DE102006009028A1 - Assembly and method for nitrogen oxide reduction in the exhaust system of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Eine Baugruppe zur Stickoxidminderung in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs weist einen SCR-Katalysator (12), einen stromaufwärts des SCR-Katalysators (12) angeordneten selektiven Ammoniakerzeugungskatalysator (16), der so ausgebildet ist, daß er unabhängig vom Sauerstoffgehalt im Abgas aus dem Abgasstrom zugeführtem Kraftstoff Wasserstoff erzeugt, der mit den im Abgasstrom vorhandenen Stickoxiden zu Ammoniak reagiert, und eine stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators (16) angeordnete Vorrichtung (18) zur Einbringung von Kraftstoff in den Abgasstrom auf. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Stickoxidminderung sieht vor, den NOx-Gehalt im Abgas zu bestimmen, in Abhängigkeit davon Kraftstoff in den Abgasstrom einzubringen und unabhängig vom Sauerstoffgehalt im Abgas im Ammoniakerzeugungskatalysator (16) Ammoniak zu erzeugen.A NOx reduction assembly in the exhaust system of a motor vehicle includes an SCR catalyst (12), a selective ammonia generation catalyst (16) disposed upstream of the SCR catalyst (12), adapted to be exhausted from the exhaust stream independently of the oxygen content in the exhaust Fuel generates hydrogen which reacts with the nitrogen oxides present in the exhaust gas stream to form ammonia, and a device (18) arranged upstream of the ammonia generation catalyst (16) for introducing fuel into the exhaust gas stream. A method according to the invention for nitrogen oxide reduction provides for determining the NO x content in the exhaust gas, introducing fuel into the exhaust gas flow as a function of this, and generating ammonia independently of the oxygen content in the exhaust gas in the ammonia generation catalyst (16).
Description
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Stickoxidminderung in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stickoxidminderung in einer Kfz-Abgasanlage.The The invention relates to an assembly for nitrogen oxide reduction in the Exhaust system of a motor vehicle. Furthermore, the invention relates a method for nitrogen oxide reduction in a vehicle exhaust system.
Zur Einhaltung umweltgesetzlicher Vorgaben müssen die Abgase von verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen einer Reinigung unterzogen werden. Insbesondere kommen zur Stickoxidminderung zunehmend sogenannte SCR-Katalysatoren (auch als Denitrierungskatalysatoren bezeichnet) zum Einsatz, die bei der Verbrennung im Motor erzeugte Stickoxide (NOx) unter Zuhilfenahme von im SCR-Katalysator zwischengespeichertem Ammoniak (NH3) selektiv zu Wasser und Stickstoff reduzieren. Die Bereitstellung des für die selektive katalytische Reduktion benötigten Ammoniaks erfolgt durch Hydrolyse von Harnstoff, der dem Abgas für gewöhnlich in gelöster Form zugegeben wird. Hierzu sind ein im Fahrzeug angeordneter Vorratstank sowie ein vergleichsweise aufwendiges Dosiersystem für die Harnstofflösung erforderlich. Beides verursacht erhöhte Kosten sowie einen erhöhten Platzbedarf, was insbesondere im Falle von Personenkraftwagen problematisch sein kann.To comply with environmental regulations, the exhaust gases of motor vehicles powered by internal combustion engines must be subjected to a cleaning. In particular, so-called SCR catalysts (also referred to as denitration catalysts), which selectively reduce nitrogen oxides (NO x ) produced during combustion in the engine with the aid of ammonia (NH 3 ) temporarily stored in the SCR catalyst, are increasingly used to reduce nitrogen oxides. The provision of the ammonia required for the selective catalytic reduction is accomplished by hydrolysis of urea which is usually added to the offgas in dissolved form. For this purpose, a storage tank arranged in the vehicle and a comparatively complicated metering system for the urea solution are required. Both causes increased costs and increased space requirements, which can be problematic especially in the case of passenger cars.
Diese
genannten Nachteile versuchen Systeme zur fahrzeuginternen Ammoniakerzeugung
zu umgehen. Bei einem aus der
Auch
bei einer aus der
Demgegenüber schafft die Erfindung ein System bzw. ein Verfahren, bei dem ein SCR-Katalysator bei Bedarf jederzeit mit Ammoniak versorgt werden kann.In contrast creates the invention a system or a method in which an SCR catalyst If required, it can be supplied with ammonia at any time.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe zur Stickoxidminderung in der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs erreicht, mit einem SCR-Katalysator, einem stromaufwärts des SCR-Katalysators angeordneten selektiven Ammoniakerzeugungskatalysator, der so ausgebildet ist, daß er unabhängig vom Sauerstoffgehalt im Abgas aus dem Abgasstrom zugeführtem Kraftstoff Wasserstoff erzeugt, der mit den im Abgasstrom vorhandenen Stickoxiden zu Ammoniak reagiert, und einer stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators angeordneten Vorrichtung zur Einbringung von Kraftstoff in den Abgasstrom. Dabei kombiniert der Ammoniakerzeugungskatalysator zwei Funktionen. Zum einen setzt er Kraftstoff auch in Gegenwart hoher Sauerstoffkonzentrationen zu Wasserstoff um, wodurch sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung von bekannten Systemen unterscheidet. Bei diesen erfolgt nämlich üblicherweise bei Sauerstoffüberschuß eine Oxidation von unverbranntem Kraftstoff zu CO2 und H2O. Nur im fetten Gemisch kann bei bekannten Systemen Wasserstoff gebildet werden. Zum anderen wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der gebildete Wasserstoff im Ammoniakerzeugungskatalysator mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden zu Ammoniak umgesetzt, wobei beide Reaktionen parallel ablaufen. Da die Ammoniakerzeugung also auf einer selektiven katalytischen Reaktion beruht, die vom Sauerstoffgehalt im Abgas unbeeinflußt ist, kann durch die erfindungsgemäße Baugruppe jederzeit Ammoniak erzeugt werden, der im nachgeschalteten SCR-Katalysator zur selektiven Stickoxidreduktion eingesetzt wird. Das erfindungsgemäße System ist somit gänzlich unabhängig vom Betriebszustand des Motors. Ferner zeichnet es sich durch einen geringeren Kraftstoffmehrverbrauch als im Stand der Technik aus, da der dem Abgas zugeführte Kraftstoff bei der erfindungsgemäßen Baugruppe nicht dazu dient, das Abgas (etwa bei einem Magerbetriebsmotor) anzufetten, sondern lediglich den Wasserstoff für die Ammoniakerzeugung zu liefern. Die erfindungsgemäße Baugruppe bietet darüber hinaus gegenüber Systemen mit Harnstoffeindüsung den Vorteil der Ammoniakerzeugung bei deutlich tieferen Temperaturen. Die Harnstoffeindüsung erfolgt üblicherweise bei Temperaturen von mindestens 200°C. Beim erfindungsgemäßen System erfolgt die Kraftstoffzufuhr bei geeignetem SCR-Katalysator bei deutlich niedrigeren Temperaturen, etwa ab 150°C. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Baugruppe besteht darin, daß für die Ammoniakerzeugung bereits ein Teil (im Idealfall etwa 50 %) der im Abgas enthaltenen Stickoxide benötigt wird. Die verbliebenen Stickoxide werden im SCR-Katalysator reduziert, wobei die für die SCR-Reaktion typische Stöchiometrie von NH3 zu NO eins beträgt. Da also die Menge an Stickoxiden, die zum SCR-Katalysator gelangt, bereits um den zur Ammoniakerzeugung benötigten Teil verringert ist, kann der SCR-Katalysator gegenüber dem Stand der Technik ein deutlich kleineres Volumen aufweisen, da er eine deutlich kleinere Menge an NOx (im Idealfall nur die Hälfte) umsetzen muß.This is inventively achieved by an assembly for nitrogen oxide reduction in the exhaust system of a motor vehicle, with an SCR catalyst, a selective upstream of the SCR catalyst arranged ammonia generating catalyst which is designed so that it generates hydrogen regardless of the oxygen content in the exhaust gas from the exhaust gas supplied fuel which reacts with the nitrogen oxides present in the exhaust gas stream to ammonia, and a device arranged upstream of the ammonia generating catalyst for introducing fuel into the exhaust gas stream. The ammonia generation catalyst combines two functions. On the one hand, it converts fuel into hydrogen even in the presence of high oxygen concentrations, as a result of which the embodiment according to the invention differs from known systems. In these, namely, an oxidation of unburned fuel to CO 2 and H 2 O is usually carried out at an excess of oxygen. Hydrogen can only be formed in the rich mixture in known systems. On the other hand, in the embodiment according to the invention, the hydrogen formed in the ammonia generating catalyst is converted into ammonia with nitrogen oxides contained in the exhaust gas, with both reactions taking place in parallel. Since the ammonia production is thus based on a selective catalytic reaction, which is unaffected by the oxygen content in the exhaust gas, ammonia can be generated by the assembly according to the invention at any time, which is used in the downstream SCR catalyst for selective nitrogen oxide reduction. The system according to the invention is thus completely independent of the operating state of the engine. Furthermore, it is characterized by a lower fuel consumption than in the prior art, since the fuel supplied to the exhaust gas in the assembly according to the invention does not serve to degrease the exhaust gas (such as in a lean-burn engine), but merely to supply the hydrogen for ammonia production. In addition, the assembly according to the invention offers the advantage of ammonia production at significantly lower temperatures compared to systems with urea injection. The urea injection is usually carried out at temperatures of at least 200 ° C. In the system according to the invention, the fuel is supplied at a suitable SCR catalyst at much lower temperatures, for example from 150 ° C. Another advantage of the assembly according to the invention is that for the ammonia already a part (ideally about 50%) of the nitrogen oxides contained in the exhaust gas is needed. The remaining nitrogen oxides are reduced in the SCR catalyst, with the typical for the SCR reaction stoichiometry of NH 3 to NO is one. Since the amount of nitrogen oxides which reaches the SCR catalyst is already reduced by the part required for the production of ammonia, the SCR catalyst can have a significantly smaller volume than the prior art because it has a significantly smaller amount of NO x ( ideally only half).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuerung vorgesehen, die die Menge des eingebrachten Kraftstoffs sowie den Zeitpunkt und die Dauer der Einbringung steuert bzw. regelt. Auf diese Weise kann die Menge des erzeugten Ammoniaks dem aktuellen Bedarf angepaßt werden.According to one preferred embodiment a controller is provided which determines the amount of fuel introduced and controls the timing and duration of the contribution. In this way, the amount of ammonia generated can be the current one Needs adapted become.
Zumindest stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, der insbesondere mit der Steuerung verbunden ist.At least upstream of the ammonia generating catalyst, a temperature sensor may be provided, in particular with the Steue connected.
Weiterhin sollte zumindest ein stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators angeordneter NOx-Sensor vorgesehen sein, der den momentanen Stickoxidgehalt im Abgas mißt. In Abhängigkeit von diesem Stickoxidgehalt wird dann die Menge des in die Abgasleitung eingebrachten Kraftstoffs gesteuert bzw. geregelt. Alternativ ist es ebenso möglich, den momentanen Stickoxidgehalt mittels im Motorsteuergerät hinterlegten Kennfeldern in Abhängigkeit vom aktuellen Motorbetriebspunkt zu ermitteln oder, basierend auf einer modellmäßigen mathematischen Beschreibung des Emissionsverhaltens, zu berechnen.Furthermore, at least one arranged upstream of the ammonia generating catalyst NO x sensor should be provided which measures the instantaneous nitrogen oxide content in the exhaust gas. Depending on this nitrogen oxide content, the amount of fuel introduced into the exhaust gas line is then controlled or regulated. Alternatively, it is also possible to determine the instantaneous nitrogen oxide content by means of characteristic maps stored in the engine control unit as a function of the current engine operating point or to calculate it based on a model-based mathematical description of the emission behavior.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zumindest ein Sauerstoffsensor vorgesehen sein, der ebenfalls stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators angeordnet ist und bei dem es sich beispielsweise um eine Lambdasonde handelt.According to one another embodiment at least one oxygen sensor may be provided, which is also upstream of the Ammonia generating catalyst is arranged and in which it is for example, is a lambda probe.
Optional sind stromabwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators und/oder des SCR-Katalysators NOx und/oder NH3-Sensoren angeordnet. Diese erfassen den Ammoniak- bzw. NOx-Gehalt im Abgasstrom und ermöglichen dadurch eine besonders genaue Regelung des Systems.Optionally, NO x and / or NH 3 sensors are arranged downstream of the ammonia generation catalyst and / or the SCR catalyst. These detect the ammonia or NO x content in the exhaust gas flow and thus allow a particularly accurate control of the system.
Vorteilhaft handelt es sich bei der Vorrichtung zur Einbringung von Kraftstoff um eine Verdampfungseinheit. Diese weist z.B. ein in einer Kammer angeordnetes Heizelement, etwa eine Glühkerze, auf. In der Kammer wird flüssiger Kraftstoff (z.B. aus dem Kraftstofftank des Fahrzeugs) verdampft und in Dampfform in den Abgasstrom eingebracht, wodurch eine besonders gute Verteilung des Kraftstoffs im Abgas gewährleistet ist. Eine solche Verdampfungseinheit ist zudem wesentlich einfacher aufgebaut als die aus dem Stand der Technik bekannten Dosiervorrichtungen für Harnstofflösung.Advantageous it is in the device for introducing fuel around an evaporation unit. This includes e.g. an arranged in a chamber Heating element, such as a glow plug, on. In the chamber becomes more fluid Fuel (e.g., from the fuel tank of the vehicle) evaporates and introduced into the exhaust stream in vapor form, whereby a particularly good distribution of the fuel is ensured in the exhaust gas. Such Evaporation unit is also much simpler than the known from the prior art metering devices for urea solution.
Der Ammoniakerzeugungskatalysator weist bevorzugt eine katalytisch wirksame Beschichtung auf, die wenigstens ein Edelmetall, bevorzugt aus der Gruppe der Pt-Metalle, umfaßt. Diese Beschichtung kann auf einem üblichen Substrat (z.B. Cordierit) mit einem oxidischen Washcoat (z.B. Al2O3, SiO2, ZrO2, ...) aufgebracht sein.The ammonia generating catalyst preferably has a catalytically active coating comprising at least one noble metal, preferably from the group of Pt metals. This coating can be applied to a conventional substrate (eg cordierite) with an oxide washcoat (eg Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 ,...).
Vorteilhaft weist der Ammoniakerzeugungskatalysator eine NOx-Speicherbeschichtung auf. Somit kann sich NOx auf der Oberfläche des Ammoniak erzeugungskatalysators sammeln, das mit dem eingebrachten Kraftstoff zu NH3 reagiert.Advantageously, the ammonia generation catalyst has a NO x storage coating. Thus, NO x can accumulate on the surface of the ammonia generation catalyst, which reacts with the introduced fuel to NH 3 .
Dabei umfaßt die NOx-Speicherbeschichtung vorzugsweise wenigstens ein Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall.The NO x storage coating preferably comprises at least one alkali metal and / or alkaline earth metal.
Stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators kann ein Oxidationskatalysator zur Erhöhung des NO2/NO-Verhältnisses im Abgasstrom angeordnet sein. Da im Ammoniakerzeugungskatalysator nur NO2 gespeichert werden kann und dieses auch im SCR-Katalysator schneller reagiert als NO, läßt sich auf diese Weise die Effizienz des Systems erhöhen. Ebenso wäre es denkbar, den NO2-Gehalt durch ein nicht-thermisches Plasma zu erhöhen oder direkt im Ammoniakerzeugungskatalysator NO2 aus NO zu erzeugen.Upstream of the ammonia generating catalyst may be an oxidation catalyst for increasing the NO 2 / NO ratio in the exhaust stream. Since only NO 2 can be stored in the ammonia generation catalyst and this also reacts faster in the SCR catalyst than NO, the efficiency of the system can be increased in this way. It would also be conceivable to increase the NO 2 content by a non-thermal plasma or to generate NO 2 from NO directly in the ammonia generation catalyst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Ammoniakerzeugungskatalysator und die Vorrichtung zur Einbringung von Kraftstoff in einer parallel zu einer Hauptabgasleitung verlaufenden Bypassleitung angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung genügt ein geringeres Volumen des Ammoniakerzeugungskatalysators. Zudem kann durch variable Aufteilung der Volumenströme auf die Hauptabgasleitung und die Bypassleitung das NH3/NOx Verhältnis geregelt werden.According to a further embodiment of the invention, the ammonia-producing catalyst and the device for introducing fuel are arranged in a bypass line running parallel to a main exhaust gas line. In this embodiment, a smaller volume of the ammonia generating catalyst is sufficient. In addition, the NH 3 / NO x ratio can be regulated by variable distribution of the volume flows to the main exhaust gas line and the bypass line.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Stickoxidminderung in einer Kfz-Abgasanlage mit einem SCR-Katalysator, einem stromaufwärts des SCR-Katalysators angeordneten selektiven Ammoniakerzeugungskatalysator und einer stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators angeordneten Vorrichtung zur Einbringung von Kraftstoff in den Abgasstrom vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:
- – Bestimmen des NOx-Gehalts im Abgas,
- – Einbringen von Kraftstoff in den Abgasstrom in Abhängigkeit vom bestimmten NOx-Gehalt und
- – Erzeugen von Ammoniak im Ammoniakerzeugungskatalysator unab hängig vom Sauerstoffgehalt im Abgas.
- Determining the NO x content in the exhaust gas,
- - introducing fuel into the exhaust stream depending on the determined NO x content and
- - Generating ammonia in the ammonia generating catalyst inde pendent of the oxygen content in the exhaust gas.
Wie bereits erwähnt, kann dabei die Bestimmung des NOx-Gehalts durch Messung oder durch Berechnung mittels Daten aus dem Motorkennfeld erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine ständige, bedarfsorientierte Ammoniakerzeugung, die (abgesehen von einer möglichen Ermittlung des momentanen NOx Gehalts über das Motorkennfeld) vom Betriebszustand des Motors sowie vom Sauerstoffgehalt im Abgas unabhängig ist.As already mentioned, the determination of the NO x content can take place by measurement or by calculation by means of data from the engine map. The method according to the invention enables a constant, demand-oriented generation of ammonia which (apart from a possible determination of the instantaneous NO x content via the engine map) is independent of the operating state of the engine and of the oxygen content in the exhaust gas.
Gemäß einer ersten Verfahrensvariante wird der Kraftstoff in unregelmäßigen Abständen eingebracht, nämlich immer dann, wenn der NOx-Gehalt im Abgas die Zufuhr von Ammoniak erfordert. Hierbei wird insbesondere auch der Beladungszustand des SCR-Katalysators berücksichtigt.According to a first variant of the method, the fuel is introduced at irregular intervals, namely whenever the NO x content in the exhaust gas requires the supply of ammonia. Here, in particular, the loading state of the SCR catalyst is taken into account.
Gemäß einer alternativen Verfahrensvariante erfolgt das Einbringen von Kraftstoff kontinuierlich.According to one alternative method variant is the introduction of fuel continuously.
Vorteilhaft wird die Menge des eingebrachten Kraftstoffs in Abhängigkeit zumindest vom NOx-Gehalt im Abgasstrom variiert, um insbesondere bei einer kontinuierlichen Kraftstoffeinbringung die Menge des erzeugten Ammoniaks an den momentanen Bedarf anzupassen.The amount of fuel introduced is advantageously varied as a function of at least the NO x content in the exhaust gas flow, in order to adapt the amount of ammonia produced to the current demand, in particular in the case of a continuous introduction of fuel.
Vorzugsweise wird der Kraftstoff in Dampfform in den Abgasstrom eingebracht, wodurch eine besonders gute Durchmischung mit dem Abgas Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:Preferably the fuel is introduced into the exhaust stream in vapor form, whereby a particularly good mixing with the exhaust more Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings. In these show:
In
Der
Ammoniakerzeugungskatalysator
Unmittelbar
stromaufwärts
des Ammoniakerzeugungskatalysators
Im
Betrieb des Fahrzeugs wird durch die Sensoren
Das
produzierte Ammoniak verläßt den Ammoniakerzeugungskatalysator
Optional
sind stromabwärts
des Ammoniakerzeugungskatalysators
Zur
Erhöhung
der Effizienz kann zudem stromaufwärts des Ammoniakerzeugungskatalysators
Es
ist zu betonen, daß die
Kraftstoffeinbringung in den Abgasstrom unabhängig vom Betriebszustand des
Motors bzw. dem Sauerstoffgehalt im Abgasstrom erfolgt. Es ist keine
fette Abgaszusammensetzung erforderlich, um die Ammoniakerzeugung
durch den Ammoniakerzeugungskatalysator
Die rein bedarfsgesteuerte Kraftstoffeinbringung hat zur Folge, daß der Kraftstoff in unregelmäßigen Abständen oder kontinuierlich in variierender Menge eingebracht wird. Dabei erfolgt die Kraftstoffeinbringung nur während magerer Betriebsbedingungen.The purely on-demand fuel injection has the consequence that the fuel at irregular intervals or is continuously introduced in varying amounts. This takes place the fuel injection only during lean operating conditions.
Besonders
vorteilhaft ist die Einbringung von Kraftstoffdampf in den Abgasstrom,
der sich sehr gleichmäßig im Abgas
verteilt. Im Vergleich zur Harnstoffhydrolyse ist die NH3-Erzeugung durch den Ammoniakerzeugungskatalysator
Bei
der Baugruppe
Darüber hinaus liegt es im Ermessen des Fachmanns, alle beschriebenen Merkmale sowohl einzeln wie auch in Kombination miteinander einzusetzen, um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen.Furthermore it is at the discretion of the skilled person, all the features described both individually and in combination, to the task of the invention to solve.
- 11
- MagergemischmotorLean burn engine
- 1010
- Baugruppemodule
- 1212
- SCR-KatalysatorSCR catalyst
- 1414
- Abgasleitungexhaust pipe
- 1616
- AmmoniakerzeugungskatalysatorAmmonia generating catalyst
- 1818
- Vorrichtung zur Einbringung von Kraftstoffcontraption for the introduction of fuel
- 2020
- Sensorensensors
- 2222
- Steuerungcontrol
- 2424
- NOx/NH3-SensorenNO x / NH 3 sensors
- 2626
- Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
- 2828
- Bypassleitungbypass line
Claims (17)
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Legal Events
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Owner name: EMCON TECHNOLOGIES GERMANY (AUGSBURG) GMBH, 86, DE |
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