DE102007056202A1

DE102007056202A1 - Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007056202A1
Application number: DE102007056202A
Authority: DE
Inventors: Immanuel Kutschera; Armin Dr. Burkardt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2009-05-28
Also published as: WO2009065555A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgasstrang (3), der einen Oxidationskatalysator (4), eine in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Oxidationskatalysator (4) angeordnete Dosiereinrichtung (5) zum Zudosieren eines Reduktionsmittels in das Abgas und einen in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Dosiereinrichtung (5) angeordneten SCR-Katalysator (7) sowie einen Partikelfilter (8) umfasst. Um im SCR-Katalysator (7) schneller hohe Temperaturen zu erreichen und bis dahin den Grad der Umsetzung von Stickoxiden (NOx) im SCR-Katalysator (7) zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Partikelfilter (8) in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Abgasnachbehandlungseinrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art werden insbesondere in Kraftfahrzeugen und vor allem in Kraftfahrzeugen mit Dieselmotor eingesetzt, um die Schadstoffemissionen und insbesondere die Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und Rußpartikeln zu vermindern.
Aus der DE 102 07 986 A1 ist bereits eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der das durch den Abgasstrang strömende Abgas zuerst durch einen Oxidationskatalysator und einen dem Oxidationskatalysator nachgeschalteten Partikelfilter hindurchgeleitet wird, bevor in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter ein Reduktionsmittel, wie Ammoniak (NH₃) oder Harnstoff (NH₂)₂CO in fester oder flüssiger Form, in das Abgas zudosiert wird, bevor dieses einen SCR(Selective Catalytic Reduction)-Katalysator durchströmt, in dem die im Abgas enthaltenen, aus einer Mischung von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂) bestehenden Stickoxide (NOx) unter Bildung von molekularem Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduziert werden.
Die Anordnung des Partikelfilters vor dem SCR-Katalysator hat jedoch zwei Nachteile. Zum einen wirkt der Partikelfilter als Wärmesenke, die nach einem Start der Brennkraftmaschine eine schnelle Aufheizung des SCR-Katalysators verhindert, wodurch sich der frühestmögliche Zeitpunkt der Zudosierung von Ammoniak (NH₃) oder Harnstoff (NH₂)₂CO in das Abgas nach hinten verschiebt, da wegen der Gefahr eines Ammoniakschlupfs, d. h. einer unvollständigen Umsetzung des Ammoniaks (NH₃) im SCR-Katalysator, unterhalb einer Abgastemperatur von etwa 250 bis 300°C kein Ammoniak (NH₃) oder Harnstoff (NH₂)₂CO in das Abgas zudosiert werden darf und somit bis dahin auch keine Umsetzung der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) möglich ist. Zum anderen hat sich in Versuchen gezeigt, dass der Grad der Umsetzung der Stickoxide (NOx) mit dem zudosierten Reduktionsmittel im SCR-Katalysator nicht nur von der Menge des im Abgas enthaltenen Reduktionsmittels sondern insbesondere in einem unteren Tem peraturbereich bis zu einer Abgastemperatur von etwa 270°C auch vom Anteil an Stickstoffdioxid (NO₂) in den Gesamtstickoxiden (NOx) abhängt, der beim Hindurchtritt des Abgases durch einen katalytisch beschichteten Partikelfilter abnimmt, weil ein Teil des Stickstoffdioxids (NO₂) an der Oberfläche des Partikelfilters gebunden wird.
Um die Umsetzung von Stickoxiden (NOx) zu verbessern, schlägt die EP 1 054 722 B1 ein SCR-Katalysator-System zur Behandlung von Stickoxide (NOx) enthaltendem Verbrennungsabgas und Rußpartikeln vor, bei dem das Abgas zuerst durch einen Oxidationskatalysator geleitet wird, der wirksam ist, um wenigstens einen Teil des Stickstoffmonoxids (NO) in Stickstoffdioxid (NO₂) umzuwandeln und so den Anteil des Stickstoffdioxids in den Stickoxiden (NOx) des Abgases zu erhöhen. Das SCR-Katalysator-System umfasst dort in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Oxidationskatalysator einen Feinstofffilter, hinter dem zuerst eine Einspritzvorrichtung zum Zudosieren ein er Reduktionsflüssigkeit und dann ein SCR-Katalysator angeordnet ist. Mit dem bekannten SCR-Katalysator-System lässt sich jedoch insbesondere in niedrigen Temperaturbereichen unter 250°C keine vollständige Umsetzung der Stickoxide (NOx) erreichen. Außerdem wirkt auch hier der Feinstofffilter als Wärmesenke und verlängert die Zeit bis zum Erreichen ausreichend hoher Temperaturen für eine vollständige Umsetzung der Reduktionsflüssigkeit mit den Stickoxiden (NOx) im SCR-Katalysator.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass im SCR-Katalysator schneller hohe Temperaturen erreicht werden und dass bis dahin der Grad der Umsetzung von Stickoxiden (NOx) im SCR-Katalysator verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei der Abgasnachbehandlungseinrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Partikelfilter in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird zum einen erreicht, dass sich nach einem Start der Brennkraftmaschine das Abgas bis zum Eintritt in den SCR-Katalysator weniger stark abkühlt, so dass im SCR-Katalysator schneller die für eine vollständige Umsetzung der Stickoxide (NOx) notwendigen Temperaturen erreicht werden. Zum anderen wird bewirkt, dass sich das Mischungsverhältnis von Stickstoffdioxid (NO₂) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas vor dem SCR-Katalysator nicht zugunsten des Stickstoffmonoxids (NO) verschiebt und etwa 1:1 beträgt, wodurch bei niedrigeren Temperaturen ein höherer Grad der Umsetzung der Stickoxide und bereits bei Tempera turen von etwa 200°C eine vollständige Umsetzung erzielt werden kann. Insgesamt kann dadurch eine deutliche Abnahme der Stickoxid-Emissionen verzeichnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Reduktionsmittel ein Harnstoff-Wasser-Gemisch in das Abgas zudosiert, da sich die sogenannte AdBlue-Technik bei Kraftfahrzeugen mittlerweile durchgesetzt hat. Um einen Ammoniakschlupf zu vermeiden, das heißt einen Austritt von Ammoniak (NH₃) in die Umgebung, der wegen des stechenden Geruchs, der Giftigkeit und der ätzenden Wirkung von Ammoniak (NH₃) Geruchs- und Gesundheits-Beeinträchtigungen zur Folge haben kann, konnte das Harnstoff-Wasser-Gemisch bei bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtungen bzw. Verfahren erst bei Abgastemperaturen im SCR-Katalysator von mehr als 250 bis 300°C zugesetzt werden, während bei erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtungen bzw. Verfahren die Zudosierung des Harnstoff-Wasser-Gemischs infolge des günstigeren Mischungsverhältnisses von Stickstoffdioxid (NO₂) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas bereits bei erheblich niedrigeren Temperaturen von etwa 200°C möglich ist.
Bevorzugt ist die Dosiereinrichtung ausgebildet, um das in einem Vorratsbehälter enthaltene, als Reduktionsmittel dienende flüssige Harnstoff-Wasser-Gemisch in das Abgas einzuspritzen oder einzudüsen, um eine gleichmäßiger Verteilung im Abgasstrom sicherzustellen. Das Wasser des Harnstoff-Wasser-Gemischs verdunstet durch die hohen Abgastemperaturen bereits vor dem Erreichen des SCR-Katalysators, während der Harnstoff (NH₂)₂CO nach der Verdunstung des Wassers sowohl im Abgasstrang und im SCR-Katalysator durch eine Hydrolysereaktion in Ammoniak (NH₃) und Wasser (H₂O) umgesetzt wird, von denen dann das erstere zur Reduktion der Stickoxide (NOx) dient.
Um den Platzbedarf und die Kosten der Abgasnachbehandlung zu verringern, wird das Abgas vorteilhaft unmittelbar nach dem Hindurchtritt durch den SCR-Katalysator gefiltert, bevorzugt beim Hindurchtritt durch einen Partikelfilter, der zweckmäßig in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem SCR-Katalysator angeordnet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Zudosierung oder Zufuhr des Reduktionsmittels in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur hinter dem Oxidationskatalysator und/oder vor dem SCR-Katalysator sowie in Abhängigkeit vom NOx-Gehalt der Abgase hinter dem Partikelfilter gesteuert wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem Abgasstrang eines Dieselmotors;
2a und 2b: Darstellungen des Grades der Stickoxid-Umsetzung in einem SCR-Katalysator der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Abhängigkeit vom NO₂-Anteil im Stickoxid (NOx) bei Temperaturen von 200°C bzw. 450°C.
Die in 1 dargestellte Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 dient zur Verringerung der Emission von Schadstoffen, insbesondere unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Stickoxiden (NOx) und Rußpartikeln im Abgas eines Dieselmotors 2 eines Kraftfahrzeugs.
Zur Beseitigung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 einen unmittelbar hinter dem Dieselmotor 2 in einem Abgasstrang 3 des Dieselmotors 2 angeordneten, vom Abgas durchströmten Oxidationskatalysator 4, in dem die im Abgas enthaltenen unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) mit Sauerstoff (O₂) zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) oxidiert werden. Die bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff in den Zylindern des Dieselmotors 2 sowie beim Hindurchtritt des Abgases durch den Oxidationskatalysator 4 entstehenden Stickoxide (NOx) werden mit Hilfe eines durch eine Dosiervorrichtung 5 in das Abgas zudosierten flüssigen Harnstoff-Wasser-Gemischs 6 reaktiv beseitigt, indem der Harnstoff (NH₂)₂CO aus dem Harnstoff-Wasser-Gemisch 6 nach dessen Zufuhr in den Abgasstrang 3 durch eine Hydrolysereaktion in Ammoniak (NH₃) und Wasser (H₂O) umgesetzt wird, von denen das erstere die im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) im inneren eines nachgeschalteten SCR-Katalysators 7 unter Bildung von molekularem Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) reduziert. Zur Beseitigung der Rußpartikel umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 weiter einen Partikelfilter 8, in dem die im Abgas enthaltenen Rußpartikel abgeschieden und periodisch verbrannt werden.
Der Oxidationskatalysator 4 ist in Motornähe hinter einer Lambdasonde 9 zur Messung des Verbrennungsluftverhältnisses im Abgasstrang 3 angeordnet, um sicherzustellen, dass das in den Oxidationskatalysator 4 eintretende Abgas eine möglichst hohe Abgastemperatur besitzt.
Die Dosiervorrichtung 5 zur Zudosierung des Harnstoff-Wasser-Gemischs 6 wird mittels einer Förderpumpe 10 aus einem im Kraftfahrzeug mitgeführten, das Harnstoff-Wasser- Gemisch 6 enthaltenden Tank 11 gespeist. Dabei wird die Förderpumpe 10 im Betrieb des Dieselmotors 2 von einer Steuerung 12 des Kraftfahrzeugs oder des Dieselmotors 2 in Abhängigkeit von der Abgastemperatur und dem Stickoxidgehalt des Abgases gesteuert.
Zur Messung der Abgastemperatur dient ein hinter dem Oxidationskatalysator 4 im Abgasstrang 3 angeordneter erster Temperatursensor 13 und ein hinter der Dosiervorrichtung 5 und vor dem SCR-Katalysator 7 im Abgasstrang 3 angeordneter zweiter Temperatursensor 14, während die Messung des Gesamtstickoxidgehalts des Abgases mit Hilfe eines hinter dem Partikelfilter 8 und vor einem Auspuff 16 angeordneten NOx-Sensors 15 vorgenommen wird. Während die Abgastemperatur vor allem für den Beginn der Zudosierung des Harnstoff-Wasser-Gemischs 6 in den Abgasstrang 3 entscheidend ist, hängt die Menge des in das Abgas zudosierten Harnstoff-Wasser-Gemischs 6 hauptsächlich vom Stickoxidgehalt der aus dem SCR-Katalysator 7 austretenden Abgase ab.
Der SCR-Katalysator 7 und der Partikelfilter 8 weisen ein gemeinsames Gehäuse 17 auf, in dem der SCR-Katalysator 7 vor dem Partikelfilter 8 angeordnet ist, so dass er zuerst vom Abgas durchströmt wird.
Bei der Reduktion der aus Stickstoffdioxid (NO₂) und Stickstoffmonoxid (NO) bestehenden Stickoxide (NOx) im SCR-Katalysator 7 finden die beiden folgenden Reaktionen statt: 4NO + 4NH₃ + O₂ ⇔ 4N₂ + 6H₂O (1) NO + NO₂ + 2NH₃ ⇔ 2N₂ + 3H₂O (2)
Wie sich aus den Figuren 2a und 2b entnehmen lässt, hängt bei diesen Reaktionen der Grad der Umsetzung der Stickoxide (NOx) in molekularen Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) im SCR-Katalysator 7 einerseits von der Abgastemperatur und andererseits vom Mischungsverhältnis von Stickstoffdioxid (NO₂) zu Stickstoffmonoxid (NO) bzw. vom prozentualen Anteil des Stickstoffdioxids (NO₂) in den Stickoxiden (NOx) ab. Während die Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis bzw. vom Stickstoffdioxidanteil bei hohen Abgastemperaturen nur sehr gering ist, so dass bei jedem Anteil zwischen 0 und 70% eine fast vollständige Umsetzung erzielt wird, wie am Beispiel der Abgastemperatur von 450°C in 2b dargestellt, ist der Grad der Umsetzung bei Temperaturen unterhalb von 250 bis 300°C sehr viel stärker vom Mischungsverhältnis bzw. vom Anteil des Stickstoffdioxids (NO₂) in den Stickoxiden (NOx) abhängig. Wie 2a zeigt, wird bei einer Abgastempe ratur von 200°C nur dann ein optimaler Umsetzungsgrad erreicht, wenn der Anteil des Stickstoffdioxids (NO₂) in den Stickoxiden (NOx) 50% beträgt, das heißt, bei einem Mischungsverhältnis von Stickstoffdioxid (NO₂) zu Stickstoffmonoxid (NO) von 1:1, während der Grad der Umsetzung beiderseits des optimalen Mischungsverhältnisses steil abnimmt. Das optimale Mischungsverhältnis von 1:1 wird dadurch erreicht, dass der Partikelfilter 8 in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator 7 angeordnet ist, so dass es anders als bei bekannten Abgasnachbehandlungseinrichtungen mit einem dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Partikelfilter 8 nicht zu einer Absorption von Stickstoffdioxid (NO₂) an den zur Verbrennung der Rußpartikel katalytisch beschichteten Oberflächen des Partikelfilters und damit zu einer Verschiebung des Mischungsverhältnisses zugunsten von Stickstoffmonoxid (NO) kommen kann.
Durch die Anordnung des Partikelfilters 8 hinter dem SCR-Katalysator 7 wird darüber hinaus vermieden, dass der Partikelfilter 8 nach einem Start des Dieselmotors 2 als Wärmesenke wirkt, die eine erwünschte schnellstmögliche Aufheizung des SCR-Katalysators verlangsamt und damit einer frühzeitigen Zudosierung des Harnstoff-Wasser-Gemischs 6 entgegen steht, da diese letztere zur Vermeidung von Ammoniakschlupf erst nach dem Erreichen einer bestimmten Mindesttemperatur vorgenommen werden kann, wenn im SCR-Katalysator 7 eine im Wesentlichen vollständige Umsetzung der Stickoxide (NOx) mit Ammoniak (NH₃) gewährleistet ist. Diese Mindesttemperatur kann durch die Anordnung des Partikelfilters 8 hinter dem SCR-Katalysator 7 auf etwa 200°C abgesenkt werden, da gemäß 2a bei dieser Temperatur und bei dem zuvor genannten optimalen Mischungsverhältnis von Stickstoffdioxid (NO₂) zu Stickstoffmonoxid (NO) im SCR-Katalysator 7 bereits eine im Wesentlichen vollständige Umsetzung der Stickoxide stattfindet.

1: Abgasnachbehandlungseinrichtung
2: Dieselmotor
3: Abgasstrang
4: Oxidationskatalysator
5: Dosiervorrichtung
6: Harnstoff-Wasser-Gemisch
7: SCR-Katalysator
8: Partikelfilter
9: Lambdasonde
10: Förderpumpe
11: Tank für Harnstoff-Wasser-Gemisch
12: Steuerung
13: Temperatursensor
14: Temperatursensor
15: NOx-Sensor
16: Auspuff
17: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10207986 A1 [0003]
- EP 1054722 B1 [0005]

Claims

Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang, der einen Oxidationskatalysator, eine in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Oxidationskatalysator angeordnete Dosiereinrichtung zum Zudosieren eines Reduktionsmittels in das Abgas und einen in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Dosiereinrichtung angeordneten SCR-Katalysator sowie einen Partikelfilter umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (8) in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem SCR-Katalysator (7) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (5) zum Zudosieren eines flüssigen Reduktionsmittels dient.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (5) zum Zudosieren eines flüssigen Harnstoff-Wasser-Gemischs (6) dient.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (5) mit einem das Reduktionsmittel (6) enthaltenden Vorratsbehälter (11) verbunden ist.
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Fördereinrichtung (10) zur Zufuhr von Reduktionsmittel (6) zur Dosiereinrichtung (5).
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Steuereinrichtung (12) zur Steuerung der Fördereinrichtung (10) in Abhängigkeit von mindestens einer Temperatur und/oder einem Stickoxidgehalt der Abgase im Abgasstrang (3).
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Oxidationskatalysator (4) im Abgasstrang (3) angeordneten Temperatursensor (13).
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Dosiereinrichtung (5) und vor dem SCR-Katalysator (7) im Abgasstrang (3) angeordneten Temperatursensor (14).
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch einen in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter (8) im Abgasstrang (3) angeordneten NOx-Sensor (15).
Abgasnachbehandlungseinrichtung einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (8) und der SCR-Katalysator (7) ein gemeinsames Gehäuse (17) aufweisen.
Abgasnachbehandlungseinrichtung einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem SCR-Katalysator (7) kein Partikelfilter (8) im Abgasstrang (3) angeordnet ist.
Verfahren zur Nachbehandlung von Abgas aus einer Brennkraftmaschine, bei dem das Abgas gefiltert und nacheinander durch einen Oxidationskatalysator und einen SCR-Katalysator geleitet wird, und bei dem zwischen dem Oxidationskatalysator und dem SCR-Katalysator ein Reduktionsmittel in das Abgas zudosiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas nach dem Hindurchtritt durch den SCR-Katalysator (7) gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas unmittelbar nach dem Hindurchtritt durch den SCR-Katalysator (7) gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas vor dem Hindurchtritt durch den SCR-Katalysator (7) nicht gefiltert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (6) in das Abgas zudosiert wird, sobald die Abgastemperatur im SCR-Katalysator 200°C übersteigt.