR-Katalysator 3 zur Verringe­ rung der oxidierbaren Schadstoffe geeignet ist und beitragen kann, so daß das im nachgeschalteten Sauerstoffspeicherkatalysa­ tor 2 gespeicherte Sauerstoffvolumen länger erhalten bleibt. Zu­ dem kann in diesem Fall der nachgeschaltete Sauerstoffspeicher­ katalysator 3 einen Durchbruch bzw. Schlupf von Ammoniak im aus dem SCR-Katalysator 3 austretenden Abgas bei einer Ammoniaküber­ dosierung durch Oxidation eliminieren. Die Lambdasonde 7 wird, wenn sie in diesem modifizierten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, wiederum stromabwärts des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 positioniert.

Wesentlich ist jeweils, daß im Fettbetrieb das Abgas, welches den im Ammoniakerzeugungskatalysator synthetisierten Ammoniak enthält, durch den Sauerstoffspeicherkatalysator und den Ammo­ niakspeicherkatalysator hindurchgeleitet wird und daß im Mager­ betrieb das Abgas einerseits durch den Ammoniakerzeugungskataly­ sator und/oder den Sauerstoffspeicherkatalysator zwecks Oxida­ tion der oxidierbaren Schadstoffe und andererseits durch den Am­ moniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator zur Reduktion der in ihm enthaltenen Stickoxide hindurchgeleitet wird.

Claims (6)

1. Abgasreinigungsanlage zur Reinigung des Abgases einer Ver­ brennungsquelle, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Verbrennungs­ motors, mit

• - einem Ammoniakerzeugungskatalysator (1) zur Erzeugung von Am­ moniak aus im zu reinigenden Abgas enthaltenen Stickoxiden in Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung und
• - einem stromabwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators angeord­ neten Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator (3) zur Zwischenspeicherung von erzeugtem Ammoniak in Betriebspha­ sen mit fetter Abgaszusammensetzung und zur Reduktion von im zu reinigenden Abgas enthaltenen Stickoxiden unter Verwendung des zwischengespeicherten Ammoniaks als Reduktionsmittel in Betriebsphasen mit magerer Abgaszusammensetzung,

gekennzeichnet durch

• - einen zu dem Ammoniakerzeugungskatalysator (1) und dem Ammo­ niakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator (3) in Reihe geschalteten Sauerstoffspeicherkatalysator (2) zur Zwischen­ speicherung von Sauerstoff in Betriebsphasen mit magerer Ab­ gaszusammensetzung und zur Oxidation von oxidierbaren Schad­ stoffen mit zwischengespeichertem Sauerstoff in Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung.

2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffspeicherkatalysator (2) zwischen dem Ammoniaker­ zeugungskatalysator (1) und dem Ammoniakspeicher- und Stickoxid­ reduktionskatalysator (3) oder stromabwärts des Ammoniakspei­ cher- und Stickoxidreduktionskatalysators angeordnet ist.

3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Ammoniakerzeugungskatalysator (1) und der Sauerstoffspei­ cherkatalysator (2) beide ein Edelmetall-Katalysatormaterial aus einem oder mehreren verschiedenen Edelmetallen aufweisen und der Sauerstoffspeicherkatalysator CeO₂ in einem höheren Gehalt als der Ammoniakerzeugungskatalysator enthält.

4. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator (3) ein Katalysatormaterial mit einer Mischung aus TiO₂, WO₃ und V₂O₅ auf­ weist.

5. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter gekennzeichnet durch eine stromabwärts des Sauerstoffspeicherkatalysators (2) ange­ ordnete Lambdasonde (7) zur Erkennung eines Durchbruchs an oxi­ dierbaren Schadstoffen während Betriebsphasen mit fetter Abgas­ zusammensetzung.

6. Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alternierend zwischen Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammen­ setzung und Betriebsphasen mit magerer Abgaszusammensetzung um­ geschaltet wird, wobei auf eine Betriebsphase mit magerer Abgas­ zusammensetzung jeweils spätestens dann umgeschaltet wird, wenn der im Sauerstoffspeicherkatalysator (2) zwischengespeicherte Sauerstoff zur Oxidation der im fetten Abgas enthaltenen oxi­ dierbaren Schadstoffe verbraucht ist.