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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage zur Reinigung
des Abgases einer Verbrennungsquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie auf ein spezielles Betriebsverfahren für eine derartige Abgasreinigungsanlage.
Abgasreinigungsanlagen dieser Art werden beispielsweise zur Abgasreinigung
bei vorwiegend mager betriebenen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren
verwendet.
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Verschiedene
Ausprägungen
einer solchen Abgasreinigungsanlage für einen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor
sind in der Offenlegungsschrift WO 97/17532 A1 beschrieben. Die
dort offenbarten Anlagenvarianten enthalten einen Ammoniakerzeugungskatalysator
zur Erzeugung von Ammoniak aus wenigstens einem Teil der in einem
zugeführten
fetten Abgas enthaltenen Stickoxide und diesem nachgeschaltet einen
Adsorptions- und Oxidationskatalysator für Ammoniak und/oder einen Stickoxidspeicher- und
Stickoxidreduktionskatalysator. Der Adsorptions- und Oxidationskatalysator
für Ammoniak
adsorbiert im zugeführten
Abgas enthaltenen Ammoniak, der vom stromaufwärtigen Ammoniakerzeugungskatalysator
synthetisiert wurde, und desorbiert, wenn die Ammoniakkonzentration
im zugeführten
Abgas niedriger wird, zuvor adsorbierten Ammoniak und oxidiert diesen
unter Stickoxidreduktion. Der Stickoxidadsorptions- und Stickoxidreduktionskatalysator
wirkt als Zwischenspeicher für
aus einem mageren Abgas aufgenommene Stickoxide, die er dann bei
Zufuhr eines fetten Abgases wieder freisetzt und reduziert. Als stromabwärts abschließende Katalysatoreinheit
ist ein Oxidationskatalysator für
Ammoniak vorgese hen, dem eine Sekundärluftzufuhreinrichtung zugeordnet ist,
um eventuell noch im Abgas enthaltenen Ammoniak zuverlässig umzusetzen
und nicht an die Umwelt entweichen zu lassen.
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Durch
verschiedene, hierfür
vorgeschlagene Maßnahmen,
wie kurzzeitige Fettbetriebsphasen des hauptsächlich mager betriebenen Verbrennungsmotors,
wird bei den Anlagen der WO 97/17532 A1 dafür gesorgt, daß das durch
die verschiedenen Katalysatoren hindurchgeleitete Abgas in möglichst
langen Zeitintervallen eine aus Kraftstoffeinsparungsgründen magere
Zusammensetzung und in dazu abwechselnden, kürzeren Zeitintervallen eine
fette Zusammensetzung aufweist. In den meisten der gezeigten Anlagenvarianten
wird der als Reduktionsmittel zur Stickoxidreduktion eingesetzte
Ammoniak vollständig
intern während
der Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung erzeugt und zwischengespeichert.
In den Betriebsphasen mit magerem Abgas werden dann die Stickoxide,
die bei magerer Abgaszusammensetzung in einem normalen Dreiwegekatalysator
nicht ausreichend umgesetzt werden können, mit Hilfe des zwischengespeicherten
Ammoniaks als Reduktionsmittel reduziert.
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Ein
Problem bei den gattungsgemäßen Abgasreinigungsanlagen
besteht darin, daß in
den Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung an üblichen
Edelmetall-Katalysatormaterialien zwar die Ammoniakerzeugung insbesondere
aus im Abgas vorhandenem Wasserstoff und Stickstoffmonoxid abläuft, jedoch
die im Abgas enthaltenen oxidierbaren Schadstoffe, insbesondere
Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, dort wegen des
fehlenden Sauerstoffs im Abgas nicht ausreichend umgewandelt werden.
Zur Bewältigung
dieser Schwierigkeit herkömmlicherweise
verwendete Sekundärluftzufuhreinrichtungen
bedingen einen entsprechenden Aufwand für deren Realisierung und Ansteuerung.
Andererseits bietet die interne Ammoniakerzeugung während solcher
Fettbetriebsphasen gegenüber
Abgasreinigungsanlagen mit externer Reduktionsmittelzudosierung
den Vorteil, daß auf
die zugehörige
Reduktionsmittelzudosiereinrichtung samt Reduktionsmittelspeichertank
verzichtet werden kann.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
197 14 707 A1 ist es bekannt, in einen Dreiwegekatalysator
ein sauerstoffspeicherfähiges
Material auf der Basis von Ceroxid einzubringen, um die bei einem
Motorabgas in Abhängigkeit
von Last und Drehzahl des Motors auftretenden, mehr oder weniger
starken periodischen Schwankungen der Luftzahl um den stöchiometrischen
Wert eins herum auszugleichen.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer
Abgasreinigungsanlage der eingangs genannten Art und eines vorteilhaftem
Betriebsverfahrens hierfür
zugrunde, die mit relativ geringem Aufwand eine zuverlässige Abgasreinigung speziell
auch von überwiegend
mager betriebenen Verbrennungsquellen, wie entsprechenden Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren,
ermöglichen,
ohne dass hierfür
zwingend eine Sekundärlufteinspeisung, eine
externe Reduktionsmittelzufuhr oder ein Stickoxidspeicherkatalysator
erforderlich ist.
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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 4.
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Die
Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 umfaßt charakteristischerweise
neben dem Ammoniakerzeugungskatalysator und dem Ammoniakspeicher-
und Stickoxidreduktionskatalysator einen dazu in Reihe geschalteten
Sauerstoffspeicherkatalysator, der bei Zufuhr von magerem Abgas
darin enthaltenen Sauerstoff zwischenspeichert, um diesen bei anschließender Zufuhr
von fettem Abgas zur Oxidation von darin enthaltenen oxidierbaren
Schadstoffen zu nutzen, insbesondere von Kohlenmonoxid und unverbrannten
Kohlenwasserstoffen. Durch das Vorhandensein des Sauerstoffspeicherkatalysators
wird somit der zur oxidativen Umsetzung der oxidierbaren Schadstoffe,
die im Abgas während
Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung enthalten sind, benötigte Sauerstoff
aus zuvor vorliegendem magerem Abgas entnommen, so dass hierfür nicht
unbedingt eine Sekundärlufteinspeisung
benötigt
wird. Andererseits kann während
der Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung der zur Stickoxidreduktion
erforderliche Ammoniak intern synthetisiert werden, so dass auch
keine externe Reduktionsmittelzufuhr zwingend benötigt wird.
Da die während
der Magerbetriebsphasen anfallenden Stickoxide durch den intern
erzeugten und zwischengespeicherten Ammoniak direkt umgesetzt werden
können,
ist des weiteren auch nicht unbedingt ein Stickoxidspeicherkatalysator
nötig.
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Der
Sauerstoffspeicherkatalysator ist zwischen dem Ammoniakerzeugungskatalysator
und dem Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 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
ablaufende Ammoniaksynthesereaktion zu beeinflussen. In Betriebsphasen
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 umgewandelt wurden. Bei
Anordnung des Sauerstoffspeicherkatalysators hinter dem Ammoniakspeicher-
und Stickoxidreduktionskatalysator kann letzterer zusätzlich zur
Verringerung des Anteils an oxidierbaren Schadstoffen beitragen,
wodurch das im Sauerstoffspeicherkatalysator gespeicherte Sauerstoffvolumen
länger
erhalten bleibt. Außerdem
kann in diesem Fall der Sauerstoffspeicherkatalysator einen bei Überdosierung
möglichen
Ammoniakschlupf stromabwärts
des Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysators durch
Oxidation des Ammoniaks eliminieren.
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Bei
der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsanlage
ist ferner stromabwärts
des Sauerstoffspeicherkatalysators eine Lambdasonde 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 auftretenden Durchbruch
von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ändert. Es
kann dann rechtzeitig wieder auf einen Betrieb mit magerer Abgaszusammensetzung
umgeschaltet werden.
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Bei
einer nach Anspruch 2 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 Ammoniakerzeugungskatalysator demgegenüber kein oder jedenfalls weniger CeO2 enthält.
Der vermehrte CeO2-Gehalt ermöglicht eine
hohe Sauerstoffspeicherfähigkeit
für den
Sauerstoffspeicherkatalysator. Das Edelmetall-Katalysatormaterial katalysiert die
Ammoniakerzeugung bzw. die Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe
und von Kohlenmonoxid.
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Bei
einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Abgasreinigungsanlage beinhaltet
der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 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
erzeugten Ammoniak zwischenzuspeichern und in Betriebsphasen mit
magerer Abgaszusammensetzung die im Abgas enthaltenen Stickoxide
mit dem zwischengespeicherten Ammoniak zu reduzieren.
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Beim
Betriebsverfahren nach Anspruch 4 wird die Zusammensetzung des zu
reinigenden Abgases abwechselnd fett und mager eingestellt und spätestens
dann von einer Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung auf
eine anschließende Betriebsphase
mit magerer Abgaszusammensetzung umgeschaltet, wenn der im Sauer stoffspeicherkatalysator
zwischengespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist, was z.B. sensorisch
erfaßt
oder anhand eines Modells der Abgasemissionen der Verbrennungsquelle
und der Funktion der Abgasreinigungsanlage, insbesondere des Sauerstoffspeicherkatalysators,
rechnerisch bestimmt werden kann.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Abgasreinigungsanlage mit zugehörigen Schadstoff-
und Ammoniakdiagrammen für
eine Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung und
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2 ein
Blockdiagramm der Anlage von 1 mit zugehörigen Schadstoffdiagrammen
für eine
Betriebsphase mit magerer Abgaszusammensetzung.
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Die
in den 1 und 2 schematisch dargestellte Abgasreinigungsanlage
beinhaltet drei seriell hintereinander geschaltete Katalystoreinheiten, und
zwar in Abgasströmungsrichtung
zuerst einen Ammoniakerzeugungskatalysator 1, gefolgt von
einem Sauerstoffspeicherkatalysator 2, dem ein Ammoniakspeicher-
und Stickoxidreduktionskatalysator 3 nachgeschaltet ist.
Die drei Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 befinden
sich in einem unverzweigten Abgasstrangabschnitt 4 eines
z.B. in einem Kraftfahrzeug eingebauten Verbrennungsmotors 5.
Bei letzterem kann es sich insbesondere 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
betrieben 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.
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Der
Ammoniakerzeugungskatalysator 1 dient dazu, in Betriebsphasen
mit fetter Abgaszusammensetzung aus Wasserstoff und Stickstoffmonoxid,
die in fettem Abgas vorliegen, Ammoniak unter Bildung von Wasser
als Nebenprodukt zu synthetisieren. Um diese Ammoniaksynthese zu
katalysieren, enthält
der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 ein geeignetes Katalysatormaterial,
insbesondere ein einziges Edelmetall, wie Platin, oder eine Kombination
mehrerer Edelmetalle, z.B. Platin, Rhodium und/oder Palladium. Die ses
Edelmetall-Katalysatormaterial kann z.B. wie üblich als aktive 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 Washcoat enthält. Dadurch
ist er in der Lage, beim Wechsel vom Magerbetrieb auf Fettbetrieb
sehr rasch Ammoniak zu bilden.
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Der
Sauerstoffspeicherkatalysator 2 dient dazu, in Betriebsphasen
mit magerer Abgaszusammensetzung den dann im Abgas enthaltenen Sauerstoff
wenigstens teilweise aufzunehmen und zwischenzuspeichern, um mit
ihm in Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung die im fetten
Abgas enthaltenen, oxidierbaren Schadstoffe, insbesondere Kohlenmonoxid
und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, zu oxidieren. Dazu enthält der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 ebenfalls
ein Edelmetall-Katalysatormaterial aus einem einzigen oder einer
Kombination mehrerer Edelmetalle, wie Platin, Rhodium und/oder Palladium.
Im Gegensatz zum Ammoniakerzeugungskatalysator 1 enthält der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 darüber hinaus
eine sauerstoffspeichernde Substanz, z.B. einen relativ hohen Gehalt
an CeO2 in einer das Edelmetall-Katalysatormaterial
tragenden Washcoat-Struktur. Ein hoher CeO2-Gehalt ermöglicht eine
entsprechend hohe Speicherfähigkeit
für Sauerstoff.
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Der
Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3 bildet
einen sogenannten SCR(Selective Catalytic Reduction)-Katalysator
und beinhaltet als aktives Katalysatormaterial beispielsweise eine
Mischung aus TiO2, WO3 und
V2O5. Andere für diesen
Zweck wirksame, herkömmliche
Katalysatormaterialien sind ebenfalls verwendbar. Derartige SCR-Katalysatoren
sind an sich bekannt und ermöglichen
einerseits eine Ammoniakzwischenspeicherung 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.
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Mit
dem geschilderten Aufbau ist die Abgasreinigungsanlage in der Lage,
eine unerwünschte Emission
von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen
sowohl im Magerbetrieb als auch im Fettbetrieb des Verbrennungsmotors 5 zu
verhindern. 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.
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In 1 ist
unterhalb des Blockdiagramms der Abgasreinigungsanlage deren Betriebsweise
in den Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung in Form von
drei untereinanderliegenden Diagrammen veranschaulicht, welche schematisch
den Gehalt des Abgases an Stickoxiden (NOx),
Ammoniak (NH3) sowie den oxidierbaren Schadstoffen,
d.h. insbesondere an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (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 positionsrichtig zu den drei
Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 ausgerichtet,
wie durch die gepunkteten vertikalen Linien angedeutet.
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Wie
aus den Diagrammen von 1 ersichtlich, erzeugt der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 während einer
derartigen Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung Ammoniak,
und zwar aus im Abgas enthaltenem Wasserstoff und Stickstoffmonoxid,
und entfernt dabei gleichzeitig im Abgas enthaltene Stickoxide praktisch
vollständig.
Das aus dem Ammoniakerzeugungskatalysator 1 austretende Abgas
ist somit praktisch frei von Stickoxiden und enthält den synthetisierten
Ammoniak. Der Gehalt an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen
nimmt über
den Ammoniakerzeugungskatalysator 1 hinweg nur geringfügig ab,
da der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 nur eine allenfalls
geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit
besitzt und im fetten Abgas keine nen nenswerte Sauerstoffmenge zur
Oxidation dieser Schadstoffe vorhanden ist.
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Das
aus dem Ammoniakerzeugungskatalysator 1 austretende, die
oxidierbaren Schadstoffe und den Ammoniak enthaltende. Abgas gelangt
dann in den Sauerstoffspeicherkatalysator 2, wo die oxidierbaren
Schadstoffe, d.h. insbesondere die unverbrannten Kohlenwasserstoffe
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 praktisch auf
null ab.
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Das
aus dem Sauerstoffspeicherkatalysator 2 austretende Abgas
gelangt in den Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3,
wo der im Abgas enthaltene, im vorgeschalteten Ammoniakerzeugungskatalysator 1 synthetisierte
Ammoniak aufgenommen und zwischengespeichert wird, so daß letztlich
ein im wesentlichen von Ammoniak, Stickoxiden und oxidierbaren Schadstoffen,
wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, freies
Abgas abgegeben wird.
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2 veranschaulicht
mit zwei wiederum positionsrichtig unterhalb des Blockdiagramms
der Abgasreinigungsanlage angeordneten Schadstoffdiagrammen die
Betriebsweise der Anlage in Betriebsphasen mit magerer Abgaszusammensetzung.
Dabei sind in Diagrammform schematisch die Gehalte an Stickoxiden
(NOx) einerseits und an oxidierbaren Schadstoffen,
insbesondere unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid
(CO), andererseits im durch den Abgasstrang 4 geführten Abgas in
Abhängigkeit
vom Abgasströmungsweg
x wiedergegeben.
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Wie
aus den Diagrammen von 2 deutlich wird, enthält in diesen
Betriebsphasen das magere Abgas ausreichend Sauerstoff, um die oxidierbaren Schadstoffe,
d.h. die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid,
vollständig
mit diesem zu oxidieren, 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 Ammoniakerzeugungskatalysator 1,
dessen Edelmetall-Katalysatormaterial hierfür ebenso wie dasjenige des
Sauerstoffspeicherkatalysators 2 geeignet ist, wobei der
Ammoniakerzeugungskatalysator 1 in dieser Betriebsphase
den benötigten
Sauerstoff dem Abgas selbst entnehmen kann. Soweit die oxidierbaren
Schadstoffe im Ammoniakerzeugungskatalysator 1 noch nicht umgesetzt
wurden, vervollständigt
dies der nachgeschaltete Sauerstoffspeicherkatalysator 2.
Gleichzeitig nimmt der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 in
dieser Betriebsphase mit magerer Abgaszusammensetzung nicht benötigten Sauerstoff
aus dem Abgas zwecks Zwischenspeicherung auf, um damit die oxidierbaren
Schadstoffe in einer anschließenden
Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung oxidieren zu können.
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Die
im mageren Abgas enthaltenen Stickoxide können vom Ammoniakerzeugungskatalysator 1 und
vom Sauerstoffspeicherkatalysator 2 in der sauerstoffreichen
Abgasatmoshäre
des mageren Abgases nicht umgesetzt werden und gelangen in den Ammoniakspeicher-
und Stickoxidreduktionskatalysator. Dort werden sie unter Freisetzung
des zuvor zwischengespeicherten Ammoniaks praktisch vollständig zu
Stickstoff und Wasser reduziert. Insgesamt verläßt damit wiederum ein sowohl
von Stickoxiden als auch von den oxidierbaren Schadstoffen, wie
Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, freies Abgas
die Abgasreinigungsanlage mit den drei seriell hintereinandergeschalteten
Katalysatoreinheiten 1, 2, 3.
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Zur
Steuerung des Betriebs der Abgasreinigungsanlage und des Verbrennungsmotors 5,
insbesondere zur Durchführung
der alternierenden Betriebsphasen mit fetter und magerer Abgaszusammensetzung,
dient eine Anlagensteuereinheit 6, die z.B. von einem geeignet
ausgelegten Motorsteuergerät
gebildet sein kann.
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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 Betriebsphase
mit fetter Abgaszusammensetzung ist bei der vorliegenden Systemauslegung im
allgemeinen durch den Verbrauch an zwischengespeichertem Sauerstoff
im Sauerstoffspeicherkatalysator 2 zur Oxidation der oxidierbaren
Schadstoffe bestimmt. Mit anderen Worten wird eine jeweilige Betriebsphase
mit fetter Abgaszusammensetzung so lange beibehalten, bis der im
Sauerstoffspeicherkatalysator 2 zwischengespeicherte Sauerstoff
aufgebraucht ist. Um diesen Zeitpunkt zu erkennen, ist stromabwärts des
Sauerstoffspeicherkatalysators 2 eine Lambdasonde 7 angeordnet,
deren Ausgangssignal der Steuereinheit 6 zugeführt ist.
Sobald gegen Ende einer Fettbetriebsphase der zwischengespeicherte
Sauerstoff im Sauerstoffspeicher zur Neige geht, tritt ein Durchbruch
von oxidierbaren Schadstoffen an der Austrittsseite des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 auf,
der von der Lambdasonde 7 erfaßt wird und sich in einer entsprechenden Änderung
ihrer Ausgangsspannung äußert. Alternativ
kann der Zeitpunkt, zu dem der zwischengespeicherte Sauerstoff aufgebraucht
ist, von der Steuereinheit 6 auch rechnerisch anhand eines
Modells der Emissionen des Verbrennungsmotors 5 und der
Funktion der einzelnen Katalysatoreinheiten, insbesondere des Sauerstoffspeicherkatalysators 2,
ermittelt werden.
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Um
den geeigneten Zeitpunkt zur Umschaltung von einer momentanen Betriebsphase
mit magerer Abgaszusammensetzung auf eine anschließende Betriebsphase
mit fetter Abgaszusammensetzung zu bestimmen, werden von der Steuereinheit 6 die
während
einer jeweiligen vorausgegangenen Fettbetriebsphase erzeugte Ammoniakmenge
und die in der momentanen Magerbetriebsphase emittierte Stickoxidmenge
durch entsprechende Sensoren meßtechnisch
erfaßt
oder durch eine entsprechende Systemmodellierung rechentechnisch
ermittelt. Die Steuereinheit 6 summiert die in der Fettbetriebsphase
erzeugte Ammoniakmenge auf und zieht von dieser erzeugten und zwischengespeicherten
Ammoniakmenge die zur Stickoxidreduktion in der momentanen Magerbetriebsphase
laufend benötigte
Ammoniakmenge ab, d.h. die Ammoniakmenge zur Reduktion von Stick stoffdioxid
zuzüglich
der Ammoniakmenge zur Reduktion von Stickstoffmonoxid 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 vorzugsweise
durch entsprechende Umstellung des Betriebs des Verbrennungsmotors 5 durch
die Steuereinheit 6.
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Die
Menge an Ammoniak, die im SCR-Katalysator 3 zwischengespeichert
werden kann, ohne daß ein
Durchbruch von Ammoniak auftritt, ist im wesentlichen von der Größe dieser
Katalysatoreinheit 3 und von der momentanen Katalysatortemperatur
abhängig.
Mit steigender Katalysatorgröße nimmt
die speicherbare Ammoniakmenge 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-Speicherverhalten dient die Temperatur des SCR-Katalysators 3,
die wiederum sensorisch oder rechentechnisch durch Modellierung
bestimmt werden kann. Als Ausgangsgröße liefert das Modell des Ammoniak-Speicherverhaltens
einen oberen Schwellwert für
die im SCR-Katalysator 3 einspeicherbare Ammoniakmenge. Überschreitet
die erzeugte Ammoniakmenge während
einer Fettbetriebsphase diesen oberen Schwellwert, bevor der im Sauerstoffspeicherkatalysator 2 enthaltene
Sauerstoff aufgebraucht ist, wird schon vor dem vollständigen Verbrauch
des zwischengespeicherten Sauerstoffs wieder auf Magerbetrieb umgeschaltet,
oder es wird durch eine nachgeschaltete Ammoniak-Abgasreinigungsstufe
dafür gesorgt,
daß überschüssiger, nicht
mehr im SCR-Katalysator 3 einspeicherbarer Ammoniak konvertiert
wird und nicht mit dem Abgas in die Umgebung gelangt.
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Es
versteht sich, daß die
erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage
zusätzlich
zum gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiel bei Bedarf eine
unterstützende
externe Reduktionsmittelzu dosierung und/oder eine unterstützende Sekundärluftzuführung beinhalten
kann, so daß dann
nur ein Teil des für
die Stickoxidreduktion benötigten
Ammoniaks intern erzeugt bzw. nur ein Teil des für die Oxidation von oxidierbaren
Schadstoffen benötigten Sauerstoffs
vom Magerbetrieb der Verbrennungsquelle geliefert werden braucht.
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Während im
gezeigten Ausführungsbeispiel die
drei Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 als
separate Katalysatorkörper
mit jeweils eigenem Katalysatorgehäuse realisiert sind, können alternativ
zwei von ihnen oder alle drei in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet
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
Verbrennungsquelle von einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor gebildet
ist, die Abgasrohre der einzelnen Motorzylinder wie gezeigt in einen
gemeinsamen Abgasstrang einmünden,
in welchem die drei Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 in
Reihe geschaltet sind, sie können
alternativ aber auch einzeln verlegt oder in Zylindergruppen zusammengefaßt sein.
Dabei können
zur Realisierung des Fett- bzw. Magerbetriebs alle Zylinder gleichzeitig
periodisch fett bzw. mager betrieben werden, oder einzelne Zylinder
oder Zylindergruppen getrennt. Weiter alternativ kann der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3 nicht
nur wie gezeigt in einer kombinierten Einheit integriert sein, sondern
meinen Ammoniakspeicherkatalysator und einen nachgeschalteten Stickoxidreduktionskatalysator
als getrennte Einheiten umfassen.
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Als
weitere Alternative zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 stromabwärts statt
stromaufwärts
des Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysators 3 im
Abgasstrang 4 angeordnet sein. Die Funktion der Abgasreinigungsanlage
bleibt dadurch erhalten oder kann sich sogar noch dadurch verbessern,
daß auch der
SCR-Katalysator 3 zur Verringerung der oxidierbaren Schadstoffe
geeignet ist und beitragen kann, so daß das im nachgeschalteten Sauerstoffspeicherkatalysator 2 gespeicherte
Sauerstoffvolumen länger erhalten
bleibt. Zu dem kann in diesem Fall der nachgeschaltete Sauerstoffspeicherkatalysator 3 einen Durchbruch
bzw. Schlupf von Ammoniak im aus dem SCR-Katalysator 3 austretenden
Abgas bei einer Ammoniaküberdosierung
durch Oxidation eliminieren. Die Lambdasonde 7 wird, wenn
sie in diesem modifizierten Ausführungsbeispiel
vorgesehen ist, wiederum stromabwärts des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 positioniert.
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Wesentlich
ist jeweils, daß im
Fettbetrieb das Abgas, welches den im Ammoniakerzeugungskatalysator
synthetisierten Ammoniak enthält,
durch den Sauerstoffspeicherkatalysator und den Ammoniakspeicherkatalysator
hindurchgeleitet wird und daß im Magerbetrieb
das Abgas einerseits durch den Ammoniakerzeugungskatalysator und/oder
den Sauerstoffspeicherkatalysator zwecks Oxidation der oxidierbaren
Schadstoffe und andererseits durch den Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator
zur Reduktion der in ihm enthaltenen Stickoxide hindurchgeleitet
wird.