DE102007030235B4

DE102007030235B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102007030235B4
Application number: DE102007030235A
Authority: DE
Inventors: Yasser Yacoub; Martina Reichert; Matthew A. Schneider
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2027-06-30
Also published as: DE102007030235A1

Abstract

Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, bei welchem das vom Verbrennungsmotor (10) zugeführte Abgas (15) einem NO_x-Speicherkatalysator (20) zum Speichern von Stickoxiden und einem stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators (20) angeordneten SCR-Katalysator (30) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugeführt wird, wobei der NO_x-Speicherkatalysator (20) in einer parallel zu einer primären Abgasleitung (40) verlaufenden sekundären Abgasleitung (50) des Abgassystems angeordnet ist, und wobei eine Abgasströmung über den NO_x-Speicherkatalysator (20) in Abhängigkeit vom Betriebszustand des SCR-Katalysators (30, 31) und/oder des NO_x-Speicherkatalysators (20) selektiv unterbrochen oder ermöglicht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abgasströmung über den NO_x-Speicherkatalysator (20) erst unterbrochen wird, wenn die Temperatur (T_SCR) am SCR-Katalysator (30, 31) die untere Grenze (T_threshold) seines Betriebstemperaturbereichs überschritten hat, und
wobei der SCR-Katalysator (31) in Kombination mit einem Dieselpartikelfilter (32) sowie ferner in der primären Abgasleitung ein Diesel-Oxidationskatalysator (16) vorgesehen ist, wobei unmittelbar stromaufwärts des SCR-Katalysators (31) Harnstoff zur Reaktion mit den Abgasen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors.
Es ist bekannt, zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen eines Verbrennungsmotors unter mageren Abgasbedingungen das sog. SCR-Verfahren (SCR = ”selective catalytic reduction”) einzusetzen, d. h. ein Verfahren zur selektiven, katalytischen Reduktion. Hierbei wird dem Abgas z. B. Ammoniak (NH₃) zugeführt, welches an geeigneten SCR-Komponenten des SCR-Katalysators mit den im Abgas vorhandenen Stickoxiden selektiv zu Stickstoff und Wasser reagiert.
Aus der US 6 182 443 B1 ist ein Verfahren zur Abgasbehandlung bekannt, bei welchem im Abgasweg eines Dieselmotors zwei Katalysatorkomponenten angeordnet werden. Die erste Komponente ist in unmittelbarer Nähe des Motors angeordnet und bildet einen NO_x-Absorber aus einem edelmetallhaltigen Träger. Die zweite Komponente ist ein NO_x-Speicherkatalysator zur Entfernung von Stickoxiden aus dem mageren Abgas oder ein SCR-Katalysator.
Aus der EP 1 435 437 A1 ist eine Vorrichtung zur NO_x-Abgasnachbehandlung zur Verwendung in einem Magermixmotor bekannt, bei welcher ein NO_x-Absorber in Verbindung mit einem SCR-Katalysatorsystem eingesetzt wird, um das innerhalb des NO_x-Absorbers erzeugte Ammoniak (NH₃) zur Reduzierung der im Abgasstrom nach Durchlaufen des NO_x-Absorbers verbleibenden Stickoxide im mageren Betrieb des Motors zu verwenden.
Ein SCR-Katalysator besitzt üblicherweise eine Betriebstemperatur oberhalb von etwa 200°C. Infolge des vergleichsweise großen Volumens der SCR-Komponenten ist der SCR-Katalysator häufig an einer Unterbodenposition und in größerer Entfernung vom Motor, gegebenenfalls stromabwärts eines Dieselpartikelfilters (DPF), untergebracht. Wegen der hieraus resultierenden Schwierigkeiten hinsichtlich des Erreichens der Betriebstemperatur des SCR-Katalysators werden häufig Heizstrategien abgewandt, um die Temperaturerhöhung des SCR-Systems und damit das Anspringen des SCR-Katalysators zu unterstützen, was jedoch auf Kosten der Kraftstoffeffizienz erfolgt.
Den zuvor genannten Lösungen ist gemeinsam, daß die Situation auftreten kann, daß der Motor abgeschaltet wird, bevor eine Regeneration bzw. Reinigung des NO_x-Speicherkatalysators durch Aufheizung oder durch Betriebsphasen mit fettem Luft/Kraftstoffgemisch erfolgen kann. Infolgedessen kann der Fall eintreten, daß beim nächsten Startvorgang die NO_x-Beladung des NO_x-Speicherkatalysators für eine wirksame NOx-Speicherung zu groß ist.
Aus der DE 101 52 187 A1 ist eine Abgasreinigungseinrichtung bekannt, bei welcher aus einem Drei-Wege-Katalysator strömendes Abgas unter Umgehung eines Stickoxid-Speicherkatalysators einem SCR-Katalysator zuführbar ist. Mittels eines als Drosselklappe ausgeführten Stellorgans wird die Verteilung des Abgasstromes auf die Umgehungsleitung und die (den Stickoxid-Speicherkatalysator enthaltende) Abgasleitung erreicht. Der Betrieb erfolgt dabei so, dass in einem Zustand, in welchem sowohl der Stickoxid-Speicherkatalysator als auch der SCR-Katalysator eine Temperatur innerhalb ihres jeweiligen Temperaturfensters aufweisen und voll wirksam sind, das Abgas vollständig sowohl durch den Stickoxid-Speicherkatalysator als auch den nachgeschalteten SCR-Katalysator strömt. Des Weiteren wird die Drosselklappe teilweise oder ganz geschlossen, wenn die Temperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators unter Verminderung von dessen Wirksamkeit ansteigt.
Aus der EP 0 886 042 A1 und der DE 698 17 090 sind jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden in Auspuffgasen aus einem Dieselmotor oder einem Motor mit gesteuerter Zündung bekannt, wobei in einer Hauptauspuffleitung ein oder mehrere De-NO_x-Katalysatoren angeordnet sind, und wobei in einer in die Hauptleitung mündenden Umleitung weitere Stickoxid-Einfangmittel angeordnet sind. Wenn die Temperatur der Auspuffgase in einem Bereich liegt, in welchem der Umwandlungsgrad des De-NO_x-Katalysators unterhalb einer gewissen Umwandlungsschwelle liegt, werden alle Auspuffgase über die Stickoxid-Einfangmittel in die Umleitung geleitet.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, mittels der bzw. durch das eine effektivere Umwandlung von Stickoxiden ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors weist einen NO_x-Speicherkatalysator zum Speichern von Stickoxiden aus dem vom Verbrennungsmotor zugeführten Abgas und einen stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas auf.
Erfindungsgemäß ist der NO_x-Speicherkatalysator in einer sekundären Abgasleitung des Abgassystems angeordnet, welche parallel zu der primären Abgasleitung verläuft, und die Abgasströmung zu dem NO_x-Speicherkatalysator kann selektiv ermöglicht oder unterbrochen werden.
Die Anordnung des NO_x-Speicherkatalysators in einer sekundären Abgasleitung und die selektive Unterbrechbarkeit bzw. des Abgasstromes über den NO_x-Speicherkatalysator ermöglichen es, den NO_x-Speicherkatalysator in einem reineren, d. h. weitgehend oder vollständig beladungsfreien Zustand zu halten, so daß der NO_x-Speicherkatalysator seine volle Speicherkapazität besitzt, wenn er das nächste Mal zum Einsatz kommt. Dies hat im Vergleich zur herkömmlichen Reihenanordnung des NO_x-Speicherkatalysators den Vorteil, daß eine effektivere NO_x-Umwandlung in dem gesamten Abgassystem aus NO_x-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator erreicht werden kann.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße NO_x-Speicherkatalysator in unmittelbarer Nähe (”closed-coupled-position”) des Verbrennungsmotors angeordnet. Auf diese Weise kann ein schnellstmögliches Anspringen des NO_x-Speicherkatalysators nach einem Kaltstart aufgrund der motornahen Position erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der NO_x-Speicherkatalysator aktiv erwärmt (z. B. unter Ausnutzung der Motorwärme oder mittels eines in kontrollierter Weise zugeführten Gasstroms), um bei erschöpfter Speicherkapazität des NO_x-Speicherkatalysator eine Desorption des gespeicherten NO_x zu unterstützen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, bei welchem das vom Verbrennungsmotor zugeführte Abgas einem NO_x-Speicherkatalysator zum Speichern von Stickoxiden und einem stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugeführt werden, wobei eine Abgasströmung über den NO_x-Speicherkatalysator in Abhängigkeit vom Betriebszustand des SCR-Katalysators und/oder des NO_x-Speicherkatalysators selektiv unterbrochen oder ermöglicht wird.
Die Abgasströmung über den NO_x-Speicherkatalysator wird erst unterbrochen, wenn die Temperatur (T_SCR) am SCR-Katalysator die untere Grenze (T_threshold) seines Betriebstemperaturbereichs erreicht bzw. überschritten hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Abgasströmung über den NO_x-Speicherkatalysator erst unterbrochen, nachdem eine Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators durchgeführt wurde.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem ersten Betriebszustand (T_SCR < T_threshold),
2 eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem zweiten Betriebszustand (T_SCR > T_threshold), und
3–5 Vorrichtungen gemäß Ausführungsformen.
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt, bei welchem von dem Verbrennungsmotor 10 herströmende Abgase 15 zunächst durch einen NO_x-Speicherkatalysator 20 und anschließend durch ein stromabwärts dieses NO_x-Speicherkatalysators 20 angeordnetes System aus einem SCR-Katalysator 30 und einem Dieselpartikelfilter (in 1 und 2 nicht dargestellt) strömen.
Zusätzlich zu einer primären Abgasleitung 40 des Abgassystems 1 ist eine hierzu parallel verlaufende sekundäre Abgasleitung 50 derart vorgesehen, daß die von dem Verbrennungsmotor 10 kommenden Abgase 15 selektiv über die primäre Abgasleitung 40 oder die sekundäre Abgasleitung 50 zu dem SCR-Katalysator 30 und dem Dieselpartikelfilter strömen können. Der NO_x-Speicherkatalysator 20 ist in der sekundären Abgasleitung 50 des Abgassystems 1 angeordnet. Die selektive Umschaltung des Abgasstromes zwischen der primären Abgasleitung 40 und der sekundären Abgasleitung 50 wird in dem Ausführungsbeispiel über ein in der primären Abgasleitung 40 angeordnetes erstes Ventil 45 und ein stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators 20 in der sekundären Leitung 50 angeordnetes zweites Ventil 55 realisiert.
Der NO_x-Speicherkatalysator 20 weist einen auf einem beliebigen geeigneten Katalysatorsubstrat befindlichen LNT-Puffer auf, für den im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen angegeben werden:

a) Niedrigtemperaturspeicher-Reduktionskatalysator (speichert bei magerem Betrieb; thermische Desorption ist möglich; zur Umwandlung der gespeicherten Stickoxide ist jedoch eine Regeneration unter fetten Betriebsbedingungen erforderlich;
b) Niedrigtemperaturspeicher-Katalysator ohne reduzierende Wirkung (speichert bei magerem Betrieb, desorbiert nur thermisch, d. h. keine Möglichkeit zur Reduzierung und Umwandlung gespeicherter Stickoxide);
c) Niedrigtemperaturspeicher-Reduktionskatalysator, also entsprechend der Variante a), jedoch ausgelegt zur Erzeugung von Ammoniak (NH₃) bei Regeneration unter fetten Betriebsbedingungen; in diesem Falle wird bei Freisetzung der Stickoxide unter fetten Betriebsbedingungen Ammoniak (NH₃) als Nebenprodukt aus dem NO_x-Speicherpuffer freigesetzt, wodurch die Umwandlung im SCR-Katalysator gefördert wird.

Bei dem Katalysatorsubstrat kann es sich beispielsweise um ein keramisches Durchflusskatalysatorsubstrat oder ein metallisches Durchflusskatalysatorsubstrat, ein DPF-Wandstromfiltersubstrat (vorzugsweise aus Kordierit) oder ein Drahtgeflecht-DPF-Substrat handeln.
In 1 ist zunächst die Situation bei geschlossenem erstem Ventil 45 und geöffnetem zweiten Ventil 55 dargestellt. Diese Situation entspricht einem Betriebszustand, bei dem die Temperatur T_SCR am SCR-Katalysator 30 unterhalb der unteren Grenze T_threshold seines Betriebstemperaturbereichs liegt, also T_SCR < T_threshold gilt., d. h. es liegt eine Situation vor, in der entweder ein Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 stattgefunden hat oder in der die Temperatur T_SCR am SCR-Katalysator 30 auf einen Wert unterhalb der unteren Grenztemperatur T_threshold seines Betriebstemperaturbereichs (innerhalb dessen der SCR-Katalysator 30 NO_x umwandeln kann) abgefallen ist.
In dieser Situation wird gemäß 1 der Abgasstrom 15 vollständig über den NO_x-Speicherkatalysator 20 geführt, welcher somit NO_x speichert, während zugleich das Abgas hin zu dem SCR-Katalysator 30 strömen kann, so daß sich der SCR-Katalysator 30 aufheizt, bis die Anspringtemperatur des SCR-Katalysators 30 erreicht ist, d. h. bis sich der SCR-Katalysator 30 in seinem Betriebstemperaturbereich befindet.
Sobald die Temperatur T_SCR am SCR-Katalysator 30 die untere Grenze T_threshold seines Betriebstemperaturbereichs erreicht hat bzw. übersteigt, d. h. T_SCR > T_threshold, oder die Speicherkapazität des NO_x-Speicherkatalysators 20 erschöpft ist, erfolgt eine aktive Regeneration bzw. Reinigung des NO_x-Speicherkatalysators 20, der somit in den gereinigten, beladungsfreien Zustand zurückkehrt. Die Regeneration bzw. Reinigung des NO_x-Speicherkatalysators 20 kann durch Aufheizung oder durch Einstellung einer Betriebsphase mit fettem Luft/Kraftstoffgemisch erfolgen. Falls ein Aufheizvorgang verwendet wird, um den NO_x-Speicherkatalysator 20 mittels Desorption zu reinigen, kann eine Zufuhr von Carbamiden erfolgen, um die desorbierten Stickoxide im Abgassystem selektiv zu Stickstoff und Wasser umzuwandeln.
Für den Fall, daß die Speicherkapazität des NO_x-Speicherkatalysators 20 erschöpft ist, wenn die Temperatur T_SCR am SCR-Katalysator 30 unterhalb der unteren Grenze T_threshold seines Betriebstemperaturbereichs liegt, d. h. T_SCR < T_threshold, kann ebenfalls eine Regeneration bzw. Reinigung des NO_x-Speicherkatalysators 20 durch Aufheizung oder durch Einstellung einer Betriebsphase mit fettem Luft/Kraftstoffgemisch erfolgen. Hierbei wird der Abgasstrom über den NO_x-Speicherkatalysator 20 ermöglicht, so daß der NO_x-Speicherkatalysator 20 weiterhin NO_x speichert, bis die Temperatur T_SCR am SCR-Katalysator 30 wieder oberhalb der unteren Grenze T_threshold seines Betriebstemperaturbereichs liegt.
Wenn die Temperatur T_SCR am SCR-Katalysator 30 die untere Grenze T_threshold seines Betriebstemperaturbereichs erreicht bzw. überschritten hat und der NO_x-Speicherkatalysator 20 regeneriert bzw. gereinigt wurde, erfolgt gemäß 2 ein Öffnen des ersten Ventils 45 und ein Schließen des zweiten Ventils 55.
In 2 ist die Situation bei geöffnetem erstem Ventil 45 und geschlossenem zweiten Ventil 55 dargestellt. Infolge des Schließens des zweiten Ventils 55 wird der Abgasstrom über den NO_x-Speicherkatalysator 20 unterbrochen, um den NO_x-Speicherkatalysator 20 so nahe wie möglich in seinem beladungsfreien Zustand (= ”Null-Speicher-Zustand”) zu halten, bis er zum nächsten Mal benötigt wird, wobei die selektive katalytische Reduktion im SCR-Katalysator 30 bei optimalen Bedingungen abläuft.
Die Anordnung des NO_x-Speicherkatalysators 20 in einer sekundären Abgasleitung ermöglicht es, den NO_x-Speicherkatalysator 20 in einem reineren Zustand zu halten, so daß dieser seine volle Speicherkapazität besitzt, sobald er benötigt wird. Dies hat im Vergleich zur herkömmlichen Reihenanordnung des NO_x-Speicherkatalysators den Vorteil, daß eine effektivere NO_x-Umwandlung in dem gesamten Abgassystem 1 aus NO_x-Speicherkatalysator 20 und SCR-Katalysator 30 erreicht wird.
3–5 zeigen weitere Ausführungsformen.
Dabei entspricht der Aufbau von 3 demjenigen von 1 und 2, wobei jedoch in der primären Abgasleitung zusätzlich ein Diesel-Oxidationskatalysator 16 vorgesehen ist. In dem in 4 gezeigten Aufbau ist anstelle des SCR-Katalysators 30 aus 1–3 eine Kombination aus einem SCR-Katalysator 31 und einem Dieselpartikelfilter (DPF) 32 vorgesehen, wobei unmittelbar stromaufwärts des SCR-Katalysators 31 Harnstoff zur Reaktion mit den Abgasen eingespritzt wird. Alternativ kann auch in Umkehrung der Anordnung von 4 der SCR-Katalysator 31 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 32 angeordnet sein, wobei in diesem Falle eine Einspritzung von Harnstoff im Bereich zwischen dem Dieselpartikelfilter 32 und dem SCR-Katalysator 31 erfolgt. Im Übrigen wird bezüglich der Funktion sowie bevorzugter Ausgestaltungen der Anordnungen von 3–5 auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit 1 und 2 verwiesen.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, bei welchem das vom Verbrennungsmotor (10) zugeführte Abgas (15) einem NO_x-Speicherkatalysator (20) zum Speichern von Stickoxiden und einem stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators (20) angeordneten SCR-Katalysator (30) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugeführt wird, wobei der NO_x-Speicherkatalysator (20) in einer parallel zu einer primären Abgasleitung (40) verlaufenden sekundären Abgasleitung (50) des Abgassystems angeordnet ist, und wobei eine Abgasströmung über den NO_x-Speicherkatalysator (20) in Abhängigkeit vom Betriebszustand des SCR-Katalysators (30, 31) und/oder des NO_x-Speicherkatalysators (20) selektiv unterbrochen oder ermöglicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströmung über den NO_x-Speicherkatalysator (20) erst unterbrochen wird, wenn die Temperatur (T_SCR) am SCR-Katalysator (30, 31) die untere Grenze (T_threshold) seines Betriebstemperaturbereichs überschritten hat, und wobei der SCR-Katalysator (31) in Kombination mit einem Dieselpartikelfilter (32) sowie ferner in der primären Abgasleitung ein Diesel-Oxidationskatalysator (16) vorgesehen ist, wobei unmittelbar stromaufwärts des SCR-Katalysators (31) Harnstoff zur Reaktion mit den Abgasen eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasströmung über den NO_x-Speicherkatalysator (20) erst unterbrochen wird, nachdem eine Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators (20) durchgeführt wurde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der NO_x-Speicherkatalysator (20) aktiv erwärmt wird, um bei erschöpfter Speicherkapazität des NO_x-Speicherkatalysators (20) eine Desorption des gespeicherten NO_x zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Erwärmung des NO_x-Speicherkatalysators (20) mittels eines in kontrollierter Weise zugeführten Gasstroms erfolgt.
Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung dahingehend ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.