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DE102007039492B4 - Optimiertes NOx-Reduktionssystem - Google Patents

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DE102007039492B4 DE102007039492.8A DE102007039492A DE102007039492B4 DE 102007039492 B4 DE102007039492 B4 DE 102007039492B4 DE 102007039492 A DE102007039492 A DE 102007039492A DE 102007039492 B4 DE102007039492 B4 DE 102007039492B4
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Abstract

Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine (12), das umfasst:
einen Mager-NOx-Katalysator (30), durch den ein Abgasstrom von der Brennkraftmaschine (12) hindurchströmt; und
einen NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) stromabwärts des Mager-NOx-Katalysators (30), wobei der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) selektiv regeneriert wird, um eine NOx-Reduktionseffizienz des Abgasnachbehandlungssystems zu erhöhen,
gekennzeichnet durch
ein Steuermodul (22), das dazu ausgebildet ist,
den NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) zu regenerieren, wenn eine NOx-Reduktionsanforderung größer ist als eine hohe Schwelle (THRHI),
Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom einzüführen, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die hohe Schwelle (THRHI) und größer ist als eine niedrige Schwelle (THRLO), und
weder den NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) zu regenerieren noch Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom einzuführen, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die niedrige Schwelle (THRLO).

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen und insbesondere ein optimiertes NOx-Reduktionsabgassystem.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennkraftmaschinen erzeugen durch Verbrennen eines Luft- und Kraftstoffgemischs in Zylindern ein Antriebsdrehmoment. Abgas, das durch den Verbrennungsprozess erzeugt wird, wird aus den Zylindern ausgestoßen und wird in einem Nachbehandlungssystem behandelt. Während des Verbrennungsprozesses wird Kraftstoff oxidiert und Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C) vereinigen sich mit Luft. Verschiedene chemische Verbindungen werden gebildet, die Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O), Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxide (NOx), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Schwefeloxide (SOx) und andere Verbindungen umfassen.
  • Die Nachbehandlungssysteme umfassen herkömmlich einen katalytischen Wandler, der die Abgasemissionen durch chemisches Umwandeln des Abgases in Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N) und Wasser (H2O) reduziert. In einigen Fällen wird ein Mager-NOx-Katalysator angewendet. Die Mager-NOx-Technologie, auch als HC-basierte selektive katalytische Reduktion (HC-SCR) bekannt, weist verschiedene Formulierungen auf (z. B. Platin/Aluminiumoxid, Kupfer und substituiertes Zeolith). Platin auf Aluminiumoxid (Pt/Al2O3) funktioniert bei niedrigen Temperaturen, weist eine höhere Spitzenumwandlung von etwa 40% bei 225°C auf, weist aber ein sehr schmales Betriebstemperaturfenster auf (z. B. zwischen 180–280°C). Demzufolge ist diese Formulierung an sich nicht sehr nützlich. Ein anderer Nachteil von Platinkatalysatoren ist ihre SOx-Oxidationsaktivität und ihre Anfälligkeit für eine Deaktivierung durch Schwefel.
  • NOx-Absorptionsmittel auf der Grundlage einer Säure-Base-Washcoat-Chemie sind ebenfalls entwickelt worden. Das NOx wird absorbiert und es wird in dem NOx-Absorptionsmittel-Katalysator-Washcoat während magerer Betriebsbedingungen (d. h. ein höheres als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis) gespeichert. Das NOx wird während fetter Betriebsbedingungen (d. h. ein geringeres als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis) freigesetzt und katalytisch zu Stickstoff umgewandelt. Barium-basierte NOx-Absorptionsmittel weisen eine hohe Umwandlungseffizienz auf, sind aber nur bei erhöhten Temperaturen (z. B. größer als etwa 250°C) aktiv. NOx-Absorptionsmittel erfordern auch eine regelmäßige Entschwefelung.
  • Die DE 197 21 440 A1 offenbart eine Abgasanlage für einen Magermotor, die mit einer Kombination aus einem Permanent-Reduktionskatalysator und einem stromabwärts des Permanent-Reduktionskatalysators angeordneten Speicherkatalysator ausgestattet ist.
  • In der DE 199 24 215 A1 ist ein Abgasreinigungssystem mit mehreren hintereinandergeschalteten NOx-Katalysatoren, einer Kohlenwasserstoff-Einspritzvorrichtung und einer Harnstofflösungs-Einspritzvorrichtung offenbart. Die Mengen an eingespritzten Kohlenwasserstoffen und an eingespritzter Harnstofflösung werden von einem Steuergerät in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des zugehörigen Verbrennungsmotors festgelegt.
  • Die EP 1 529 933 A1 offenbart ein Steuerverfahren für die Regeneration eines NOx-Katalysators, bei welchem der Sauerstoffgehalt des Abgases stromabwärts des Katalysators erfasst wird. Nach dem durch Anfetten des Abgases ausgelösten Start der Regeneration wird wieder ein stöchiometrisches Abgas angesteuert, sobald der erfasste Sauerstoffgehalt niedrig genug ist.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Reinigung von mageren Abgasen weiter zu verbessern.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem zur Verfügung, das die Unzulänglichkeiten der oben beschriebenen Nachbehandlungstechnologien überwindet. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Mager-NOx-Katalysator, durch den ein Abgasstrom von der Brennkraftmaschine hindurchströmt. Ein NOx-Absorptionsmittel-Katalysator befindet sich stromabwärts des Mager-NOx-Katalysators. Das NOx-Absorptionsmittel wird selektiv regeneriert, um die NOx-Reduktionseffizienz des Abgasnachbehandlungssystems zu erhöhen.
  • Erfindungsgemäß wird der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator regeneriert, wenn die NOx-Reduktionsanforderung größer ist als eine hohe Schwelle.
  • Weiterhin wird Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom eingeführt, wenn die NOx-Reduktionsanforderung größer ist als eine niedrige Schwelle und größer ist als die hohe Schwelle. Es wird ferner weder der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator regeneriert noch Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom eingeführt, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die niedrige Schwelle.
  • Der HC wird vorzugsweise über einen Zündvorsprung, eine Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder nach der Verbrennung und/oder eine Einspritzung in das Abgas stromabwärts der Brennkraftmaschine eingeführt.
  • Bei einem anderen Merkmal umfasst das Abgasnachbehandlungssystem ferner eine Kohlenwasserstoffdosiereinheit (HC-Dosiereinheit), die stromaufwärts des Mager-NOx-Katalysators oder des NOx-Absorptionsmittel-Katalysators angeordnet ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verstanden, wobei:
  • 1 ein Funktionsblockschaltbild eines Brennkraftmaschinensystems ist, das ein optimiertes NOx-Reduktionsabgassystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst; und
  • 2 ein Flussdiagramm ist, das beispielhafte Schritte darstellt, die unter Verwendung einer optimierten NOx-Reduktionssteuerung der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch einzuschränken. Zu Zwecken der Klarheit werden in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppen-) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
  • Nun auf 1 Bezug nehmend umfasst ein Brennkraftmaschinensystem 10 eine Brennkraftmaschine 12 und ein optimiertes NOx-Abgassystem 14 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Brennkraftmaschine 12 erzeugt ein Antriebsdrehmoment, das verwendet wird, um ein Fahrzeug anzutreiben, in dem das Brennkraftmaschinensystem 10 realisiert ist, und/oder Zusatzlasten anzutreiben, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Lichtmaschine und eine Fluidpumpe (nicht gezeigt). Luft wird durch eine Drosselklappe 18 in einen Ansaugkrümmer 16 eingesaugt. Die Luft wird auf Zylinder (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine 12 verteilt und sie wird mit dem Kraftstoff gemischt, um ein Verbrennungsgemisch zu bilden. Das Verbrennungsgemisch wird in dem Zylinder gezündet, um einen Kolben (nicht gezeigt), hin- und hergehend anzutreiben. Die Verbrennungsprozesse erzeugen Abgas, das durch einen Abgaskrümmer 20 aus der Brennkraftmaschine 12 austritt und das in dem optimierten NOx-Abgassystem 14 behandelt wird.
  • Ein Steuermodul 22 reguliert den Betrieb des Brennkraftmaschinensystems 10 auf der Grundlage verschiedener Brennkraftmaschinensystem-Betriebsbedingungen. Ein Krümmerabsolutladedrucksensor (MAP-Sensor) 24 spricht auf den Vakuumdruck in dem Ansaugkrümmer 16 an und erzeugt darauf beruhend ein MAP-Signal. Ein Brennkraftmaschinen-RPM-Sensor 26 spricht auf eine Brennkraftmaschinendrehzahl (RPM) an und erzeugt darauf beruhend ein Signal. Ein Abgastemperatursensor 28 ist stromabwärts des Abgaskrümmers 20 angeordnet und spricht auf die Abgastemperatur (TEXH) an und erzeugt darauf beruhend ein Signal.
  • Das optimierte NOx-Abgassystem 14 umfasst einen Mager-NOx-Katalysator 30, der stromaufwärts eines NOx-Absorptionsmittel-Katalysators 32 angeordnet ist. Eine HC-Dosiereinheit 34 ist stromaufwärts des Mager-NOx-Katalysators 30 angeordnet. Die HC-Dosiereinheit 34 spritzt selektiv HCs in den Abgasstrom ein, was zur Regeneration und Entschwefelung des Mager-NOx-Katalysators 30 und des NOx-Absorptionsmittel-Katalysators 32 verwendet wird. Es wird auch vorweggenommen, dass eine Kraftstoffeinspritzung nach der Verbrennung angewendet werden kann, um den HC-Gehalt des Abgasstroms zu erhöhen, wobei Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, um mit dem Abgas aus dem Zylinder abgelassen zu werden. Ferner umfasst eine fortgeschrittene Verbrennung (d. h. HCCI) relativ höhere Niveaus an HC aus der Brennkraftmaschine. Dieses erhöhte HC-Niveau wird effektiv verwendet, um NOx über dem Mager-NOx-Katalysator 30 zu reduzieren, während die restlichen HCs oxidiert werden, um thermische Energie freizusetzen.
  • Die Kombination des Mager-NOx-Katalysators 30 und des NOx-Absorptionsmittel-Katalysators 32 überwindet die Unzulänglichkeiten der einzelnen Komponenten. Das so konfigurierte optimierte NOx-Abgassystem 14 ermöglicht es, dass der Mager-NOx-Katalysator 30 und der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32 jeweils halb so groß sind als wenn sie jeweils einzeln verwendet würden. Da 75% der NOx-Reduktion in der ersten Hälfte des Katalysators stattfindet, sowohl bei dem Mager-NOx-Katalysator 30 als auch bei dem NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32, reduziert eine Reduktion der Größe jeweils um die Hälfte die NOx-Umwandlungseffizienz nur um 25%.
  • Sowohl aktive als auch passive Mageransätze können auf der Grundlage der NOx-Umwandlungseffizienz-Anforderungen und der HCs aus der Brennkraftmaschine angewendet werden. Während des aktiven Ansatzes wird eine HC-Dosierung in dem Abgas und/oder in dem Zylinder (d. h. eine Kraftstoffeinspritzung nach der Verbrennung) ermöglicht. Ferner ermöglicht das optimierte NOx-Abgassystem eine einstellbare NOx-Umwandlungseffizienz. Zum Beispiel wird, wenn unter bestimmten Betriebsbedingungen nur 25–30% Reduktion erforderlich ist, nur der Mager-NOx-Katalysator 30 verwendet, während der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32 inaktiv bleibt. Wenn eine höhere Effizienz erwünscht ist, wird auch der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32 periodisch regeneriert, um NOx zu speichern und zu Stickstoff zu reduzieren. Demzufolge wird der Kraftstoffverbrauch reduziert. Ferner wirkt der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator auch als Cleanup-Katalysator für N2O, wenn es so erforderlich ist.
  • Während des normalen Betriebs, wenn der HC-Gehalt aus der Brennkraftmaschine hoch ist und die NOx-Reduktionsanforderung gering ist, ist keine aktive Steuerung erforderlich. Das optimierte NOx-Abgassystem 14 führt die erforderliche NOx-Reduktion durch. Wenn die NOx-Reduktionsanforderung ansteigt, wird der HC-Gehalt erhöht, um dementsprechend das Verhältnis von Kohlenstoff zu NOx zu erhöhen, wodurch die Mager-NOx-Reduktionseffizienz erhöht wird. Wenn ferner eine NOx-Reduktion gewünscht ist, kann der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32 periodisch regeneriert werden, um NOx zu speichern und in N2 umzuwandeln. Auf diese Weise wird ein weiter Bereich von NOx-Umwandlung erzielt, der andernfalls mit dem Mager-NOx-Katalysator 30 oder dem NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32 alleine nicht möglich wärme. Der Kraftstoffverbrauch kann auch reduziert werden, da das HC-reiche Abgas für die NOx-Absorptionsmittel-Katalysator-Regeneration nicht die ganze Zeit über erforderlich ist. Ferner wird, da der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32 nicht die ganze Zeit über verwendet wird, dessen Lebensdauer verlängert.
  • Nun auf 2 Bezug nehmend werden beispielhafte Schritte im Detail beschrieben, welche durch die optimierte NOx-Abgassteuerung ausgeführt werden. In Schritt 200 ermittelt die Steuerung, ob die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als eine hohe Schwelle (THRHI) (z. B. 75%). Wenn die NOx-Reduktionsanforderung nicht geringer ist als THRHI, regeneriert die Steuerung in Schritt 202 das NOx-Absorptionsmittel und die Steuerung endet. Auf diese Weise werden sowohl der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32 als auch der Mager-NOx-Katalysator 30 angewendet, um die höhere Umwandlungseffizienz zu erzielen. Wenn die NOx-Reduktionsanforderung nicht geringer als THRHI ist, fährt die Steuerung in Schritt 204 fort.
  • In Schritt 204 ermittelt die Steuerung, ob die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als eine niedrige Schwelle (THRLO) (z. B. 30%). Wenn die NOx-Reduktionsanforderung nicht geringer ist als THRLO, erhöht die Steuerung in Schritt 206 den HC-Gehalt des Abgases und die Steuerung endet. Auf diese Weise kann die Umwandlungseffizienz erhöht werden, ohne den NOx-Absorptionsmittel-Katalysator 32 zu regenerieren. Wenn die NOx-Reduktionsanforderung nicht geringer ist als THRLO, verwendet die Steuerung in Schritt 208 nur den Mager-NOx-Katalysator und die Steuerung endet.
  • Fachleute können nun aus der vorangegangenen Beschreibung einsehen, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Formen ausgeführt sein können. Daher sollte, obgleich diese Erfindung in Verbindung mit bestimmten Beispielen davon beschrieben wurde, der wahre Umfang der Erfindung nicht darauf beschränkt werden, da andere Modifikationen dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche ersichtlich werden.

Claims (9)

  1. Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine (12), das umfasst: einen Mager-NOx-Katalysator (30), durch den ein Abgasstrom von der Brennkraftmaschine (12) hindurchströmt; und einen NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) stromabwärts des Mager-NOx-Katalysators (30), wobei der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) selektiv regeneriert wird, um eine NOx-Reduktionseffizienz des Abgasnachbehandlungssystems zu erhöhen, gekennzeichnet durch ein Steuermodul (22), das dazu ausgebildet ist, den NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) zu regenerieren, wenn eine NOx-Reduktionsanforderung größer ist als eine hohe Schwelle (THRHI), Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom einzüführen, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die hohe Schwelle (THRHI) und größer ist als eine niedrige Schwelle (THRLO), und weder den NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) zu regenerieren noch Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom einzuführen, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die niedrige Schwelle (THRLO).
  2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul (22) dazu ausgebildet ist, ausschließlich den Mager-NOx-Katalysator (30) zum Reduzieren eines NOx-Gehalts des Abgasstroms zu verwenden, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die niedrige Schwelle (THRLO).
  3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Einführen von Kohlenwasserstoff (HC) mittels Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder nach der Verbrennung und/oder Einspritzung in das Abgas stromabwärts der Brennkraftmaschine (12) erfolgt.
  4. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, das ferner eine Kohlenwasserstoffdosiereinheit (HC-Dosiereinheit, 34) umfasst, die stromaufwärts des Mager-NOx-Katalysators (30) und/oder des NOx-Absorptionsmittel-Katalysators (32) angeordnet ist.
  5. Verfahren zum Reduzieren eines NOx-Gehalts eines Abgasstroms, der aus einer Brennkraftmaschine (12) austritt, welches umfasst, dass: der Abgasstrom durch einen Mager-NOx-Katalysator (30) geleitet wird, um den NOx-Gehalt des Abgasstroms zu reduzieren; der Abgasstrom durch einen NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) geleitet wird, der stromabwärts des Mager-NOx-Katalysators (30) angeordnet ist; und der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) selektiv aktiviert wird, um den NOx-Gehalt des Abgasstroms weiter zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) aktiviert wird, wenn eine NOx-Reduktionsanforderung größer ist als eine hohe Schwelle (THRHI), Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom eingeführt wird, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die hohe Schwelle (THRHI) und größer ist als eine niedrige Schwelle (THRLO), und weder der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) aktiviert noch Kohlenwasserstoff (HC) in den Abgasstrom eingeführt wird, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die niedrige Schwelle (THRLO).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des selektiven Aktivierens umfasst, dass der NOx-Absorptionsmittel-Katalysator (32) regeneriert wird, um eine NOx-Reduktionseffizienz zu erhöhen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ausschließlich der Mager-NOx-Katalysator (32) zum Reduzieren des NOx-Gehalts des Abgasstroms verwendet wird, wenn die NOx-Reduktionsanforderung geringer ist als die niedrige Schwelle (THRLO).
  8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Einführens von Kohlenwasserstoff (HC) mittels Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder nach der Verbrennung und/oder Einspritzung in das Abgas stromabwärts der Brennkraftmaschine (12) erzielt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 5, das ferner umfasst, dass Kohlenwasserstoff (HC) unter Verwendung einer HC-Dosiereinheit (34) selektiv in den Abgasstrom eingespritzt wird, wobei die HC-Dosiereinheit (34) stromaufwärts des Mager-NOx-Katalysators (30) und/oder des NOx-Absorptionsmittel-Katalysators (32) angeordnet ist.
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