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DE10122300A1 - Katalysatoranordnung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator - Google Patents

Katalysatoranordnung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator

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DE10122300A1
DE10122300A1 DE10122300A DE10122300A DE10122300A1 DE 10122300 A1 DE10122300 A1 DE 10122300A1 DE 10122300 A DE10122300 A DE 10122300A DE 10122300 A DE10122300 A DE 10122300A DE 10122300 A1 DE10122300 A1 DE 10122300A1
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catalyst
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Ngoc-Hoa Huynh
Lorenz K F Salzer
Ulf-Peter Schmeling
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Audi AG
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Volkswagen AG
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Bayerische Motoren Werke AG
DaimlerChrysler AG
Audi AG
Dr Ing HCF Porsche AG
Volkswagen AG
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Katalysatoranordnung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NO¶x¶-Speicherkatalysator (5), wobei dem NO¶x¶-Speicherkatalysator (5) ein weiterer Katalysator (5a; 6) zum Umwandeln von Kohlenwasserstoffen am Ende einer Regenerationsphase des NO¶x¶-Speicherkatalysators (5) nachgeschaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Katalysatoranordnung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator.
Die Schadstoffemission von Ottomotoren kann durch eine katalytische Nachbehandlung wirksam vermindert werden. Dabei geht es im wesentlichen darum, den noch nicht vollständig verbrannten Kraftstoff vollständig zu verbrennen. Ein Katalysator fördert die Nachverbrennung von reaktiven CO und HC zu ungefährlichem Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) und reduziert gleichzeitig im Abgas vorkommende Stickoxide (NOX) zu neutralem Stickstoff (N2).
Üblich ist beispielsweise der Dreiwege-Katalysator, der alle drei Schadstoffe CO, HC und NOX gleichzeitig abbaut. Er hat ein Röhrengerüst aus einer Keramik, die mit Edelmetallen, vorzugsweise mit Platin und Rhodium beschichtet ist, wobei letztere den chemischen Abbau der Schadstoffe beschleunigen.
Das katalytische Dreiwege-Verfahren setzt voraus, daß das Gemisch stöchiometrisch zusammengesetzt ist. Eine stöchiometrische Gemischzusammensetzung ist durch eine Luftzahl λ = 1,00 charakterisiert. Bei dieser Gemischzusammensetzung arbeitet der Katalysator mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Schon eine Abweichung von nur einem Prozent beeinträchtigt die Wirksamkeit der Schadstoffumsetzung erheblich.
Die bekannte λ-Sonde liefert zur Verwendung bei der Gemischregelung ein Signal über die augenblickliche Gemischzusammensetzung an das Steuergerät. Die λ-Sonde ist im Abgasrohr des Motors an einer Stelle eingebaut, an der über den gesamten Betriebsbereich des Motors die für die Funktion des Systems nötige Abgashomogenität vorhanden ist.
Aus Verbrauchsgründen ist es wünschenswert, fremdgezündete Ottomotoren ähnlich wie Dieselmotoren bei möglichst vielen Betriebszuständen mit Luftüberschuß, also mager (λ < 1), zu betreiben, um so die Drosselverluste beim Ladungswechsel zu vermindern. Die erreichbaren λ-Werte sind vom Gemischaufbereitungskonzept des Grundmotors abhängig und können bei Schichtlademotoren oder Direkteinspritzern bis zum sechsfachen Luftüberschuß (λ = 6) reichen.
In dieser mageren Betriebsart sind die bekannten Dreiwege-Katalysatoren jedoch nutzlos, da sie ein stöchiometrisches (λ = 1) Gemisch und Abgas benötigen, um die Stickoxide (NOx) umzuwandeln.
Als Problemlösung sind NOx-Speicherkatalysatoren denkbar, die während des Magerbetriebs NOx aus dem Abgas entfernen, indem sie es speichern. Allerdings weist der NOx-Speicherkatalysator, der NOx in Form von Nitraten speichert, eine Empfindlichkeit gegenüber Schwefel auf, da die viel selteneren aber dafür chemisch stabileren Sulfate die Speicherplätze für die Nitrate belegen. Dies hat zur Folge, daß der Speicherkatalysator während des Betriebs in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt des Kraftstoffs vergiftet und im Laufe der Zeit seine NOx-Speicherfunktion vollständig einbüßt.
Zum Wiederherstellen der NOx-Speicherfähigkeit sind Regenerationsphasen mit λ < 1 erforderlich. Der wirksame Betriebsbereich für die Entgiftung liegt nachgewiesenermaßen bei Monolithen-Temperaturen < 600°C in fettem Abgas, wobei die herrschende Temperatur die notwendige Entgiftungsdauer bestimmt. Allerdings schädigen Temperaturen von über 750°C die bisher bekannten NOx-Speichermaterialien thermisch. Solche günstigen Desulfatisierungsbedingungen treten bei Fahrzeugen in Kundenbetrieb nur dann auf, wenn über mehrere Minuten mit Vollgas gefahren wird. Insbesondere bei Fahrzeugen mit leistungsstarken Motoren treten solche Betriebsbedingungen im Feld so gut wie nie auf. Daher werden die Regenerationsphasen künstlich durch die Motorsteuerung erzeugt, wenn beispielsweise der NOx-Gehalt des Abgases hinter dem NOx-Speicherkatalysator einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Im Stand der Technik ist eine große Anzahl von Veröffentlichungen bekannt, die sich mit der Problematik der NOx-Speicherung und der Regeneration der NOx-Speicherkata­ lysatoren auseinander setzen. Die Aufgabenstellung für die Motorsteuerung beinhaltet zwei Punkte: Erstens ist der Beladungszustand des Speicherkatalysators zu erfassen, und zweitens ist in der NOx-Regenerationsphase die Bereitstellung von Reduktionsmittel genau auf den Bedarf abzustimmen, da sich das Reduktionsmittel ebenfalls aus testrelevanten Schadstoffen zusammensetzt. Die bekannten Systeme fordern dabei vom Applikateur eine Interessenabwägung zwischen dem Speicherkatalysator, bei dessen Funktion die Sauerstoffspeicherfähigkeit der eingesetzten Beschichtungen den Wirkungsgrad der Regeneration schmälert, und der Dreiwege-Funktion bei λ = 1, die einen Sauerstoffspeicher zwingend erforderlich macht.
Selbst bei optimaler Abstimmung der Regenerationsmittelzugabe verhindert der Sauerstoffmangel im Abgas während der Regenerationsphase eine hinreichende Umsetzung der dort naturgemäß verstärkt enthaltenden Kohlenwasserstoffen.
Besonders bei direkt einspritzenden Ottomotor, bei dem der Kohlenwasserstoffanteil in den Rohabgasen im allgemeinen und besonders beim Einsatz der Nacheinspritzung zu Regenerationszwecken kritisch ist, kann das zu abstimmungsbedingten Einschränkungen des Wirkungspotentials führen. Ein besonderes Problem ist, daß die Regeneration üblicherweise dann beendet wird, wenn der λ-Wert hinter dem NOx-Speicherkatalysator, der bei der Regeneration zunächst bei λ = 1 verharrt, unter einen Wert von typischerweise 0,98 fällt. In diesem Augenblick wird das Gemisch wieder mager eingestellt, doch befindet sich noch ein Rest fetten Gemischs im Totvolumen zwischen Motor und NOx-Speicherkatalysator, welches HC-Emissionen bewirkt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine verbesserte Katalysatoranordnung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator mit geringeren Emissionen anzugeben.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Katalysatoranordnung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator gemäß Anspruch 1 weist den Vorteil auf, daß eine Regeneration mit verminderten HC-Emissionen durchgeführt werden kann.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß dem NOx-Speicherkatalysator ein weiterer Katalysator zum Umwandeln von Kohlenwasserstoffen am Ende einer Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators nachgeschaltet ist.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der weitere Katalysator ein Dreiwege-Katalysator mit entsprechend hoher O2-Speicherfähigkeit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Dreiwege-Katalysator ein Washcoat mit Cer-Bestandteilen auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der weitere Katalysator ein NOx-Speicherkatalysator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der NOx-Speicherkatalysator und der weitere Katalysator in einem Gehäuse integriert. Dies hat den Vorteil, daß die durch den NOx-Speicherkatalysator entstehende Reaktionswärme ausgenutzt werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist dem NOx-Speicherkatalysator ein Dreiwege-Katalysator vorgeschaltet. Dieser vorgeschaltete Dreiwege-Katalysator hat vorzugsweise eine minimierte O2-Speicherfähigkeit, da letztere die NOx-Speicherfähigkeit behindert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der weitere Katalysator eine Washcoat-Schicht mit hoher O2-Speicherfähigkeit am Ende des NOx-Speicherkatalysators auf.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnen 1 eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern A bis D, 2 einen Luftfilter, 3 eine Drosselklappe, 20 Ansaugleitungen und 40 Drallklappen zur Turbulenzerzeugung für die jeweiligen Zylinder A bis D, 9 eine Abgasleitung, 4a/4b einen jeweiligen Dreiwege-Katalysator für die Zylindergruppe B, C bzw. A, D, 5 einen NOx-Speicherkatalysator und 6 einen nachgeschalteten Dreiwege-Katalysator, 10 einen NOx-Sensor sowie 8 einen Nachschalldämpfer.
Bei dieser ersten Ausführungsform wird zur Beurteilung der Notwendigkeit einer Desulfatisierung das NOx-Speicherverhalten anhand des NOx-Sensors 10 stromabwärts des zu überwachenden NOx-Speicherkatalysators erfaßt werden. Der Desulfatisierungsmodus immer dann durchgeführt, wenn der NOx-Wert einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Im Desufatisierungsmodus erfolgt durch geeignete Steuerung der Direkteinspritzung eine Fetteinstellung der Hauptverbrennung auf einen λ-Wert von typischerweise 0,75. Im NOx-Speicherkatalysator 5 findet eine Nachverbrennung zur Desulfatisierung statt, wobei eine Temperatur von mindestens 600°C vorherrscht.
Die Regeneration wird solange durchgeführt, bis der λ-Wert hinter dem NOx-Speicherkatalysator 5, der ebenfalls mit dem NOx-Sensor 10 erfaßt wird, unter einen Wert von 0,98 fällt.
Die vorliegende erste Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der NOx-Speicherkatalysator 5 stromabwärts mit einem Dreiwege-Katalysator 6 kombiniert, welcher über höchstmögliche O2-Speicherfähigkeit verfügt. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Cer in Washcoat erreicht werden. Derart kann man die beim NOx-Speicherkatalysator 5 lästige O2-Speicherfähigkeit auf das technisch mögliche Minimum einstellen.
Die vorgeschalteten Dreiwege-Katalysatoren 4a, 4b haben eine minimierte O2-Speicherfähigkeit, da eine hohe O2-Speicherfähigkeit die NOx-Speicherfähigkeit behindern würde.
Durch die andererseits maximierte O2-Speicherfähigkeit des nachgeschalteten Dreiwege-Katalysators 6 steht zumindest für die Dauer des Regenerationsvorganges genügend Sauerstoff zur Umsetzung der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffanteile zur Verfügung. In einer anschließenden Magerphase lädt sich der Dreiwege-Katalysator 6 dann wieder mit Sauerstoff auf.
Aus Platzmangel am Unterboden ist es sinnvoll, den nachgeschalteten Dreiwege-Katalysator 6 als Monolithen nach NOx-Speicherkatalysator 5 in den Hauptkonverter zu integrieren. Ein besonderer Vorteil dieser Lösung ist die Ausnutzung der durch die vorgeschalteten NOx-Speicherkatalysator 5 entstehenden Reaktionswärme.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 bezeichnet zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 5a einen zweiten NOx-Speicherkatalysator. Der NOX-Sensor 10 befindet sich also hier zwischen den beiden NOx-Speicherkatalysatoren 5, 5a. Auch bei dieser Ausführungsform erfasst der NOx-Sensor 10 die Regeneration des ersten NOX-Speicherkatalysators 5 durch den entsprechenden λ-Wert von 0,98. Daraufhin wird die Hauptverbrennung von der Motorsteuerung wieder auf mager eingestellt.
Die im Totvolumen befindlichen Kohlenwasserstoffe werden vom zweiten NOx-Speicherkatalysator 5a umgesetzt, so dass auch bei dieser Ausführungsform keine schädlichen Kohlenwasserstoffe nach außen treten. Selbstverständlich kann der nachgeschaltete NOX-Speicherkatalysator 5a wesentlich kleiner bemessen sein als der erste NOX-Speicherkatalysator 5, und zwar gerade so, daß die im Totvolumen enthaltenen Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden können.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
So wäre es z. B. denkbar, dass am Ende des Monolithen des NOX-Speicherkatalysators 5 eine erhöhte Sauerstofffähigkeit dadurch erreicht wird, dass mit Hilfe der Multilayertechnik dort eine Washcoat-Schicht mit hoher O2-Speicherfähigkeit aufgebracht wird. Dies wäre sozusagen eine integrierte Lösung mit nachgeschaltetem Katalysator mit erhöhter O2-Speicherfähigkeit.

Claims (7)

1. Katalysatoranordnung für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit NOx-Speicherkatalysator (5), dadurch gekennzeichnet, daß dem NOX-Speicherkatalysator (5) ein weiterer Katalysator (5a; 6) zum Umwandeln von Kohlenwasserstoffen am Ende einer Regenerationsphase des NOX-Speicherkatalysators (5) nachgeschaltet ist.
2. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Katalysator (5a; 6) ein Dreiwege-Katalysator (6) mit entsprechend hoher O2-Speicherfähigkeit ist.
3. Katalysatoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreiwege-Katalysator (6) ein Washcoat mit Cer-Bestandteilen aufweist.
4. Katalysatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Katalysator (5a; 6) ein NOX-Speicherkatalysator (6) ist.
5. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der NOX-Speicherkatalysator (5) und der weitere Katalysator (5a; 6) in einem Gehäuse integriert sind.
6. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem NOX-Speicherkatalysator (5) ein Dreiwege-Katalysator (4a, 4b) mit geringer O2-Speicherfähigkeit vorgeschaltet ist.
7. Katalysatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Katalysator eine Washcoat-Schicht mit hoher O2-Speicherfähigkeit am Ende des NOX-Speicherkatalysators (5) aufweist.
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