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DE10023049A1 - Abgasreinigungsanlage für eine direkteinspritzende und magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zur Bestimmung eines Montagepunktes eines Vorkatalysators im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abgasreinigungsanlage für eine direkteinspritzende und magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zur Bestimmung eines Montagepunktes eines Vorkatalysators im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine

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DE10023049A1
DE10023049A1 DE10023049A DE10023049A DE10023049A1 DE 10023049 A1 DE10023049 A1 DE 10023049A1 DE 10023049 A DE10023049 A DE 10023049A DE 10023049 A DE10023049 A DE 10023049A DE 10023049 A1 DE10023049 A1 DE 10023049A1
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exhaust gas
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Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine direkteinspritzende und magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest einem NO¶x¶-Speicherkatalysator im Abgasstrang derselben, sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Montagepunktes des Vorkatalysators im Abgasstrang. Es ist angestrebt, möglichst schnell eine hohe Konvertierungsrate für Schadstoffe, insbesondere unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe, sicherzustellen, ohne den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine unnötig stark zu beeinflussen. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass stromauf zum NO¶x¶-Speicherkatalysator (20) ein Vorkatalysator (18) montiert ist, dessen Montagepunkt so gewählt ist, dass eine mittlere Lauflänge des Abgases vom Austritt aus einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine (10) bis zum Eintritt in den Vorkatalysator (18) 230mm ist. Die mittlere Lauflänge kann in Abhängigkeit von einer HC-Lightoff-Temperatur und einer Zelldichte des Vorkatalysators (18) berechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine direkteinspritzende und magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Montagepunktes eines Vorkatalysators im Abgasstrang einer solchen Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 10 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, zur Reinigung eines Abgases von Verbrennungskraftmaschinen sogenannte Abgasreinigungsanlagen zu nutzen. Diese Abgasreinigungsanlagen können unter anderem Partikelfilter und Katalysatorsysteme umfassen. Letztere beinhalten Komponenten, mit denen einerseits Reduktionsmittel, wie unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenmonoxid CO, mit Luftsauerstoff oxidiert und andererseits Stickoxide NOx durch die Reduktionsmittel in weniger umweltrelevante Produkte konvertiert werden können.
Neben den katalytischen Komponenten können die verwendeten Katalysatoren des Katalysatorsystems auch Speicherkomponenten beinhalten, die es erlauben, selektiv bestimmte Gaskomponenten - wie beispielsweise NOx oder HC - zu absorbieren. Eine NOx-Speicherkomponente kann dabei mit den Katalysatorkomponenten zu einem sogenannten NOx-Speicherkatalysator zusammengefasst werden. Der NOx- Speicherkatalysator lagert in Phasen, in denen für eine vollständige katalytische Konvertierung von NOx nicht die notwendigen Reduktionsmittelmassenströme zur Verfügung gestellt werden können (dies sind vorzugsweise magere Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine), das NOx als Nitrat ein. In regelmäßigen Abständen muss eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators eingeleitet werden, um die ursprüngliche Speicherkapazität wieder herzustellen und NOx-Durchbrüche zu vermeiden. Dazu wird temporär ein stöchiometrischer oder fetter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erzwungen. Da die Phasen stöchiometrischen und fetten Betriebs im Allgemeinen zu einer Erhöhung eines Kraftstoffverbrauchs führen, wird eine möglichst kurze Verweildauer der Verbrennungskraftmaschine in diesem Modus angestrebt. Dies ist insbesondere notwendig, wenn es sich bei der Verbrennungskraftmaschine um einen direkteinspritzenden, magerlauffähigen Motor handelt, da dieser im mageren Schichtbetrieb besonders große Verbrauchsvorteile gewährt.
Für sich genommen könnte ein mit einer 3-Wege-Komponente ausgestatteter NOx- Speicherkatalysator bereits eine ausreichende Emissionsminderung über alle Betriebsmodi der Verbrennungskraftmaschine gewähren. Ein optimaler Betrieb eines jeden im Abgasstrang angeordneten Katalysators hängt aber auch von dessen für eine spezifische Konvertierungsreaktion notwendige Mindesttemperatur (Lightoff-Temperatur) ab. Liegt die Katalysatortemperatur unterhalb der Lightoff-Temperatur, so kann die spezifische Schadstoffkomponente nur unvollständig oder teils gar nicht mehr umgesetzt werden. Neben diesem Temperaturfenster für eine optimale katalytische Aktivität sind beim NOx-Speicherkatalysator zusätzlich noch die Temperaturen für ein optimales Sorptionsverhalten zu berücksichtigen. Weiterhin muss eine mögliche thermische Schädigung der Katalysator- oder Speicherkomponenten bei der Wahl eines Montagepunktes für den NOx-Speicherkatalysator beachtet werden. So kann es - neben einer nicht mehr optimalen Aktivität oder einer schlagartigen Desorption von eingelagertem NOx - oberhalb einer materialspezifischen Temperatur zu einer irreversiblen Schädigung der Komponenten kommen. Bei direkteinspritzenden und magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschinen kann die Abgastemperatur sowie der Massenstrom an Reduktionsmitteln deutlich über den Temperaturen und dem Reduktionsmittelmassenstrom konventioneller Motoren liegen, so dass zur Sicherstellung einer dauerhaften Betriebsbereitschaft des NOx-Speicherkatalysators dieser relativ motorfern im Abgasstrang angeordnet werden muss.
Mit einer relativ motorfernen Anordnung des NOx-Speicherkatalysators muss allerdings in Kauf genommen werden, dass dieser in bestimmten Betriebsphasen noch nicht die notwendige Lightoff-Temperatur aufweist und es daher zu einer erhöhten Schadstoffemission kommen kann. So kann es beispielsweise in Phasen niedriger Abgastemperaturen oder nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine nur zu einer unzureichenden Schadstoffkonvertierung kommen. Direkteinspritzende, fremdzündende Verbrennungskraftmaschinen haben aber zumeist höhere HC- Rohemissionen, deren innere Zusammensetzung zudem in Richtung schwerer oxidierbarer HC-Komponenten, wie zum Beispiel Methan, verschoben ist. Letzteres führt zu einer Erhöhung der HC-Lightoff-Temperatur. Durch die motorferne Anordnung des NOx-Speicherkatalysators muss also zumindest in der Kaltstartphase eine erhebliche HC-Emission in Kauf genommen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsanlage zur Verfügung zu stellen, mit der die Schadstoffemission auch bei niedrigen Abgastemperaturen, insbesondere kurz nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, möglichst gering gehalten werden kann. Weiterhin soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit dem ein Montagepunkt eines Vorkatalysators im Abgasstrang bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Abgasreinigungsanlage mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie durch das Verfahren zur Bestimmung des Montagepunktes des Vorkatalysators im Abgasstrang nach den im Anspruch 10 genannten Merkmalen gelöst. Die Abgasreinigungsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass stromauf zum NOx-Speicherkatalysator ein Vorkatalysator im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine montiert ist und dass ein Montagepunkt des Vorkatalysators so gewählt ist, dass eine mittlere Lauflänge des Abgases vom Austritt aus einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine bis zum Eintritt in den Vorkatalysator ≦ 230 mm ist. Durch diese sehr motornahe Anordnung des Vorkatalysators erreicht dieser sehr schnell die für eine HC-Konvertierung notwendige HC-Lightoff-Temperatur. Nach dem Verfahren wird die mittlere Lauflänge in Abhängigkeit von der HC-Lightoff-Temperatur und einer Zelldichte des Vorkatalysators berechnet, unter der Prämisse, dass die mittlere Lauflänge zumindest ≦ 230 mm ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Zelldichte in Abhängigkeit vom Abgasgegendruck und einer gewünschten Emissionsminderung von HC in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Zwar lässt sich eine Schadstoffemission mit zunehmender Zelldichte verringern, jedoch muss aufgrund eines steigenden Abgasgegendruckes ein erhöhter Verbrauch in Kauf genommen werden. Ein zur technischen Realisierung optimiertes Verhältnis beider Parameter kann dann vorzugsweise anhand einer motorspezifisch gegebenen Kennlinie bestimmt werden.
Der Vorkatalysator ist bevorzugt ein Oxidationskatalysator, insbesondere ein 3-Wege- Katalysator. Er kann dabei vorzugsweise als Trimetallkatalysator auf Basis von Platin, Palladium und Rhodium ausgelegt sein, da hier besonders hohe Konvertierungsraten erzielt werden können. Ferner sind die Katalysatorkomponenten bevorzugt auf einen metallischen Träger aufgebracht, der aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit ein besonders schnelles und gleichmäßiges Aufheizen des Vorkatalysators ermöglicht. Dabei liegt bevorzugt eine HC-Lightoff-Temperatur des Vorkatalysators in einem Temperaturintervall von 220 bis 350°C. Sofern entsprechende hochtemperaturbeständige Materialien für den Vorkatalysator verwendet werden, kann die mittlere Lauflänge vorzugsweise auf einen Betrag ≦ 190 mm verkürzt werden.
Bei der Verbrennungskraftmaschine kann es sich um eine fremdgezündete oder selbstzündende Verbrennungskraftmaschine handeln.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer direkteinspritzenden, magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage und
Fig. 2 ein Verhältnis einer relativen Emission von HC zu einer Zelldichte eines Vorkatalysators.
Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine magerlauffähige, direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschine 10. Die Verbrennungskraftmaschine 10 saugt über ein Saugrohr 12 Frischluft an. Das zu verbrennende Luft-Kraftstoff-Gemisch wird mit Hilfe eines hier nicht dargestellten Einspritzsystems direkt durch Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinderraum gebildet. Derartige Einspritzsysteme und Verfahren zum Betrieb dieser Systeme sind dem Stande der Technik zu entnehmen und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Festzuhalten bleibt lediglich, dass auf diese Weise nicht nur eine Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches sondern auch dessen Verteilung im Brennraum des Zylinders beeinflusst werden kann (Strömungsprofil) und so beispielsweise ein besonders verbrauchsgünstiger magerer Schichtbetrieb erreicht werden kann.
Das entstehende Abgas durchströmt einen Abgasstrang 14, in dem eine Abgasreinigungsanlage 16 installiert ist. Die Abgasreinigungsanlage 16 umfasst einen Vorkatalysator 18 und einen NOx-Speicherkatalysator 20. Auf die Darstellung weiterer Komponenten der Abgasreinigungsanlage 16 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden. Diese Komponenten können beispielsweise Partikelfilter umfassen aber auch Sensorelemente, mit denen eine Abgaszusammensetzung, eine Abgastemperatur oder ein Gehalt spezifischer Gaskomponenten am Abgas in ausgewählten Bereichen erfasst und/oder modelliert werden kann. Auch derartige Mess- und Auswerteverfahren sowie Steuerungs- und Regelungsverfahren, die einen diskontinuierlichen Betrieb der Abgasreinigungsanlage 16 zum optimalen Betrieb des NOx-Speicherkatalysators 20 ermöglichen, lassen sich dem Stande der Technik entnehmen.
Der Vorkatalysator 18 ist in diesem Fall bereits im Abgaskrümmer 22 - also unmittelbar stromab der Verbrennungskraftmaschine 10 - montiert. Dies kann - wie hier dargestellt - unter Verwendung einer zwischengeschalteten Flanschverbindung 24 bewerkstelligt werden. Alternativ hierzu sind allerdings auch Verfahren denkbar, bei denen der Vorkatalysator direkt in den Abgaskrümmer integriert wird, ohne dass eine solche Flanschverbindung 24 notwendig ist. Eine solche Lösung besitzt den Vorteil, dass ein Eindringen von Luft über eine eventuell undichte Flanschverbindung 24 vermieden wird. Ferner wird eine Stirnfläche 26 des Vorkatalysators 18 dem im Abgasstrang 14 herrschenden Strömungsprofil angepasst, so dass eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Vorkatalysators 18 gewährleistet ist.
Der Vorkatalysator 18 ist ein Oxidationskatalysator, insbesondere ein 3-Wege- Katalysator. Zur Gewährleistung einer möglichst hohen Konvertierungsrate besitzt er Katalysatorkomponenten auf Basis von Platin, Palladium und Rhodium. Weiterhin weist er einen metallischen Träger auf, der einen schnellen Temperaturausgleich innerhalb des Vorkatalysators 18 und mit dem Abgas gewährleistet. Eine HC-Lightoff-Temperatur des Vorkatalysators 18 liegt in einem Temperaturintervall von 220 bis 350°C bei X = 1,02 bis 1,10 und einer Raumgeschwindigkeit sv < 80 000 h-1.
Sind Form und Materialien des Vorkatalysators 18 bekannt, so kann ein Montagepunkt im Abgaskrümmer 22 bestimmt werden. Der Montagepunkt wird dann als mittlere Lauffläche des Abgases vom Austritt aus einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine 10 bis zum Eintritt in den Vorkatalysator 18 angegeben. Die mittlere Lauflänge wird dabei als mindestens 230 mm vorgegeben. Gegebenenfalls kann dieser Wert auf ≦ 190 mm herab gesetzt werden, wenn eine ausreichende Hochtemperaturstabilität der für den Vorkatalysator 18 verwendeten Materialien sichergestellt ist. Die mittlere Lauflänge wird nun in Abhängigkeit von der HC-Lightoff- Temperatur und einer Zelldichte des Vorkatalysators 18 berechnet.
Der Einfluss der Zelldichte Z auf eine relative Emission von HC lässt sich der Fig. 2 entnehmen. Ausgehend von einer geringen Zelldichte Z sinkt die relative Emission zunächst stark ab. Mit steigender Zelldichte Z jedoch ändert sich der eintretende Emissionsvorteil nur noch gering. Da auf der anderen Seite mit steigender Zelldichte Z auch der Abgasgegendruck zunimmt und damit ein Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 ansteigt, kann anhand dieser Kennlinie ein Bereich vorbestimmt werden, der einen sinnvollen Kompromiss beider Parameter darstellt. In diesem Fall sollte die Zelldichte des Vorkatalysators 18 im Bereich von 200 bis 800 cpsi, vorzugsweise von 300 bis 500 cpsi, liegen. Die Kennlinie muss hierbei spezifisch der verwendeten Verbrennungskraftmaschine 10 und den Verhältnissen innerhalb der Abgasreinigungsanlage 10 angepasst werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10
Verbrennungskraftmaschine
12
Saugrohr
14
Abgasstrang
16
Abgasreinigungsanlage
18
Vorkatalysator
20
NOx
-Speicherkatalysator
22
Abgaskrümmer
24
Flanschverbindung
26
Stirnfläche

Claims (14)

1. Abgasreinigungsanlage für eine direkteinspritzende und magerlauffähige Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest einem NOx-Speicherkatalysator im Abgasstrang derselben, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf vom NOx- Speicherkatalysator (20) ein Vorkatalysator (18) montiert ist, dessen Montagepunkt so gewählt ist, dass eine mittlere Lauflänge des Abgases vom Austritt aus einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine (10) bis zum Eintritt in den Vorkatalysator (18) ≦ 230 mm ist.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Lauflänge ≦ 190 mm ist.
3. Abgasreinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator (18) ein Oxidationskatalysator, insbesondere ein 3-Wege-Katalysator, ist.
4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator (18) ein Trimetallkatalysator auf Basis von Platin, Palladium und Rhodium ist.
5. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator (18) einen metallischen Träger besitzt.
6. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine HC-Lightoff-Temperatur des Vorkatalysators (18) in einem Temperaturintervall von 220 bis 350°C bei λ = 1,02 bis 1,10 und einer Raumgeschwindigkeit sv < 80 000 h-1 liegt.
7. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelldichte des Vorkatalysators (18) im Bereich von 200 bis 800 cpsi, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 500 cpsi, liegt.
8. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator (18) derart angeordnet ist, dass seine motorseitige Stirnfläche möglichst gleichmäßig vom Abgas beaufschlagt wird.
9. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator (18) in einen Abgaskrümmer (22) der Verbrennungskraftmaschine (10) integriert ist.
10. erfahren zur Bestimmung eines Montagepunktes eines Vorkatalysators im Abgasstrang einer direkteinspritzenden und magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine, deren Abgasreinigungsanlage zumindest ein Katalysatorsystem umfasst, das aufeinander folgend den Vorkatalysator und einen NOx-Speicherkatalysator beinhaltet, wobei der Montagepunkt des Vorkatalysators als mittlere Lauflänge des Abgases vom Austritt aus einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine bis zum Eintritt in den Vorkatalysator angegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Lauflänge in Abhängigkeit von einer HC-Lightoff-Temperatur und einer Zelldichte des Vorkatalysator (18) berechnet wird, wobei die mittlere Lauflänge als zumindest ≦ 230 mm vorgegeben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Lauflänge als zumindest 190 mm vorgegeben wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelldichte in Abhängigkeit vom Abgasgegendruck und einer gewünschten Emissionsminderung von HC in einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine (10) bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verbrennungskraftmaschine (10) um eine fremdgezündete Ausführung handelt.
14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verbrennungskraftmaschine (10) um eine selbstzündende Ausführung handeln kann.
DE10023049A 2000-05-11 2000-05-11 Verfahren zur Bestimmung eines Montagepunktes eines Vorkatalysators im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine Expired - Fee Related DE10023049B4 (de)

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