DE69827803T2

DE69827803T2 - VERMINDERUNG DES NOx AUSSTOSSES EINES MOTORS BEI MAXIMALER BRENNSTOFFEKONOMIE

Info

Publication number: DE69827803T2
Application number: DE69827803T
Authority: DE
Inventors: J. Theodore TARABULSKI
Original assignee: Clean Diesel Technologies Inc
Current assignee: Clean Diesel Technologies Inc
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2018-04-02
Also published as: ES2234108T5; EP0998625A1; DK0998625T4; US5924280A; EP0998625A4; DE69827803T3; JP2002512666A; DK0998625T3; EP0998625B2; DE69827803D1; EP0998625B1; WO1998045581A1; ATE283418T1; AU6791398A; ES2234108T3

Description

Die Erfindung betrifft Mittel und Verfahren, die eine sichere und zuverlässige Verminderung des Ausstoßes von Stickoxiden (NO_x) eines Motors mit Magergemisch-Verbrennung ermöglichen und gleichzeitig seinen effizienten Betrieb zulassen.
Diesel- und Magergemisch-Benzin-Verbrennungsmotoren bieten Vorteile in der Brennstoffökonomie und sind aus diesem Grund beliebt. Bei normalem Betrieb erzeugen sie jedoch große Mengen NO_x und es gibt keine bekannte Technologie, die zur Verfügung steht, um den Vorteil ihrer Ökonomie zu nutzen, ohne den Nachteil des NO_x Ausstoßes zu erleiden.
Wenn Primärmaßnahmen (Aktionen, die den Verbrennungsvorgang selbst beeinflussen) ergriffen werden, um die NO_x bei Magergemisch-Verbrennungsmotoren zu vermindern, wird gewöhnlich auch die Brennstoffökonomie verschlechtert und der Partikelausstoß erhöht. Verbrennungsbedingungen, die so gewählt werden, dass die Umweltverschmutzung durch Partikel verringert und eine gute Brennstoffökonomie erhalten wird, neigen andererseits dazu, die NO_x zu vermehren. Dieser Kompromiss ist unter Hochlastbedingungen am stärksten, wobei sowohl die Brennstoffökonomie als auch der NO_x-Ausstoß am meisten betroffen sind.
Derzeitige Strategien zur Senkung des NO_x-Ausstoßes beinhalten: eine optimierte Brennstoff/Luft-Vermischung, Anpassung der Brennstoffeinspritzgeschwindigkeit, hohe Einspritzdrücke, Zwischenkühler, eine Abgasrückführung (EGR) und NO_x-reduzierende Katalysatoren. Der NO_x-Reduktion des Standes der Technik sind durch die Kosten und die kommerzielle Anwendbarkeit Grenzen gesetzt. Zusätzlich macht die wahrscheinliche Notwendigkeit, Magergemisch-Verbrennungsmotoren zu verwenden, um die Brennstoffökonomieziele zu erreichen, die Erreichung der Emissionsziele noch schwieriger.
Katalytische Systeme zur Emissionskontrolle haben einige Nachteile. Katalysatoren, die für herkömmliche Benzinmotoren verwendbar sind, sind für Diesel- und Magergemisch- Benzinmotoren im allgemeinen nicht wirksam. Es sind Katalysatoren für die auf einem Reagens (Reduktionsmittel) basierende NO_x-Reduktion mit Ammoniak, Harnstoff und Kohlenwasserstoffen, wie Dieselkraftstoff, vorgeschlagen worden. Reagenzien, bei denen es sich nicht um den Brennstoff handelt, wie Ammoniak und Harnstoff, erfordern jedoch einen gesonderten Beschickungsvorgang. Und die Verwendung des Brennstoffs als Reagens verschlechtert die Brennstoffökonomie und ist mit zusätzlichen Kosten in Form der Brennstoffsteuern verbunden.
Es bedarf derzeitig einer ökonomischen und effektiven Lösung der mit der NO_x-Minderung verbundenen Probleme, ohne größere Nachteile im Brennstoffverbrauch oder Partikelausstoß zu erleiden, und zwar insbesondere für mobile Diesel- und andere Magergemisch-Verbrennungsmotoren.
Intensive Forschungen über etwa die letzte Dekade haben eine Reihe von Technologien zur NO_x-Reduktion zur Verfügung gestellt. Wie vorstehend kurz angemerkt, hat sich jedoch keine Technologie als effektiv erwiesen, das Doppelziel von Brennstoffökonomie und geringem Schadstoffausstoß zu erreichen. Das Fachgebiet hat keine Technologie entwickelt, mit der allein oder durch Kombination von zwei oder mehreren verfügbaren Strategien, man den geplanten gesetzlichen Forderungen nach Brennstoffökonomie bei geringem NO_x-Ausstoß nachkommt.
Es sind SCR-Katalysatoren verfügbar, um den NO_x-Ausstoß von Dieselmotoren einzuschränken, aber auch wenn auf diesem Gebiet ein gewisser Erfolg erzielt wurde, hat noch keiner das Problem signifikanter Totzeiten gelöst. Eine SCR-Einheit ist in praktischem Sinne wirksam, wenn die Abgastemperaturen ausreichend hoch sind, und wirksame Temperaturen werden während des Anlassens und Leerlaufs nicht erreicht. Darüber hinaus hängt ihre Wirksamkeit vom Bediener, der die Zufuhr des Reagens aufrechterhält und die Aktivität des Katalysators überwacht, ab. Dies sind Einschränkungen, die von den Behörden als ungünstig betrachtet werden. Eine nationale oder regionale Politik, die in der Art eingeschränkt ist, könnte einfach durch eine wesentliche Anzahl von Bedienern, die sich nicht die Zeit nehmen, um ihr System zum Nachfüllen des Reagens oder zum Warten anzuhalten, unwirksam gemacht werden. Das Problem des Nachfüllens des Reagens geht daher tiefer als bloß bis zur Bequemlichkeit des Fahrers oder eines anderen Bedieners.
Zusätzlich zu diesen Faktoren beschreibt R. J. Hulterman in „A Selective Catalytic Reduction of NO_x from Diesel Engines using Injection of Urea" (Ph. D. Thesen, September 1995) eine Reihe von technischen Herausforderungen, um eine Harnstoff-SCR in die Tat umzusetzen, die das Verstopfen des Einspritzers, Zersetzungsprobleme und Systemdynamiken einschließen. Und wie er betont, können die Anreize, eine Ammoniak-SCR zu verwenden, wegen der mit ihr verbundenen Gefahren gering sein. Weiterhin gehen US-Patent Nr. 5,431,893 (Hug, et al.) und die europäische Patentbeschreibung 615,777 A1 Probleme mit der SCR an. Die mit diesen Problemen verbundenen Kosten und die Tatsache, dass eine SCR über einen wesentlichen Teil des Betriebszyklus' eines mobilen Motors unwirksam ist, haben bei dem begrenzten Erfolg, der sich heute für die SCR zeigt, eine Rolle gespielt.
Es wurde auch festgesellt, dass Primärmaßnahmen, wie sie vorstehend genannt sind, weniger als eine komplette Lösung des Problems der NO_x-Reduktion bei Brennstoffökonomie bieten. Bei einer konstanten Last, steigt, so eine EGR verwendet wird, sowohl der bremskraftbezogene spezifische Brennstoffverbrauch (brake specific fuel consumption, bsfc) als auch der Partikelausstoß. Siehe dazu Psaras, et al. „Achieving the 2004 Heavy-Duty Diesel Emissions using Electronic EGR and a Cerium based Fuel Borne Catalyst", SAE Technical Paper Nr. 970189, 1997.
Das Fachgebiet wartet auf die Entwicklung eines Verfahrens und eines Apparates, die eine NO_x-Minderung erlauben würden, ohne übermäßige Nachteile im Brennstoffverbrauch oder Partikelausstoß zu erleiden, und das einfach, zuverlässig, ökonomisch und sicher.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System bereitzustellen, das den NO_x-Ausstoß eines Motors mit interner Verbrennung eines Magergemisches vermindert, aber gleichzeitig eine gute Brennstoffökonomie ermöglicht.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, die NO_x-Reduktion über den gesamten Leistungsbereich eines Motors zu ermöglichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Brennstoffökonomie zu optimieren, aber gleichzeitig eine Verminderung des Ausstoßes von NO_x, Partikeln, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu erreichen.
Es ist eine wiederum andere Aufgabe der Erfindung, die Menge an NO_x-reduzierendem Mittel, die für den SCR-Betrieb erforderlich ist, zu reduzieren.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Minderung des auf eine Niedriglast-EGR zurückzuführen Partikelausstoßes und ein weiterentwickeltes Timing zu ermöglichen, ohne die Brennstoffökonomie oder die NO_x-Reduktion bei hoher Last zu opfern.
Es ist eine verwandte Aufgabe der Erfindung, die Kompromissprobleme im Zusammenhang mit bekannten Strategien, mit denen eine NO_x-Reduktion zusammen mit Brennstoffökonomie und einem geringem Partikelausstoß erreicht werden soll, zu beseitigen.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein System für Magergemisch-Verbrennungsmotoren bereitzustellen, dass annehmbar ist für Behörden, die in Sorge darüber sind, dass die Betreiber, insbesondere bei mobilen Anwendungen, Niedrigemissionsstrategien aufgrund von Bequemlichkeit, Nachlässigkeit oder einfach der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften umgehen könnten.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein System bereitzustellen, das den Betreibern, insbesondere bei mobilen Anwendungen, einen ökonomischen Anreiz bietet, ihr Schadstoffkontrollsystem instand zu halten.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Strategie zu Emissionskontrolle bereitzustellen, die stickstoffhaltige NO_x-reduzierende Mittel, wie Ammoniak und Harnstoff, einsetzt, ohne dass es bei hoher Last ein Ammoniakemissionsproblem gibt.
Diese und andere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, welche ein verbessertes Verfahren und einen Apparat zur NO_x-Reduktion bei Brennstoffökonomie und Partikelkontrolle bereitstellt. In einer ihrer Ausführungsformen umfasst das Verfahren:
das Bereitstellen eines Abgassystems mit einer Abgasleitung, die zu einem Katalysatorreaktor führt, der wirksam ist zur NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion unter Verwendung eines NO_x-reduzierenden Mittels, das aus Ammelid, Ammelin, Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat, Ammoniumcarbamat, Ammoniumcyanat, Ammoniumsalzen von anorganischen Säuren, Ammoniumsalzen von organischen Säuren, Biuret, Cyanursäure, Hexamethylentetramin, Isocyansäure, Niederalkylaminen, Melamin, Tricyanoharnstoff und Harnstoff ausgewählt ist;
das Bereitstellen einer Abgasrückführung (EGR) zum Mischen von Abgasen aus der Abgasleitung und Zuluft und zum Einspeisen des erhaltenen Gemisches in den Motor;
das Messen von Betriebsparametern, wie z.B. Motorlast, Verfügbarkeit des NO_x-reduzierenden Mittels und/oder Abgastemperatur, welche auf Bedingungen schließen lassen, die für eine katalytische NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion wirksam sind;
das Erzeugen eines oder mehrerer Betriebssignale, die die gemessenen Betriebsparameter repräsentieren;
das Vergleichen des oder der Betriebssignale mit (einem) Referenzwert(en), um zu bestimmen, ob eine katalytische NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion wirksam durchgeführt werden kann;
das Erzeugen eines oder mehrerer Steuersignale, die für die Ergebnisse des Vergleichs repräsentativ sind; und
das Betreiben des Katalysatorreaktors zur selektiven katalytischen Reduktion durch Einbringen eines der NO_x-reduzierenden Mittel und/oder der EGR-Einheit als Antwort auf ein oder mehrere Steuersignale, so dass die Brennstoffökonomie maximiert und die NO_x-Reduktion sichergestellt wird.
Das Verfahren und der Apparat sind insbesondere für Diesel- und Magergemisch-Benzin-Verbrennungsmotoren, aber auch für andere Magergemisch-Verbrennungsmotoren wirksam. Die katalytische Einheit ist eine SCR-Einheit. Typischerweise werden der Katalysatorreaktor und die bevorzugten Mittel zur Zuführung des Reagens', die dort zu finden sind, bei der für den Katalysator effektiven Betriebstemperatur, freigegeben, z. B. wenn die Temperatur der Abgase im Bereich von etwa 200 bis etwa 650 °C liegt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Katalysatorreaktor eine SCR-Einheit und es wird ein NO_x-reduzierendes Mittel in das Abgas eingebracht, wenn der Reaktor freigegeben ist.
Eine Ausführungsform des Apparates umfasst:
ein Abgassystem mit einer Abgasleitung, die zu einem Katalysatorreaktor führt, der wirksam ist zur NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion unter Verwendung eines NO_x-reduzierenden Mittels, das aus Ammelid, Ammelin, Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat, Ammoniumcarbamat, Ammoniumcyanat, Ammoniumsalzen von anorganischen Säuren, Ammoniumsalzen von organischen Säuren, Biuret, Cyanursäure, Hexamethylentetramin, Isocyansäure, Niederalkylaminen, Melamin, Tricyanoharnstoff und Harnstoff ausgewählt ist;
eine EGR, um einen Teil der Abgase aus der Abgasleitung mit Zuluft zu mischen und das erhaltene Gemisch in den Motor einzuspeisen;
Messeinrichtungen zum Messen von Betriebsparametern, wie z.B. Motorlast, Verfügbarkeit des NO_x-reduzierenden Mittels und/oder Abgastemperatur, welche auf die für eine katalytische NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion wirksamem Bedingungen schließen lassen, und zum Erzeugen eines oder mehrerer Betriebssignale, die dafür repräsentativ sind;
eine Optimalwertsteuerung („Feedforward Controller") zum Vergleichen des oder der Betriebssignale mit (einem) Referenzwert(en), um zu bestimmen, ob eine katalytische NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion wirksam betrieben werden kann, und zum Erzeugen eines oder mehrerer Steuersignale, die für die Ergebnisse des Vergleichs repräsentativ sind; und
Steuerungseinrichtungen, die auf das Steuersignal reagieren, um den Katalysatorreaktor und/oder die EGR-Einheit so zu betreiben, dass die Brennstoffökonomie maximiert und die NO_x-Reduktion sichergestellt wird.
Durch die folgende ausführliche Beschreibung wird die Erfindung besser verstanden und ihre Vorteile offenkundiger werden, insbesondere wenn sie im Hinblick auf die beiliegenden Zeichnungen gelesen wird, wobei:
1 ein Flussdiagramm ist, das die Hauptkomponenten einer Ausführungsform der Erfindung, die eine Abgasrückführung und eine SCR-Einheit verwendet, zeigt;
2 ein Flussdiagramm ist, das die Abgasrückführung und einen Magergemisch-NO_x-Katalysator, die gegebenenfalls durch eine Kohlenwasserstoff(Brennstoff)-Einspeisung ergänzt werden, zeigt.
In dieser Beschreibung soll der Ausdruck „Magergemisch-Verbrennungsmotor" Motoren einschließen, die mit einem Sauerstoffüberschuss von mindestens 1 Gew.-% gegenüber der zur vollständigen Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes stöchiometrisch erforderlichen Menge betrieben werden können. Der Begriff „Motor" soll in weitem Sinne alle Verbrennungsmaschinen einschließen, die Brennstoff verbrennen, um Wärme, z. B. für die direkte oder indirekte Umwandlung in mechanische oder elektrische Energie, zu liefern. Es sind Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung vom Typ Otto, Diesel oder Turbine, sowie Brenner und Öfen eingeschlossen und können aus der Erfindung Nutzen ziehen. Da die Probleme und Vorteile der erfolgreichen Erreichung einer zuverlässigen NO_x-Reduktion bei Dieselmotoren jedoch so ausgeprägt sind, wird durch die gesamte Beschreibung hindurch der Dieselmotor als Beispiel verwendet. Es kommen stationäre und mobile Motoren in Betracht.
Der Begriff „Dieselmotor" soll alle Verbrennungsmotoren mit Kompressionszündung, sowohl für mobile (einschließlich Schiffs-) als auch stationäre Antriebsmaschinen, und Zweitakt-, Viertakt- und Rotationstypen einschließen.
Der Begriff „Kohlenwasserstoff-Brennstoff" soll all jene Brennstoffe einschließen, die aus „Destillatbrennstoffen" oder „Erdöl" hergestellt sind. Es sind Benzin, Düsenkraftstoff, Dieselkraftstoff und verschiedene andere Destillatkraftstoffe eingeschlossen. Der Begriff „Destillatkraftstoff" steht für all jene Produkte, die durch Destillation von Erdöl oder Erdölfraktionen und -rückständen hergestellt sind. Der Begriff „Erdöl" soll in seinem üblichen Sinne all jene Materialien, ungeachtet der Quelle, einschließen, die normalerweise in die Bedeutung des Begriffes eingeschlossen sind, was aus fossilen Brennstoffen zurückgewonnene Kohlenwasserstoff-Materialien, ungeachtet der Viskosität, einschließt.
Der Begriff „Dieselkraftstoff" steht für „Destillatkraftstoffe", welche die der ASTM-Begriffsbestimmung für Dieselkraftstoffe entsprechenden Dieselkraftstoffe oder andere einschließen, selbst wenn sie nicht nur Destillate umfassen, und Alkohole, Ether, Organonitroverbindungen und dergleichen (z. B. Methanol, Ethanol, Diethylether, Methylethylether, Nitromethan) umfassen können. Auch im Schutzumgang dieser Erfindung liegen Emulsionen und flüssige Brennstoffe, die sich von pflanzlichen oder mineralischen Quellen, wie Getreide, Luzerne, Schiefer und Kohle ableiten. Diese Brennstoffe können auch andere dem Fachmann allgemein bekannte Zusatzstoffe enthalten, die Farbstoffe, Cetanzahlverbesserer, Antioxidantien, wie z. B. 2,6-Di-tert-butyl-4-methylphenol, Korrosionsschutzmittel, Rostschutzmittel, wie z. B. alkylierte Bernsteinsäuren und -anhydride, Bakteriostatika, Stabilisatoren, Metalldesaktivatoren, Obenschmiermittel (upper cylinder lubricants), Frostschutzmittel und dergleichen einschließen.
Der hier verwendete Begriff „SCR" bezeichnet ein Verfahren, das auf dem Fachgebiet als selektive katalytische Reduktion bekannt ist. Diese Verfahren und die Erfindung können Ammoniak oder ein beliebiges NO_x-reduzierendes Mittel, das beim Erwärmen Ammoniakgas erzeugen kann, verwenden. Von diesen Materialien sind jene bevorzugt, die eines der folgenden umfassen: Ammelid; Ammelin; Ammoniumcarbonat; Ammoniumbicarbonat; Ammoniumcarbamat; Ammoniumcyanat; Ammoniumsalze von anorganischen Säuren, einschließlich Schwefelsäure und Phosphorsäure; Ammoniumsalze von organischen Säuren, einschließlich Ameisen- und Essigsäure; Biuret; Cyanursäure; Hexamethylentetramin und dessen Carbonate; Isocyansäure; Niederalkylamine, wie Methylamin, Ethylamin, Dimethylamin; Melamin; Tricyanoharnstoff; Harnstoff; und Gemische einer beliebigen Anzahl von diesen. Der Begriff „Harnstoff" soll Harnstoff in allen seinen Handelsformen einschließen. Typischerweise werden Handelsformen von Harnstoff im wesentlichen aus Harnstoff bestehen, 95 Gew.-% oder mehr Harnstoff enthalten.
Wo es gewünscht ist, können wässrige Lösungen von Harnstoff, Ammoniak (Ammoniumhydroxid) oder beliebiger der anderen Reagenzien eingesetzt werden. Vorzugsweise wird nur so wenig Wasser als notwendig verwendet, da zusätzliche Aufwendungen für den Transport und die Verdampfung des Wassers anfallen. Außerdem ist die zum Vergasen des Harnstoffs oder eines anderen Reagens' notwendige Zeit in Abwesenheit von Wasser auf ein Mindestmaß reduziert, was die Größe der Ausrüstung gegenüber dem Fall, dass Wasser oder ein anderes Lösungsmittel verdampft werden muss, verkleinert. Es ist jedoch ein Vorteil der Erfindung, dass Wasser strategisch eingesetzt werden kann, um eine geringe, aber wirksame Temperatur im Abgas aufrechtzuerhalten – ein Ergebnis, das für die SCR gewöhnlich nicht erwünscht ist, aber dort hilfreich ist, wo die Natur des Katalysators oder der sonstigen Ausrüstung, wie z. B. dazugehöriger Ventile und dergleichen, profitieren können. Wasser kann in den auf dem Fachgebiet bekannten Konzentrationen, z. B. von etwa 5 % bis etwa 65 % (oder mehr im Falle von Aufschlämmungen) eingesetzt werden, wird aber typischerweise (wenn eingesetzt) in Konzentrationen von etwa 25 bis etwa 50 Gew.-% der Reagenslösung vorhanden sein.
Der Begriff „Magergemisch-NO_x-Katalysator" wird hier in gleicher Weise wie auf dem Fachgebiet verwendet, um ein Katalysatorsystem zu definieren, das zum Reduzieren von NO_x im Abgas eines Magergemisch-Verbrennungsmotors wirksam ist. Typischerweise erfordern diese Katalysatoren die Verwendung eines Kohlenwasserstoff-Reagens' (am bequemsten z. B. des Brennstoffes). Siehe dazu Heimrich, „Demonstration of Lean NO_x Catalytic Converter Technology on a Heavy Duty Diesel Engine ", SAE Technical Paper Nr. 970755, 1997, dessen Offenbarung durch Bezugnahme aufgenommen ist. Einigen Erfolg hatte man mit Katalysatoren zu verzeichnen, die ohne Kohlenwasserstoff-Reagenzien wirksam sind.
Die Technologie der „Abgasrückführung" (Exhaust Gas Recirculation, EGR) ist gut ausgereift und der Begriff wird hier in gleicher Weise wie auf dem Fachgebiet verwendet. Typischerweise wird ein Teil des Abgases aus der (den) Verbrennungskammer(n) eines Motors mit Verbrennungsluft in eine oder mehrere der Verbrennungskammern zurückgeführt. Ein Teil der Abgase kann von einem Abgassammelrohr oder einer -leitung davon abgetrennt werden und auf geeignete Weise mit Zuluft vermischt werden, wie von Showalter in US-Patent Nr. 4,609,342, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben.
Das Verfahren der Ausführungsform von 1 weist einen Magergemisch-Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung und ein SCR-System auf. Das kombinierte EGR/SCR-System wird so gesteuert, dass zu Zeiten geringer Last, während des Warmlaufens, und/oder wenn das SCR-System unwirksam wäre, Abgas zurückgeführt wird. Das EGR-System wird demnach die NO_x zu Zeiten reduzieren, wenn die Abgastemperatur für die bestmögliche Verwendung der SCR zu gering ist, wenn die Reagenszufuhr erschöpft ist und/oder wenn mechanische Probleme oder eine Katalysatordesaktivierung eintreten.
Während des EGR-Betriebs werden Verbrennungsluft von der Ansaugöffnung 10 (mit hohem oder geringem Druck, erhitzt oder gekühlt) und Abgase von der Leitung 12 (abgetrennt vom Hauptabgasstrom 16) vermischt und einem oder mehreren Zylindern des Motors 14 (z. B. entweder Diesel- oder Magergemisch-Benzin-Verbrennungsmotoren) zugeführt. Der Anteil der Abgase, der zum Motor zurückgeführt wird, um ein Verbrennungsluftgemisch zu bilden, wird sich dahingehend auswirken, dass die Produktion von NO_x durch den Motor unter Verwendung des Verbrennungsluftgemisches geringer ist als unter Verwendung von Verbrennungsluft, die keine Abgase enthält. Typischerweise können etwa 0 bis etwa 30 % zurückgeführt werden.
Das Verbrennungsluftgemisch wird typischerweise verdichtet, bevor es in den (die) Motorzylinder eingebracht wird, worin es weiter verdichtet wird, was ein Erwärmen bewirkt. Der passende Brennstoff wird bei Dieselmotoren nach der Verdichtung in die Zylinder eingespritzt, kann aber bei Ottomotoren früher eingespritzt werden. Der Brennstoff wird dann mit dem Verbrennungsluftgemisch verbrannt, wodurch Abgase erzeugt werden, die durch den Abgasstrom 16 ausgetragen werden. Der eben beschriebene Kreislauf wird ständig wiederholt, solange der Motor weiter im EGR-Modus läuft. Die EGR senkt die Verbrennungstemperatur und verringert die produzierte NO_x-Menge, aber wie beobachtet wurde, erhöht sie bei hohen Lasten die Produktion von Partikeln und unverbrannten Kohlenwasserstoffen – wieder der Kompromiss zwischen NO_x und vollständiger Verbrennung.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die EGR bei hohen Lasten abgeschaltet werden kann und die Brennstoffverbrauchs- und Emissionsnachteile, die sie bei hohen Lasten verursachen würde, vermieden werden können. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass, dadurch, dass die ERG bei hohen Lasten nicht arbeitet (solange das Reagens nicht erschöpft ist), weniger Partikel zurück in den Motor geführt werden, wo sie Verbrennung- oder mechanische Probleme hervorrufen könnten. Die EGR-Ausrüstung könnte tatsächlich Kosteneinsparungen erzielen, weil sie nicht so robust zu sein braucht, als wenn sie ununterbrochen bei allen Lasten eingesetzt wird.
Austrittsseitig des Abgasstroms 16 befindet sich eine SCR-Einheit 18. Die SCR ist innerhalb eines relativ schmalen Temperaturfensters von etwa 180 bis etwa 650 °C wirksam. Unter Hochlastbedingungen wird die Abgastemperatur auf den für die SCR am meisten bevorzugten Temperaturen gehalten – und bei diesen Temperaturen sind NO_x-Umsätze von mehr als 90 % und darüber realistisch, und wird das NO_x-reduzierende Mittel aus einem geeigneten Vorratsbehälter 20 eingespeist. Es verbleiben jedoch Zeiten, wie z. B. während des Anlassens und des Leerlaufes, in denen die Temperatur nicht hoch genug ist. Während dieser Zeiten wird vorzugsweise kein Ammoniak oder anderes Reagens in das Abgas eingebracht, da es einfach durchlaufen und die Luft verschmutzen würde.
1 veranschaulicht auch ein Steuerungssystem, das in seiner Art dazu geeignet ist, den ordentlichen Betrieb der EGR- und der SCR-Einheit zu unterhalten und die Reagenszufuhrmenge (d. h. die Dosis) zu bestimmen. Die Steuerungseinrichtung 22 kann, wenn gewünscht, die Einspritzungen zeitlich so steuern, dass sie zu versetzten Zeiten in einer vorbestimmten Reihenfolge stattfinden, die so gestaltet ist, dass die Zufuhrgeschwindigkeit trotz der Verwendung gepulster Einspritzdüsen geglättet wird. Die Temperatur des Abgases (Messeinrichtung 26) ist ein wichtiger Parameter. Ein weiterer wichtiger Schlüsselparameter ist die Motorlast (Messeinrichtung 28) und diese oder eine ähnliche Größe kann überwacht werden, um die Menge an NO_x, die erzeugt wird, und den Bedarf an NO_x-reduzierendem Mittel, das in die Abgase eingespeist wird, zu bestimmen. Die Messeinrichtung 29 wird vorzugsweise bereitgestellt, um die Verfügbarkeit des NO_x-reduzierenden Mittels im Reagensbehälter 20 zu bestimmen.
Die Messeinrichtungen, die zum Messen der Betriebsparameter bereitgestellt werden, die auf die für eine katalytische NO_x-Reduktion wirksamen Bedingungen schließen lassen, messen den entsprechenden Betriebsparameter und erzeugen ein dafür repräsentatives Betriebssignal. Die Steuerungseinrichtung 22 stellt Steuermittel zum Vergleichen eines oder mehrer Betriebssignale mit (einem) entsprechenden Referenzwert(en) bereit und bestimmt, ob die katalytische NO_x-Reduktion wirksam betrieben werden kann. Die Steuerungseinrichtung erzeugt dann entsprechende Steuersignale, die für das Ergebnis des Vergleichs repräsentativ sind. Es werden Mittel bereitgestellt, die auf die Steuersignale reagieren sollen, um je nach Verlangen der Steuerungseinrichtung entweder den katalytischen Reaktor oder die EGR-Einheit zu betreiben. 1 zeigt die Ventile 30 und 32 als Vertreter dieser letzteren Mittel.
Vorteilhaft ist, dass die gewöhnlich auftretenden Spitzen oder Sprünge in den NO_x-Mengen mit der Einspritzung von Reagens und/oder der EGR in der geeigneten Prozesskonfiguration besser verfolgt werden können. Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass dann, wenn die Steuerungseinrichtung einmal einen Niedriglastbetrieb misst, die SCR-Einheit noch lange genug angeschaltet bleiben kann, um jegliches Reagens im Zuführungssystem aufzubrauchen – wodurch das Problem des Ammoniak-Schlupfs, der normalerweise bei SCR-Einheiten zu finden ist, beseitigt oder stark verringert wird.
Die Einspeisung des SCR-Reagens' kann als Reaktion auf eine Optimalwertsteuerung entsprechend einer Reihe von gemessenen Parametern erfolgen, die einschließen: die Motorlast, die sich in verschiedene mechanischen oder elektronische Maßen, wie z. B. dem Brennstofffluss, der Takt- oder Pulsbreite, der Motordrehzahl darstellen, der Zulufttemperatur; den Luftdruck, die Zuluftfeuchtigkeit; die Abgastemperatur und/oder andere für einzelne Motoren wirksame Parameter. Zusätzlich kann in dem Umfang, in dem Messfühler verfügbar sind, eine Trimm- oder Feed-Back-Steuerung bereitgestellt werden, die auf den nach dem Katalysator verbleibenden Gasspezies, z. B. der Menge an NO_x, HC oder CO, beruht. Wenn gewünscht, kann eine Feed-Back-Steuerung eingesetzt werden, um das System als Reaktion auf verbleibende Mengen an Ammoniak, andere Gasspezies oder eine beliebige andere meßbare Motor- oder Abgaseigenschaft zu trimmen.
Der Harnstoff, oder ein anderes Reagens oder eine aktive Spezies, wird in einer Menge in die Abgase eingebracht, die ausreichend ist, den gewünschten Grad der NO_x-Reduktion bereitzustellen. Die gewünschte Menge kann von einer Vorschrift, Erfordernissen des Motordesigns oder anderen Kriterien diktiert werden. Typischerweise wird man ein Molverhältnis der aktiven Spezies zur Ausgangsmenge an Stickoxiden (womit die Menge an NO_x im Abgasstrom vor der Behandlung gemeint ist) von mindestens etwa 0,3:1 einsetzen. Genauer gesagt, wird das Reagens so eingespeist, dass ein Molverhältnis von aktiven Spezies zur Ausgangsmenge an Stickoxiden von etwa 0,5:1 bis etwa 1:1 bereitgestellt wird. Die Reagensmengen oder die Zielkonzentrationen an NO_x im Abgas können basierend auf Prüfwerten für gegebene Brennstoffflüsse und verwandte Parameter vorher in die Steuerungseinrichtung einprogrammiert werden, oder es können Sensoren und verwandte Überwachungsmittel bereitgestellt werden, um eine Echtzeitanzeige bereitzustellen. Es könnte eine Messeinrichtung bereitgestellt werden, um die vorprogrammierten Werte durch Feed-Back-Steuerung zu korrigieren.
Der verwendete SCR-Katalysator ist ein Katalysator, der die Stickoxidkonzentration im Abgasstrom in Anwesenheit von Ammoniak vermindern kann. Diese schließen z. B. Aktivkohle, -holzkohle oder -koks, Zeolite, Vanadiumoxid, Wolframoxid, Titanoxid, Eisenoxid, Kupferoxid, Manganoxid, Chromoxid, Edelmetalle, wie z. B. Platingruppenmetalle, wie Platin, Palladium, Rhodium und Iridium, und Gemische von diesen ein. Es können auch andere SCR-Katalysatormaterialien, die auf dem Fachgebiet üblich und der Fachkraft vertraut sind, verwendet werden. Diese SCR-Katalysatormaterialien werden typischerweise auf einen Träger, wie z. B. ein Metall, Keramik, ein Zeolit oder homogenen Monolith, obgleich auch andere auf dem Fachgebiet bekannte Träger verwendet werden können, aufgezogen.
Zu den verwendbaren SCR-Katalysatoren gehören jene typischen Verfahren des Standes der Technik, die nachstehend beschrieben sind. Die Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion zur NO_x-Minderung sind allgemein bekannt und nutzen eine Vielzahl von Katalysatoren. In der EP-Patentanmeldung WO 210,392 erörtern Eichholtz und Weiler z. B. die katalytische Entfernung von Stickoxiden unter Verwendung von Aktivholzkohle oder Aktivkoks als Katalysator, wobei Ammoniak zugegeben wird. Kato, et al. offenbaren in US-Patent Nr. 4,138,469 und Henke offenbart in US-Patent Nr. 4,393,031 die katalytische Reduktion von NO_x unter Verwendung von Platingruppenmetallen und/oder anderen Metallen, wie Titan, Kupfer, Molybdän, Vanadium, Wolfram, Zeoliten oder Oxiden davon, wobei Ammoniak zugegeben wird, um die gewünschte katalytische Reduktion zu erreichen.
Ein anderes katalytisches Reduktionsverfahren wird von dem kanadischen Patent Nr. 1,100,292 (Knight) offenbart, welches die Verwendung eines auf einem feuerfesten Oxid abgeschiedenen Platingruppenmetall-, Gold- und/oder Silberkatalysators betrifft. Mori, et al. erörtern in US-Patent Nr. 4,107,272 die katalytische Reduktion von NO_x unter Verwendung von Oxyschwefel-, Sulfat- oder Sulfitverbindungen von Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kupfer und Nickel, bei Zugabe von Ammoniakgas.
Bei einem mehrphasigen katalytischen System offenbart Ginger in US-Patent Nr. 4,268,488, dass ein Stickoxide enthaltender Abgasstrom in Anwesenheit von Ammoniak einem ersten Katalysator, umfassend eine Kupferverbindung, wie z. B. Kupfersulfat, und einem zweitem Katalysator, umfassend Metallkombinationen, wie z. B. Sulfate von Vanadium und Eisen oder Wolfram und Eisen, auf einem Träger ausgesetzt wird.
Am meisten bevorzugt wird der Abgasstrom, der ein in den gasförmigen Zustand gebrachtes SCR-Reagens enthält, über den SCR-Katalysator geleitet, während der Abgasstrom eine Temperatur zwischen etwa 100 °C und etwa 650 °C, vorzugsweise mindestens 180 °C aufweist. Auf diese Art und Weise unterstützen die aktiven Spezies, die durch Hydrolyse und das in den gasförmigen Zustand Bringen der Reagenslösung im Abgasstrom vorhanden sind, am wirksamsten die katalytische Reduktion von Stickoxiden. Die Verwendung der vorliegenden Erfindung mit beliebigen der vorstehenden SCR-Katalysatoren (deren Offenbarung eigens durch Bezugnahme aufgenommen ist) vermindert das Erfordernis des Transports, der Lagerung und Handhabung von großen Mengen Ammoniak oder Ammoniakwasser.
2 ist ein Flussdiagramm, ähnlich 1, das aber die Abgasrückführung und einen Magergemisch-NO_x-Katalysator zeigt, die gegebenenfalls durch eine Kohlenwasserstoff(Brennstoff)-Einspeisung ergänzt werden. Hier ist kein separater Behälter für ein NO_x-reduzierendes Mittel erforderlich, sondern es kann der Brennstoff im Tank 24 verwendet werden. Das Ventil 34, ähnlich Ventil 32 in 1, wird unter Kontrolle durch die Steuerungseinrichtung 22 betätigt, um den Brennstoff zuzuführen, so wie er vom Katalysator 18, in diesem Fall ein Magergemisch-NO_x-Katalysator, wie er in Heimrich, „Demonstration of Lean NO_x Catalytic Converter Technology on a Heavy Duty Diesel Engine", SAE Technical Paper Nr. 970755, 1997 beschrieben ist, benötigt wird. Es sind einige Katalysatoren verfügbar, um, zumindest während eines Teils des Lastzyklus', ohne Einspeisung von Reagens (Brennstoff oder Kohlenwasserstoff) zu arbeiten. Man beachte auch den Messfühler 36, der zum Messen des Brennstoffflusses als Indikator für die Motorlast eingesetzt wird.
Die Erfindung ist mit der Verwendung von Brennstoffkatalysatoren, die die Motorleistung verbessern, die Emissionen vermindern und/oder den Betrieb katalytischer Abgasbehandlungseinheiten oder Partikelfallen verbessern können, vereinbar. Der Brennstoff kann z. B. mit einem geeigneten Platingruppenmetallzusatzstoff und/oder einer Hilfskatalysatorzusammensetzung, ausgewählt aus Verbindungen von Natrium, Lithium, Kalium, Calcium, Magnesium, Cer, Eisen, Kupfer, Mangan und Gemischen davon, als Katalysator versehen werden. Zu den Verbindungen zählen beliebige jener, die z. B. in den früheren US-Patenten Nr. 4,892,562 und 4,891,050 (Bowers und Sprague), 5,034,020 (Epperly und Sprague), 5,215,652 (Epperly, Sprague, Kelso und Bowers) und 5,266,083 (Peter-Hoblyn, Epperly, Kelso und Sprague), in WO 90/07561 (Epperly, Sprague, Kelso und Bowers) und der US-Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 08/597,517, angemeldet am 31. Januar 1996 von Peter-Hoblyn, Valentine und Sprague, die hierdurch unter Bezugnahme aufgenommen sind, offenbart sind. Wo es die Anwendung zulässt, kann ein Gemisch dieser Verbindungen mit einem oder mehreren anderen Platingruppenmetallverbindungen, wie z. B. Seifen, Acetylacetonaten, Alkoholaten, β-Diketonaten und Sulfonaten, z. B. des nachstehend ausführlicher beschriebenen Typs, verwendet werden.
Der Platingruppenmetallkatalysator und/oder ein anderer Katalysator kann in einer beliebigen Art und Weise, die für den beabsichtigten Zweck effektiv ist, zugegeben werden, z. B. indem er dem Brennstoff im Großspeicher oder in einem mit dem Motor verbundenen Tank zugesetzt wird, oder durch kontinuierliche oder stoßweise Zugabe, z. B. durch eine geeignete Dosiervorrichtung, in die zum Motor führende Brennstoffleitung oder in Form eines Dampfes, Gases oder Aerosols in den Lufteinlass, in die Abgase vor der Falle, in die Abgase nach der Falle aber vor der Rückführung in den Motor oder in eine Mischkammer oder ein gleichwertiges Mittel, in der die Abgase mit der Zuluft gemischt werden.
Wenn verwendet, werden Platingruppenmetall-Katalysatorzusammensetzungen, insbesondere in Kombination mit Partikelfallen, vorzugsweise in Konzentrationen von weniger als 1 Gewichtsteil Platingruppenmetall pro Million Volumenteile Brennstoff (ppm) verwendet. Für die Zwecke dieser Beschreibung sind alle Angaben in „Teile pro Million" auf ein Gewicht pro Volumen, d. h. Gramm/Million Kubikzentimeter (was auch als Milligramm/Liter ausgedrückt werden kann) bezogen, und alle Prozentsätze sind, solange nicht anders angegeben, auf das Gewicht bezogen. Hilfskatalysatoren werden in Mengen verwendet, die für ihren beabsichtigten Zweck wirksam sind, vorzugsweise in Mengen von 1 bis 100 ppm des eingesetzten Brennstoffs, z. B. 10 bis 60 ppm.
Die vorstehende Beschreibung dient dem Zweck, den Durchschnittsfachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auszuführen ist, und beabsichtigt nicht, all ihre offensichtlichen Modifizierungen und Variationen, die dem Fachmann beim Lesen dieser Beschreibung offenkundig werden, ausführlich zu beschreiben. Solche offensichtlichen Modifizierungen und Variationen sollen jedoch alle in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, welcher durch die folgenden Ansprüche definiert wird, eingeschlossen sein. Die Ansprüche decken die angegebenen Komponenten und Schritte in allen Anordnungen und Reihenfolgen, die wirksam sind, um die der Erfindung gestellten Aufgaben zu erfüllen, ab, solange der Zusammenhang nicht ausdrücklich das Gegenteil anzeigt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Magergemisch-Verbrennungsmotors mit hoher Brennstoffökonomie und vermindertem Ausstoß von NO_x, Teilchen, gasförmigen Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, umfassend: Bereitstellen eines Abgassystems mit einer Abgasleitung, die zu einem Katalysatorreaktor führt, der wirksam ist zur NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion unter Verwendung eines NO_x-reduzierenden Mittels, das aus Ammelid, Ammelin, Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat, Ammoniumcarbamat, Ammoniumcyanat, Ammoniumsalzen von anorganischen Säuren, Ammoniumsalzen von organischen Säuren, Biuret, Cyanursäure, Hexamethylentetramin, Isocyansäure, Niederalkylaminen, Melamin, Tricyanoharnstoff und Harnstoff ausgewählt ist; Bereitstellen einer Abgasrückführung (EGR) zum Mischen von Abgasen aus der Abgasleitung und Zuluft und Einspeisen des resultierenden Gemisches in den Motor; Messen der Betriebsparameter, wie z.B. Motorlast, Verfügbarkeit des NO_x-reduzierenden Mittels und/oder Temperatur des Abgases, welche auf Bedingungen, die wirksam für eine katalytische NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion sind, hinweisen; Erzeugen eines oder mehrerer Betriebssignale, die für die gemessenen Betriebsparameter repräsentativ sind; Vergleichen eines oder mehrerer Betriebssignale mit (einem) Referenzwert bzw. -werten, um zu bestimmen, ob eine katalytische NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion wirksam durchgeführt werden kann; Erzeugen eines oder mehrerer Steuersignale, die für die Ergebnisse des Vergleichs repräsentativ sind; und Betreiben des Katalysatorreaktors zur selektiven katalytischen Reduktion durch Einbringen eines der NO_x-reduzierenden Mittel und/oder der EGR-Einheit als Antwort auf ein oder mehrere Steuersignale, so dass die Brennstoffökonomie maximiert und die NO_x-Reduktion sichergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Katalysatorreaktor zur NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion befähigt ist, wenn die Temperatur der Abgase innerhalb des Bereiches von etwa 200 bis etwa 600 °C liegt.
Apparat zum Steuern des Betriebs eines Magergemisch-Verbrennungsmotors, um eine hohe Brennstoffökonomie und einen geringen Ausstoß von NO_x und Teilchen zu erhalten, umfassend: ein Abgassystem mit einer Abgasleitung, die zu einem Katalysatorreaktor führt, der wirksam ist zur NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion unter Verwendung eines NO_x-reduzierenden Mittels, das aus Ammelid, Ammelin, Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat, Ammoniumcarbamat, Ammoniumcyanat, Ammoniumsalzen von anorganischen Säuren, Ammoniumsalzen von organischen Säuren, Biuret, Cyanursäure, Hexamethylentetramin, Isocyansäure, Niederalkylaminen, Melamin, Tricyanoharnstoff und Harnstoff ausgewählt ist; eine EGR, um einen Teil der Abgase aus der Abgasleitung und Zuluft zu mischen und das resultierende Gemisch in den Motor einzuspeisen; Messeinrichtungen zum Messen von Betriebsparametern, wie z.B. Motorlast, Verfügbarkeit des NO_x-reduzierenden Mittels und/oder Temperatur des Abgases, welche auf Bedingungen, die wirksam für eine katalytische NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion sind, hinweisen, und zum Erzeugen eines oder mehrerer Betriebssignale, die dafür repräsentativ sind; einen Steuerungsregler zum Vergleichen eines oder mehrerer Betriebssignale mit (einem) Referenzwert bzw. -werten, um zu bestimmen, ob eine katalytische NO_x-Reduktion durch selektive katalytische Reduktion wirksam durchgeführt werden kann, und zum Erzeugen eines oder mehrerer Steuersignale, die für die Ergebnisse des Vergleichs repräsentativ sind; und Steuerungseinrichtungen, die das Steuersignal beantworten, um den Katalysatorreaktor und/oder die EGR-Einheit so zu betreiben, dass die Brennstoffökonomie maximiert und die NO_x-Reduktion sichergestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die EGR immer dann betrieben wird, wenn die selektive katalytische Reduktionseinheit (SCR) nicht betriebsbereit ist.