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DE4440833A1 - Katalysator-Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigen Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor - Google Patents

Katalysator-Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigen Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor

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DE4440833A1
DE4440833A1 DE4440833A DE4440833A DE4440833A1 DE 4440833 A1 DE4440833 A1 DE 4440833A1 DE 4440833 A DE4440833 A DE 4440833A DE 4440833 A DE4440833 A DE 4440833A DE 4440833 A1 DE4440833 A1 DE 4440833A1
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Germany
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catalyst
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exhaust gas
reducing agent
catalysts
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Guenter Schenkermayr
Helmut Dr Eichlseder
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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Description

Die Erfindung geht nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 von der DE-A 36 42 018 aus.
Gegenstand der gattungsbildenden Schrift ist eine Kataly­ sator-Anordnung für die Abgase von Diesel- oder Otto-Mo­ tore, die mit magerem Kraftstoff-Luft-Gemischen betrieben sind. Diese bekannte Anordnung umfaßt zur Stickoxid-Re­ duktion mit Hilfe eines in das sauerstoffhaltige Abgas eingedüsten Reduktionsmittels einen motornah angeordne­ ten, zeolith-haltigen Katalysator, dem in Abgasströmungs­ richtung beabstandet ein Oxidations-Katalysator nach­ geordnet ist. In dieser Anordnung werden die unterschied­ lichen Funktionen der Reduktion und der Oxidation der Ab­ gasschadstoffe mittels in Reihe geschalteter Katalysato­ ren von unterschiedlichem Aufbau bewirkt. Nachteilig hierbei ist durch die abstandsbedingt temperatur­ abhängigen Konvertierungsgrade beider unterschiedlicher Katalysatoren ein unzureichender Gesamt-Konvertierungs­ grad, insbesondere bei lastbedingt niedrigen Abgas­ temperaturen.
Bei einem Abgas-Katalysator für Brennkraftmaschinen be­ stimmt sich die Güte seines temperaturabhängigen Konver­ tierungsgrades wesentlich durch frühes Erreichen seiner Anspringtemperatur sowie einer Temperaturkonstanz des Ab­ gases oberhalb dieser Anspringtemperatur. Beide Umstände verändern sich bekanntlich mit zunehmendem Abstand eines Katalysators von der Brennkraftmaschine nachteilig, der temperaturabhängige Konvertierungsgrad ist somit auch ab­ standsbedingt.
Zur Erzielung eines günstigen Gesamt-Konvertierungsgrades über dem gesamten Lastbereich einer Brennkraftmaschine ist es bekannt, - z. B. in der DE-C 32 13 429 darge­ stellt -, eine Katalysator-Anordnung mit zwei in Strö­ mungsrichtung beabstandeten Katalysatoren vorzusehen, um­ fassend einen ersten, brennraumnah angeordneten, klein dimensionierten und im wesentlichen oxidierenden Start- Katalysator und einen zweiten, brennraumfern angeordne­ ten, groß dimensionierten und zumindest reduzierenden Ka­ talysator. Erreicht ist damit einerseits ein bereits beim Warmlauf der Brennkraftmaschine anspringender Start-Kata­ lysator und ein andererseits bei hoher Maschinenlast durch größere Entfernung und Dimensionierung vor Überhitzung geschützter zweiter Katalysator. Auch hierbei ist der Nachteil eines unzureichenden Gesamt-Konvertierungs­ grades aufgrund der abstandsbedingt temperaturabhängigen Konvertierungsgrade in bestimmten mittleren Lastbereichen nicht auszuschließen.
Des weiteren ist aus der DE-A 37 35 151 sowohl ein redu­ zierend als auch oxidierend wirkender Einzelkatalysator bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungs­ gemäße Katalysator-Anordnung derart zu verbessern, daß durch eine System-Dynamik eine optimale Schadstoff-Um­ setzung für jeden Lastpunkt der Brennkraftmaschine er­ zielt ist.
Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 gelöst. Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Katalysator-Anordnung ist, zu einem brennraumnahen zumindest einen erheblich brennraumfernen Katalysator vorzusehen mit jeweils ent­ sprechend dem gewählten Ort in der Abgasanlage best­ möglich angepaßter Kat-Technik, wobei jeweils stromauf der von der Brennkraftmaschine abstandsbedingt mit un­ gleichen Temperaturen wirksamen Katalysatoren angeordnete Dosiereinrichtungen zur Optimierung der Abgas-Schadstoff- Umsetzung in jedem Katalysator voneinander unabhängig ge­ steuert jedem Katalysator eine entsprechend abgemessene Reduktionsmittelmenge zuführen.
Mit der Erfindung nach Anspruch 1 erzielbare Vorteile sind in Verbindung mit vorteilhaften Ausgestaltungen ge­ mäß der Unteransprüche im folgenden aufgezeigt.
Bei einem Serienfahrzeug mit vorgegebenem Fahrprofil kann dessen Abgastemperaturbereich den wirksamen Temperatur­ fenstern der an verschiedenen Orten der Abgasanlage posi­ tionierten Katalysatoren für unterschiedliche Abgas­ niveaus angepaßt werden, wobei mit unterschiedlichen Tem­ peraturabhängigkeiten der NOx-Konversion eine wesentliche zusätzliche Aufweitung der wirksamen Betriebsbereiche der Katalysatoren erreicht wird.
Durch Einspritzung bzw. Eindosierung des Reduktions­ mittels in das im Brennraum der Brennkraftmaschine zum Ausströmen anstehende Abgas ist eine verbesserte Auf­ bereitung des Reduktionsmittels durch Voroxidieren, Homo­ genisieren und Verdampfen bereits stromauf des brennraum­ nahen Katalysators erzielt, wodurch die Reaktionsbereit­ schaft der Kohlenwasserstoffe, beispielsweise eines ein­ dosierten Kraftstoffes, mit den Stickoxiden im Kataly­ sator erhöht wird. Auch setzt die Reaktionsbereitschaft bei deutlich tieferen Abgastemperaturen ein.
Weiter ermöglicht die voneinander unabhängige Ein­ dosierung, daß die Funktionen der Kohlenwasserstoff-Auf­ bereitung und der Stickoxid-Konvertierung durch indivi­ duelle Steuerung der Reduktionsmittelmengen für jeden Ka­ talysator hinsichtlich Kohlenwasserstoff-Schlupf, Re­ duktionsmittelverbrauch und Stickoxid-Reduktion kennfeldspezifisch optimal einzustellen sind, weiter ist in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine eine vorzugsweise zusätzlich betriebsparametergesteuerte Überdosierung eines stromauf vorderen Katalysators vor­ teilhaft, um die Abgastemperatur im Hinblick auf das An­ springverhalten eines stromab hinteren Katalysators gün­ stig zu beeinflussen.
Ferner vorteilhaft ist der zusätzlich erreichte Frei­ heitsgrad im Zielkonflikt der Temperaturbeständigkeit mit der Konversionswirkung durch die erfindungsgemäß mögliche Anpassung der Katalysator-Technik an die Betriebs­ bedingungen der Einbaustelle, z. B. brennraumnaher Kataly­ sator auf Platin-Basis und brennraumferner, zeolith­ haltiger Katalysator.
Mit einem erfindungsgemäß brennraumnah angeordneten und zwecks schneller Erwärmung sowie hoher Raumgeschwindig­ keit relativ klein dimensionierten Katalysator mit Platin-Anteil ist die bei einer derartigen Stickoxid-Re­ duktion auftretende N₂O-Emission vorteilhaft reduziert, da die N₂O-Emission mit steigender Raumgeschwindigkeit abnimmt.
Aus dem Umstand, daß der im Fahrbetrieb am Katalysator auftretende Temperaturbereich im wesentlichen durch die räumliche Anordnung des Katalysators bestimmt ist, ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Verwendung ungleich tempe­ raturabhängiger Katalysatoren in Verbindung mit indi­ vidueller Eindosierung des Reduktionsmittels der Vorteil, über den gesamten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine wirksam zu sein.
Zur Optimierung der Funktion eines Katalysators wird schließlich vorgeschlagen, die Abgastemperatur durch Ver­ schiebung des Lastpunktes der Brennkraftmaschine entspre­ chend anzupassen. Dies kann beispielsweise durch getrie­ beseitige oder motorseitige Maßnahmen erreicht sein.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Schemabildes beschrieben.
Eine Brennkraftmaschine 1, insbesondere ein Dieselmotor, umfaßt in ihrer Abgasanlage 2 eine Anordnung von Kataly­ satoren 3 und 4, die in Abgasströmungsrichtung be­ abstandet angeordnet sind. Den entsprechend relativ stark unterschiedlichen Abgaseintrittstemperaturen T₃ und T₄ beabstandet angeordneten, oxidierenden und reduzierenden Katalysatoren 3 und 4 von verschiedenartigem Aufbau bzw. verschiedenartiger Katalysator-Technik und unterschiedli­ chen Raumgeschwindigkeiten sind zur wirksamen Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigen Abgasen einer mit Luftüberschuß betriebenen Brennkraftmaschine 1 Dosier­ einrichtungen 5, 6 für ein dem Abgas zuführbares Reduk­ tionsmittel zugeordnet. Zur optimalen Reduktion der Stickoxide in den bei ungleichen Temperaturen wirksamen Katalysatoren 3 und 4 sind die Dosiereinrichtungen 5, 6 mittels einer Steuereinheit 7 voneinander unabhängig ak­ tivierbar. Zusätzlich ist zur wirkungsvollen Stickoxid- Reduktion der eine relativ hohe Raumgeschwindigkeit durch vorzugsweise kleine Dimensionierung aufweisende Kataly­ sator 3 nach Art eines Start-Katalysators brennraumnah in der Abgasanlage 2 angeordnet. Dieser Katalysator 3 ist beispielsweise bei einer mit einem Abgasturbolader 8 aus­ gerüsteten Brennkraftmaschine 1 stromauf dieses Laders 8 brennraumnah vorgesehen.
Die oxidierend und reduzierend wirkenden Katalysatoren 3 und 4 weisen entsprechend den abstandsbedingt ungleichen Katalysator-Eingangs-Temperaturen einen verschieden­ artigen Aufbau auf mit der Maßgabe, daß der brennraumnahe Katalysator 3 einen mindestens einem Platin-Katalysator entsprechenden temperaturabhängigen Konvertierungsgrad und daß der brennraumfern beabstandete Katalysator 4 einen etwa einem im wesentlichen im Platingehalt deutlich reduzierten bzw. platinfreien Katalysator entsprechenden temperaturabhängigen Konvertierungsgrad aufweist. In be­ vorzugter Ausgestaltung ist der brennraumnahe Katalysator 3 als ein Start-Katalysator mit platinhaltiger Beschich­ tung, vorzugsweise als Metall-Kat gewählt, wogegen der brennraumferne Katalysator 4 erfindungsgemäß zeolith­ haltig gewählt ist.
Bei einer mit mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen, also mit Luftüberschuß arbeitenden Brennkraftmaschine 1 können die Stickoxide wegen des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas von den Katalysatoren 3 bzw. 4 kaum reduziert werden, weil die bei sauerstoffarmen Abgas zur katalytischen Re­ duktion der Stickoxide herangezogene, abgasseitige Koh­ lenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen mit dem im Abgas reichlich vorhandenen freien Sauerstoff schneller oxidiert werden als mit im Stickoxid gebundenen Sauer­ stoff. Durch Zugabe von flüssigen oder gasförmigen Koh­ lenwasserstoffen mittels der Dosiereinrichtungen 5 bzw. 6 in das sauerstoffhaltige Abgas der Brennkraftmaschine 1 erfolgt in den Katalysatoren 3 bzw. 4 eine Teiloxidation der zugeführten Kohlenwasserstoffe und im Anschluß eine Reaktion dieser so entstandenen, erhöht NOx-selektiv wir­ kenden Kohlenwasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen mit den Stickoxiden im Abgas.
Zur Erzielung einer optimalen Stickoxid-Umsetzung bei Minimierung der Reduktionsmittelmengen sind die Dosier­ einrichtungen 5 und 6 jeweils voneinander unabhängig kennfeldgesteuert. Hierfür sind in der Steuereinrichtung 7 gesonderte Kennfelder 11 abgelegt.
Bei instationärem Betrieb oder einem anderen Übergangs­ zustand werden in die Steuereinrichtung 7 eingehende, je­ weils relevante Betriebs-Parameter miteinander verknüpft für ein zusätzliches Steuersignal an die jeweilige Do­ siereinrichtung 5 bzw. 6. Vorzugsweise ist die dem brenn­ raumnahen Katalysator 3 zugeordnete Dosiereinrichtung 5 zusätzlich für Überdosierungen ansteuerbar. Diese Über­ dosierung kann als vorbestimmter Reduktionsmittel-Schlupf bemessen sein, der im brennraumfernen, zeolith-haltigen Katalysator 4 durch die katalytische Aufbereitung des Re­ duktionsmittels eine Umsetzung der Stickoxide bereits bei tieferen Abgastemperaturen in Gang setzt. Weiter kann die Überdosierung so gewählt sein, daß das Reduktionsmittel im brennraumnahen Katalysator abbrennt und die dadurch gesteigerte Abgastemperatur dem früheren Erreichen der Anspringtemperatur des brennraumfernen Katalysators 4 dient. Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß der vordere bzw. brennraumnahe Katalysator 3 zur Aufbereitung des stromauf eingedüsten Reduktionsmittels, bei einem Diesel­ motor 1 vorzugsweise Dieselkraftstoff, für den hinteren Katalysator 4 zur Voroxidation und zum Homogenisieren und Verdampfen genutzt ist.
Eine hinsichtlich besonders effiziente Aufbereitung des Reduktionsmittels im Abgas besonders vorteilhaft ausge­ bildete und angeordnete Dosiereinrichtung 5 stromauf des brennraumnahen Katalysators 3 ist mit der Wahl einer das Reduktionsmittel dem in jedem Brennraum bzw. Zylinder 9 der Brennkraftmaschine 1 vorhandenen Abgas zuführenden Einspritzdüse 10 erreicht. Zur Vermeidung gesonderter Einspritzdüsen 10 sind für die arbeitsspielseitige Kraft­ stoffzumessung jedes Zylinders 9 vorgesehene Hochdruck- Einspritzdüsen mit gesteuerter/geregelter Nach-Ein­ spritzung gewählt, die bei elektronischer Steuerung/Regelung auch getaktet sein kann.
Um weiter die Bedingungen für eine optimale Konversion der Abgas-Schadstoffe der Brennkraftmaschine 1 in einem Fahrzeug insbesondere im Teillast-Fahrbereich zu ver­ bessern, ist in der Steuereinrichtung 7 zusätzlich zur Steuerung der Dosiereinrichtungen 5 und 6 eine Steuerung für eine Lastpunkt-Verschiebung zur Anpassung der Ab­ gastemperatur T₃ bzw. T₄ an den Arbeitstemperaturbereich des jeweiligen Katalysators 3 bzw. 4 integriert. Bei einer beispielsweise mit einem Automatik-Getriebe 12 ver­ bundenen Brennkraftmaschine 1 wird hierfür das Getriebe 12 über die Steuereinrichtung 7 in einen längeren, dreh­ zahlsenkenden Gang geschaltet. Weiter kann die Lastpunkt- Verschiebung auch mittels CVT-Getriebe, geregelter Wand­ lerkupplung oder durch Zylinderabschaltung bewirkt sein. Weiter kann die Abgastemperatur durch Luftmassendurch­ satzveränderung vorzugsweise mittels Abgasturbolader mit variabler Geometrie, ferner durch Ansaugluftdrosselung, Ladedruckabregelung und Ansaugluftvorwärmung erhöht wer­ den. Weitere Maßnahmen zur Erzielung oder Aufrecht­ erhaltung eines hohen Abgastemperaturniveaus sind der Einsatz wärmedämmender Einrichtungen, wie beispielsweise motorseitig vorgesehene Portliner und/oder eine ab­ schnittsweise Abdeckung der Abgasanlage.

Claims (10)

1. Katalysator-Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigen Abgasen einer Brennkraft­ maschine, insbesondere Dieselmotor
  • - umfassend in Abgasströmungsrichtung be­ abstandet angeordnete Katalysatoren mit u. a. unterschiedlich temperaturabhängigen Konver­ tierungsgraden, und
  • - mindestens eine stromauf eines der Kataly­ satoren vorgesehene Dosiereinrichtung für ein dem Abgas zuführbares Reduktionsmittel,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß entsprechend relativ stark unterschied­ lichen Abgaseintrittstemperaturen (T₃, T₄) be­ abstandet angeordneten, oxidierenden und redu­ zierenden Katalysatoren (3, 4) von verschie­ denartigem Aufbau und unterschiedlichen Raum­ geschwindigkeiten voneinander unabhängig an­ steuerbare Dosiereinrichtungen (5, 6) zugeord­ net sind, und
  • - daß der eine relativ hohe Raumgeschwindigkeit aufweisende Katalysator (3) nach Art eines Start-Katalysators brennraumnah angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der brennraumnahe Katalysator (3) einen mindestens einem Edelmetall-Katalysator ent­ sprechenden temperaturabhängigen Konvertie­ rungsgrad und
  • - daß der brennraumfern beabstandete Katalysator (4) einen etwa einem im wesentlichen edel­ metallfreien Katalysator entsprechenden tempe­ raturabhängigen Konvertierungsgrad aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der brennraumnahe Katalysator (3) als ein Start-Katalysator, insbesondere als Metall­ träger-Kat mit platinhaltiger Beschichtung gewählt ist.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der brennraumferne Katalysator (4) zeolith-haltig ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dosiereinrichtungen (5, 6) mittels eines Kennfeldes (11) und/oder mittels Be­ triebsparameter gesteuert sind.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet,
  • - daß die dem brennraumnahen Katalysator (3) zu­ geordnete Dosiereinrichtung (5) zusätzlich für Überdosierungen ansteuerbar ist, die
  • - gegebenenfalls sich mit der Dosierung des brennraumfernen Katalysators (4) überschnei­ det.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (5) strom­ auf des brennraumnahen Katalysators (3) als eine das Reduktionsmittel (z. B. Kraftstoff) dem im Brennraum (Zylinder 9) der Brennkraftmaschine (1) vorhandenen Abgas zuführende Einspritzdüse (10) ge­ wählt ist.
8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Einspritzdüse (10) eine Hoch­ druck-Einspritzdüse mit gesteuerter/geregelter Nach-Einspritzung gewählt ist.
9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung (7) zu­ sätzlich zur Steuerung der Dosiereinrichtungen (5, 6) eine Steuerung zur Lastpunkt-Verschiebung für die Anpassung der Abgastemperatur an einen opti­ malen Arbeits-Temperaturbereich des Katalysators (3, 4) integriert ist.
DE4440833A 1994-11-15 1994-11-15 Katalysator-Anordnung zur Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigen Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor Ceased DE4440833A1 (de)

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