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DE10358910B4 - Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Abstract

Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug, umfassend:
einen Dieselmotor (10) in dem Fahrzeug,
einen Dieselkraftstofftank (12), um dem Dieselmotor (10) Dieselkraftstoff zuzuführen,
einen Benzintank (14) in dem Fahrzeug,
einen Benzinreformer (16) zum Liefern von Produkten einer partiellen Oxidation von Benzin, das in dem Benzintank (14) enthalten ist,
eine NOx-Falle (18), die mit dem Auspuff des Dieselmotors (10) gekoppelt ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von Verbrennungsmotoren. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Dieselmotors, um den katalytischen Wirkungsgrad zu verbessern.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die gegenwärtigen gesetzlichen Vorschriften auf dem Kraftfahrzeugmarkt haben zu einem zunehmenden Bedarf geführt, bei aktuellen Fahrzeugen Emissionen zu verringern. Katalytische Umformer und NOx-Fallen oder Absorptionseinheiten sind dabei die vorwiegenden Werkzeuge, die zur Reduzierung von Emissionen in Fahrzeugen verwendet werden.
  • Ein katalytischer Dreiwegeumformer oxidiert Emissionen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in einem Fahrzeug zu relativ gutartigen Verbindungen, wie etwa Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Ein katalytischer Umformer umfasst typischerweise eine spezifische Katalysatorformulierung, die Platin, Palladium und Rhodium enthält, um gleichzeitig Oxide von Stickstoff (NOx), HC und CO zu reduzieren. Der Umwandlungswirkungsgrad eines Katalysators hängt von der Temperatur des Katalysators und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis ab. NOx-Fallen werden dazu verwendet, während magerer Betriebsbedingungen NOx einzufangen und während fetter Betriebsbedingungen NOx freizugeben, so dass das NOx zu Kohlendioxid und Stickstoff (N2) reduziert wird.
  • Der Funktionstemperaturbereich für einen typischen Katalysator zum Einfangen von NOx im mageren Zustand und zur Dreiwegeumwandlung ist in 1 gezeigt. Wie es in diesem Beispiel gezeigt ist, wird der höchste NOx-Umwandlungswirkungsgrad im Temperaturbereich von 250°C-450°C erhalten. Diese Temperaturen sind hoch genug, um das Abgas gleichzeitig in Bezug auf HC- und CO-Emissionen zu reinigen. Diese Temperaturen können auf der Grundlage der besonderen Formulierung von Edelmetallen und NOx einfangenden Materialien etwas variieren. Die in 2 gezeigte Katalysatorformulierung fängt NOx während des mageren Luft/Kraftstoff-Betriebs effektiv ein, indem NO zu NO2 katalysiert und dann dieses chemisch als eine Nitrat-(NO3)-Verbindung auf der Washcoat-Oberfläche gespeichert wird. Wenn alle NOx-Speicherstellen gefüllt sind, muss in dem katalytischen Umformer eine reduzierende (sauerstoffarme, CO-reiche) Abgasumgebung geschaffen werden. Die reduzierende Umgebung bewirkt, dass das gespeicherte Nitrat (NO3) als gasförmiges NO2 freigegeben wird. Das NO2 kann an einer Edelmetallstelle, wie etwa Platin, weiter zu Stickstoff N2 reduziert werden, wenn genügend Reduktionsmittel, wie etwa HC, CO und H2 vorhanden sind.
  • Die typischen Edelmetall-Katalysatorformulierungen behalten bis zu Temperaturen von 900°C sehr hohe Umwandlungswirkungsgrade. Die NOx-Speicherverbindungen, wie etwa Barium oder Kalium, die den Dreiwegekatalysatoren hinzugefügt werden, sind gewöhnlich bis zu Temperaturen von etwa 850°C stabil.
  • Die Leistung einer Mager-NOx-Falle bei Dieselmotoranwendungen ist durch die niedrigere Abgastemperaturen und die Schwierigkeit, häufige fette Abgasmischungen für den Katalysator bereitzustellen, stark begrenzt. Die sehr niedrigen Abgastemperaturen eines Dieselmotors sind das Ergebnis eines sehr mageren Betriebs und höherer Verdichtungs- und Ausdehnungsverhältnisse. Das sind die gleichen Ursachen, die für den höheren Kraftstoffwirkungsgrad im Vergleich mit fremd gezündeten Benzinmotoren sorgen.
  • Luft/Kraftstoff-Verhältnisse können auch derart eingestellt werden, dass die katalytische Leistung in einem Fahrzeug verändert wird. Ein Luft/Kraftstoff-Gemisch wird durch ein Verhältnis angegeben, das Äquivalenzverhältnis genannt und durch das Symbol λ dargestellt wird. Das Äquivalenzverhältnis ist durch die folgende Gleichung definiert:
    Figure 00030001
  • Ein relativ kleines Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter 14,7 (λ < 1) wird als fettes Gemisch charakterisiert, und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis über 14,7 (λ > 1) kann als mageres Gemisch charakterisiert werden. Traditionelle Fahrzeugbenzinmotoren werden bei Stöchiometrie (λ = 1) betrieben, da die meisten vorgeschriebenen Abgase bei Stöchiometrie gleichzeitig reduziert werden können. Wenn Fahrzeugmotoren mit mageren Gemischen betrieben werden, wie etwa Dieselmotoren, können die erzeugten NOx-Verbindungen durch traditionelle Dreiwegekatalyse nicht ausreichend reduziert werden. Daher haben diese Motoren Probleme, die zunehmend strengen Abgasemissionsvorschriften zu erfüllen.
  • Um die NOx-Emissionen für mit Diesel angetriebene Fahrzeuge zu verbessern, umfassen gegenwärtige Systeme mit selektiver katalytischer Reduktion mittels Harnstoff (SCR) und Mager-NOx-Fallen. SCR mit Harnstoff benutzt eine Harnstoffversorgung ((NH2)2CO) und ein Abgasdosierungssystem, um dem Speisestrom eines großen, spezialisierten Kata lysators Ammoniak (NH3) zuzuführen. Der Ammoniak reduziert dann die NOx-Emissionen über den selektiven Katalysator zu N2. SCR mit Harnstoff erfordert einen getrennten Harnstofftank in einem Fahrzeug und die Entwicklung einer Infrastruktur zur Harnstoffbetankung. Das System mit Mager-NOx-Falle erfordert einen speziell formulierten Dreiwegekatalysator mit einer zusätzlichen NOx-Speicherchemie. Die NOx-Emissionen, die während des mageren Betriebes chemisch gespeichert werden, müssen in einer reinen, kraftstoffreichen Umgebung an der Katalysatoroberfläche freigegeben und reduziert werden. Die häufige Erzeugung von fetten, reduzierenden Abgasimpulsen stellt bedeutende Herausforderungen an Dieselmotorsysteme.
  • Die DE 100 18 792 C1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schadstoffreduktion von Abgasen von Verbrennungsmotoren. Die Schadstoffe werden in einem Katalysator unter Zuführung von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid reduziert. Zur Erzeugung des Wasserstoffs bzw. des Kohlenmonoxids werden Kohlenwasserstoffe partiell oxidiert, wobei zuerst leicht siedende Komponenten der Kohlenwasserstoffe verdampft werden und dann in einem nachfolgenden Schritt nur aus diesen abgetrennten Komponenten der Wasserstoff bzw. das Kohlenmonoxid erzeugt wird.
  • Die DE 43 42 062 A1 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Verbrennungsmaschine mit einem Abgasrohr, wobei die Vorrichtung ein NOx-Absorptionsmittel enthält, das in dem Abgasrohr angeordnet ist und bei einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis die NOx-Komponente in dem Abgas absorbiert. Dem NOx-Absorptionsmittel wird ein Reduktionsmittel zugeführt, wobei als Reduktionsmittel beispielsweise das gleiche Gasöl wie der Kraftstoff der Maschine verwendet werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Versorgen eines an Bord befindlichen Reduktionsmittelsystems für eine Dieselnachbehandlung. Die vorliegende Erfindung benutzt Benzin als an Bord befindliches Abgasreduktionsmittel für Dieselmotoren. Ein getrennter Benzintank und Benzinreformer ist in der vorliegenden Erfindung enthalten, um Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff (fette Verbrennungsprodukte) zu erzeugen, die dazu verwendet werden können, die NOx-Emissionen, die in der NOx-Falle gespeichert sind, zu spülen und zu reduzieren. Die Häufigkeit der Regenerierung der NOx-Falle wird als eine Funktion der Kapazität der NOx-Falle eingestellt.
    •
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine grafische Darstellung des thermischen NOx-Umwandlungswirkungsgrades einer NOx-Falle.
  • 2 ist eine schematische Zeichnung einer bei der vorliegenden Erfindung verwendeten NOx-Falle.
  • 3 ist eine schematische Zeichnung des Systems der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • 2 ist ein Funktionsdiagramm einer NOx-Falle 18, die Metalloxide (MeO) als Einfangmittel für NOx-Verbindungen während magerer Betriebsbedingungen benutzt und NOx-Verbindungen während fetter Betriebsbedingungen freigibt. Das Reduktionsmittel Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in dem relativ fetten Abgasstrom verbinden sich mit dem freigegebenen NOx und wandeln es in Stickstoff und Sauerstoff um.
  • 3 ist eine schematische Zeichnung der vorliegenden Erfindung, die einen Dieselmotor 10, einen Dieselkraftstofftank 12, einen Benzintank 14, einen Benzinreformer 16 zur partiellen Oxidation und eine NOx-Falle 18 umfasst. Während der mageren Betriebsarten des Dieselmotors wird die NOx-Falle mit NOx gesättigt. Bei vorgegebenen oder während bestimmter Motorbetriebsarten wird der Benzinreformer 16 Produkte einer partiellen Oxidation, wie etwa Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff liefern, um die NOx-Falle 18 zu regenerieren. Der Benzinreformer 16 kann ein Luft- oder Abgaseinlassgebläse, eine Kraftstoffsprüh- und Verdampfungsstufe, eine Zündquelle und einen Katalysator zur Umwandlung des Kohlenwasserstoffkraftstoffes in H2 und CO umfassen. Der Katalysator könnte ein herkömmliches Monolithsubstrat mit einem Washcoat sein, der Rhodium (Rh) enthält.
  • Der zusätzliche Vorzug der Produkte einer partiellen Oxidation ist, dass die Oxidation von Kohlenmonoxid Wärme erzeugen wird, um den thermischen Wirkungsgrad der chemischen Reaktionen in der NOx-Falle 18 zu erhöhen. Ein Durchflusssteuerventil 20 wird den Strom von Produkten einer partiellen Oxidation zu dem Dieselmotor 10 und der NOx-Falle 18 steuern. Da der Benzinreformer 16 zur partiellen Oxidation unabhängig von der Betriebsart des Dieselmotors 10 ist, kann er mit verschiedenen Durchflussraten betrieben werden, um dem Motor 10 oder dem Abgasstrom Reformat zuzuführen. Dies erlaubt abhängig von der Motorbetriebsart eine Optimierung der NOx-Emissionen in der Brennkammer, in der NOx-Falle 18 oder in beiden gleichzeitig.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ferner eine Doppel-Kraftstoffabgabeeinrichtung 30. Die Einrichtung 30 umfasst ein Benzinfüllrohr 32 und ein Dieselfüllrohr 34. Das Benzinfüllrohr 32 wird den Benzintank 14 befüllen, und das Dieselfüllrohr 34 wird den Dieseltank 12 befüllen. Obwohl das abgeschätzte Benzinvolumen ungefähr 5 % des Dieselkraftstoffvolumens betragen wird, würde die Benzinfüllrate hoch genug eingestellt werden, um eine vollständige Befüllung des Benzintanks 14 sicherzustellen, selbst bei teilweisen Dieselkraftstoffbefüllungen. Dies würde eine ausreichende Verfügbarkeit von Produkten einer partiellen Oxidation für die Steuerung von NOx-Emissionen sicherstellen. Die Doppel-Kraftstoffabgabeeinrichtung 30 würde in die Befüllungsinfrastruktur oder eine Tankstelle eingebaut werden, da Benzin- und Dieselkraftstoff gegenwärtig an den meisten Tankstellen erhältlich sind.
  • Obgleich diese Erfindung anhand einiger besonderer Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist festzustellen, dass andere Ausführungsformen von einem Fachmann auf dem Gebiet leicht angepasst werden können. Dementsprechend soll der Schutzbereich dieser Erfindung als nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt angesehen werden.

Claims (5)

  1. Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug, umfassend: einen Dieselmotor (10) in dem Fahrzeug, einen Dieselkraftstofftank (12), um dem Dieselmotor (10) Dieselkraftstoff zuzuführen, einen Benzintank (14) in dem Fahrzeug, einen Benzinreformer (16) zum Liefern von Produkten einer partiellen Oxidation von Benzin, das in dem Benzintank (14) enthalten ist, eine NOx-Falle (18), die mit dem Auspuff des Dieselmotors (10) gekoppelt ist.
  2. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die NOx-Falle (18) einen Dreiwegekatalysator umfasst.
  3. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die NOx-Falle (18) durch die Produkte einer partiellen Oxidation regeneriert wird.
  4. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Produkte einer partiellen Oxidation Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder Stickstoff umfassen.
  5. Verfahren zum Steuern eines Dieselmotors (10), umfassend: Bereitstellen eines Dieselkraftstofftanks (12), Bereitstellen eines Benzintanks (14), Bereitstellen eines Benzinreformers (16), Bereitstellen einer NOx-Falle (18), Erzeugen von Produkten einer partiellen Oxidation unter Verwendung des Benzinreformers (16), und Regenerieren der NOx-Falle (18) mit den Produkten einer partiellen Oxidation.
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