DE102008002469A1

DE102008002469A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgasreinigung

Info

Publication number: DE102008002469A1
Application number: DE102008002469A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Lueders
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-24
Also published as: US20090308056A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Abgas im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage und einem in der Abgasreinigungsanlage angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR), wobei dem Abgas in Strömungsrichtung vor dem SCR-Katalysator Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugegeben werden kann. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Abgas durch einen Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen und anschließend durch den SCR-Katalysator geleitet wird und dass in einer ersten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass Stickoxide überwiegend an dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen umgesetzt werden und dass in einer zweiten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass Stickoxide überwiegend an dem SCR-Katalysator umgesetzt werden. Die Einstellungen für die erste Betriebsphase werden beim Start der Brennkraftmaschine gewählt. In dieser Betriebsphase wird der Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt. Da er vor dem SCR-Katalysator und einem üblicherweise vor diesem angeordneten Partikelfilter angeordnet ist, erfolgt seine Aufheizung besonders schnell und die Abgabe von Stickoxiden in der Startphase der Brennkraftmaschine kann gegenüber dem Stand der Technik verringert werden. Der ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Abgas im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage und einem in der Abgasreinigungsanlage angeordneten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR), wobei dem Abgas in Strömungsrichtung vor dem SCR-Katalysator Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugegeben werden kann.
Im Zusammenhang mit gesetzlichen Vorgaben bezüglich der Stickoxidemission von Kraftfahrzeugen ist eine Abgasnachbehandlung erforderlich. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) kann zur Verringerung der Stickoxid-Emission (Entstickung) von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, mit zeitlich überwiegend magerem, d. h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Dies kann beispielsweise in Form von Ammoniak sein, welches direkt gasförmig zudosiert wird oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird. Das Reduktionsmittel kann auch aus Umgebungsluft und Kraftstoff in einem Plasmaverfahren mit anschließender Umsetzung von Edukten in einem Katalysator und/oder einem Speicherkatalysator erzeugt werden. Im praktischen Einsatz in selbstzündenden Brennkraftmaschinen ist dem SCR-Katalysator ein Partikelfilter vorgeschaltet. Beim Start der Brennkraftmaschine muss zunächst der Partikelfilter durch das heiße Abgas aufgeheizt werden und verzögert so die Erreichung der Betriebstemperatur des SCR-Katalysators. Durch motorische Maßnahmen wird die Aufheizung beschleunigt, wodurch allerdings der Verbrauch an Kraftstoff in einem Testzyklus um 1,5% bis 2% ansteigen kann.
Zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas können diese in einem alternativen Verfahren an geeigneten katalytisch wirkenden Oberflächen mit Kohlenwasserstoffen zu Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff umgesetzt werden. Hierzu werden dem Abgasstrom Kohlenwasserstoffe durch Eindosierung von Kraftstoff oder durch geeignete Steuerung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine beigefügt. Eine solche Abgasreinigungsanlage ist in der EP0621400B1 beschrieben. In der EP0621400B1 wird durch geeignete Wahl von Zeitpunkt und Dosiermenge einer Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine erreicht, dass die Abgasreinigungsanlage schnell ihre Betriebstemperatur erreicht und dass die Menge von erzeugten Kohlenwasserstoffen eine möglichst vollständige Umsetzung von Stickoxiden an der Abgasreinigungsanlage bewirkt ohne eine übermäßige Abgabe unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu bewirken.
Die Reaktion an einer katalytisch wirkenden Oberfläche zur Umsetzung von Stickoxiden mittels Kohlenwasserstoffen erbringt bereits ab 250°C bis 300°C eine hohe Konversionsrate. Die Konversionsrate ist abhängig von dem Sauerstoffgehalt des Abgases und erreicht ein Maximum im Bereich von 0,7% Sauerstoffgehalt. Bei dem sauerstoffreichen Abgas von selbstzündenden Brennkraftmaschinen im Normalbetrieb ist die Konversionsrate einer solchen Abgasreinigungsanlage allerdings nicht ausreichend.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasreinigung anzugeben, die sowohl kurz nach dem Start einer Brennkraftmaschine als auch im Normalbetrieb mit sauerstoffreichem Abgas eine hohe Konvertierungsrate für Stickoxide ermöglichen.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Abgas durch einen Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen und anschließend durch den SCR-Katalysator geleitet wird und dass in einer ersten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass Stickoxide überwiegend an dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen umgesetzt werden und dass in einer zweiten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass Stickoxide überwiegend an dem SCR-Katalysator umgesetzt werden. Die Einstellungen für die erste Betriebsphase werden beim Start der Brennkraftmaschine gewählt. In dieser Betriebsphase wird der Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen durch motorischen Maßnahmen auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt. Da er vor dem SCR-Katalysator und ei nem üblicherweise vor diesem angeordneten Partikelfilter angeordnet ist, erfolgt seine Aufheizung besonders schnell und die Abgabe von Stickoxiden in der Startphase der Brennkraftmaschine kann gegenüber dem Stand der Technik verringert werden. Hat dieser erste Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht, wird er mit Kohlenwasserstoffen beaufschlagt und setzt die in der Brennkraftmaschine erzeugten Stickoxide um. Der Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ist durch eine magere Gemischzusammensetzung und damit durch sauerstoffreiches Abgas gekennzeichnet. Dies wird in der zweiten Betriebsphase eingestellt, in der die Stickoxide in dem nunmehr auf seine Betriebstemperatur aufgeheizten SCR-Katalysator umgesetzt werden können.
Eine verbesserte Konversionsrate an dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen wird erreicht, indem in der ersten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass der Sauerstoffanteil im Abgas gegenüber einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine reduziert wird, dass die Abgastemperatur an dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen auf zumindest 250°C angehoben wird und dass die Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas erhöht wird. Die Reaktion in dem Katalysator ist exotherm, so dass er einen Beitrag zur Aufheizung des nachfolgende Partikelfilters und des SCR-Katalysators liefert. Die Erhöhung der Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas kann gemäß dem Stand der Technik durch eine Zudosierung von Kraftstoff zum Abgas, Drosselung der Zuluft der Brennkraftmaschine, Erhöhung der Abgasrückführungsrate oder bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung durch späte Einspritzung oder Einspritzung im Auslasszyklus erreicht werden.
Wird der Sauerstoffanteil im Abgas in der ersten Betriebsphase auf kleiner oder gleich 5%, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,6% und 0,8%, eingestellt, kann eine besonders hohe Konversionsrate des Katalysators zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen erreicht werden.
Werden in der zweiten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass die Brennkraftmaschine im Normalbetrieb mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird und die Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Vergleich zur ersten Betriebsphase reduziert werden, kann der Bereich mit geringem Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ausgenutzt werden. In dieser Betriebsphase werden Stickoxide in dem SCR-Katalysator reduziert, der Stickoxide auch unter sauerstoffreichen Bedingungen reduziert, wie sie im Abgas bei Normalbetrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine vorkommen.
Eine Verfahrensvariante, die die Konversionseigenschaften der Komponenten der Abgasreinigungsanlage besonders gut berücksichtigt sieht vor, dass die Umschaltung von der ersten in die zweite Betriebsphase dann erfolgt, wenn der SCR-Katalysator eine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht hat.
Die die Vorrichtung betreffenden Aufgabe der Erfindung wird gelöst, indem in dem Abgaskanal nahe der Brennkraftmaschine ein Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen angeordnet ist und indem der SCR-Katalysator in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann erreicht werden, dass in einer ersten Betriebsphase der Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen schnell seine Betriebstemperatur erreicht und die Umsetzung von Stickoxiden bereits kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine wirkungsvoll bewirkt.
Eine Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine von Partikeln wird erreicht, indem in dem Abgaskanal zwischen dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen und dem SCR-Katalysator ein Partikelfilter angeordnet ist.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigten:
1 in schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann,
2 ein Diagramm zur Konvertierungsrate eines Katalysators zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt in schematischer Darstellung das technisch Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann. Dargestellt ist eine Brennkraftmaschine 10, die als Dieselmotor ausgebildet sein kann, mit einer Kraftstoffzumessung 11, einer Verbrennungsluftzuführung 12, in der Verbrennungsluft 16 geführt ist, und einem Abgaskanal 17, in dem ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine 10 geführt ist. Entlang der Verbrennungsluftzuführung 12 sind in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 16 eine Druckerhöhungsstufe 15, die von einer Abgasturbine 18 angetrieben wird, und eine Drosselklappe 14 angeordnet. Eine Abgasrückführung 13 verbindet die Verbrennungsluftzuführung 12 mit dem Abgaskanal 17. In Strömungsrichtung des Abgasstromes sind nach der Brennkraftmaschine 10 die Abgasturbine 18 sowie als Bestandteile einer Abgasreinigungsanlage 20 eine Lambdasonde 21, ein erster Katalysator 22, ein Temperatursensor 23, einen Reduktionsmittelzugabe 24 und ein SCR-Katalysator 25 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Das Abgas wird über eine Abgasableitung 26 abgegeben. Der erste Katalysator 22 ist als Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen ausgebildet und mit einem nachfolgenden Partikelfilter kombiniert.
Über die Verbrennungsluftzuführung 12 wir der Brennkraftmaschine 10 Verbrennungsluft 16 von außen zugeführt. Durch die Drosselklappe 14 kann die zugeführte Luftmenge eingestellt werden. Zur Schadstoffreduzierung kann der Verbrennungsluft 16 über die Abgasrückführung 13 in von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 10 abhängigen Mengen Abgas aus dem Abgaskanal 17 zugemischt werden. Insbesondere kann auch der Sauerstoffgehalt im Abgas durch die Drosselklappe 14 und die Abgasrückführung 13 beeinflusst werden um für die Konversionsrate für Stickoxide des ersten Katalysators 22 vorteilhafte Parameter einzustellen.
Unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine 10 wird der erste Katalysator 22 auf eine Betriebstemperatur von 250°C bis 300°C aufgeheizt. Da er nahe am Ausgang der Brennkraftmaschine 10 angeordnet ist, erreicht er diese vergleichsweise schnell. In dieser Betriebsphase wird der Sauerstoffgehalt des Abgases reduziert, um eine ausreichende Konversionsrate des ersten Katalysators 22 zu bewirken. Weiterhin werden durch motorischen Maßnahmen Kohlenwasserstoffe erzeugt, die zur Umsetzung von Stickoxiden aus der Brennkraftmaschine 10 in dem erste Katalysator 22 benötigt werden. Im weiteren Betrieb werden der an seinem Ausgang angeordnete Partikelfilter und der nach der Reduktionsmittelzugabe 24 angeordnete SCR-Katalysator 25 aufgeheizt. Mit dem Temperatursensor 23 kann der Verlauf der Aufheizung verfolgt werden, so dass bei geeigneten Betriebsparame tern auf eine Konversion der Stickoxide durch den SCR-Katalysator 25 übergegangen werden kann. Die Brennkraftmaschine 10 kann dann in einem kraftstoffsparenden Normalbetrieb übergehen, bei dem ihr ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird. In dieser Betriebsphase wird über die Reduktionsmittelzugabe 24 dem SCR-Katalysator 25 Reduktionsmittel, wie beispielhaft eine Harnstoff-Wasser-Lösung, zugeführt.
2 zeigt ein Diagramm 30 zur Konversionsrate des Katalysators zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen. Entlang einer Temperaturachse 36 ist die Konvertierungsrate entlang einer Konvertierungsratenachse 31 für unterschiedliche Sauerstoffgehalte des Abgases aufgetragen. Eine erste Kurve 32 zeigt den Verlauf der Konvertierungsrate für sauerstofffreies Abgas. Eine zweite Kurve 33 zeigt den Verlauf der Konvertierungsrate für Abgas mit 0,7% Sauerstoffgehalt. Eine dritte Kurve 34 und eine vierte Kurve 35 zeigen die Konvertierungsraten für 2% beziehungsweise 8% Sauerstoffgehalt im Abgas. Dem Diagramm 30 kann entnommen werden, dass eine hohe Konvertierungsrate des Katalysators zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen erreicht werden kann, wenn eine Temperatur über 250°C erreicht wird und der Sauerstoffgehalt im Abgas bei 0,7% liegt. Bei einem Sauerstoffgehalt über 2% verringert sich die Konvertierungsrate, so dass das System zur Abgasreinigung in der Startphase geeignet ist, wenn gegenüber dem Normalbetrieb einer mager betriebenen Brennkraftmaschine der Sauerstoffgehalt im Abgas vermindert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0621400 B1 [0003, 0003]

Claims

Verfahren zur Reinigung von Abgas im Abgaskanal (17) einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Abgasreinigungsanlage (20) und einem in der Abgasreinigungsanlage (20) angeordneten SCR-Katalysator (25) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR), wobei dem Abgas in Strömungsrichtung vor dem SCR-Katalysator (25) Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugegeben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas durch einen Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen und anschließend durch den SCR-Katalysator (25) geleitet wird und dass in einer ersten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass Stickoxide überwiegend an dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen umgesetzt werden und dass in einer zweiten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass Stickoxide überwiegend in dem SCR-Katalysator (25) umgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass der Sauerstoffanteil im Abgas gegenüber einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine (10) reduziert wird, dass die Abgastemperatur an dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen auf zumindest 250°C angehoben wird und dass die Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil im Abgas in der ersten Betriebsphase auf kleiner oder gleich 5%, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,6% und 0,8%, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsphase die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass die Brennkraftmaschine (10) im Normalbetrieb mit einem mageren Kraftstoff-Luft- Gemisch betrieben und die Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Vergleich zur ersten Betriebsphase reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung von der ersten in die zweite Betriebsphase dann erfolgt, wenn der SCR-Katalysator (25) eine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht hat.
Vorrichtung zur Reinigung von Abgas im Abgaskanal (17) einer Brennkraftmaschine (10) mit einer Abgasreinigungsanlage (20) und einem in der Abgasreinigungsanlage (20) angeordneten SCR-Katalysator (25), wobei dem Abgas in Strömungsrichtung vor dem SCR-Katalysator (25) Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden zugebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanal (17) nahe der Brennkraftmaschine (10) ein Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen angeordnet ist und dass der SCR-Katalysator (25) in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanal (17) zwischen dem Katalysator zur Umsetzung von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen und dem SCR-Katalysator (25) ein Partikelfilter angeordnet ist.