DE4310961C1 - Verfahren zum selektiven katalytischen Reduzieren der Stickoxide im Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Bei der Verbrennung von Kraftstoffen in Brennkraftmaschinen entstehen neben anderen Schadstoffen auch Stickoxide. Zur Verminderung der Stickoxide im Abgas ist es beispielsweise aus der noch nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit der Aktennummer P 42 37 705.6 bekannt, dem Abgasstrom ein Reduktionsmittel, zum Beispiel Ammoniak, zuzusetzen. In Gegenwart eines Katalysators erfolgt dann eine Reduktion von Stickoxiden zu molekularem Stickstoff und Wasserdampf. Da die bei der Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine entstehenden Stickoxidmengen mit der Last variieren, ist auch die zuzugebende Menge an Reduktionsmittel darauf abzustimmen. Es wird dann verhindert, daß mit dem Abgas unverbrauchtes Reduktionsmittel in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Für die Bestimmung des Stickoxidanteils im Abgas müssen geeignete Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfaßt werden oder der Stickoxidanteil direkt gemessen werden. Da der Umsetzgrad des Katalysators auch von der Abgastemperatur abhängt, ist auch diese zu messen. Bei tiefen Temperaturen, wie sie etwa im Anfahrvorgang einer Brennkraftmaschine im Katalysator herrschen, ist der Katalysator inaktiv. Würde bei diesen tiefen Temperaturen Reduktionsmittel zugegeben, führte dies zu unerwünschten Reaktionen, deren Reaktionsprodukte den Katalysator schädigen. Auch würde Reduktionsmittel in die Atmosphäre ausgestoßen. Es ist deshalb üblich, kein Reduktionsmittel zuzusetzen, solange der Katalysator durch den Abgasstrom nicht auf eine vorgegebene Mindesttemperatur aufgeheizt worden ist. Dementsprechend werden die Abgase während des Anfahrvorgangs ungereinigt in die Atmosphäre ausgestoßen. Nun ist der Zeitanteil des Anfahrvorgangs an der Gesamtbetriebsdauer von stationären Anlagen, wie beispielsweise von Spitzenlastkraftwerken, bei denen im übrigen die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden zunehmend Anwendung findet, oft von erheblicher Größenordnung. Demzufolge emittieren solche Anlagen während eines erheblichen Teils ihrer Betriebsdauer ungereinigtes Abgas.

Aus der EP 0 503 A1 geht es als bekannt hervor, die Temperatur eines Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels eines im Bereich des Abgaseintritts des Katalysators gelegenen Temperatursensors zu messen und die zuzugebende Menge eines Reduktionsmittels in Abhängigkeit von dieser Temperatur zu steuern. Als Reduktionsmittel dient HC, das unterhalb einer vorgegebenen Katalysatortemperatur im Abgasstrom angereichert wird. Die tatsächlichen Temperaturverhältnisse im Katalysator werden bei einer Anordnung des Temperatursensors am Abgaseintritt zum Katalysator jedoch nicht berücksichtigt.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Steuerung der Reduktionsmittelzugabe besser auf die tatsächlich im Katalysator herrschenden Temperaturverhältnisse abzustimmen.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale gelöst. Der Eintrittsbereich des Katalysators erreicht wesentlich früher die für die Umsetzung des Reduktionsmittels notwendige Mindesttemperatur als der Bereich am Ende. Die Temperatur des Katalysators wird nun an mehreren oder wenigstens an zwei Stellen über der Länge gemessen, von denen eine im Endbereich des Katalysators und eine oder mehrere im davorliegenden Bereich, aber nach dem Abgaseintritt liegen.

Sobald an der in Strömungsrichtung ersten Temperaturmeßstelle die Mindesttemperatur überschritten ist, kann mit der Zugabe von Reduktionsmittel begonnen werden. Die Menge des zu diesem Zeitpunkt zuzugebenden Reduktionsmittels entspricht genau der Menge, die in dem vor der Temperaturmeßstelle anschließenden aufgewärmten Katalysatorabschnitt umgesetzt werden kann. Bei der Steuerung für die Reduktionsmittelzugabe ist deshalb der Volumenanteil des entsprechenden Katalysatorabschnitts mitzuberücksichtigen. Überschreitet die in Strömungsrichtung an der zweiten Temperaturmeßstelle gemessene Temperatur die Mindesttemperatur, so wird die zuzugebende Reduktionsmittelmenge entsprechend dem dann größeren, bereits über die Mindesttemperatur erwärmten Katalysatorvolumenanteil erhöht, und so weiter, bis schließlich der gesamte Katalysator die Mindesttemperatur überschritten hat und die im stationären Betrieb erforderliche Reduktionsmittelmenge zugegeben werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt die einzige Figur eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Anordnung nach der einzigen Figur ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, deren Abgas über eine Abgasleitung 2 einem Katalysator 3 mit Katalysatorabschnitten 3a, 3b, 3c, 3d zugeführt wird. Die Temperatur des Katalysators kann an vier Meßstellen durch Temperatursensoren 4a, 4b, 4c und 4d gemessen werden. Die Temperatursensoren 4a, 4b, 4c und 4d sind mit einer Steuereinrichtung 5 verbunden, die ihrerseits mit einem Reduktionsmittelzugaberegler 6 verbunden ist. Der Reduktionsmittelzugaberegler erhält durch Sensoren 8 und 9 Angaben über die Stickoxidkonzentration im Abgas und das Gesamtabgasvolumen. Dazu werden mit dem Sensor 8 verschiedene Motorbetriebskennwerte gemessen, die den Lastzustand der Brennkraftmaschine angeben. Aus Kennfeldern oder Tabellen, die beispielsweise in einem Mikroprozessor abgespeichert sind, läßt sich dann die Abgaszusammensetzung herleiten. Natürlich kann die Abgaszusammensetzung unter Verwendung entsprechender Sensoren auch direkt durch Messung der Abgasbestandteile ermittelt werden. Aus den so erhaltenen Werten wird unter Berücksichtigung des Umsetzgrades des Katalysators 3, wobei die Abgastemperatur von Bedeutung ist, vom Reduktionsmittelzugaberegler die zuzugebende Menge an Reduktionsmittel, das Ammoniak sein kann, ermittelt. Das Reduktionsmittel wird aus einem Reduktionsmittelspeicher 11 entnommen und über ein vom Reduktionsmittelzugaberegler 6 gesteuertes Dosierventil 7 einer Reduktionsmittelzugabevorrichtung 10 zugeführt.

In der Aufwärmphase des Katalysators 3 beim Anfahrvorgang der Brennkraftmaschine 1 wird der Reduktionsmittelzugaberegler 6 von der Steuereinrichtung 5 beeinflußt. Die Steuereinrichtung 5 blockiert bzw. reduziert im Anfahrvorgang, wenn also der Katalysator 3 noch nicht gleichmäßig erwärmt ist, die vom Reduktionsmittelzugaberegler aufgrund der Abgassituation erforderliche Zugabemenge an Reduktionsmittel. Der Katalysator 3 ist nämlich nur dann in der Lage, die vom Reduktionsmittelzugaberegler errechnete Menge an Reduktionsmittel umzusetzen, wenn der Katalysator 3 vollständig auf eine vorgegebene Mindesttemperatur erwärmt ist. Nun erwärmt sich der Eintrittsbereich des Katalysators 3 aber wesentlich früher als sein Endbereich. Durch Messen der Temperaturen mit mehreren über der Länge des Katalysators 3 verteilten Temperatursensoren 4a, 4b, 4c, 4d wird der Katalysator in Abschnitte unterteilt, für die separat angegeben werden kann, ob sie die vorgegebene Mindesttemperatur erreicht haben oder nicht. Solange keiner der Temperatursensoren 4a, 4b, 4c, 4d die vorgegebene Mindesttemperatur erreicht hat, stoppt die Steuereinheit 5 die Zugabe von Reduktionsmittel. Zeigt der Temperatursensor 4a an, daß die vorgegebene Mindesttemperatur erreicht ist, so wird der Reduktionsmittelzugaberegler 6 angewiesen, Reduktionsmittel in die Abgasleitung 2 zuzuführen, jedoch nur die Menge, die im erwärmten Katalysatorabschnitt 3a umgesetzt werden kann. Überschreitet nun die in der Durchströmungsrichtung am zweiten Temperatursensor 4b gemessene Temperatur die Mindesttemperatur, so wird die zuzugebende Reduktionsmittelmenge entsprechend dem dann größeren, bereits über die Mindesttemperatur erwärmten Katalysatorvolumen erhöht, und so weiter, bis schließlich der gesamte Katalysator die Mindesttemperatur überschritten hat, und die im stationären Betrieb erforderliche Reduktionsmittelmenge zugegeben werden kann.

Durch dieses Verfahren wird das Potential des Katalysators auch während des Anfahrvorgangs voll ausgenutzt und dabei die Emission von nicht umgesetztem Reduktionsmittel vermieden.

Claims (1)

1. Verfahren zum selektiven katalytischen Reduzieren der Stickoxide im Abgas einer Brennkraftmaschine durch Zugabe eines Reduktionsmittels in den einem Katalysator zuströmenden Abgasstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Katalysators (3) an wenigstens zwei Stellen, mit einem im Bereich des Abgasaustritts im Katalysator (3) gelegenen Temperatursensor (4d) und mit wenigstens einem weiteren stromauf im Katalysator (3) gelegenen Temperatursensor (4a, 4b, 4c) gemessen wird, und daß die zuzugebende Menge an Reduktionsmittel in der Aufwärmphase des Katalysators (3) schrittweise um die in den an die Temperatursensoren (4a, 4b, 4c, 4d) stromauf anschließenden, auf die Mindesttemperatur erwärmten Katalysatorabschnitten (3a, 3b, 3c, 3d) umsetzbaren Mengen an Reduktionsmittel erhöht wird.