EP1957767B1 - Verfahren zur abgasnachbehandlung bei verbrennungsmotoren, und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur abgasnachbehandlung bei verbrennungsmotoren, und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens Download PDF

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EP1957767B1
EP1957767B1 EP06818688.1A EP06818688A EP1957767B1 EP 1957767 B1 EP1957767 B1 EP 1957767B1 EP 06818688 A EP06818688 A EP 06818688A EP 1957767 B1 EP1957767 B1 EP 1957767B1
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EP
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exhaust
catalytic converter
nox storage
particle filter
nox
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Achim Freitag
Carsten Jutka
Martina KÖSTERS
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Volkswagen AG
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Definitions

  • the present invention relates to a method for exhaust aftertreatment in internal combustion engines, in which the exhaust gas is withdrawn by an arranged in the exhaust line NOx catalyst assembly nitrogen oxides, according to the preamble of claim 1, and an apparatus for performing this method according to the preamble of claim. 6
  • NOx storage catalysts which collect the nitrogen oxides contained in the driving, in which the NOx storage catalyst flowing exhaust gas contained, then, for example, after reaching a predetermined filling state of the NOx storage catalyst with the help of suitable reducing agents chemically harmless Nitrogen and water are reduced.
  • suitable reducing agents chemically harmless Nitrogen and water are reduced.
  • Another active exhaust aftertreatment measure is the filtering of solid combustion residues in so-called particulate filters, which is particularly important in diesel engines.
  • NOx storage catalysts have satisfactory conversion rates only in a particular exhaust gas temperature range, i. the efficiency of the NOx storage catalyst depends i.a. also from where it is located in the exhaust system.
  • An arrangement close to the engine has the advantage that the NOx storage catalytic converter already has a satisfactory conversion rate during cold start or in partial load operation. In the high load range of the internal combustion engine, however, the exhaust gas temperature is then generally outside of the most favorable for the operation of the NOx storage catalytic converter exhaust gas temperature window.
  • an arrangement of the NOx storage catalytic converter remote from the engine is advantageous since, as a result of the strong drop in temperature of the exhaust gases in the exhaust gas line, it is also effective in the high load range.
  • an exhaust gas purification system for a lean-running internal combustion engine which a main and a secondary storage device for nitrogen oxides known, the main storage device for nitrogen oxides arranged close to the engine and the secondary storage device is arranged in the exhaust gas flow direction to the main memory.
  • the document WO02 / 14657 A1 relates to an exhaust treatment system having a catalyst soot filter disposed downstream of a diesel engine with an SCR catalyst disposed downstream and in direct fluid communication with the soot catalyst.
  • an exhaust gas treatment system with a NOx storage catalyst in which a particulate filter is arranged downstream of the NOx storage catalytic converter.
  • the particulate filter includes an NOx storage catalyst incorporated in a porous ceramic structure.
  • an internal combustion engine in which a NOx storage catalyst is arranged with a downstream heat exchanger in the exhaust system, wherein downstream of the heat exchanger exhaust gas is removed from the exhaust system and fed to the intake system of the engine behind a throttle valve.
  • the exhaust gas is de-nitrogenized in two successive stages in a first NO x storage catalytic converter arranged close to the engine and then in a second NO x storage catalytic converter arranged remote from the engine.
  • the NOx conversion is therefore divided into two components, which have their best efficiency in different engine map areas. Due to the arrangement of the first NOx storage catalytic converter close to the engine, the working window of the NOx storage catalytic converter is rapidly reached in the cold start and does not fall below even in the lower load range of the engine.
  • the engine-remote NOx catalyst also has due to the sharp drop in temperature of the exhaust gases in the exhaust system in the high load range of the engine good efficiency. Thus, a high NOx conversion is achieved in the entire engine map area.
  • the exhaust gas is simultaneously entrußed in one of the two stages in a catalyst / particulate filter assembly, ie one of the two stages is formed for example as a particulate filter with a NOx storage coating.
  • the inventive method is used in conjunction with a low-pressure exhaust gas recirculation, wherein after the particulate filter stage of the exhaust aftertreatment, a portion of the exhaust gases is diverted from the exhaust line and recycled into the intake manifold in front of a compressor of an exhaust gas turbocharger.
  • a low-pressure exhaust gas recirculation with an exhaust gas removal after particulate filter, the engine raw emissions, depending on the exhaust gas recirculation rate, and thus the total emissions of the vehicle compared to a conventional high-pressure exhaust gas recirculation reduced in the known although the nitrogen oxide formation is lowered, but increases the pollutant emissions are.
  • the internal combustion engines are either lean-running gasoline engines or diesel internal combustion engines.
  • Discharge of the exhaust gas in the catalyst / particulate filter assembly is preferably in the first stage, i. in a close-coupled assembly.
  • the NOx storage catalyst coating of the engine-mounted assembly is preferably effective in the cold start and in the lower load range of the engine.
  • the close-coupled arrangement of the particulate filter has the advantage that a thermal regeneration of the accumulated soot without additional measures such as fuel additive or external post-injection is possible.
  • the coating of the particulate filter can assist in filtering erosion.
  • the engine-remote NOx storage catalyst is, as also already explained, preferably effective in the high load range of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas is de-fired in the second stage, ie in a catalyst / particulate filter assembly remote from the engine.
  • This arrangement may result if, for package reasons, a close-coupled arrangement of the particle filter is not possible, in particular with regard to the largest possible maintenance interval and thus an enlargement of the component.
  • the regeneration of the engine-remote particulate filter can also be carried out via additional regeneration aids, for example an external post-injection or the addition of fuel additives.
  • additional external post-injection can also be used in the desulphurization of the second stage of the emission control system, as this requires temperatures of 600-750 ° C, which are difficult to produce in the second component, without the first cleaning stage must be much hotter.
  • this is used in conjunction with a partially homogeneous diesel combustion process.
  • this can be compensated by the very low NOx emissions in a partially homogeneous operation.
  • the NOx storage capability is longer with low raw emissions of the internal combustion engine, so that the risk of NOx slippage can be reduced.
  • the time intervals between two NOx regeneration phases are greater. The amount of fuel consumption is thereby reduced.
  • the load of the NOx storage catalyst is reduced by the lower number of regeneration processes.
  • a device for exhaust gas aftertreatment in internal combustion engines with an arranged in the exhaust system NOx storage catalytic converter for denitrification of the exhaust gas is designed such that the NOx catalyst assembly is two stages, with a first, near the engine NOx storage catalyst preferably for the cold start and partial load operation as well as with a downstream of the engine remote NOx storage catalyst preferably for full load operation, wherein one of the two NOx storage catalytic converters is combined with a particulate filter to form a structural unit.
  • part of the exhaust gas is branched off from the exhaust gas line after the NOx storage catalytic converter, which is combined with a particulate filter, and returned via a corresponding return line into the intake tract. Due to the fact, this arrangement must be adhered to in such a way that only fairly clean exhaust gas can be recycled in the low-pressure EGR, since otherwise it would very quickly cavitate due to strong cooling.
  • either the first NOx sputtering catalyst can be combined with a particulate filter, which has the advantage that thermal regeneration of the accumulated soot without additional measures such as fuel additives or external Nacheineinspritzung is possible.
  • the second NOx storage catalyst is combined with a particulate filter, wherein the particulate filter from outside a required for its regeneration energy can be supplied should motor measures are not used or are not sufficient.
  • This energy can, for example, by a microwave device or another electric heater is supplied;
  • a regeneration agent for example fuel is injected before the particulate filter.
  • motor vehicle 2 shown schematically is driven by an internal combustion engine 4, in this embodiment by a diesel engine.
  • the internal combustion engine 4 is equipped with an exhaust gas turbocharger 6, which uses the exhaust gases of the internal combustion engine 4 in a known manner in order to charge it.
  • the exhaust gases of the internal combustion engine 4 are discharged through an exhaust system designated as a whole with 8 into the environment.
  • a NOx storage catalytic converter / particle filter assembly 10 is arranged directly behind the engine 4, in which the exhaust gases nitrogen oxides and soot particles are withdrawn.
  • This catalyst / particulate filter assembly is designed as a particulate filter with a NOx storage catalyst coating.
  • the catalyst part of the assembly 10 is acted upon by its near-engine arrangement with relatively hot exhaust gases.
  • This exhaust gas temperature is especially in the cold start and during partial load operation in the effective working window of the NOx catalyst, so that it makes the majority of the denitrification of the exhaust gases in this operating range.
  • Another NOx storage catalyst 12 is arranged downstream of the assembly 10 in the exhaust line 8 in a remote engine position. In cold start and part load operation, the temperature of the exhaust gases at this point has fallen so far that it is below the effective working window of this catalyst, so that it has a smaller share in the denitrification in this operating range.
  • the engine-remote NOx storage catalytic converter 12 operates in the favorable working window, while the close-coupled catalyst part of the assembly 10 operates outside this window and only has a small share of denitrification at these operating points.
  • Fig. 2 shows a diagram of a typical driving cycle for diesel cars in the exhaust test. It is a test in which full-load driving conditions predominate. As the diagram shows, the exhaust gases at the entrance of the assembly 10 have a temperature of about 450 ° C, then at the entrance of the NOx storage catalyst 12, a temperature of 350 ° C. From the purely qualitative diagram of Fig. 2 shows that the NOx concentration in the engine-near assembly 10, the catalyst part is already working outside its best working window, reduced by 30%. Based on this value, the NOx concentration in the engine-out NOx storage catalytic converter 12, which operates in the favorable working window, is reduced by 85% to its final value.
  • Fig. 3 shows a diagram similar to the Fig. 2 However, this diagram is based on a part-load operation
  • the exhaust gas has a temperature of 250 ° C
  • the NOx storage catalyst 12 the exhaust gas temperature is equal to 150 ° C.
  • the NOx concentration in the near-engine assembly 10 the catalyst part of which works in a favorable working window
  • the catalyst part of which works in a favorable working window is reduced by 85%; on the basis of the achieved value, a further 15% is reduced to its final value in the engine-remote NOx storage catalytic converter 12, which operates outside the favorable working window.
  • Fig. 4 shows a representation similar to the Fig. 1 , with a motor vehicle 2, an internal combustion engine 4, an exhaust gas turbocharger 6 and an exhaust line 8.
  • the NOx storage catalyst 12 In contrast to the motor vehicle of the Fig. 1 is the NOx storage catalyst 12 'immediately behind the engine 4, that is arranged close to the engine, while the NOx storage catalyst / particulate filter assembly 10' downstream, ie remote from the engine is arranged.
  • Such an arrangement may be necessary if, for package reasons, a motor-proximate arrangement of the assembly 10 'is not possible.
  • a fuel post-injection is provided.
  • the inventive method is used in conjunction with a low-pressure exhaust gas recirculation, in which the exhaust gas removal after the unit 10 and the introduction of the exhaust gas takes place in front of the compressor of the turbocharger Flg. 1 shows schematically an exhaust gas recirculation line 18, via which an exhaust gas portion is branched off from the exhaust gas line 8 and introduced into the intake tract 20.
  • this system with an exhaust gas removal after the coated particulate filter and the concentration of NOx, CO and HC of the recirculated exhaust gas is significantly reduced. In this way, depending on the exhaust gas recirculation rate, the engine gross emissions and thus also the total emissions of the vehicle compared to a high-pressure exhaust gas recirculation can be reduced.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem dem Abgas durch eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Katalysatoranordnung Stickoxide entzogen werden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
  • Zum Entsticken der Abgase werden moderne NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt, welche die im Fahrbetrieb gebildeten, in dem den NOx-Speicherkatalysator durchströmenden Abgas enthaltenen Stickoxide sammeln, die dann beispielsweise nach Erreichen eines vorgegebenen Füll-Zustandes des NOx-Speicherkatalysators mit Hilfe geeigneter Reduktionsmittel chemisch zu ungefährlichem Stickstoff und Wasser reduziert werden. Derartige NOx-Speichersysteme und deren Regeneration werden beispielsweise in der DE 195 22 165 A1 beschrieben.
  • Eine weitere aktive Abgasnachbehandlungsmaßnahme ist das Ausfiltern von festen Verbrennungsrückstanden in sogenannten Partikelfiltern, was insbesondere bei Dieselmotoren von Bedeutung ist.
  • Es ist allgemein bekannt, dass NOx-Speicherkatalysatoren nur in einem bestimmten Abgastemperaturbereich zufriedenstellende Umsatzraten aufweisen, d.h. der Wirkungsgrad des NOx-Speicherkatalysators hängt u.a. auch davon ab, wo dieser im Abgasstrang angeordnet ist. Eine motornahe Anordnung hat den Vorteil, dass der NOx-Speicherkatalysator schon beim Kaltstart bzw. im Teillastbetrieb eine zufriedenstellende Umsatzrate hat. Im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors liegt die Abgastemperatur dann jedoch im allgemeinen außerhalb des für den Betrieb des NOx-Speicherkatalysators günstigsten Abgastemperaturfensters.
  • Für diesen Betriebszustand ist deshalb eine motorferne Anordnung des NOx-Speicherkatalysators von Vorteil, da dieser infolge des starken Temperaturabfalls der Abgase im Abgasstrang auch noch im Hochlastbereich wirksam ist.
  • Aus der DE 10 2004 029 2002 A1 ist ein Abgasreinigungssystem für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine bekannt, welches eine Haupt- und eine Sekundärspeichereinrichtung für Stickoxide bekannt, wobei die Hauptspeichereinrichtung für Stickoxide motornah angeordnet und die Sekundärspeichereinrichtung in Abgasstromrichtung nach den Hauptspeicher angeordnet ist.
  • Das Dokument WO02/14657 A1 bezieht sich auf ein Abgasbehandlungssystem mit einem Katalysatorrußfilter, der stromabwärts eine Dieselbrennkraftmaschine angeordnet ist, wobei ein SCR-Katalysator stromabwärts und in direkter Fluidkommunikation mit dem Rußkatalysator angeordnet ist.
  • Aus dem Dokument EP 1 555 401 A1 ist ein Abgasbehandlungssystem mit einem NOx-Speicherkatalysator bekannt, bei dem ein Partikelfilter stromab des NOx-Speicherkatalysators angeordnet ist. Der Partikelfilter beinhaltet einen in eine poröse keramische Struktur inkorporierten NOx-Speicherkatalysator.
  • Aus dem Dokument D2 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem ein NOx-Speicherkatalysator mit einem nachgeschalteten Wärmetauscher in der Abgasanlage angeordnet ist, wobei stromabwärts des Wärmetauschers Abgas aus der Abgasanlage entnommen und hinter einem Drosselventil dem Ansaugsystems des Motors zugeführt wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem eine verbesserte NOx-Konvertierung im gesamten Motorkennfeldbereich erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfingdungsgemäß wird das Abgas in zwei aufeinanderfolgenden Stufen in einem ersten, motornah angeordneten NOx-Speicherkatalysator und anschließend in einem zweiten, motorfern angeordneten NOx-Speicherkatalysator entstickt. Die NOx-Konvertierung wird demnach auf zwei Bauteile aufgeteilt, die in unterschiedlichen Motorkennfeldbereichen ihren besten Wirkungsgrad haben. Durch die motornahe Anordnung des ersten NOx-Speicherkatalysators wird das Arbeitsfenster des NOx-Speicherkatalysators im Kaltstart schnell erreicht und auch im unteren Lastbereich des Motors nicht unterschritten. Der motorferne NOx-Katalysator hat infolge des starken Temperaturabfalls der Abgase im Abgasstrang auch noch im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors einen guten Wirkungsgrad. Somit wird im gesamten Motorkennfeldbereich eine hohe NOx-Konvertierung erreicht. Durch diese Anordnung wird eine Erweiterung des Arbeitsfensters der NOx-Speicherkatalysatoranordnung im Vergleich zu einem einzelnen Bauteil mit gleichem Gesamtvolumen und mit gleicher NOx-Speicherkatalysatorfläche erreicht. Der Abstand zwischen beiden Bauteilen und die dadurch erreichte Temperaturdifferenz ist ein Optimierungsparameter für das Arbeitsfenster. Dabei wird das Abgas in einer der beiden Stufen in einer Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit gleichzeitig entrußt, d.h. eine der beiden Stufen ist beispielsweise als Partikelfilter mit einer NOx-Speicherbeschichtung ausgebildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Verbindung mit einer Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt, wobei nach der Partikelfilter-Stufe der Abgasnachbehandlung ein Teil der Abgase aus dem Abgasstrang abgezweigt und in den Ansaugtrakt vor einem Verdichter eines Abgasturboladers rückgeführt wird. Bei diesem Verfahren mit Niederdruck-Abgasrückführung mit einer Abgasentnahme nach Partikelfilter werden die Motor-Rohemissionen, abhängig von der Abgasrückführrate, und damit auch die Gesamtemission des Fahrzeuges gegenüber einer herkömmlichen Hochdruck-Abgasrückführung verringert, bei der bekanntlich zwar die Stickoxidbildung abgesenkt, die Schadstoffemissionen jedoch erhöht sind.
  • Bei den Brennkraftmaschinen handelt es sich entweder um magerlauffähige Ottomotoren oder um Dieselbrennkraftmaschinen.
  • Die Entrußung des Abgases in der Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit erfolgt vorzugsweise in der ersten Stufe, d.h. in einer motornah angeordneten Baueinheit. Wie bereits vorne ausgeführt wurde, ist die NOx-Speicherkatalysatorbeschichtung der motornahen Baueinheit vorzugsweise im Kaltstart und im unteren Lastbereich des Motors wirksam. Die motornahe Anordnung des Partikelfilters hat den Vorteil, dass eine thermische Regeneration des angesammelten Rußes ohne Zusatzmaßnahmen wie Kraftstoffadditiv oder externe Nacheinspritzung möglich ist. Zudem kann die Beschichtung des Partikelfilters unterstützend beim Filterabbrand wirken. Der motorferne NOx-Speicherkatalysator ist, wie ebenfalls bereits erläutert wurde, vorzugsweise im Hochlastbereich des Verbrennungsmotors wirksam.
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Abgas Jedoch In der zweiten Stufe entrußt, d.h. in einer motorfern angeordneten Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit. Diese Anordnung kann sich ergeben, wenn aus Package-Gründen eine motornahe Anordnung des Partikelfilters nicht möglich ist, insbesondere hinsichtlich eines möglichst großen Wartungsintervalls und damit einer Vergrößerung des Bauteils. In diesem Fall kann die Regeneration des motorfernen Partikelfilters auch über zusätzliche Regenerationshilfen, z.B. eine externe Nacheinspritzung oder die Zugabe von Kraftstoffadditiven erfolgen. Diese zusätzliche externe Nacheinspritzung kann auch bei der Entschwefelung der zweiten Stufe der Abgasreinigungsanlage eingesetzt werden, da hierfür Temperaturen von 600 - 750°C erforderlich sind, die nur schwer im zweiten Bauteil zu erzeugen sind, ohne dass die erste Reinigungsstufe wesentlich heißer werden muss.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses in Verbindung mit einem teilhomogenen Dieselbrennverfahren eingesetzt. Insbesondere in Motorkennfeldbereichen mit niedrigen Abgastemperaturen, bei denen die Aktivität des NOx-Katalysators eingeschränkt ist, kann dies durch die sehr geringen NOx-Emissionen bei einem teilhomogenen Betrieb kompensiert werden. Die NOx-Speicherfähigkeit reicht bei geringen Rohemissionen des Verbrennungsmotors länger, so dass das Risiko eines NOx-Schlupfes verringert werden kann. Außerdem sind bei geringen Rohemissionen die Zeitabstände zwischen zwei NOx-Regenerationsphasen größer. Die Höhe des Kraftstoffverbrauchs wird dadurch vermindert. Auch wird die Belastung des NOx-Speicherkatalysators durch die geringere Zahl an Regenerationsvorgängen verringert.
  • Analog zu dem oben beschriebenen Verfahren ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren mit einer im Abgasstrang angeordneten NOx-Speicherkatalysatoranordnung zur Entstickung des Abgases derart ausgestaltet, dass die NOx-Katalysatoranordnung zweistufig ist, und zwar mit einem ersten, motornahen NOx-Speicherkatalysator vorzugsweise für den Kaltstart- und Teillastbetrieb sowie mit einem stromabwärts davon angeordneten motorfernen NOx-Speicherkatalysator vorzugsweise für den Volllastbetrieb, wobei einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit kombiniert ist. Um die oben beschriebene Niederdruck-Abgasrückführung durchzuführen, wird nach dem NOx-Speicherkatalysstor, welcher mit einem Partikelfilter kombiniert ist, aus dem Abgasstrang ein Teil des Abgases abgezweigt und über eine entsprechende Rückführleitung in den Ansaugtrakt rückgeführt. Diese Anordnung muss aufgrund der Tatsache so eingehalten werden, weil nur recht sauberes Abgas in der Niederdruck-AGR rückgeführt werden darf, da diese wegen starker Kühlung sonst sehr schnell versotten würde.
  • Dabei kann entweder der erste NOx-Spelcherkatalysator mit einem Partikelfilter kombiniert sein, was den Vorteil hat, dass eine thermische Regeneration des angesammelten Rußes ohne Zusatzmaßnahmen wie Kraftstoffadditive oder externe Nacheineinspritzung möglich ist. In einer anderen Ausgestaltung ist der zweite NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter kombiniert, wobei dem Partikelfilter von außen eine für dessen Regeneration erforderliche Energie zugeführt werden kann, sollten motorische Maßnahmen nicht zum Einsatz kommen oder nicht ausreichen. Diese Energie kann beispielsweise durch eine Mikrowelleneinrichtung oder eine andere elektrische Heizeinrichtung zugeführt werden; vorzugsweise wird jedoch vor dem Partikelfilter ein Regenerationsmittel, beispielsweise Kraftstoff eingespritzt.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch ein Kraftfahrzeug, in dessen Abgasstrang eine motornahe Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit und ein motorferner NOx-Speicherkatalysator angeordnet sind;
    Fig. 2
    ein Diagramm eines Abgas-Messzyklus, wobei die NOx-Konzentration über dem Abgasweg dargestellt ist;
    Fig. 3
    in einer ähnlichen Darstellung ein Diagramm eines anderen Abgas-Messzyklus;
    Fig. 4
    eine Darstellung ähnlich der Fig. 1, wobei im Abgasstrang jedoch ein motornaher NOx-Speicherkatalysator und eine motorferne Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit angeordnet sind.
  • Das in der Fig. 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 2 wird durch einen Verbrennungsmotor 4, in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Dieselmotor, angetrieben. Wie ebenfalls schematisch dargestellt ist, ist der Verbrennungsmotor 4 mit einem Abgasturbolader 6 ausgestattet, welcher in bekannter Weise die Abgase des Verbrennungsmotors 4 nutzt, um diesen aufzuladen.
  • Die Abgase des Verbrennungsmotors 4 werden durch einen als Ganzes mit 8 bezeichneten Abgasstrang in die Umgebung abgeführt. In diesem Abgasstrang ist unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor 4 eine NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit 10 angeordnet, in welcher den Abgasen Stickoxide und Rußpartikel entzogen werden. Diese Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit ist als Partikelfilter mit einer NOx-Speicherkatalysatorbeschichtung ausgebildet.
  • Der Katalysatorteil der Baueinheit 10 wird infolge seiner motornahen Anordnung mit relativ heißen Abgasen beaufschlagt. Diese Abgastemperatur liegt insbesondere beim Kaltstart und im Teillastbetrieb im wirksamen Arbeitsfenster des NOx-Katalysators, so dass er in diesem Betriebsbereich den Hauptanteil an der Entstickung der Abgase leistet.
  • Ein weiterer NOx-Speicherkatalysator 12 ist stromabwärts der Baueinheit 10 im Abgasstrang 8 in einer motorfernen Position angeordnet. Im Kaltstart- und Teillastbetrieb ist die Temperatur der Abgase an dieser Stelle so weit abgesunken, dass sie unterhalb des wirksamen Arbeitsfensters dieses Katalysators liegt, so dass dieser in diesem Betriebsbereich an der Entstickung einen geringeren Anteil hat.
  • Im Volllastbetrieb arbeitet hingegen der motorferne NOx-Speicherkatalysator 12 im günstigen Arbeitsfenster, während der motornahe Katalysatorteil der Baueinheit 10 außerhalb dieses Fensters arbeitet und an diesen Betriebspunkten an der Entstickung nur einen geringen Anteil hat.
  • Fig. 2 zeigt ein Diagramm eines typischen Fahrzyklus für Diesel-PKW im Abgastest. Es handelt sich dabei um einen Test, bei welchem volllastartige Fahrzustände überwiegen. Wie das Diagramm erkennen lässt, haben die Abgase am Eingang der Baueinheit 10 eine Temperatur von etwa 450°C, am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 12 dann noch eine Temperatur von 350°C. Aus dem rein qualitativen Diagramm der Fig. 2 ergibt sich, dass die NOx-Konzentration in der motornahen Baueinheit 10, deren Katalysatorteil schon außerhalb seines günstigsten Arbeitsfensters arbeitet, um 30 % reduziert. Ausgehend von diesem Wert wird die NOx-Konzentration in dem motorfernen NOx-Speicherkatalysator 12, der im günstigen Arbeitsfenster arbeitet, um 85 % auf seinen Endwert reduziert.
  • Fig. 3 zeigt ein Diagramm ähnlich der Fig. 2, wobei jedoch diesem Diagramm ein teillastartiger Betrieb zugrunde liegt Am Eingang der Baueinheit 10 hat das Abgas eine Temperatur von 250°C, und am Eingang des NOx-Speicherkatalysators 12 ist die Abgastemperatur gleich 150°C. Wie das qualitative Diagramm erkennen lässt, wird die NOx-Konzentration in der motornahen Baueinheit 10, deren Katalysatorteil in einem günstigen Arbeitsfenster arbeitet, um 85 % reduziert; ausgehend von dem erreichten Wert wird in dem motorfernen NOx-Speicherkatalysator 12, der außerhalb des günstigen Arbeitsfensters arbeitet, um weitere 15 % auf ihren Endwert reduziert.
  • Fig. 4 zeigt eine Darstellung ähnlich der Fig. 1, mit einem Kraftfahrzeug 2, einem Verbrennungsmotor 4, einem Abgasturbolader 6 und einem Abgasstrang 8.
  • Im Gegensatz zu dem Kraftfahrzeug der Fig. 1 ist der NOx-Speicherkatalysator 12' unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor 4, d.h. also motornah angeordnet, während die NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit 10' stromabwärts davon, d.h. motorfern angeordnet ist. Eine derartige Anordnung kann erforderlich sein, wenn aus Package-Gründen eine motornahe Anordnung der Baueinheit 10' nicht möglich ist. In diesem Fall kann die Regeneration des motorfernen Partikelfilterteils der Baueinheit 10' über zusätzliche Regenerationshilfen, z.B. eine externe Nacheinspritzung oder die Zugabe von Kraftstoffadditiv erfolgen, sollte der Einsatz von motorischen Maßnahmen nicht erwünscht oder zu ineffektiv sein. In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Kraftstoff-Nacheinspritzung vorgesehen. Zu diesem Zweck wird dem Kraftstofftank 14 des Fahrzeuges Kraftstoff entnommen und über eine Nacheinspritzleitung 16 vor der Baueinheit 10 in den Abgasstrang 8 eingespritzt (HCl = HC-Injektion).
  • Wie bereits weiter vorne dargelegt wurde, wird das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt, bei der die Abgasentnahme nach der Baueinheit 10 und die Einleitung des Abgases vor dem Verdichter des Turboladers erfolgt Flg. 1 zeigt schematisch eine Abgasrückführleitung 18, über die ein Abgasanteil aus dem Abgasstrang 8 abgezweigt und in den Ansaugtrakt 20 eingeleitet wird. Bei diesem System mit einer Abgasentnahme nach dem beschichteten Partikelfilter ist auch die Konzentration an NOx, CO und HC des rückgeführten Abgases erheblich reduziert. Auf diese Weise können, abhängig von der Abgasrückführrate, die Motorrohemissionen und damit auch die Gesamtemission des Fahrzeuges gegenüber einer Hochdruck-Abgasrückführung verringert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Kraftfahrzeug
    4
    Verbrennungsmotor
    6
    Abgasturbolader
    8
    Abgasstrang
    10
    NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit
    10'
    NOx-Speicherkatalysator/Partikelfilter-Baueinheit
    12
    NOx-Katalysator
    12'
    NOx-Katalysator
    14
    Kraftstofftank
    16
    Nacheinspritzleitung
    18
    Abgasrückführleitung
    20
    Ansaugtrakt

Claims (9)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, bei welchem das Abgas durch eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Katalysatoranordnung entstickt wird, wobei die NOx-Katalysatoranordnung zweistufig mit zwei aufeinanderfolgenden NOx-Speicherkatalysatoren ausgebildet ist, wobei
    der erste NOx-Speicherkatalysator motornah und der zweite NOx-Speicherkatalysator motorfern angeordnet sind, wobei einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren als Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit (10, 10') ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Verbindung mit einer Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt wird, wobei nach dem Partikelfilter (10, 10') ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang (8) abgezweigt und vor dem Verdichter eines Turboladers (6) in den Ansaugtrakt (20) rückgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in der ersten Stufe entrußt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas in der zweiten Stufe entrußt wird, wobei der Katalysator/Partikelfilter-Baueinheit (10') von außen eine für die Regeneration des Partikelfilters erforderliche Energie zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es in Verbindung mit einem teilhomogenen Dieselbrennverfahren eingesetzt wird.
  5. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, umfassend eine im Abgasstrang angeordnete NOx-Speicherkatalysatoranordnung zur Entstickung des Abgases, wobei die NOx-Speicherkatalysatoranordnung zweistufig mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator und einem stromabwärts davon angeordneten zweiten NOx-Speicherkatalysator ausgebildet ist, wobei einer der beiden NOx-Speicherkatalysatoren mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (10) kombiniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Partikelfilter (10, 10') ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang (8) abgezweigt und vor dem Verdichter eines Turboladers (6) in den Ansaugtrakt (20) rückgeführt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (10) kombiniert ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite NOx-Speicherkatalysator mit einem Partikelfilter zu einer Baueinheit (10') kombiniert ist, und dass dem Partikelfilter von außen eine für dessen Regeneration erforderliche Energie zugeführt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Regeneration des Partikelfilters extern zugeführte Energie auch für die Desulfatierung des motorfernen NOx-Speicherkatalysatorbauteils verwendet wird.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Partikelfilter Kraftstoff in den Abgasstrang eingespritzt wird.
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