DE102004029202A1

DE102004029202A1 - Abgasreinigungssystem mit Haupt- und Sekundärspeichereinrichtung für Stickoxide

Info

Publication number: DE102004029202A1
Application number: DE102004029202A
Authority: DE
Inventors: Asmus Carstensen; Stefan Wessels; Bernd Hupfeld
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-01-02
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2005-07-28
Also published as: DE102004029202A8

Abstract

Bei einem Abgasreinigungssystem für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine mit einer Haupt- und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide, wobei die Sekunär-Speichereinrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine stromab der Hauptspeichereinrichtung angeordnet ist und die Speichereinrichtungen in zumindest einer NOx-Speicherphase und einer NOx-Regenerationsphase betreibbar sind, ist vorgesehen, dass die Sekundär-Speichereinrichtung zur Einlagerung der NOx-Masse des charakteristischen NOx-Desorptionspeaks zu Beginn einer NOx-Regenerationsphase der Hauptspeichereinrichtung und zur oxidativen Umsetzung der Reduktionsmittelmasse eines charakteristischen Reduktionsmitteldurchbruchs nach Beendigung der NOx-Regenerationsphase mittels der eingelagerten NOx-Masse ausgebildet und bestimmt ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems mit einer Hauptspeichereinrichtung und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide sowie ein Verfahren zum Entschwefeln eines derartigen Abgasreinigungssystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem mit einer Haupt- und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Zur deutlichen Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen werden zunehmend magerlauffähige Brennkraftmaschinen, insbesondere direkt einspritzende Ottomotoren und Dieselmotoren eingesetzt. Zur Lösung des bei derartigen Brennkraftmaschinen auftretenden Zielkonflikts zwischen einem reduzierten Kraftstoffverbrauch und geringen Schadstoffemissionen, insbesondere von Stickoxiden (NOx), sind besonders Abgasreinigungssysteme mit NOx-Speicherkatalysator geeignet. Ein NOx-Speicherkatalysator kann Stickoxide unter bestimmten Randbedingungen bei einem Lambdawert des Abgases > 1 für einen begrenzten Zeitraum speichern und zu einem späteren Zeitpunkt bei einem Lambdawert < 1 wieder ausspeichern und zu unschädlichen Gasen reduzieren. Derartige Speicherkatalysatoren müssen daher diskontinuierlich in einer NOx-Speicher- und einer NOx-Regenerationsphase betrieben werden. Für die Entstickung während der Regenerationsphase wird dem Katalysator über eine motorische Fettphase oder externe Dosiereinheiten ein Reduktionsmittel zur Reduktion der während der Speicherphase eingespeicherten NOx-Masse zugeführt. Zu Beginn der Regenerationsphase kommt es in Anwesenheit des Reduktionsmittels zu einer hohen Austragsgeschwindigkeit von gespeicherten NOx. Dabei führen eine unzureichende Reduktionsmittelkonzentration und temporär geringere Umsatzraten des Reduktionsmittels mit ausgespeicherten NOx zu einem kurzzeitigen Anstieg der NOx-Konzentration im Abgas stromab des NOx-Speicherkatalysators, dem charakteristischen NOx-Desorptionspeak. Die Regenerationsphase wird beendet, wenn in das Speichermaterial eingelagerte Nitrate und Sauerstoff vollständig umgesetzt sind. Üblicherweise wird die Regenerationsphase beendet, wenn ein sogenannter Fettsprung im Abgas hinter dem Katalysator detektiert wird. Vor dem Einsetzen von hohen Konzentrationen von Reduktionsmitteln wird dann wieder in einen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine gewechselt. Allerdings ist es aufgrund eines Totvolumens bzw. einer Totzeit vom Motor bis zum Katalysator nicht möglich, einen Reduktionsmitteldurchbruch vollständig zu vermeiden. Die bei einem derartigen charakteristischen Reduktionsmitteldurchbruch in die Umwelt freigesetzten Schadstoffe vermindern ebenso wie die im charakteristischen NOx-Desorptionspeak enthaltene NOx-Masse, die mit einem NOx-Speicherkatalysator üblicherweise erreichbare Emissionsqualität. Ein weiteres Problem derartiger Katalysatoren besteht in der reversiblen Verschlechterung der Konvertierungsleistung durch im Kraftstoff enthaltenen Schwefel.

Zur Verminderung eines Regenerationsmitteldurchbruchs ist bereits in der DE 100 25 076 A1 vorgeschlagen worden, einen NOx-Speicherkatalysator als Zweibett-Katalysator mit einer 3-Wege-Beschichtung in einem stromabseitigen Endbereich auszubilden. Der NOx-Speicherkatalysator weist dabei einen Monolithen auf, der im Bereich der 3-Wege-Beschichtung eine unbeschichtete Zone ausweist, zu der stromab im oder am Gehäuse eine Sauerstoffsonde angeordnet ist. Aus der EP 1 152 140 A2 ist ein Abgasreinigungssystem mit zwei räumlich getrennten Katalysatorbehältern mit jeweils einem NOx- Speicherkatalysator und dem 3-Wege-Katalysator bekannt. Der stromabwärts letzte 3-Wege-Katalysator ist dabei so ausgelegt, dass eine sichere Reinigung des Abgases von Reduktionsmittel und NOx erfolgen kann, die von den vorhergehenden Katalysatoreinheiten nicht konvertiert wurden.

Aus der US 2002/0 189 242 A1 ist ein geteilter NOx- Speicherkatalysator mit einer zwischen den Teilkatalysatoren angeordneten Sauerstoffsonde bekannt. Es wird vorgeschlagen, während erster Betriebsbedingungen den Motor mager zu betreiben und eine gewisse Menge an Sauerstoff- und einem Abgasbestandteil in einen stromaufwärts angeordneten sowie in einen stromabwärts angeordneten Teilkatalysator zu speichern. Unter zweiten Betriebsbedingungen wird während eines Fett-Betriebs eine gewisse Menge des gespeicherten Sauerstoffs und der gespeicherten Abgaskomponente von dem stromaufwärts angeordneten Teilkatalysatoren ausgespeichert. Nach Beendigung des Betriebs unter den zweiten Betriebsbedingungen erfolgt ein Betrieb mit Abgas mit einem Lambdawert im Bereich von 1. Die vorgeschlagene Betriebsweise soll es ermöglichen, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und NOx in einem annähernd stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine aus dem Abgas zu entfernen und eine höhere Toleranz gegenüber kurzen transienten Mager- oder Fettphasen zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Abgasreinigungssystems mit einer Haupt- und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine mit verminderten Schadstoffemissionen sowie die Schaffung eines Verfahrens zum Betrieb eines derartigen Abgasreinigungssystems. Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe eines Entschwefelungsverfahrens für ein derartiges Abgasreinigungssystem.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Wenn die Sekundär-Speichereinrichtung eine Auslegung aufweist, mit der eine Verminderung der emitierten NOx-Masse um mindestens 30 %, vorzugsweise 40 %, besonders bevorzugt 50 %, optional 80 % bezogen auf die NOx-Emission bei Verwendung eines NOx-Speicherkatalysators allein für einen vorgegebenen Fahrzyklus erreicht wird, kann die Effektivität der Abgasreinigung für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine auf einfache Weise deutlich erhöht werden.

Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen, wie Motortyp, Auslegung der Hauptspeichereinrichtung, Katalysator- und Speichermaterial, unterschiedlich ausgelegte Sekundär-Speichereinrichtungen, von der Erfindung umfasst werden. Die Anpassung der Sekundär-Speichereinrichtung umfasst insbesondere den Wert ihrer NOx- und/oder Sauerstoffspeicherfähigkeit.

Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung sind im wesentlichen 3-Wege-Katalysatoren mit zusätzlichen NOx-Speicherkomponenten. In an sich bekannter Weise ist dabei auf einem Träger aus Aluminiumoxid eine Beschichtung aufgetragen, die Edelmetalle, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle oder seltene Erden umfasst. Vorzugsweise weist die Sekundär-Speichereinrichtung insbesondere zur Optimierung von Kosten und Platzbedarf eine geringere Sauerstoff- und/oder NOx-Speicherfähigkeit auf als die Hauptspeichereinrichtung.

Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung können jeweils in separaten Gehäusen angeordnet sein, womit eine höhere Flexibilität bei der Ausnutzung des für die Unterbringung des Abgassystems bei einem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Raums ermöglicht wird.

In einer weiteren Ausführungsform sind Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung als Bricks ausgebildet und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei zwischen den Bricks ein Zwischenraum zur Separation vorgesehen ist. Die Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse vereinfacht das Komponentenhandling bei Produktion und ggf. Ersatz und Reparatur. Der Abstand zwischen der Hauptspeichereinrichtung und der Sekundär-Speichereinrichtung ist erfindungsgemäß derart gewählt, dass eine funktionsmäßige Trennung der beiden Speichereinrichtungen erreicht werden kann.

Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung können – wie an sich bekannt ist – jeweils in zumindest einer NOx-Speicher- und einer NOx-Regenerationsphase betrieben werden. Vorzugsweise wird während der NOx-Speicherphase in einer Magerphase der Brennkraftmaschine während eines Zeitintervalls eine Beladung der Hauptspeichereinrichtung und der Sekundär-Speichereinrichtung mit Sauerstoff vorgenommen. In einer NOx- Regenerationsphase wird unter Zuführung von Reduktionsmitteln während eines Zeitintervalls eine NOx-Regeneration der Hauptspeichereinrichtung vorgenommen. Vorzugsweise hat während dieses Zeitintervalls die Sekundär-Speichereinrichtung eine 3-Wege-Katalysatorfunktion.

Die Steuerung der NOx-Speicherphase und der NOx-Regenerationsphase erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von einer aktuellen NOx-Konzentration stromab der Hauptspeichereinrichtung und/oder in Abhängigkeit von einer Sauerstoff- und/oder Reduktionsmittelkonzentration stromab der Hauptspeichereinrichtung.

Zur Ermittlung der NOx-, Sauerstoff- und/oder Reduktionsmittelkonzentration ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen dem Hauptspeichereinrichtung und der Sekundär-Speichereinrichtung ein Abgassensor angeordnet, der ein entsprechendes Steuersignal zur Verfügung stellt.

Der Abgassensor kann eine Sprung- oder Breitbandlambdasonde oder ein NOx-Sensor, vorzugsweise mit einem Lambdasignalausgang, sein. Die Erfindung umfasst jedoch auch Ausführungsformen, bei denen die Einleitung und/oder Beendigung einer NOx-Regenerationsphase in Abhängigkeit von einer in der Hauptspeichereinrichtung gespeicherten NOx- und/oder Sauerstoffmasse erfolgt. Für die Bestimmung bzw. Berechnung der eingespeicherten NOx- bzw. Sauerstoffmasse stehen verschiedene an sich bekannte Verfahren zur Verfügung, die sämtlich im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können.

Als Reduktionsmittel sind erfindungsgemäß Kohlenmonoxid (CO) und/oder Kohlenwasserstoff (HC) vorgesehen, die vorzugsweise von einer motorischen Fettphase oder mittels einer externen Dosiereinheit dem Abgas zugeführt werden.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Entschwefelung eines Abgasreinigungssystems mit einer Hauptspeichereinrichtung und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide. Zur Entschwefelung der Hauptspeichereinrichtung wird für ein Entschwefelungszeitintervall eine Mindesttemperatur der Hauptspeichereinrichtung und ein Lambdawert < 1 des Abgases eingestellt. Erfindungsgemäß weist die Sekundär-Speichereinrichtung eine Sauerstoffspeicherfähigkeit auf und gewährleistet zumindest während eines Teilzeitraums des Entschwefelungszeitintervalls eine Konvertierung von stromab der Hauptspeichereinrichtung auftretenden Schwefelwasserstoff-(H2S)- und/oder Kohlenmonoxidsulfid-(COS)-Emissionen. Damit kann die ansonsten übliche Unterbrechung der Entschwefelung durch Umschalten von Fett- auf Magerbetrieb verzögert werden bzw. seltener erfolgen und auf eine einfache Weise eine vollständige Entschwefelung der Hauptspeichereinrichtung ohne einen bemerkbaren Austrag von H2S und/oder COS erreicht werden.

Weitere Aspekte, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und ohne Beschränkung der Allgemeinheit in der nachfolgenden Beschreibung anhand von Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:
1 den zeitlichen Verlauf von verschiedenen Emissionsparametern einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine mit einem NOx-Speicherkatalysator.
2 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems.
3 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems.
4 bis 6 Gegenüberstellungen von zeitlichen Verläufen von Emissionsparametern für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine mit einem einzelnen NOx-Speicherkatalysator und einem erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystem bei verschiedenen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine.
In 1 sind die zeitlichen Verläufe von Emissionsparametern einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine mit einem einzelnen NOx- Speicherkatalysator dargestellt. Dabei ist ersichtlich, dass die als NOx-Emission bezeichnete Tail-Pipe-Emission entsprechend einem zyklischen Betrieb des NOx-Speicherkatalysators in einer NOx-Speicher- und einer NOx-Regenerationsphase periodisch charakteristische NOx-Desorptionspeaks aufweist. Dies führt zu einem gewissen Anstieg der kumulierten NOx-Masse, die bei Verzicht auf weitere Maßnahmen in die Umwelt freigegeben wird. Ersichtlich ist ferner, dass die charakteristischen Desorptionspeaks mit der Einleitung der NOx-Regenerationsphase einhergehen.
Die in 2 dargestellte magerlauffähige Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise ein direkt einspritzender, insbesondere schichtladefähiger Ottomotor oder ein Dieselmotor und weist ein Abgasreinigungssystem mit einem Abgasstrang 2 und einer Hauptspeichereinrichtung 3 sowie einer stromab der Hauptspeichereinrichtung angeordneten Sekundär-Speichereinrichtung 4 auf. Die Speichereinrichtungen 3 und 4 sind in separaten Speichergehäusen 3a bzw. 4a angeordnet, welche voneinander einen geeignet zu wählenden Abstand aufweisen. Im Abgasstrang 2 zwischen Hauptspeichereinrichtung 3 und Sekundär-Speichereinrichtung 4 ist zumindest ein Abgassensor 5 angeordnet, der ein Signal einer Steuereinrichtung 6 zur Verfügung stellt. Ein weiterer (optionaler) Sensor 5a ist stromab der Sekundär-Speichereinrichtung 4 im Abgasstrang 2 angeordnet und stellt ebenfalls der Steuereinrichtung 6 ein Signal zur Verfügung. Bei den Abgassensoren 5, 5a kann es sich um eine Sprung- oder Breitbandlambdasonde oder einen NOx-Sensor handeln. Letzterer weist vorzugsweise auch einen Lambdasignalausgang auf. Wie im weiteren noch genauer erläutert wird, können die Signale der Sensoren 5 und/oder 5a zur Steuerung des Betriebs der Speichereinrichtungen 3 und 4 verwendet werden. Es versteht sich, dass weitere Sensoren zur Erfassung von motor- und abgasrelevanten Betriebsparametern, wie Drehzahl des Motors, Sauerstoff- und/oder Schadstoffgehalt des Abgases an verschiedenen Orten des Abgasstrangs 2, der Temperatur des Abgases und/oder der Speichereinrichtungen 3, 4 vorgesehen sein können, die in 2 nicht explizit dargestellt sind. Das gleiche gilt für weitere Katalysatoren, insbesondere einen 3-Wege-Katalysator stromauf der Hauptspeichereinrichtung 3, und für Aktuatoren zur Beeinflussung der Brennkraftmaschine 1 sowie des Abgasreinigungssystems durch Signale der Steuereinrichtung. Insbesondere können nicht dargestellte Dosiereinheiten zur Zuführung von Reduktionsmitteln RGM vorgesehen sein.
Die Speichereinrichtungen 3 und 4 sind jeweils wie an sich bekannte NOx-Speicherkatalysator aufgebaut. Ein derartiger Speicherkatalysator weist zusätzlich zu 3-Wege-Katalysator-Komponenten eine NOx-Speicherkomponente auf. Die Speichereinrichtungen 3 und 4 weisen ferner vorzugsweise eine Speicherfähigkeit für Sauerstoff (O2) auf.
Die Hauptspeichereinrichtung 3 wird diskontinuierlich regeneriert. Während einer motorischen Magerphase wird in der Hauptspeichereinrichtung 3 NOx gespeichert (NOx-Speicherphase) und in einer motorischen Fettphase (NOx-Regenerationsphase) ausgespeichert und reduziert. Während der motorischen Magerphase wird der Sauerstoffspeicher der Sekundär-Speichereinrichtung 4 vollständig geladen. Der NOx-Speicher der Sekundär-Speichereinrichtung 4 wird in der NOx-Speicherphase dagegen höchstens teilweise geladen. Nach Füllung der Hauptspeichereinrichtung 3 mit NOx und O2 wird die Magerphase beendet und eine NOx-Regenerationsphase der Hauptspeichereinrichtung 3 eingeleitet. Nach Beendigung der NOx-Regenerationshase kann erneut eine Magerphase mit einer NOx-Einspeicherung in die Hauptspeichereinrichtung 3 eingeleitet werden. Wie an sich bekannt ist, erfolgt die Umschaltung von einer Speicher- in eine Regenerationsphase und von einer Regenerations- in eine Speicherphase vorzugsweise in Abhängigkeit von einem aktuellen Wert der NOx-Konzentration oder des Lambdawerts stromab der Hauptspeichereinrichtung 3, welche sich in einem entsprechenden Signal des Abgassensors 5 wiederspiegeln.
Erfindungsgemäß wird der zu Beginn einer NOx-Regenerationsphase der Hauptspeichereinrichtung 3 auftretende charakteristische NOx-Desorptionspeak auf dem stromab der Hauptspeichereinrichtung 3 angeordneten Sekundär-Speichereinrichtung 4 erneut eingelagert. Die Einlagerung auf dem sekundären Speicher 4 ist möglich, da sich hinter der Hauptspeichereinrichtung 3 während der NOx-Regenerationsphase solange ein stöchiometrisches Lambda einstellt, bis der Sauerstoffspeicher der Hauptspeichereinrichtung 3 geleert ist. Vorzugsweise übernimmt die Sekundär-Speichereinrichtung 4 bei Vorliegen der stöchiometrischen Abgaszusammensetzung stromab der Hauptspeichereinrichtung 3 die Funktion eines 3-Wege-Katalysators. Abweichungen von der stöchiometrischen Abgaszusammensetzung werden von der Sauerstoffspeicherfähigkeit der Hauptspeichereinrichtung 3 ausgeglichen. Mit der Abgassonde 5 stromab der Hauptspeichereinrichtung 3 wird dessen vollständige Regeneration überwacht. Wird ein Fettsprung hinter der Hauptspeichereinrichtung 3 detektiert, wird die NOx-Regeneration beendet und eine Magerphase eingestellt. Aufgrund des Totvolumens bzw. der Totzeit im Abgasstrang 2 von der Brennkraftmaschine 1 bis zur Hauptspeichereinrichtung 3 kommt es jedoch zu einem charakteristischen Reduktionsmitteldurchbruch nach Beendigung der NOx-Regeneration. Die Reduktionsmittelmasse des charakteristischen Reduktionsmitteldurchbruchs wird auf der Sekundär-Speichereinrichtung 4 oxidativ mit der eingelagerten NOx-Masse des NOx-Desorptionspeaks und des gespeicherten Sauerstoffs umgesetzt. Es erfolgt daher keine Emission der durchbrechenden Reduktionsmittel in die Umgebung, wie bei herkömmlichen NOx-Speicherkatalysatorkonzepten. Zusätzlich zur NOx-Masse des charakteristischen NOx-Desorptionspeaks kann auch eine NOx-Masse des zulässigen NOx-Schlupfes der Hauptspeichereinrichtung 3 eingelagert und zur oxidativen Umsetzung von durchgebrochenem Reduktionsmittel verwendet werden. Ferner kann eingelagerter Sauerstoff der Sekundär-Speichereinrichtung 4 die Oxidation von durchgebrochenem Reduktionsmittel unterstützen.
In 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Hauptspeichereinrichtung 3 und die Sekundär-Speichereinrichtung 4 in einem gemeinsamen Gehäuse 7 angeordnet sind. Die Speichereinrichtungen 3 und 4 sind in diesem Fall als Bricks mit einem Zwischenraum zur Separation ausgebildet. Gleiche Komponenten sind im übrigen in den 2 und 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Abgassensor 5 ist im Ausführungsbeispiel der 3 in dem erwähnten Zwischenraum angeordnet und hat grundsätzlich die gleiche Funktion wie im Ausführungsbeispiel der 2.
In den 2 und 3 sind zur weiteren Veranschaulichung der zeitlichen Abläufe Abgas mit Reduktionsmittel aus einer motorischen Fettphase im Abgastrakt 2 mit R und Abgas mit NOx-Desorptionspeak und Reduktionsmitteldurchbruch mit D bezeichnet. Da in der Sekundär-Speichereinrichtung 4 eingelagerte NOx-Masse erfindungsgemäß mit Reduktionsmittel aus dem Reduktionsmitteldurchbruch umgesetzt wird, ist stromab der Sekundär-Speichereinrichtung 4 ein emissionsminimiertes Abgas E_Min zu finden. Der Abgassensor 5a kann zur Kontrolle der Abgasqualität eingesetzt werden.
In den 5 bis 6 sind zeitliche Verläufe von Emissionsparametern von einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine in verschiedenen Betriebspunkten dargestellt. Dabei zeigen jeweils die oberen Darstellungen die Verläufe von Emissionsparametern bei Einsatz eines einzelnen NOx-Speicherkatalysators und die unteren Darstellungen die Verläufe von Emissionsparametern bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystems. Die NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators bzw. der Hauptspeichereinrichtung ist mit E_Roh bezeichnet. Periodisch treten charakteristische NOx-Desorptionspeaks auf, die mit D bezeichnet sind. Die kumulierte NOx-Masse stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators bzw. der Hauptspeichereinrichtung ist mit NOx-Masse_Roh bezeichnet. Die NOx-Tail-Pipe-Emission ist mit NOx-Emission und die kumulierte Tail-Pipe-NOx-Masse als NOx-Masse angegeben.
Wie aus den 4 bis 6 ersichtlich ist lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Abgasreinigungssystem signifikante Reduzierungen der emittierten NOx-Masse von beispielsweise 35 % und 50 % je nach Betriebspunkt erreichen.
Bevorzugt wird die Sekundär-Speichereinrichtung derart ausgelegt, dass eine Verminderung der emittierten NOx-Masse um mindestens 30 %, vorzugsweise 40 %, besonders bevorzugt 50 %, optional 80 %, bezogen auf die NOx-Emission bei Verwendung eines NOx-Speicherkatalysators allein für einen vorgegebenen Fahrzyklus erreicht wird. Der vorgegebene Fahrzyklus kann beispielsweise der Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ) sein. Die Auslegung der Sekundär-Speichereinrichtung wird dabei erfindungsgemäß in Abhängigkeit von verschiedenen Randbedingungen, wie Motortyp, Auslegung der Hauptspeichereinrichtung, Katalysator- und Speichermaterial, variieren. Es versteht sich, dass dabei insbesondere der Wert der NOx- und O2-Speicherfähigkeit der sekundären Speichereinrichtung der einzulagernden NOx-Masse des NOx-Desorptionspeaks sowie der einzulagernden Reduktionsmittelmasse des Reduktionsmitteldurchbruchs angepasst ist.
Bei Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff kommt es durch Sulfatbildung zu einer meist schleichenden Deaktivierung von NOx-Speicherkatalysatoren. Aufgrund einer höheren chemischen Stabilität der Sulfate ist eine Entschwefelung erst bei höheren Temperaturen von ca. 650° C Katalysatortemperatur möglich, wodurch jedoch vor allem bei niedrigem Lambdawert die Bildung von H2S und COS begünstigt wird. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zur Entschwefelung der Hauptspeichereinrichtung 3 bedarfsgerecht ein Entschwefelungszeitintervall festgelegt, dessen Beginn und Länge in Abhängigkeit von einem ermittelten Verschwefelungsgrad bestimmt wird. In Abhängigkeit von dem ermittelten Verschwefelungsgrad werden eine Entschwefelungstemperatur und ein Lambdawert während der Entschwefelung bestimmt. Erfindungsgemäß wird die sekundäre Speichereinrichtung 4 mit O2 beladen. Sollten während der Entschwefelung der Hauptspeichereinrichtung H2S und COS aus dem Hauptspeicher 3 ausgetragen werden, erfolgt aufgrund der 3-Wege-Funktion der Sekundär-Speichereinrichtung 4 auf der stromab der Hauptspeichereinrichtung 3 angeordneten Sekundär-Speichereinrichtung 4 deren oxidative Umsetzung mit dem gespeicherten O2.

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasstrang
3: Hauptspeicher
3a: Hauptspeichergehäuse
4: Sekundär-Speicher
4a: Sekundär-Speichergehäuse
5: Sensor
5a: Sensor
6: Steuergerät
7: Katalysatorgehäuse
R: Abgas mit Reduktionsmittel aus motorischer Fettphase
D: Abgas mit Desorptionspeak und Reduktionsmitteldurchbruch
E_Min: emissionsminimiertes Abgas

Claims

Abgasreinigungssystem für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine mit einer Haupt- und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide, wobei die Sekundär-Speichereinrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine stromab der Hauptspeichereinrichtung angeordnet ist und die Speichereinrichtungen in zumindest einer NOx-Speicherphase und einer NOx-Regenerationsphase betreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Speichereinrichtung – zur Einlagerung von zumindest einem Teil der NOx-Masse des charakteristischen NOx-Desorptionspeaks zu Beginn einer NOx-Regenerationsphase der Hauptspeichereinrichtung und – zur oxidativen Umsetzung von Reduktionsmittelmasse des charakteristischen Reduktionsmitteldurchbruchs nach Beendigung der NOx-Regenerationsphase mittels der eingelagerten NOx-Masse ausgebildet und bestimmt ist.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Speichereinrichtung zusätzlich zur Einlagerung der NOx-Masse des zulässigen NOx-Schlupfes während einer NOx-Speicherphase der Hauptspeichereinrichtung ausgebildet und vorgesehen ist.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Speichereinrichtung zur Übernahme einer 3-Wege-Katalysator-Funktion während einer NOx-Regenerationsphase der Hauptspeichereinrichtung ausgebildet ist.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspeichereinrichtung und die Sekundär-Speichereinrichtung in jeweils separaten Gehäusen angeordnet sind.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspeichereinrichtung und die Sekundär-Speichereinrichtung als Bricks mit einem Zwischenraum zur Separation ausgebildet und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang zwischen Hauptspeichereinrichtung und Sekundär-Speichereinrichtung zumindest ein Abgassensor angeordnet ist, der ein Signal zur Steuerung der NOx-Speicherphase und/oder NOx-Regenerationsphase zur Verfügung stellt.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgassensor eine Sprung- oder Breitband-Lambdasonde vorgesehen ist.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgassensor ein NOx-Sensor, vorzugsweise mit einem Lambdasignalausgang vorgesehen ist.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor in dem Zwischenraum in dem gemeinsamen Gehäuse zwischen den Bricks angeordnet ist.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoff einer motorischen Fettphase vorgesehen sind.
Abgasreinigungssystem nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Reduktionsmittel mittels einer externen Dosiereinheit zuführbar sind.
Verfahren zum Betrieb eines Abgasreinigungssystems für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine mit einer Hauptspeichereinrichtung und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide, insbesondere nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sekundär-Speichereinrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine stromab der Hauptspeichereinrichtung angeordnet ist und die Speichereinrichtungen in zumindest einer NOx-Speicherphase und einer NOx-Regenerationsphase betreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte vorgesehen sind: – Einlagerung von zumindest einem Teil der NOx-Masse des charakteristischen NOx-Desorptionspeaks zu Beginn einer NOx-Regenerationsphase der Hauptspeichereinrichtung und – oxidative Umsetzung von Reduktionsmittelmasse eines charakteristischen Reduktionsmitteldurchbruchs nach Beendigung der NOx-Regenerationsphase mittels der eingelagerten NOx-Masse auf der Sekundär-Speichereinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Einlagerung von NOx-Masse des zulässigen NOx-Schlupfes während einer NOx-Speicherphase der Hauptspeichereinrichtung auf der Sekundär-Speichereinrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Sekundär-Speichereinrichtung eine 3-Wege-Katalysator-Umsetzung von Emissionskomponenten während einer NOx-Regenerationsphase der Hauptspeichereinrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regenerationsphase in Abhängigkeit von einer in der Hauptspeichereinrichtung gespeicherten NOx- und/oder Sauerstoffmasse und/oder in Abhängigkeit von einer aktuellen NOx-Konzentration stromab der Hauptspeichereinrichtung eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Regenerationsphase in Abhängigkeit von einer in der Hauptspeichereinrichtung gespeicherten NOx- und/oder Sauerstoffmasse und/oder in Abhängigkeit von einer aktuellen Sauerstoff- und/oder Reduktionsmittelkonzentration im Abgas stromab der Hauptspeichereinrichtung beendet wird.
Verfahren zum Entschwefeln eines Abgasreinigungssystems für eine magerlauffähige Brennkraftmaschine mit einer Haupt- und einer Sekundär-Speichereinrichtung für Stickoxide insbesondere nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Sekundär-Speichereinrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine stromab der Hauptspeichereinrichtung angeordnet ist und die Speichereinrichtungen in zumindest einer NOx-Speicherphase und einer NOx-Regenerationsphase betrieben werden, wobei zur Entschwefelung der Hauptspeichereinrichtung für ein Entschwefelungszeitintervall eine Mindesttemperatur der Hauptspeichereinrichtung und eine Fettphase des Abgases eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Speichereinrichtung mit Sauerstoff zur Gewährleistung einer Konvertierung von Schwefelwasserstoff- und/oder COS-Emissionen im Abgas stromab der Hauptspeichereinrichtung zumindest während des Entschwefelungszeitintervalls beladen wird.